第1章 小信号调谐放大器-1.1.ppt

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1、小信号调谐放大器小信号调谐放大器 第一章第一章 小信号调谐放大器小信号调谐放大器1.1 概述概述 1.2 谐振回路谐振回路1.3 晶体管高频小信号等效电路晶体管高频小信号等效电路1.4 晶体管单回路谐振放大器晶体管单回路谐振放大器1.5 谐振放大器的级联谐振放大器的级联1.6 小信号集中选频放大器小信号集中选频放大器小信号调谐放大器小信号调谐放大器1.1 概述概述 在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步

2、处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成，这种小信号放大器是一种谐振放大器。混频器输出端也接有这种小信号放大器，作为中频放大器对已调信号进行放大。实际上不只是在通信领域，高频小信号放大器广泛用于广播、电视、测量仪器等设备中。小信号调谐放大器小信号调谐放大器一、谐振放大器的作用及分类一、谐振放大器的作用及分类 所谓的谐振放大器就是采用谐振回路作负载的放大器；谐振放大器的作用：具有滤波或选频作用及放大作用；谐振放大器的分类：可分为调谐放大器和频带放大器（前前者的谐振回路对外来信号进行调谐，后者的调谐回路的谐振频率不变者的谐振回路对外来信号进行调谐，后者的调谐回路的

3、谐振频率不变）。高频小信号调谐放大器是无线电通信设备中的重要电路，它由晶体管和选频网络共同组成的，具有放大和选频双重功能。下面来具体看一下小信号调谐放大器的特点。小信号调谐放大器小信号调谐放大器二、小信号谐振放大器的特点二、小信号谐振放大器的特点 工作频率较高，中心频率一般在几百kHz到几百MHz，频带宽度在几kHz到几十MHz；此类放大器输入信号电压一般较小（多在微伏到毫伏）（多在微伏到毫伏），多工作在线性范围内（是甲类功放）（是甲类功放）；集电极负载采用了调谐回路；对工作在谐振频率的信号有最强的放大作用，对远离谐振 频率的信号放大作用很差。三、小信号谐振放大器的使用场合三、小信号谐振放大器

4、的使用场合 由于其特点决定了它多用于混频前的高频放大器和混频后的中频放大器。小信号调谐放大器小信号调谐放大器1.谐振增益（放大系数）谐振增益（放大系数）放大器的谐振增益是指放大器在谐振频率上的电压(或功率)增益，记为Au或Ap，其值可用分贝(dB)表示。电压增益：功率增益：分贝形式：放大器的增益具有与谐振回路相似的谐振特性，如图1.所示。四、小信号谐振放大器的性能指标四、小信号谐振放大器的性能指标 高频小信号放大器主要性能指标有：谐振增益、通频带、选择性、工作稳定性及噪声系数等。小信号调谐放大器小信号调谐放大器 图中f0表示放大器的中心谐振频率，Au/Au0表示相对电压增益。当输入信号的频率恰

5、好等于f0时，放大器的增益最大，具有与谐振回路相似的谐振特性。图图1.1 1.1 谐振放大器的幅频特性曲线谐振放大器的幅频特性曲线 小信号调谐放大器小信号调谐放大器2.通频带（通频带（B、BW、BW0.7）通频带是指信号频率偏离放大器的谐振频率f0时，放大器的电压增益Au下降到谐振电压增益Au0的 时，所对应的频率范围，一般用BW0.7表示：,2f 0.7也称为3分贝带宽。图图1.1 1.1 谐振放大器的幅频特性曲线谐振放大器的幅频特性曲线 小信号调谐放大器小信号调谐放大器0.5为什么要求通频带？放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让

6、必要的信号频谱分量通过放大器。与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变。并且通频带愈宽，放大器增益愈小。小信号调谐放大器小信号调谐放大器3.选择性选择性 选选择择性性是是指指谐谐振振放放大大器器从从输输入入信信号号中中选选出出有有用用信信号号成成分分并并加加以以放放大大，而而将将无无用用的的干干扰扰信信号号加加以以有有效效抑抑制制的的能能力力。为了准确地衡量小信号谐振放大器的选择性，通常选用“抑制比”和“矩形系数”两个技术指标。1)抑制比抑制比(d或或S)抑制比可定义为：谐振增益Au0与通频带以外某一特定频率上的电压增益

7、Au的比，用d(dB)表示，记为：式中：式中：Au为干扰信号的放大倍数，为干扰信号的放大倍数，Au0为谐振点为谐振点f0的放大倍数。的放大倍数。例 Au0=100 ,Au=1 用分贝表示dn(dB)=20 lgdn小信号调谐放大器小信号调谐放大器2)矩形系数矩形系数(K0.1或或Kr0.1或或 K0.01)按理想情况，谐振曲线应为一矩形。为了表示实际曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。假设谐振放大器是理想放大器，其特性曲线是如图1.1所示的理想矩形。为了评价实际放大器的谐振曲线与理想曲线的接近程度，引入矩形系数，定义为：定义为：或 或图图1.1 1.1 谐振放

8、大器的幅频特性曲线谐振放大器的幅频特性曲线 其中，其中，BW 0.7是放大器的通频带，是放大器的通频带，BW0.1是相对电是相对电压增益值下降到压增益值下降到0.1时的频带宽度；时的频带宽度；2 f 0.1,2 f 0.01分别为放大倍数下降至分别为放大倍数下降至0.1和和0.01处的带宽。处的带宽。显然显然K（Kr）愈接近于愈接近于1 1越好，越好，说说明放大器的谐振特性曲线就愈接近于理明放大器的谐振特性曲线就愈接近于理想曲线，放大器的选择性就愈好想曲线，放大器的选择性就愈好小信号调谐放大器小信号调谐放大器5.噪声系数噪声系数 放大器的噪声性能可用噪声系数表示：（NF越接近1越好）在多级放大

9、器中，前两级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。注意：以上这些指标要求，相互之间即有联系又有矛盾，如注意：以上这些指标要求，相互之间即有联系又有矛盾，如增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾，故应增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾，故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。根据需要决定主次，进行分析和讨论。为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。4.工作稳定性工作稳定性 指在电源电压变化或器件参数变化时以上三参数的稳定程度。小信号调谐放大器小信号调谐放大器1.2 谐振回路谐振回路 本节主

10、要讨论并联谐振回路及其选频特性，具体内容如下：本节主要讨论并联谐振回路及其选频特性，具体内容如下：1.2.1 并联谐振回路及其特点并联谐振回路及其特点1.2.2 并联谐振回路的频率特性及通频带并联谐振回路的频率特性及通频带1.2.3 部分接入的并联谐振回路部分接入的并联谐振回路1.2.4 耦合谐振回路耦合谐振回路小信号调谐放大器小信号调谐放大器图图1.2 并联谐振电路并联谐振电路 并联谐振回路由电感线圈L、电容器和外接信号源相互并联而成，如图1.2所示。一般电容器损耗很小，可以认为电容支路只有纯电容；电感支路中，线圈本身损耗用电阻r表示；通常认为线圈的损耗就是回路的损耗。在分析电路时，往往需要

11、把电感与电阻串联支路转换成电感与电阻并联的回路形式，当L r时，其换算公式可近似为图1.2中所示。小信号调谐放大器小信号调谐放大器1.2.1 并联谐振回路及其特点并联谐振回路及其特点1.并联谐振回路阻抗特性并联谐振回路阻抗特性 由图1.2可知，并联回路的阻抗Zp为:(式1.1)图图1.2 并联谐振回路及其等效电路、并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性阻抗特性和辐角特性 (a)并联谐振回路并联谐振回路;（b）等效电路等效电路;（c）阻抗特性阻抗特性;（d）辐角特性辐角特性 小信号调谐放大器小信号调谐放大器谐振频率谐振频率 定定义义使使感感抗抗与与容容抗抗相相等等的的频频率率为为并并联联谐

12、谐振振频频率率0,并联谐振回路谐振时其电抗满足：故有谐振角频率谐振角频率：特性阻抗特性阻抗：2.并联谐振的品质因数并联谐振的品质因数 回路的品质因数Q实质上是衡量回路储能与耗能相对大小的重要参数，其定义为：回路的感抗值（或容抗值）与回路的损耗电阻定义为：回路的感抗值（或容抗值）与回路的损耗电阻的比值。的比值。(式1.2)(式1.3)(式1.5)令Zp的虚部为零,求解方程的根就是0,可得：(式1.4)小信号调谐放大器小信号调谐放大器谐振时，并联谐振电路表现为纯阻性，故有谐振阻抗Rp：3.谐振电阻谐振电阻(式1.6)4.回路阻抗特性回路阻抗特性又因为故有：参考图1.2(c)可见，回路的并联谐振电阻

13、越大品质因数Q越 大，回路的阻抗特性曲线越尖锐。小信号调谐放大器小信号调谐放大器图图1.3 并联振荡回路谐振时的电流、并联振荡回路谐振时的电流、电压关系电压关系 图图1.2 并联谐振回路及其等效电路、并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性阻抗特性和辐角特性 (a)并联谐振回路并联谐振回路;（b）等效电路等效电路;（c）阻抗特性阻抗特性;（d）辐角特性辐角特性 小信号调谐放大器小信号调谐放大器1并联谐振回路谐振曲线分析由于：所以，（式1.7）可简化为：(1)称为谐振曲线的相对抑制比相对抑制比()，它反映了回路对偏离谐振频率的抑制能力。(式1.7)(2)当相对抑制比从1下降为谐振值的 时对应

14、的频率范围称为谐谐振回路的通频带振回路的通频带,也称回路带宽也称回路带宽,通常用通常用B或或BW或或2 f 0.7来表示。来表示。图图1.4 并联谐振曲线并联谐振曲线(式1.8)1.2.2 并联谐振回路的频率特性及通频带并联谐振回路的频率特性及通频带小信号调谐放大器小信号调谐放大器下面具体分析B的值（由式1.8）：由定义，得：解得：将f1和 f2分别带入上式，有：两式相减得：由于：，得：结论：为了滤除其他频率信号的干扰，在通频带外，值结论：为了滤除其他频率信号的干扰，在通频带外，值越小越好。越小越好。(式1.9)小信号调谐放大器小信号调谐放大器 例例 1 一并联谐振回路如图示,已知 试求该回路

15、的谐振频率f0、谐振电阻R和通频带BW。解解 小信号调谐放大器小信号调谐放大器 例例 2 设一放大器以简单并联振荡回路为负载,信号中心频率fs=10MHz,回路电容C=50 pF,(1)试计算所需的线圈电感值。(2)若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带宽。(3)若放大器所需的带宽B=0.5 MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求?解解 (1)计算L值。由式(1.4),可得将f0以兆赫兹(MHz)为单位,以皮法(pF)为单位,L以微亨（H）为单位，上式可变为一实用计算公式:将f0=fs=10MHz代入,得小信号调谐放大器小信号调谐放大器 (2)回路谐振电阻和

16、带宽。由式(1.6)回路带宽为：(3)求满足0.5MHz带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为R1,并联后的总电阻为R1R0,总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式,有此时要求的带宽B=0.5 MHz,故回路总电阻为：需要在回路上并联7.97 k的电阻。小信号调谐放大器小信号调谐放大器 一个理想的谐振回路，幅频特性应该是一个矩形，在通频带内信号可以无衰减地通过，通频带外衰减为无限大，实际谐振回路选择性的好坏，应以其幅频特性接近矩形的程度来衡量，由此引入矩形系数矩形系数：谐振回路的 值下降到0.1时，频带宽度 与 值下降到0.7时频带宽度 之比，即：下图是实际回路与理想回路的幅频特性，由图可知：理想

17、回路 ，而实际回路的矩形系数显然相关甚远。2矩形系数 图图1.5 幅频特性比较幅频特性比较又因为：得：结论：矩形系数越接近结论：矩形系数越接近1越好，而单调谐回路越好，而单调谐回路不论不论Q为多大，其矩形系数为定值（为多大，其矩形系数为定值（10），其），其选择性不理想。选择性不理想。1.2 谐振回路谐振回路 小信号调谐放大器小信号调谐放大器1.2.3 部分接入的并联谐振回路部分接入的并联谐振回路 考虑信号源内阻S和负载电阻L后，并联谐振回路的电路如图1.6所示。由式（1.5）可知，回路的空载值为：回路有载值为：图图1.6 考虑信号源内阻及负载的并联谐振回路考虑信号源内阻及负载的并联谐振回路小

18、信号调谐放大器小信号调谐放大器 上图中回路总电阻 R=RsRLRp，回路总电导g=gs+gL+gp=，s和L分别是信号源内电导和负载电导。可见，L0，且并联接入的s和L越小，则L越越小小，带宽增加，回路选择性越差带宽增加，回路选择性越差。实际上，信号源内阻和负载不一定是纯电阻，可能还包括电抗分量。如要考虑信号源输出电容和负载电容，由于它们也是和回路电容并联的，所以总电容为三者之和，这样还将影响回路的谐振频率。因此，必须设法尽量消除接入信号源和负载对回路的影响。小信号调谐放大器小信号调谐放大器例例3 设给定并联谐振回路的f0=5MHz,C=50pF,试求L,Q0。若把 加宽到300KHz，应在回

19、路两端并联上一个阻值为多大的电阻？解：根据前面分析的公式有：小信号调谐放大器小信号调谐放大器思考题：试求图中思考题：试求图中R1、R2、L与与C之间的关系，以使整个电路之间的关系，以使整个电路对于任何频率都呈现纯阻性。对于任何频率都呈现纯阻性。小信号调谐放大器小信号调谐放大器 采用阻抗变换电路可以改变信号源或负载对于回路的等效阻抗。若使s或L经变换后的等效电阻增加，再与p并联，可使回路总电阻减小不多，从而保证L与0相差不大；若信号源电容与负载电容经变换后大大减小，再与回路电容并联，可使总等效电容增加很少，从而保证谐振频率基本保持不变。下面介绍几种常用的阻抗变换电路。小信号调谐放大器小信号调谐放

20、大器图图1.7 自耦变压器阻抗变换电路自耦变压器阻抗变换电路1 2 小信号调谐放大器小信号调谐放大器 P1=P2,U1:U2:因为1、自耦变压器电路、自耦变压器电路 图1.7(a)所示为自耦变压器阻抗变换电路，(b)为考虑次级后的初级等效电路，L 是L等效到初级的电阻。在图中，负载L经自耦变压器耦合接到并联谐振回路上。设自耦变压器损耗很小，可以忽略，则变换前后的消耗功率P1、P2近似相等，且初、次级线圈上的电压U1（1、3之间电压）和U2（2、3之间电压）之比应等于匝数之比。设初级线圈与抽头部分次级线圈匝数之比12，则有：小信号调谐放大器小信号调谐放大器所以 对于自耦变压器，总是小于或等于,所

21、以,L等效到初级回路后阻值增大，从而对回路的影响将减小。越小,则L越大，对回路的影响越小。所以，的的大大小小反反映映了了外外部部接接入入负负载载（包包括括电电阻阻负负载载与与电电抗抗负负载载）对对回回路路影影响响大大小小的的程程度度，可将其定义为接入系数。可将其定义为接入系数。小信号调谐放大器小信号调谐放大器2、互感变压器阻抗变换电路互感变压器阻抗变换电路 图1.8(a)为变压器阻抗变换电路，(b)为考虑次级后的初级等效电路，L是L等效到初级的电阻。若1、2分别为初、次级电感线圈匝数，则接入系数21。图图1.8 变压器阻抗变换电路变压器阻抗变换电路小信号调谐放大器小信号调谐放大器 利用与自耦变

22、压器电路相同的分析方法，将其作为无损耗的理想变压器看待，可求得L折合到初级后的等效电阻图图1.8 变压器阻抗变换电路变压器阻抗变换电路小信号调谐放大器小信号调谐放大器3、电容分压式电路、电容分压式电路 图1.9(a)是电容分压式阻抗变换电路，(b)是L等效到初级回路后的初级等效电路。同样是根据变换前后负载上消耗功率相等，可以推导出L折合到初级回路后的等效电阻：其中是接入系数，在这里总是小于。如果把RL折合到回路中1，2两端，则等效电阻为：小信号调谐放大器小信号调谐放大器 图图1.9 电容分压式阻抗变换电路电容分压式阻抗变换电路小信号调谐放大器小信号调谐放大器4、电感分压式电路、电感分压式电路

23、图1.10(a)所示为电感分压式阻抗变换电路，它与自耦变压器阻抗变换电路的区别在于1与2是各自屏蔽的，没有互感耦合作用。(b)图是L等效到初级回路后的初级等效电路，12。L折合到初级回路后的等效电阻为：其中是接入系数，在这里总是小于。小信号调谐放大器小信号调谐放大器图图1.10 电感分压式阻抗变换电路电感分压式阻抗变换电路小信号调谐放大器小信号调谐放大器例例3 3电路图电路图 例例3 某接收机输入回路的简化电路如图例所示。已知1=5pF，2=15pF，s=75，L=300。为了使电路匹配，即负载L等效到回路输入端的电阻Ls，线圈初、次级匝数比12应该是多少？解：由图可见，这是自耦变压器电路与电容分压式电路的级联。L等效到两端的电阻为（参书13页表1-2）L等效到输入端（Rs两端）的电阻为：小信号调谐放大器小信号调谐放大器如要求Ls，则 所以 在常用阻抗变换电路中，所导出的接入系数均是近似值，但对于实际电路来说，其近似条件容易满足，所以可以容许引入的近似误差。采用以上四种电路虽然可以在较宽的频率范围内实现阻抗变换，但严格计算表明，各频率点的变换值有差别。如果要求在较窄的频率范围内实现理想的阻抗变换，可采用选频匹配网络。