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1、第2 章 高频小信号谐振放大器的应用,2.1 概述 2.2 小信号选频放大器 2.3 集中选频放大器 2.4 放大器的噪声 2.5 技能训练2：接收与小信号调谐放大实训,返回,2.1 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
2、大。 高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。,下一页,返回,2.1 概 述,它们的主要功能都是从接收的众多电信号中选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力。谐振放大器常由晶体管等放大器件与LC 并联谐振回路或耦合谐振回路构成。它可分为调谐放大器和频带放大器，前者的谐振回路需调谐于需要放大的外来信号的频率上，后者谐振回路的谐振频率固定不变。集中选频放大器把放大和选频两种功能分开，放大作用由多级非谐振宽频带放大器承
3、担，选频作用由LC 带通滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等承担。目前广泛采用集中宽频带放大器。 高频小信号放大器主要性能指标有谐振增益、通频带、选择性及噪声系数等。,上一页,返回,2.2 小信号选频放大器,2.2.1 谐振回路 LC 谐振回路是高频电路里最常用的无源网络，利用LC 谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声（如在选频放大器和正弦波振荡器中），而且还可以进行信号的频幅转换和频相转换（如在斜率鉴频和相位鉴频电路里）。另外，用L、C 组件还可以组成各种形式的阻抗变换电路和匹配电路。所以，LC 谐振回路虽然结
4、构简单，但是在高频电路里却是不可缺少的重要组成部分，在本书所介绍的各种功能的高频电路单元里几乎都离不开它。,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,LC 谐振回路分为并联谐振回路和串联谐振回路两种形式，其中并联网络在实际电路中用途更广，且二者之间具有一定的对偶关系，所以只要理解并联回路，则串联谐振回路的特性用对偶方法就可以得到。 1. 并联谐振回路的选频特性 信号源与电感线圈和电容器并联组成的电路，叫作LC 并联回路，如图2-2 所示。图中与电感线圈L 串联的电阻R 代表线圈的损耗，电容C 的损耗不考虑。 为信号电流源。为了分析方便，在分析电路时也暂时不考虑信号源内阻的影响。,上一页,下一页,
5、返回,2.2 小信号选频放大器,1）并联谐振回路阻抗的频率特性 如图2-2 所示，并联谐振回路阻抗表达式为,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,根据式（2-8）和式（2-9）可作出并联谐振回路阻抗的幅频特性和相频特性曲线，如图 2-3 所示。下面讨论并联回路阻抗的频率特性。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,2）并联谐振回路端电压频率特性,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,谐振回路两端的电压为IsRP。由此可见，在信号源电流Is 一定的情况下，并联回路端电压UAB 的频率特性与阻抗频率特性相似，如图2-4 所示。 3）并联谐振回路谐振频率 在实际应用中，
6、并联谐振回路频率可以由式（2-13）近似求出。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,并联回路准确的谐振角频率可以从式（2-14）求出，即 4）品质因数 并联回路谐振时的感抗或容抗与线圈中串联的损耗电阻R 之比，定义为回路的品质因数，用Q0 表示，即,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,5）谐振曲线、通频带及选择性 将式（2-10）与式（2-12）相比，得,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,由式（2-17）可以绘出并联回路谐振曲线，如图2-5 所示。该曲线适用于任何LC 并联谐振回路。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,式中，f=f-f0，得
7、从式（2-19）可以看出，在谐振点f=0，U/U0=1。随着|f|的增大，U/U0 将减小。对于 同样的偏离值f，Q0 越高，U/U0 衰减就越多，谐振曲线就越尖锐。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,2.2.2 小信号谐振放大器 LC 谐振回路小信号放大器由放大器和LC 谐振回路组成。放大器件可采用单管、双管组合电路和集成放大电路等。谐振回路可以是单谐振回路或双耦合谐振回路。 1. 单调谐回路谐振放大器 单调谐放大器是由单调谐回路作为交流负载的放大器。图2-13 所示为一个共发射极单调谐放大器。它是接收机中一种典型的高频放大器电路。图中R1、R2 是放大器的偏置电阻，Re是直流
8、负反馈电阻，C1、Ce 是直流高频旁路电容，它们起稳定放大器静态工作点的作用。LC组成并联谐振回路，它与晶体管共同起着选频放大作用。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,当直流工作点选定以后，图2-13 可以简化成只包括高频通路的等效电路，如图2-14 所示。由图2-14 可以看出，电路分为三部分，即晶体管本身、输入电路和输出电路。晶体管是谐振放大器的重要组件，在分析电路时，可用Y 参数等效电路来说明它的特性。输入电路由电感L 与天线回路耦合，将天线来的高频信号通过它加到晶体管的输入端。输出电路是由L与C 组成的并联谐振回路，通过互感耦合将放大后的信号加到下一级放大器的输入端。本电
9、路的晶体管输出端与负载输入端采用了部分接入的方式。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,2. 单调谐放大器Y 参数等效电路 在分析高频小信号放大器时，采用Y 参数等效电路进行分析是比较方便的。所以在电路化简时，可将电路中的晶体管等效成一个Y 参数等效电路，如图2-15 所示。 将晶体管Y 参数等效电路代入图2-14 所示电路，则可得单调谐放大器Y 参数等效电路，如图2-16 所示。 3. 单调谐放大器的稳定性 由于晶体管集电极和基极之间存在结电容 ，其值虽然很小（只有几个皮法），但高频工作时仍然使放大器输出和输入之间形成反馈通路（称为内反馈），,上一页,下一页,返回,2.2 小信号
10、选频放大器,再加上谐振放大器中LC谐振回路阻抗的大小及性质随频率剧烈变化的特性，使这种内反馈随频率变化而剧烈变化，使放大器的幅频特性曲线发生变形，增益、通频带、选择性等都发生变化，严重时会在某频率点满足自激条件，放大器将产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。谐振放大器工作频率越高，LC 谐振回路的有载品质因数越高（即谐振增益越高），放大器的工作就越不稳定。为了减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用共射-共基组合电路构成调谐放大器。其交流通路如图2-21 所示。图中，VT1 接成共射组态，VT2 接成共基组态，由于共基电路输入阻抗很小，使共射电路的输出小，因此通过内反馈对输入端产生的影
11、响小，故可提高放大器的稳定性。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器 若单级调谐放大器的增益不能满足要求，可采用多级单调谐放大器级联。将图2-13 中晶体管VT2 集电极上加一个谐振回路，就可得双级单调谐放大电路，如图2-22 所示。下面分析多级单调谐回路谐振放大器的性能指标。,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,1. 电压增益 设有n 级单调谐放大器相互级联，且各级的电压增益相同，即 则级联后放大器的总电压增益为,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,谐振时，电压增益为 电压增益谐振曲线数学表达式为,上一页,下一页,返回,
12、2.2 小信号选频放大器,从式（2-46）可以看出，级联后总电压增益是单级电压增益的n 次方。在图2-23 中，n=1 是单级单调谐放大器电压增益谐振曲线；n=2 是双级单调谐放大器电压增益谐振曲线；n=3 是三级单调谐放大器电压增益谐振曲线。 2. 通频带 令式（2-46）等于0.707，可得n 级级联放大器的总通频带为,上一页,下一页,返回,2.2 小信号选频放大器,式中，f0/QL 是单级单调谐放大器通频带。 3. 选择性 令式（2-46）等于0.1，可得n 级级联放大器总通频带BW0.1 为 将上式与式（2-47）相比，得矩形系数为,上一页,返回,2.3 集中选频放大器,随着电子技术的
13、发展，在小信号选频放大电路中越来越多地采用集中选频放大器。集中选频放大器由两部分部件组成：一部分是宽频带带放大器一般由线性集成电路构成，当工作频率较高时，也可用其他分立元件宽频带放大器构成。 在集中选频放大器里，先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频，然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大。前者以集中预后者可充分发挥线性集成电路的优势。集中滤波器的任务是选频，要求在满足通频带指标的同时，矩形系数要好。其主要类型有集中LC 滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。,下一页,返回,2.3 集中选频放大器,集中LC 滤波器通常由一节或若干节LC 网络组成，根据网络理论，按照带宽
14、、衰减特性等要求进行设计，目前已得到了广泛应用。石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面滤波器等固体滤波器已被广泛地应用在通信电子线路中。 1. 陶瓷滤波器 在通信、广播等接收设备中，陶瓷滤波器有着广泛的应用。陶瓷滤波器是利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，常用的陶瓷滤波器是由锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3压电陶瓷材料（简称PZT）制成的。把这种陶瓷材料制成片状，两面涂银作为电极，经过直流高压极化后就具有压电效应。压电效应就是当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两电极间产生电压；,上一页,下一页,返回,2.3 集中选频放大器,而当陶瓷片两电极间加上电压时，它会产生机械变形。当外加交变电压的频
15、率等于陶瓷片固有频率时，机械振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。其等效电路和电路符号如图2-24（a）、（b）所示。图中Co 为压电陶瓷片的固定电容值，Lq、Cq、rq 分别相当于机械振动时晶体的等效质量、等效弹性系数和等效阻尼。压电陶瓷片的厚度、半径等尺寸不同时其等效电路参数也就不同。从图2-24 所示电路可见，陶瓷片具有两个谐振频率，一个是串联谐振频率fs，另一个是并联谐振频率fp。在串联谐振频率时陶瓷片的等效阻抗最小（20 ），并联谐振频率时，陶瓷片的等效阻抗最大，其阻抗频率特性如图2-25 所示。,上一页,下一页,返回,
16、2.3 集中选频放大器,陶瓷滤波器具有无须调谐、体积小、加工方便等优点，但工作频率不太高（几十兆赫兹以下）、相对频宽较窄。使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗匹配，其输出阻抗也须与负载阻抗匹配；否则其频率特性将会变坏。另外，其频率特性较难控制，生产一致性较差。,上一页,下一页,返回,2.3 集中选频放大器,石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q 值高很多，因此频率特性好，但价格较高。 2. 声表面波滤波器 目前，应用最普遍的集中滤波器是声表面波滤波器。声表面波滤波器SAWF（SurfaceAcoustic Wave Filter）是利用某些晶体的压电效应和表面波传播的物理特性制成的一种新型电声换能器件。压电效应是指，当晶体受到应力作用时，在它的某些特定表面上将出现电荷，而且应力大小与电荷密度之间存在着线性关系，这是正压电效应；当晶体受到电场作用时，在它的某些特定方向上将出现应力变化，而且电场强度与应力变化之间存在着线性关系，这是逆压电效应。,上一页,下一页,返回,2.3 集中选频放大器,自20 世纪60 年代中期问世以来，声表面波滤波器的发展非常迅速
