《高頻電子技術(shù)》-高頻電子技術(shù)第3章

3.1概述在無線通信中，發(fā)射與接收的信號應(yīng)當(dāng)適合于空間傳輸。所以，被通信設(shè)備處理和傳輸?shù)男盘柺墙?jīng)過調(diào)制處理過的高頻信號，這種信號具有窄帶特性。而且，通過長距離的通信傳輸，信號受到衰減和干擾，到達接收設(shè)備的信號是非常弱的高頻窄帶信號，在做進一步處理之前，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過放大和限制干擾的處理。這就需要通過高頻小信號放大器來完成。高頻小信號放大電路按頻譜分類可分為窄頻帶放大電路和寬頻帶放大電路兩大類。窄頻帶放大電路對中心頻率在幾百千赫茲到幾百兆赫茲，頻譜寬度在幾千赫茲到幾十兆赫茲內(nèi)的微弱信號進行不失真的放大，故不但需要有一定的電壓增益，而且需要有選頻能力。寬頻帶放大電路對幾兆赫茲至幾百兆赫茲較寬頻帶內(nèi)的微弱信號進行不失真的放大，故要求放大電路的下限截止頻率很低（有些甚至要求到零頻即直流），上限截止頻率很高。下一頁返回3.1概述窄頻帶放大電路由雙極型晶體管（以下簡稱晶體管）、場效應(yīng)管或集成電路等有源器件提供電壓增益，由LC諧振回路、陶瓷濾波器、石英晶體濾波器或聲表面波濾波器等器件實現(xiàn)選頻功能。它有兩種主要類型：以分立元件為主的諧振放大器和以集成電路為主的集中選頻放大器。寬頻帶放大電路也是由晶體管、場效應(yīng)管或集成電路提供電壓增益。為了展寬工作頻帶，不但要求有源器件的高頻性能好，而且在電路結(jié)構(gòu)上采取一些改進措施。高頻小信號放大電路是線性放大電路。按電路形式分為：單級、級聯(lián)放大器。按負(fù)載性質(zhì)分為：諧振、非諧振放大器。小信號調(diào)諧放大器有分散選頻和集中選頻兩大類。分散選頻的每級放大器都接入諧振負(fù)載，為分立元件電路；集中選頻的調(diào)諧放大器都為集成寬帶放大器，且諧振負(fù)載多為集中濾波器。分散選頻的小信號調(diào)諧放大器又根據(jù)負(fù)載選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，分為單調(diào)諧回路調(diào)諧放大器和雙調(diào)諧回路調(diào)諧放大器。上一頁下一頁返回3.1概述本章將主要介紹晶體管單級單調(diào)諧窄帶諧振放大器。Y參數(shù)等效電路和混合π形等效電路是分析高頻晶體管電路線性工作的重要工具，晶體管、場效應(yīng)管和電阻引起的電噪聲將直接影響放大器和整個電子系統(tǒng)的性能。高頻小信號放大器主要用于通信系統(tǒng)接收機中的高頻放大和中頻放大，其主要作用是進行選頻、放大。上一頁返回3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)高頻小信號放大器的主要性能指標(biāo)包括：電壓增益、通頻帶、選擇性、工作穩(wěn)定性及噪聲系數(shù)等。3.2.1電壓增益增益定義為放大器的輸出信號電量與輸入信號電量的比值，用A加下標(biāo)（類似于低頻放大器的增益）來表示。可用電壓增益和功率增益來表示。通常也用分貝來表示：、。實際上，在描述高頻小信號放大器的增益時通常指的是諧振增益，即高頻小信號放大器在諧振頻率f0上的電壓增益。諧振增益是用來衡量小信號諧振放大器對有用信號的放大能力的。對高頻小信號放大器諧振增益有影響的因素有：所使用的晶體管，晶體管的β值不同，組成的放大器的增益不同；通頻帶寬度，一般通頻帶越寬，增益就越低；穩(wěn)定性，一般放大器的增益越大，穩(wěn)定性就越差。下一頁返回3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)考慮這些因素后，單級小信號放大器的增益一般為20～30dB。但是實際應(yīng)用時往往要求諧振增益要在100dB以上，所以正真實用的小信號放大器通常是多級級聯(lián)的。3.2.2通頻帶通頻帶是指信號頻率偏離放大器的諧振頻率f0時，放大器的電壓增益Au下降到諧振電壓增益Au0

的倍時，所對應(yīng)的頻率范圍，一般用BW0.7表示。如圖3?1所示，BW0.7=fH?fL。放大器的通頻帶通常與負(fù)載的形式和負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)。一般就是品質(zhì)因數(shù)越高，其通頻帶越窄。多級級聯(lián)后通頻帶會變窄。放大器的用途不同，對通頻帶的要求也不相同。一般調(diào)幅廣播接收機的中頻放大器的通頻帶為8kHz左右，調(diào)頻廣播接收機的中頻放大器的通頻帶為200kHz左右，電視接收機的高頻放大器和中頻放大器的通頻帶一般為6～8MHz。上一頁下一頁返回3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)3.2.3選擇性選擇性表示放大器對通頻帶以外的各種干擾信號及其噪聲的濾除能力，或者說，從各種干擾中選出有用信號的能力。放大電路的選擇性主要由選頻電路來決定。衡量選擇性的具體指標(biāo)是矩形系數(shù)Kr0.1，這個參數(shù)定義為

（3?1）式中，BW0.1為相對電壓增益下降到0.1時所確定的頻帶寬度，如圖3?1所示。放大器具有理想的選擇性是當(dāng)Kr0.1=1時，而實際高頻小信號放大器的矩形系數(shù)都是大于1的。矩形系數(shù)越接近于1，其選擇性就越好。上一頁下一頁返回3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)3.2.4工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性是指選頻放大器中的非線性放大元器件的偏置、交流參數(shù)以及其他電路元件參數(shù)發(fā)生變化時，電路性能（如增益、通頻帶、矩形系數(shù)等）的穩(wěn)定程度。為使放大器穩(wěn)定工作，必須采取穩(wěn)定措施，即限制每級增益，選擇內(nèi)反饋小的晶體管，應(yīng)用中和或失配方法等。3.2.5噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)表征信號經(jīng)放大后，信噪比變壞的程度。噪聲系數(shù)的定義是放大器的輸入信噪比（輸入端的信號功率與噪聲功率之比）與輸出信噪比之比，即

（3?2）上一頁下一頁返回3.2高頻小信號放大器的性能指標(biāo)噪聲系數(shù)通常都是大于1的，越接近于1，放大器輸出噪聲就越小。放大器中產(chǎn)生的噪聲有放大器本身產(chǎn)生的噪聲及其相關(guān)電路產(chǎn)生的噪聲。在多級級聯(lián)的放大器中，前一級、二級放大器的噪聲對整個放大器的噪聲起決定作用。為了減少放大器的內(nèi)部噪聲，在設(shè)計與制作時應(yīng)當(dāng)采用低噪聲管，正確地選擇工作點電流，選用合適的電路等。上一頁返回3.3LC諧振回路的特性高頻小信號諧振放大器的性能在很大程度上取決于LC并聯(lián)諧振回路，在高頻小信號放大器中，LC并聯(lián)諧振回路的主要作用是選頻和阻抗變換。并且LC并聯(lián)諧振回路在后面的各章，如正弦波振蕩器、調(diào)制、鑒頻、混頻電路中都有很重要的作用，所以有必要先介紹LC并聯(lián)諧振回路。3.3.1并聯(lián)諧振回路的阻抗頻率特性LC并聯(lián)諧振回路如圖3?2所示，電感線圈L、電容器C與外加信號源相互并聯(lián)構(gòu)成振蕩回路。由于電容器的損耗很小，可以認(rèn)為損耗主要集中在電感支路，用電阻R表示電感的損耗。在分析并聯(lián)諧振回路時，采用恒流源（實際應(yīng)用時外加信號源內(nèi)阻很大）比較方便。下一頁返回3.3LC諧振回路的特性但是在分析時暫時不考慮恒流源的內(nèi)阻，后面有一節(jié)專門分析恒流源內(nèi)阻對并聯(lián)諧振回路的影響。并聯(lián)諧振回路兩端的阻抗為在實際應(yīng)用中，通常都滿足ωL遠遠大于R的條件，在后面的分析中，都考慮此條件，無需另加說明。所以R+jωL≈jωL，代入式（3?3）中，則有上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性當(dāng)外加信號源的頻率等于LC諧振回路的固有頻率時，則回路發(fā)生諧振。發(fā)生并聯(lián)諧振的條件是整個回路的電抗等于零，即

（ω0

為諧振時的頻率），由式（3?4）可知，此時并聯(lián)諧振回路阻抗達到最大值，且為純電阻，通常用RP表示。由于發(fā)生諧振時，可得諧振頻率為上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性由在LC諧振回路中，把感抗值或者容抗值比上回路的等效損耗電阻R，稱為并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，用Q表示。即把式（3?6）代入式（3?8）得上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性由引入品質(zhì)因數(shù)Q是為了評價諧振回路損耗的大小，由式（3?9）可知，Q值越大，則回路的損耗就越小；反之，損耗就越大。把式（3?8）代入式（3?7），可得并聯(lián)諧振回路主要研究的是諧振頻率ω0附近的頻率特性，因為有用信號頻譜在ω0附近。由于實際頻率ω十分接近ω0，所以可以近似認(rèn)為ω+ω0≈2ω0，ωω0

≈ω02

，同時令ω?ω0=Δω，所以式（3?11）可以寫成上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性可得并聯(lián)諧振回路兩端的阻抗的模和相角分別為根據(jù)式（3?13）可以作出并聯(lián)諧振回路的阻抗幅頻特性曲線和相頻特性曲線，如圖3?3和圖3?4所示。由圖3?3和圖3?4可知，并聯(lián)諧振回路的阻抗頻率特性如下。（1）當(dāng)回路諧振時，即ω=ω0時，并聯(lián)諧振回路的阻抗為一純電阻，數(shù)值可達到最大值

其中，RP

稱為諧振電阻，阻抗相角為?=0。上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性（2）當(dāng)回路的角頻率ω>ω0

時，并聯(lián)回路總阻抗呈電容性。（3）當(dāng)回路的角頻率ω<ω0時，并聯(lián)回路總阻抗呈電感性。（4）Q值越大，幅頻特性曲線越尖銳，相頻特性在諧振頻率附近就越陡峭。上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性3.3.2并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性由圖3?3知，并聯(lián)諧振回路兩端的電壓應(yīng)該等于流過并聯(lián)諧振回路的電流與并聯(lián)諧振回路的阻抗之積，即把式（3?12）代入式（3?15），得在上式中

為諧振時并聯(lián)回路兩端的電壓，簡稱諧振電壓：Q為品質(zhì)因數(shù)；Δf(Δω)稱為并聯(lián)回路的絕對失諧量；f0

為并聯(lián)諧振回路的諧振頻率。把式（3?16）兩邊除去并取其模，有上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性根據(jù)前面通頻帶的定義，的比值由1變?yōu)闀r，所對應(yīng)的2Δf即為通頻帶，即整理式（3-18）（把2Δω?fù)Q成BW0.7

），可得上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性根據(jù)式（3?17）畫出幅頻特性曲線，如圖3?5

所示。由圖3?5或者式（3?19）可以看出，回路的品質(zhì)因數(shù)越高，回路損耗就越小，則幅頻特性曲線越尖銳，并聯(lián)諧振回路的通頻帶就越窄，回路的選擇性就越好；品質(zhì)因數(shù)越低，回路的損耗就大，并聯(lián)諧振回路的通頻帶就越寬，選擇性就越差。需要說明的是在LC并聯(lián)諧振回路中，通頻帶并不是越窄就越好，如果通頻帶比有用信號的頻譜還窄，那么有用信號就有一部分無法通過，最終導(dǎo)致輸出信號嚴(yán)重失真。理想的幅頻特性曲線是矩形。例3.1并聯(lián)諧振回路如圖3?2所示。已知L=180μH，C=140pF，R=15Ω，試求：（1）該回路的諧振頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q及諧振電阻RP。（2）f/f0=1.02、1.05、2時，并聯(lián)回路的等效阻抗及相移。上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性解：（1）求f0

、Q、RP。根據(jù)（2）求回路的等效阻抗和相移。根據(jù)上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性當(dāng)f/f0=1.02，有當(dāng)f/f0=1.05，有上一頁下一頁返回3.3LC諧振回路的特性當(dāng)f/f0=2，有上述計算說明，當(dāng)輸入信號的頻率偏離中心頻率越遠，則回路對信號的相位移動就越大，并聯(lián)諧振回路對信號呈現(xiàn)的阻抗就越小，即信號在并聯(lián)諧振回路兩端的壓降就越小。上一頁返回3.4信號源及負(fù)載對并聯(lián)諧振回路的影響在小信號放大器中，LC并聯(lián)諧振回路是作為放大器的負(fù)載，同時小信號放大器本身也要有負(fù)載，如圖3?6所示。由圖3?6可知，三極管及輔助元件構(gòu)成放大器，LC并聯(lián)諧振回路作為放大器的負(fù)載，它們構(gòu)成高頻小信號選頻放大器。RL是整個小信號選頻放大器的負(fù)載，也是并聯(lián)諧振回路的負(fù)載。實際上三極管及其輔助元件相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路的信號源，RL

相當(dāng)于并聯(lián)諧振回路的負(fù)載。前面分析并聯(lián)諧振回路的特性是基于忽略信號源及其負(fù)載的情況，現(xiàn)在有了信號源及其負(fù)載后，并聯(lián)諧振回路的特性會受到影響嗎？下面來分析一下。把三極管及其輔助元件等效為含有內(nèi)阻RS的電壓源，那么圖3?6就可以簡化為圖3?7（a）。為了分析方便，把電感L與損耗電阻R串聯(lián)電路變?yōu)椴⒙?lián)形式，則L、R串聯(lián)支路的導(dǎo)納為下一頁返回3.4信號源及負(fù)載對并聯(lián)諧振回路的影響前面在分析LC并聯(lián)諧振回路時提及，實際上R<<ωL，因此有R2+(ωL)2

≈(ωL)2

，則式（3?20）就變?yōu)橛捎谘芯恐C振都是在ω0附近，所以有ω≈ω

0

，且有，則把式（3?22）代入式（3?21）有上一頁下一頁返回3.4信號源及負(fù)載對并聯(lián)諧振回路的影響式（3?23）剛好可以看成是諧振電阻RP

和電感L并聯(lián)的總導(dǎo)納，由此可得，電感L與損耗電阻R串聯(lián)支路可以近似等效為諧振電阻RP與電感L的并聯(lián)支路。所以圖3?7（a）可以等效為圖3?7（b）。在圖3?7（b）中，與前面分析的單純的并聯(lián)諧振回路比較，多了兩個并聯(lián)電阻RS和RL

，令，則帶有信號源和負(fù)載的LC并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)為［見式（3?10）］：，稱Qe

為有載品質(zhì)因數(shù)。相對的，被稱為空載品質(zhì)因數(shù)。很明顯，空載品質(zhì)因數(shù)Q要比有載品質(zhì)因數(shù)Qe高。由此可見，當(dāng)并聯(lián)諧振回路帶上信號源和負(fù)載后，其品質(zhì)因數(shù)要下降，通頻帶要變寬，選擇性要變差。如果選擇性太差，高頻小信號放大器就起不到選頻的目的。所以要想辦法減小信號源和負(fù)載帶來的這種負(fù)面影響，當(dāng)RS

和RL越小，品質(zhì)因數(shù)Qe

就下降的越多，可以通過提高信號源內(nèi)阻和負(fù)載的方法來減小這種影響。上一頁下一頁返回3.4信號源及負(fù)載對并聯(lián)諧振回路的影響例3.2如圖3?7（a）所示，已知L=293μH，C=400pF，R=5Ω，RS=RL50kΩ，試比較有無信號源和負(fù)載時的性能差異。解：（1）不考慮RS

和RL的影響求回路的固有特性。諧振頻率空載品質(zhì)因數(shù)

諧振電阻通頻帶上一頁下一頁返回3.4信號源及負(fù)載對并聯(lián)諧振回路的影響（2）考慮RS

、RL的影響后求回路的特性。此時的電路圖等效為圖3?8。由于L和C沒有改變，所以諧振頻率還是為465kHz等效諧振電阻有載品質(zhì)因數(shù)為通頻帶為例3.2題驗證了信號源的內(nèi)阻和負(fù)載電阻將會對并聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，使回路的品質(zhì)因數(shù)急劇下降，通頻帶變寬，選擇性變差。上一頁返回3.5阻抗變換電路上節(jié)中講到，并聯(lián)諧振回路在接入信號源和負(fù)載后，使得并聯(lián)諧振回路的性能下降，為減小信號源及負(fù)載對諧振回路的影響，通常采用阻抗變換電路來等效提高信號源內(nèi)阻和負(fù)載，常用的阻抗變換電路有：串并聯(lián)等效阻抗互換電路，變壓器阻抗變換電路，抽頭阻抗變換電路。3.5.1串并聯(lián)阻抗等效互換在實際中為了分析問題方便，需要把串聯(lián)電路等效為并聯(lián)電路，或者是把并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換為串聯(lián)電路，如圖3?9所示。下一頁返回3.5阻抗變換電路在圖3?9（a）中的電抗X1

為純感抗或者純?nèi)菘梗琑1為AB這一支路的總電阻（電抗的損耗電阻與外加電阻之和），圖3?9（b）中X2為等效后的電抗元件，R2

為轉(zhuǎn)換后的電阻。圖3?9（a）和圖3?9（b）是等效互換的關(guān)系，這里的“等效”指的是在電路的頻率等于工作頻率時，從圖3?9（a）的AB端看進去的阻抗或者是導(dǎo)納與圖3?9（b）的CD端看進去的阻抗或者是導(dǎo)納相等。所以有右邊分子分母同時乘上（R2?jX2）得上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路根據(jù)兩復(fù)數(shù)相等的條件，有用式（3?27）除以式（3?26）可得串聯(lián)支路的品質(zhì)因數(shù)由式（3?26）和（3?28），可得上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路由式（3?27）和式（3?28），可得如果QL1

值比較大（大于10以上），則有式（3?32）表明：串聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成等效的并聯(lián)電路后，電抗X2與電抗X1

的性質(zhì)相同，在QL1較高的情況下，其電抗基本不變，而并聯(lián)電路的電阻R2要比串聯(lián)電路的電阻大QL2

倍。由于串并聯(lián)阻抗在電路分析中經(jīng)常用到，為此小結(jié)如下。上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路（1）小的串聯(lián)電阻R1

可化為大的并聯(lián)電阻R2，。（2）串聯(lián)電抗化為同種性質(zhì)的并聯(lián)電抗。在QL1較高時，X1=X2

。（3）串聯(lián)電路的有效品質(zhì)因數(shù)為以上公式反過來用，就可以把并聯(lián)電路等效為串聯(lián)電路。3.5.2回路部分接入的阻抗變換為了減小信號源和負(fù)載對諧振回路的影響，通常選用內(nèi)阻較大的信號源和阻值較大的負(fù)載。當(dāng)信號源內(nèi)阻和負(fù)載較小時，則需要加入阻抗變換電路。常用的變壓器阻抗變換電路如圖3?10所示上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路假設(shè)初級電感線圈的圈數(shù)為N1

，次級圈數(shù)為N2，且初次間全耦合（k=1），線圈和電容的損耗忽略不計，則等效到初級回路的電阻

R′

L

上所消耗的功率應(yīng)和次級負(fù)載R

L

上所消耗功率相等，即由式（3?33）可得令，則有如果n>>1，則有R′

L遠遠大于R

L

。由此可見，采用一個變壓器來耦合負(fù)載R

L和LC并聯(lián)諧振回路，相當(dāng)于把負(fù)載提高了n2

倍。在小信號放大器中常用變壓器實現(xiàn)阻抗變換，如圖3?11所示，負(fù)載R

L

通過變壓器的阻抗變換，就可以減小負(fù)載對CLL并聯(lián)諧振回路的影響。上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路2.電感分壓式阻抗變換圖3?12為電感分壓式阻抗變換電路，也稱為自耦變壓器阻抗變換電路。設(shè)L1和L2的互感為M，則L13=L1+L2+2M，圖3?12中23端為輸入端（可以把R1

看成是信號源的內(nèi)阻），R2

就是R1

變換到LC兩端的電阻。12端的電感為L2

，匝數(shù)為N2

，23端的電感為L1

，匝數(shù)為N1

，電壓為V1，13端的電壓為V2

。設(shè)電感和電容是無損耗的，并且R1

≥ωL2

，則自耦變壓器的匝數(shù)比n為同理，輸入功率等于輸出功率上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路所以有由此可見，R1

通過阻抗變換到LC兩端，阻值提高了n2倍。在圖3?11中，三極管及輔助元件就相當(dāng)于LC回路的信號源，就是運用了電感分壓式阻抗變換。3.電容分壓式阻抗變換圖3?13為電容分壓式阻抗變換電路，電感和電容都是無損耗的。電阻R1接在電容的抽頭上面，變換到LC并聯(lián)諧振回路兩端的電感為R2

（實際并不存在這個電阻）。C2

兩端的電壓為V1

，LC并聯(lián)諧振回路兩端的電壓為V2，同理，根據(jù)R1

和R2

所消耗的功率相等，有上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路當(dāng)時，有顯然n是大于1的。這樣由式（3?39）可得電容分壓式阻抗變換把原來的R1

變換成LC并聯(lián)諧振回路兩端的電阻R2

，阻值提高了n2

倍，減小了R1對并聯(lián)諧振回路的影響。上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路例3.3如圖3?14，部分接入回路由電流源激勵，忽略回路本身的固有損耗，試求回路兩端電壓v（t）。解：根據(jù)電容分壓式阻抗變換可知，R1

變換到并聯(lián)LC諧振回路兩端的電阻而所以有：因此回路兩端電壓為上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路例3.4并聯(lián)諧振回路與信號源連接線路如圖3?15所示，信號源以自耦變壓器形式接入回路。已知線圈的匝數(shù)分別為N12＝10匝，N13＝40匝，L13＝10μH，回路空載品質(zhì)因數(shù)Q＝100，C=50pF，RS為5kΩ，IS=2mA。試求并聯(lián)諧振回路帶信號源后的品質(zhì)因數(shù)Qe、通頻帶BW0.7及回路諧振時LC回路兩端輸出電壓Vo的大小。解：由題意，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為要計算題目要求的各個參數(shù)，必須把信號源和內(nèi)阻變換到LC回路里面去，畫出其等效電路，如圖3?16所示。上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路根據(jù)前面的串并聯(lián)轉(zhuǎn)換可知，電感的損耗等效到并聯(lián)兩端為諧振電阻RP

，根據(jù)R′S是RS變換到LC并聯(lián)諧振回路兩端的電阻，根據(jù)電感分壓式阻抗變換，得其中，所以I′S是IS

變換到到LC兩端的信號源，根據(jù)能量守恒，變換前的功率為ISV12，應(yīng)該等于變換后的功率I′SV13，即ISV12=I′SV13，所以上一頁下一頁返回3.5阻抗變換電路由此可見，電流源通過抽頭變換后，將變?yōu)樵瓉淼?/n。而變換后的總的電阻為LC并聯(lián)諧振回路兩端的電壓為上一頁返回3.6小信號諧振放大器LC諧振回路小信號諧振放大器是由放大電路（包括晶體管、場效應(yīng)管或集成電路）與LC諧振回路組成，作用是將微小的高頻信號進行線性放大，選出中心頻率（輸入信號對應(yīng)）的信號，并濾除不需要的干擾頻率信號。LC諧振回路小信號諧振放大器，根據(jù)負(fù)載可以分為單調(diào)諧放大器和雙調(diào)諧放大器，這里主要分析單調(diào)諧放大器。在對小信號諧振放大器分析前，先看一下晶體管的高頻等效電路。3.6.1晶體管的高頻Y參數(shù)等效電路在高頻電子線路中晶體管常采用Y參數(shù)等效電路，因為晶體管是電流受控元件，輸入、輸出都有電流，并且在并聯(lián)電路中，總的導(dǎo)納等于各個導(dǎo)納之和，計算起來比較方便。Y參數(shù)等效電路如圖3?17所示。下一頁返回3.6小信號諧振放大器在圖3?17中Cic、gie為晶體管的輸入電容和輸入電導(dǎo)，Yfe（或gm

）為跨導(dǎo)，goc和Coe

分別為晶體管的輸出電導(dǎo)和輸出電容。這些參數(shù)為晶體管本身參數(shù)，只與晶體管的特征有關(guān)，與外電路無關(guān)，所以通常稱為內(nèi)參數(shù)。3.6.2單調(diào)諧小信號諧振放大器單調(diào)諧諧振放大器的電路如圖3?18（a）所示，VT為放大管；Rb1、Rb2為直流偏置，提供靜態(tài)工作點；Cb、Ce為小電容高頻旁路；LC諧振回路作為放大器負(fù)載，對輸入信號的中心頻率進行諧振；放大器與LC并聯(lián)諧振回路采用電感分壓式阻抗變換方式接入；負(fù)載RL則以變壓器阻抗變換的方式接入LC諧振回路，目的是減少放大器等效電阻作為信號源內(nèi)阻與負(fù)載對LC并聯(lián)諧振回路性能的影響，以提高電路的穩(wěn)定性，使前后級阻抗匹配。上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器將晶體管的Y參數(shù)等效電路圖代入圖3?18（b）所示的電路圖中，得到圖3?19（a）所示的電路圖，如果設(shè)電感線圈1—2間的匝數(shù)為N12，1—3間的匝數(shù)為N13，次級線圈的匝數(shù)為N45，則令因此，將三極管的Y參數(shù)模型輸出端和負(fù)載通過阻抗變換電路等效到LC回路的兩端，可得圖3?19中（b）所示的電路模型。其中為LC諧振回路的空載電導(dǎo)，。因為，

所以將等式兩邊的電阻變?yōu)殡妼?dǎo)，則，所以。同理可得電容變換后應(yīng)該為原來的1/n2，電流變換后，在例題3.4里面推導(dǎo)出應(yīng)該為原來的1/n。上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器下面先來計算單調(diào)諧諧振放大器的電源放大倍數(shù)。上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器由圖3?19（b）所示，LC諧振回路兩端的總的電導(dǎo)為所以LC回路兩端的電壓為而輸出電壓為把式（3?45）代入式（3?42），則諧振放大電路的放大倍數(shù)為小信號諧振放大器的通頻帶，選擇性和矩形系數(shù)都取決于LC諧振回路，所以前面講的LC諧振回路的參數(shù)公式也適合于小信號諧振放大器。上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器3.6.3多級單調(diào)諧放大器若單級放大器的增益不能滿足要求，就可以采用多級級聯(lián)放大器。如果多級單調(diào)諧放大器的諧振頻率相同，均為信號的中心頻率，稱為同步調(diào)諧；如果各級單調(diào)諧放大器的諧振頻率不相同，稱為參差調(diào)諧。級聯(lián)后的放大器的增益、通頻帶和選擇性都將發(fā)生變化。如果放大器有m級，各級放大器的增益分別為，則總的增益為若由完全相同的單級放大器組成，各級電壓增益相等，則m級放大器的總電壓增益為由此可見：多級單調(diào)諧放大器的總電壓增益是各級電壓增益的乘積。m級發(fā)放到各級聯(lián)時，它的諧振曲線可以表示如下。上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器所以其諧振曲線如圖3?20所示，因為多級放大器總的電壓放大倍數(shù)等于各級放大倍數(shù)的乘積，因此級數(shù)越多，增益就越大，幅頻特性曲線就越尖銳，選擇性就越好，但是通頻帶就會越窄。根據(jù)通頻帶的定義可求得m級放大器的通頻帶為上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器從式（3?50）可以看出，多級放大器級聯(lián)級數(shù)越多，通頻帶就越窄。選擇性由矩形系數(shù)來表示。級數(shù)m增加，矩形系數(shù)減小，選擇性越來越好，曲線越尖銳。但選擇性與通頻帶依然矛盾，且增益與通頻帶亦矛盾。采用雙調(diào)諧回路諧振放大器是改善放大器選擇性、解決放大器的增益和通頻帶之間矛盾的有效方法之一。上一頁下一頁返回3.6小信號諧振放大器3.6.4小信號諧振放大器實例分析圖3?21是調(diào)幅通信接收機部分，采用二級中頻放大器電路。第一級中頻放大器由晶體管VT1和VT2

組成共射—共基級聯(lián)電路，這種級聯(lián)可以提高放大器的穩(wěn)定性，電源電路采用串聯(lián)反饋供電。R6、R10、R11

為三極管提高偏置電阻，R7

為負(fù)反饋電阻，用來控制和調(diào)整中放的增益。R12

和C6構(gòu)成去耦電路，防止中頻信號流入公共電源引起不必要的能量損耗。變壓器Tr1在這里有幾個作用，一是構(gòu)成LC選頻回路，同時實現(xiàn)阻抗變換，還起到前后級耦合的作用。C4、C5是旁路電容，保證放大器的增益。第二級電路與第一級電路的結(jié)構(gòu)功能相同，R19

和熱敏電阻R20

串聯(lián)后作為低溫補償，使得電路在低溫時，靈敏度不會降低。在調(diào)整合適的情況下，應(yīng)該保持兩個管子的管壓降接近相等，才能充分發(fā)揮兩個管子的作用，使放大器達到最佳的直流工作。上一頁返回3.7集中選頻放大器前面講的分立元件的小信號選頻放大器在構(gòu)成多級放大器電路時，調(diào)試不方便，頻率特性的穩(wěn)定性不夠高，可靠性較差，所以在要求較高的選頻電路中，通常用集中選頻放大器。與分立元件的小信號選頻放大器比較，集中選頻放大器有較多優(yōu)點：一是采用集中放大與集中濾波，使高頻放大器的兩個主要功能分別由集成放大器與集中濾波器擔(dān)任，這樣可以簡化線路、提高穩(wěn)定性和可靠性，方便調(diào)整；二是采用專門的選頻濾波器，比調(diào)諧放大器有更好的頻率特性，比如可得到更小的矩形系數(shù)，還可以滿足特殊頻率特性的要求，如可得到相對帶寬為千分之幾的窄帶電路（晶體濾波器）和相對帶寬大于50%的寬帶電路（聲表面濾波器），或者有特殊選頻要求的濾波器（如電視中頻濾波器）；三是高頻集成電路和集中選頻濾波都是由專門單位設(shè)計生產(chǎn)的，對于線路和設(shè)備設(shè)計人員主要是選用和正確使用它，這就大大簡化放大器的設(shè)計和調(diào)整，從而縮短線路和設(shè)備的設(shè)計和制作的周期。集中選頻放大器的組成有兩種方式，如圖3?22所示。下一頁返回3.7集中選頻放大器圖3?22（a）中，集中選頻濾波器接于寬帶集成放大器的后面，這是一種常的接法。這種接法要注意的問題是，需使寬帶集成放大器與集中濾波器之間實現(xiàn)阻抗匹配。這有兩重意義：一是從寬帶集成放大器輸出看，阻抗匹配表示放大器有較大的功率增益；二是從濾波器輸入端看，要求信號源的阻抗與濾波器的輸入阻抗相等而且匹配（在濾波器的另一端也是一樣），這是因為濾波器的頻率特性依賴于兩端的源阻抗與負(fù)載阻抗，只有當(dāng)兩端端接阻抗等于所要求的阻抗時，方能得到預(yù)期的頻率特性。當(dāng)集成放大器的輸出阻抗與濾波器輸入阻抗不相等時，應(yīng)在兩者間加阻抗轉(zhuǎn)換電路。通常可用高頻寬帶變壓器進行阻抗轉(zhuǎn)換，也可以用低品質(zhì)因數(shù)Q的振蕩回路。采用振蕩回路時，應(yīng)使回路帶寬大于濾波器帶寬，使放大器的頻率特性只由濾波器決定。通常寬帶集成放大器的輸出阻抗較低，實現(xiàn)這種阻抗變換沒有什么困難。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器圖3?22（b）是另一種接法：集中濾波器放在寬帶集成放大器的前面。這種接法的好處是，當(dāng)所需放大信號的頻帶以外有強的干擾信號（接收機的中時常有這種情況）時，不會直接進入集成放大器，避免此干擾信號因放大器的非線性（放大器在大信號時總是有非線性）而產(chǎn)生新的不需要的干擾。有些集中濾波器，如聲表面波濾波器，本身有較大的衰減（可達十余分貝），放在集成放大器之前，將使有用信號減弱，導(dǎo)致集成放大器中的噪聲對信號的影響加大，這將使整個放大器的噪聲性能變差。為此通常在濾波器之前加一前置放大器，以補償濾波器的衰減。常用的集中選頻濾波有石英晶體濾波器、陶瓷濾波器、聲表面濾波器等。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器3.7.1石英晶體濾波器石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為SiO2，兩端呈角錐的六棱柱結(jié)晶體。按一定的方位角將晶體切成薄片稱石英晶片（正方形、長方形、圓形），不同方位的切片有不同程度的頻率特性，稱為各向異性，如圖3?23所示。其中圖3?23（a）表示自然結(jié)晶體，圖3?23（b）是結(jié)晶體的橫斷面。石英晶體內(nèi)有3個對稱軸，分別為Z（光）軸、X（電）軸、Y（機械）軸，與各軸不同角度切割會形成不同晶體。在晶片上加金屬電極引線，并以金屬殼封裝或玻璃殼封裝，成為石英晶體濾波器。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器石英晶體之所以可以濾波，是因為它具有正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)，指的是沿電軸或機械軸施以張力，會在垂直于電軸的兩面產(chǎn)生異號電荷，電荷量與張力所引起的機械變形成正比。如果施以壓力，則兩面的電荷改變符號。負(fù)壓電效應(yīng)指在垂直于電軸的兩個面施加一定的交變電壓，則石英沿電軸或機械軸產(chǎn)生彈性形變（伸張或壓縮），稱為機械振動，機械振動的強弱基本正比于電場強度，振動的性質(zhì)取決于所加電壓的極性。由于石英晶體和其他彈性體一樣，存在著固有振動頻率，當(dāng)外加電源頻率等于石英晶體的固有頻率時就發(fā)生諧振。石英晶體的等效電路圖如圖3?24（a）所示，由此可見石英晶片相當(dāng)于串聯(lián)諧振電路。其中C0

表示以石英晶體為介質(zhì)的兩個電極極板間的電容，稱為靜態(tài)電容，一般為幾皮法到幾十皮法。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器電容量主要取決于石英晶片的尺寸和電極面積，可用表示。

ε為石英晶體的介電常數(shù)，S為極板面積，d為兩極板間的距離。C0

一般為幾皮法到幾十皮法。圖3?24（a）中LS相當(dāng)于晶體的質(zhì)量，CS相當(dāng)于晶體的等效彈性模數(shù)，RS相當(dāng)于機械振動中的摩擦損耗。晶體的主要特點是等效電感LS

特別大，等效電容CS特別小。根據(jù)品質(zhì)因數(shù)

，

石英晶體的品質(zhì)因數(shù)可以高達幾萬甚至幾百萬，所以濾波性能特別好，這是普通LC

諧振回路無法比擬的。由圖3?24可知，該電路有兩個諧振頻率，一個是右支路的串聯(lián)諧振頻率fS

，另一個是左右支路一起構(gòu)成的并聯(lián)諧振頻率fP。根據(jù)頻率的計算公式可得上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器由于Cs<<C0

，故Pf略高于Sf，相差很小。石英晶體的電抗特性如圖3?25所示。由圖3?25可知，當(dāng)石英外加電源頻率小于fS

或大于fp，石英晶體呈容性；當(dāng)外加電源頻率介于fS

和fp

之間時，石英晶體呈感性。由于石英晶體的工作頻率穩(wěn)定，常用于高頻振蕩器中；由于石英晶體的Q值很高，常用于高頻窄帶濾波器，使濾波器選擇性好，阻帶衰減特性陡峭。常見的晶體濾波器如圖3?26所示。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器3.7.2陶瓷濾波器在通信、廣播等接收設(shè)備中，陶瓷濾波器有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷濾波器是利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，常用的陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛（Pb（ZrTi）O3）壓電陶瓷材料（簡稱PZT）制成的。把這種陶瓷材料制成片狀，兩面涂銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化后就具有壓電效應(yīng)。陶瓷濾波器與石英晶體濾波器的原理、等效電路、電路符號均相同。但是陶瓷濾波器的品質(zhì)因數(shù)只有幾百，比石英晶體濾波器低得多，且串并聯(lián)諧振頻率的間隔大得多，選擇性也比較差。它的優(yōu)點是容易焙燒，可以制成各種形狀，適合小型化，且耐熱性、耐濕性好，很少受外界條件影響。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器由于陶瓷濾波器的選擇性較差，通常將多個陶瓷濾波器組合成四端陶瓷濾波器，四端陶瓷濾波器有接近理想的幅頻特性。如圖3?27（a）所示的陶瓷濾波器中，適當(dāng)?shù)倪x擇串臂和并臂陶瓷濾波器的串、并聯(lián)諧振頻率，就能得到理想的衰減特性。例如要求濾波器通過(465±5)kHz的頻帶，那么讓串臂陶瓷濾波器的串聯(lián)諧振頻率等于并臂并聯(lián)諧振頻率，等于465kHz，串臂陶瓷濾波器的并聯(lián)諧振頻率等于(465±5)kHz，并臂的陶瓷濾波器的串聯(lián)諧振頻率等于(465?5)kHz。對輸入的465kHz的載波信號而言，串臂陶瓷片發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗較小，并臂陶瓷片發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗最大，因而能讓信號通過。對(465±5)kHz的信號，串臂陶瓷片發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗最大，信號不能通過。對(465?5)kHz的信號，并臂陶瓷片發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗最小，使信號旁路，無信號輸出。常見的陶瓷濾波器如圖3?28所示。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器3.7.3聲表面濾波器聲表面波——SAW（SurfaceAcousticWave），就是在壓電基片材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個聲電換能器——叉指換能器（IDT），如圖3?29所示。它采用半導(dǎo)體集成電路的平面工藝，在壓電基片表面蒸鍍一定厚度的鋁膜，把設(shè)計好的兩個IDT的掩膜圖案利用光刻方法沉積在基片表面，分別作為輸入換能器和輸出換能器。其工作原理是：輸入換能器將電信號變成聲信號，沿晶體表面?zhèn)鞑ィ敵鰮Q能器再將接收到的聲信號變成電信號輸出。當(dāng)把輸入信號加到發(fā)端換能器上時，叉指間便產(chǎn)生正、負(fù)交變電場，由于壓電效應(yīng)的作用，基片表面將產(chǎn)生彈性形變，激發(fā)出與輸入信號同頻率的聲表面波，它按圖中箭頭方向，從輸入端沿基片向輸出端傳播。到達輸出端后，由于壓電效應(yīng)的作用，在輸出端換能器的叉指對間產(chǎn)生電信號，并傳送給負(fù)載。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器聲表面波濾波器具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、工作頻率高（幾兆赫茲至幾吉赫茲）、通頻帶寬、特性一致性好、抗輻射能力強、動態(tài)范圍大等特點，因此它在通信、電視、衛(wèi)星和宇航領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。3.7.4集中選頻放大器實例分析現(xiàn)今的各類接收機中已經(jīng)廣泛使用集成電路高頻小信號放大器，通常是采用高增益寬帶線性集成放大器與各種集中選頻器組成的放大電路，從而使電路的調(diào)整大大簡化，電路的頻率特性得到改善，電路的穩(wěn)定性也得到很大的提高。集中選頻放大器由于線路簡單，選擇性好，性能穩(wěn)定，調(diào)整方便等優(yōu)點，已廣泛用于通信、電視等各種電子設(shè)備中。上一頁下一頁返回3.7集中選頻放大器圖3?30所示的是電視機通道部分用聲表面波濾波器組成的集成放大器，該電路的作用是對從電視機高頻頭輸出的頻帶信號進行選頻放大。中心頻率為38MHz，帶寬為8MHz。高頻頭混頻后的信號經(jīng)中頻預(yù)放大電路輸出至聲表面波濾波器的1腳，經(jīng)聲表面波濾波器選頻后從3、4腳平衡輸出，通過L2、L3加至集成寬帶放大器前級差分放大電路的兩個輸入端。L1、L2、L3為外加調(diào)諧匹配電感，它們與聲表面波濾波器輸入、輸出端內(nèi)部靜態(tài)電容組成調(diào)諧匹配器。