1、第2章高頻小信號放大器,2.1概述 2.2高頻小信號放大器的功能 2.3分析小信號放大器的有關知識 2.4小信號諧振放大器 2.5各種濾波組件 2.6諧振放大器的制作、調(diào)試和檢測,2.1概述,高頻小信號放大器廣泛用于廣播、電視、通信、雷達等接收設備中.其主要功能是從所接收的眾多電信號中選出有用信號并加以放大.而對其他無用信號、干擾與噪聲進行抑制.以提高信號的質(zhì)量和抗干擾能力。高頻小信號放大器是指放大高頻小信號(中心頻率在幾百千赫到幾百兆赫.頻譜寬度在幾千赫到幾百兆赫,振幅在微伏至毫伏量級的范圍內(nèi))的放大器。因此,高頻小信號放大器不但需要有一定的增益.而且需要有選頻能力。前者由雙極型晶體管(以下

2、簡稱晶體管)、場效應管或集成電路等有源器件提供.后者由LC諧振回路、陶瓷濾波器、石英晶體濾波器和聲表面波濾波器等選頻器件實現(xiàn)。高頻小信號放大器也廣泛用于其他電子設備中,如測量儀器、發(fā)射機等。,返回,2. 2高頻小信號放大器的功能,2. 2. 1高頻小信號放大器的分類 高頻小信號放大器主要有兩類:一類是以諧振回路為負載的諧振放大器;另一類是以集中選擇性濾波器為負載的集中選頻放大器。諧振放大器常以晶體管等放大器件與LC并聯(lián)諧振回路或稠合諧振回路構成.它又可分為調(diào)諧放大器(通稱高頻放大器)和頻帶放大器(通稱中頻放大器)。前者的諧振回路需對外來不同的信號頻率進行調(diào)諧,后者的諧振回路的諧振頻率固定不變。

3、集中選頻放大器是把放大和選頻兩種功能分開處理.放大作用由多級非諧振寬頻帶放大器承擔,目前一般都采用集中寬頻帶放大器。集中選擇性濾波器常用的有LC帶通濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等,這些濾波器都可作為部件在專業(yè)工廠生產(chǎn)。因此,采用集中選頻放大器的電路簡單、性能可靠、調(diào)整方便。,下一頁,返回,2. 2高頻小信號放大器的功能,2.2.2高頻小信號放大器的主要性能指標 高頻小信號放大器的主要性能指標有諧振增益、通頻帶和選擇性等。它的典型幅頻特性曲線如圖2-1所示.圖中f0為有用信號的中心頻率.即放大器的諧振頻率。由圖2-1可說明放大器主要性能指標的含義如下。 諧振增益是指放大器在諧振

4、頻率上的電壓增益A VO(或功率增益)，其值可用分貝(dB)數(shù)表示。它用來說明放大器對有用信號的放大能力，一般希望每級的增益越大越好。 通頻帶是指放大器的增益比諧振增益下降3 dB時.所對應的頻率范圍用BW0.7表示.如圖2-1所示。為了不失真地放大有用信號BW0.7 應大于有用信號的頻譜寬度。,下一頁,上一頁,返回,2. 2高頻小信號放大器的功能,選擇性是指放大器從含有各種不同頻率的信號中選出有用信號、排除干擾信號的能力。它定義為通頻帶以外某一特定頻率上的增益AV (fN)與諧振增益AV0之比值.用S表示.即,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,2. 3.1串并聯(lián)諧振回路的特性

5、 諧振回路也稱振蕩回路.是最常用的選頻網(wǎng)絡.它由電感線圈和電容器組成。簡單的諧振回路有串聯(lián)、并聯(lián)諧振回路，以及把兩個或更多個串、并聯(lián)諧振回路相互藕合連接起來的藕合諧振回路。 1.串聯(lián)諧振回路 串聯(lián)諧振回路如圖2一2所示。圖中r表示L和C的總損耗電阻。實際上，由于電容損耗比電感線圈的損耗小很多，所以r近似等于線圈的損耗電阻。 串聯(lián)諧振回路的總阻抗為,下一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,在某一頻率上.回路的感抗與容抗相等時.回路的總阻抗Z=r最小.此時電流與電壓同相.回路發(fā)生串聯(lián)諧振.由此可得串聯(lián)諧振頻率為 諧振時容杭與感杭數(shù)值相等通常稱它們?yōu)榛芈返奶匦宰杩挂员硎?，?下一頁,上一頁

6、,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,回路的特性阻杭與回路固有損耗電阻的比值.稱為回路的固有品質(zhì)因數(shù)，用Q0表示.即 Q0越大.說明回路電抗元件儲能越大而損耗的能量越小。用S表示的回路的選擇性(也稱諧振曲線方程)為,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,它表示當回路調(diào)諧不變、信號源頻率改變時.諧振回路電流的相對幅值變化規(guī)律。 于是可繪出串聯(lián)諧振回路在不同Q0值上的諧振曲線和相移曲線.如圖2-3所示。由圖可見, Q0值越大,諧振曲線越尖銳,相移特性越陡峭; Q0值越小,曲線就越平坦。 2.并聯(lián)諧振回路 L C并聯(lián)諧振回路如圖2-4所示。圖中r代表線圈L的等效損耗電阻.由

7、于電容器的損耗很小.其損耗電阻可以略去。下面按照與串聯(lián)LC回路對偶關系.直接給出并聯(lián)LC回路的主要基本參數(shù)。 回路的總導納為,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,回路的諧振頻率為 回路的特性阻抗為 回路的品質(zhì)因數(shù)為,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,同樣可得出并聯(lián)回路的諧振曲線和相移曲線.如圖2一5所示 3.串并聯(lián)諧振回路的特性比較 串并聯(lián)回路的特性比較如表2-1所示。 4.串并聯(lián)阻杭的等效互換 串并聯(lián)阻抗的等效互換電路如圖2-6所示。 5.并聯(lián)諧振回路的搞合連接與接入系數(shù) 1)變壓器禍合連接的變比關系 圖2-7是變壓器禍合連接形式。根據(jù)功率關系

8、可得,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,根據(jù)變壓器的電壓變換關系.即 可得,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,2)自藕變壓器藕合連接的變比關系 圖2-8是自藕變壓器藕合連接形式.其變比關系的分析與變壓器藕合相同。同理可得 3)雙電容分壓禍合連接的變比關系 圖2一9為雙電容分壓禍合連接形式.其變比關系可以應用串并聯(lián)等效互換的關系求得.,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,2. 3. 2雙口網(wǎng)絡的Y參數(shù) 在高頻時.晶體管的電杭效應不容忽視.因此.在分析高頻小信號且通頻帶較窄的窄帶諧振放大器時.采用Y參數(shù)等效電路比較方便。圖2-1

9、0是雙口網(wǎng)絡示意圖。 雙口網(wǎng)絡即具有兩個端口的網(wǎng)絡。所謂端口是指一對端鈕.流入其中一個端鈕的電流總是等于流出另一個端鈕的電流。而四端網(wǎng)絡雖然其外部結構與雙口網(wǎng)絡相同.但對流入、流出電流沒有類似的規(guī)定.這是兩者的區(qū)別。,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,對于雙口網(wǎng)絡.在其每一個端口都只有一個電流變量和一個電壓變量.因此共有4個端口變量。如設其中任意兩個為自變量.其余兩個為應變量.則共有6種組合方式.也就是說有6組可能的方程用以表明雙口網(wǎng)絡端口變量之間的相互關系。Y參數(shù)方程就是其中的一組。它是選取各端口的電壓為自變量.電流為應變量.其方程如下,下一頁,上一頁,返回,2. 3

10、分析小信號放大器的有關知識,所以Y參數(shù)又稱為短路導納參數(shù).即確定這4個參數(shù)時必須使某一個端口電壓為零.也就是使該端口交流短路。,下一頁,上一頁,返回,2. 3分析小信號放大器的有關知識,晶體管的Y參數(shù)可以通過測量得到。根據(jù)Y參數(shù)方程.分別使輸出端或輸入端交流短路.在另一端加上直流偏壓和交流信號.然后測量其輸入端或輸出端的交流電壓和交流電流.代入式(2-30 )中就可求得。通過查閱晶體管手冊也可得到各種型號晶體管的Y參數(shù)。,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,2. 4. 1單級單調(diào)諧放大器 電路組成及特點 圖2-12是一個典型的單級單調(diào)諧放大器。Cb與Cc分別是和信號源(或前級放大器)與負載

11、(或后級放大器)的藕合電容. Ce是旁路電容。電容C與電感L組成的并聯(lián)諧振回路作為晶體管的集電極負載.其諧振頻率應調(diào)諧在輸入有用信號的中心頻率上?；芈放c本級晶體管的藕合采用自藕變壓器藕合方式，這樣可減弱晶體管輸出導納對回路的影響。負載(或下級放大器)與回路的藕合采用自藕變壓器藕合和電容藕合方式，這樣既可減弱負載(或下級放大器)導納對回路的影響，又可使前、后級的直流供電電路分開。另外，采用上述藕合方式也比較容易實現(xiàn)前、后級之間的阻抗匹配。,下一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,2.電路性能分析 為了分析單級單調(diào)諧放大器的電壓增益.圖2-13給出了其等效電路。 在單級單調(diào)諧放大器中.選頻功能由單

12、個并聯(lián)諧振回路完成.所以單級單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)與單個并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)相同.其通頻帶則由于受晶體管輸出阻抗和負載的影響.比單個并聯(lián)諧振回路要寬。 從對單級單調(diào)諧放大器的分析可知.其電壓增益取決于晶體管參數(shù)、回路與負載特性及接入系數(shù)等.所以受到一定的限制。如果單級放大器的電壓增益較小而不能滿足要求時.可采用多級放大器。另外.單級單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)不好.即選擇性較差.可以采用參差放大器和雙調(diào)諧放大器加以改善。,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,2.4.2多級單調(diào)諧放大器 如果多級放大器中的每一級都調(diào)諧在同一頻率上.則稱為多級單調(diào)諧放大器。設放大器有n級.各級電壓增益振幅分

13、別為Au1 ， Au2 ， Au3 ， Aun 則總電壓增益振幅是各級電壓增益振幅的乘積，即 如果每一級放大器的結構和參數(shù)均相同.則總電壓增益振幅為,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,諧振頻率處電壓增益振幅為 n級放大器通頻帶為,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,2.4.3雙調(diào)諧回路諧振放大器 改善單級放大器的通頻帶和選擇性可以采用雙調(diào)諧放大器。雙調(diào)諧放大器是指集電極采用雙調(diào)諧回路作為負載的一種放大器.可分為互感藕合和電容藕合兩種類型?，F(xiàn)以互感藕合雙調(diào)諧放大器為例進行分析。圖2-14(a) (b)分別是其電路圖和高頻等效電路.圖2-14(c)是將晶體管輸出電流源和輸

14、出導納折合到L1C1兩端.負載導納折合到L2C2兩端后的等效電路。 3種稠合情況時的諧振曲線如圖2-15所示。 臨界藕合是比較常用的情況.可求出相應的通頻帶和矩形系數(shù),下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,對照工作于臨界稠合狀態(tài)的雙調(diào)諧放大器和臨界偏調(diào)的雙參差放大器可以發(fā)現(xiàn).二者的諧振曲線是相同的。它們均由兩個諧振回路組成.但前者兩個回路調(diào)諧于同一個頻率.后者兩個回路調(diào)諧于不同頻率。前者僅一級放大.增益較小;后者為兩級放大.增益較大。 2.4.4集中選頻放大器,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,1.集中濾波器 集中濾波器的任務是選頻.要求在滿足通頻帶指標的同時.矩形系數(shù)

15、要好。其主要類型有集中LC濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等。 集中LC濾波器通常由一節(jié)或若干節(jié)LC網(wǎng)絡組成.根據(jù)網(wǎng)絡理淪.按照帶寬、衰減特性等要求進行設計.目前已得到了廣泛應用。圖2-16給出了一種LC集中濾波網(wǎng)絡結構。陶瓷濾波器是由壓電陶瓷材料做成的具有選頻特性的器件。它具有無須調(diào)諧、體積小、加工方便等優(yōu)點.但工作頻率不太高(幾十兆赫茲以下).相對頻寬較窄。 圖2-17是聲表面波濾波器的基本結構、符號和等效電路。,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,聲表面波濾波器是在經(jīng)過研磨拋光的極薄的壓電材料基片上.用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極.其中與信號源連接的一組稱為發(fā)送

16、叉指換能器.與負載連接的一組稱為接收叉指換能器。當把輸入電信號加到發(fā)送換能器上時.叉指間便會產(chǎn)生交變電場。由于逆壓電效應的作用.基體材料將產(chǎn)生彈性變形.從而產(chǎn)生聲波振動。向基片內(nèi)部傳送的體波會很快衰減.而表面波則向垂直于電極的左、右兩個方向傳播。向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料所吸收.向右傳送的聲表面波由接收換能器接收。由于正壓電效應.在叉指對間產(chǎn)生電信號.并由此端輸出。 聲表面波濾波器的濾波特性.如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對數(shù)、指條寬度a、指條間隔b、指條有效長度L和周期長度M等。,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號

17、諧振放大器,為了保證對信號的選擇性要求.聲表面波濾波器在接入實際電路時必須實現(xiàn)良好的匹配。圖2-18所示為一接有聲表面波濾波器的預中放電路.濾波器輸出端與一寬帶放大器相接。 2.集成寬帶放大器 1)組合電路集成寬帶放大器 在集成寬帶放大器中廣泛采用共發(fā)一共基電路如圖2-19所示。 2)負反饋集成寬帶放大器 調(diào)節(jié)負反饋電路中的某些元件參數(shù).可以改變反饋深度.從而調(diào)節(jié)負反饋放大器的增益和頻帶寬度。如果以犧牲增益為代價.可以擴展放大器的頻帶.其類型可以是單級負反饋.也可以是多級負反饋。,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,單級負反饋放大器有電流串聯(lián)和電壓并聯(lián)兩種反饋電路.其交流等效電路分

18、別如圖2-21(a)、圖2-21( b )所示。其中電流串聯(lián)負反饋電路的特點是輸入、輸出阻杭高.所以適合與低內(nèi)阻的信號電壓源連接。電壓并聯(lián)負反饋電路的特點是輸入、輸出阻抗低.所以適合與高內(nèi)阻的信號電流源連接。 3.高頻小信號放大器實例 單片中規(guī)模圖像中頻集成電路TA7607AP包括中頻放大、視頻檢波等部分。由電視機高頻頭送來的載頻為38MHz的圖像中頻信號.由分立的前置中頻放大器放大約15413左右(其作用是補償SAWF的插入損耗)后.進入聲表面波濾波器SAWF(SAWF實際上是一個帶通濾波器).然后由TA7607AP的1, 16雙端輸入.經(jīng)三級相同的具有AGG特性的高增益寬帶放大器放大后(在

19、頻率為58MHz處的增益典型值為50413)進行視頻檢波。,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,圖2-23給出了外接前置中放、SAWF(圖2-23(a)和TA7607AP中第一級中放(圖2-23(b)的電路圖。 2.4.5諧振放大器的穩(wěn)定性 為了提高放大器的穩(wěn)定性.通常從兩個方面著手。一是從晶體管本身想辦法.減小其反向傳輸導納yre值。 yre的大小主要取決于集電極與基極間的結電容Cbc由混合型等效電路圖可知Cbc跨接在輸入、輸出端之間).所以制作晶體管時應盡量使其減小Cbc ,使反饋容杭增大.反饋作用減弱。二是從電路上設法消除晶體管的反向作用.使它單向化。具體方法有中和法與失配法

20、。 圖2-24(a)所示為收音機常用的中和電路.圖2-24(b)是其交流等效電路。,下一頁,上一頁,返回,2. 4小信號諧振放大器,失配法通過增大負載電導YL.進而增大總回路電導.使輸出電路嚴重失配.輸出電壓相應減小.從而使輸出端反饋到輸入端的電流減小.對輸入端的影響也就減小?？梢?失配法是用犧牲增益來換取電路的穩(wěn)定的。 用兩只晶體管按共發(fā)一共基方式連接成一個復合管是經(jīng)常采用的一種失配法。圖2一25是其結構原理圖。,上一頁,返回,2. 5各種濾波組件,2.5.1石英晶體諧振器 1.石英晶振的阻杭頻率特性 圖2-2 6是石英晶振的符號和等效電路。 由以上參數(shù)可以看到以下幾點。 (1)石英晶振的Q

21、值和特性阻抗都非常高。 (2)由于石英晶振的接入系數(shù)，n很小.所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很小 綜合以上兩點.不難理解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。,下一頁,返回,2. 5各種濾波組件,2.石英晶振組成的振蕩器電路 將石英晶振作為高Q值諧振回路元件接入正反饋電路中.就組成了晶體振蕩器。根據(jù)石英晶振在振蕩器中的作用原理.晶體振蕩器可分成兩類。一類是將其作為等效電感元件用在三點式電路中.工作在感性區(qū).稱為并聯(lián)型晶體振蕩器;另一類是將其作為一個短路元件串接于正反饋支路上.工作在它的串聯(lián)諧振頻率上.稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。 1)皮爾斯(Pierce)振蕩電路 并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和三點式振

22、蕩器相同.只是將其中一個電感元件換成石英晶振。石英晶振可接在晶體管c, b極之間或b,e極之間.所組成的電路分別稱為皮爾斯振蕩電路和密勒振蕩電路。 皮爾斯電路是最常用的振蕩電路之一。圖2-28(a)是皮爾斯電路.圖2-28(b)是其高頻等效電路.其中虛線框內(nèi)是石英晶振的等效電路。,下一頁,上一頁,返回,2. 5各種濾波組件,2)密勒(Miller)振蕩電路圖2-30是場效應管密勒振蕩電路。石英晶體作為電感元件連接在柵極和源極之間.LC并聯(lián)回路在振蕩頻率點等效為電感.作為另一電感元件連接在漏極和源極之間.極間電容Cgd則作為構成電感三點式電路中的電容元件。由于Cgd又稱為密勒電容.故此電路有密勒

23、振蕩電路之稱。 密勒振蕩電路通常不采用晶體管.原因是正向偏置時晶體管發(fā)射結電阻太小.雖然晶振與發(fā)射結的藕合很弱.但也會在一定程度上降低回路的標準性和頻率的穩(wěn)定性.所以采用輸入阻抗高的場效應管。,下一頁,上一頁,返回,2. 5各種濾波組件,3)泛音晶振電路 從圖2-26(c)中可以看到.在石英晶振的完整等效電路中.不僅包含了基頻串聯(lián)諧振支路.還包括了其他奇次諧波的串聯(lián)諧振支路.這就是前面所說的石英晶振的多諧性。但泛音晶體所工作的奇次諧波頻率越高.可能獲得的機械振蕩和相應的電振蕩越弱。 在工作頻率較高的晶體振蕩器中.多采用泛音晶體振蕩電路。泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。在泛音晶振電路中.為了

24、保證振蕩器能準確地振蕩在所需要的奇次泛音上.不但必須有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩.而且必須正確地調(diào)節(jié)電路的環(huán)路增益.使其在工作泛音頻率上略大于1,滿足起振條件.而在更高的泛音頻率上都小于1.不滿足起振條件。在實際應用時.可在三點式振蕩電路中.用一選頻回路來代替某一支路上的電杭元件.使這一支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電杭性質(zhì)不滿足三點式振蕩器的組成法則.不能起振.而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電杭性質(zhì)恰好滿足組成法則.達到起振。圖2-31(a)給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。,下一頁,上一頁,返回,2. 5各種濾波組件,4)串聯(lián)型晶體振蕩器 串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中

25、.利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件.電路反饋作用最強.滿足振幅起振條件.使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率fs上起振。圖2-32(a)給出了一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路.圖2-32(b)是其高頻等效電路。 2.5.2壓控振蕩器(VCO) 1.變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管是利用PN結的結電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。變?nèi)荻O管的符號和結電容變化曲線如圖2-33所示。 2.變?nèi)荻O管壓控振蕩器 將變?nèi)荻O管作為壓控電容接入LC振蕩器中.就組成了LC壓控振蕩器。一般可采用各種形式的三點式電路。,下一頁,上一頁,返回,2. 5各種濾波組件,3.晶體壓控振蕩器 為了提高壓控振蕩器中心頻率穩(wěn)定度.可采用晶體壓控振蕩器。在晶體壓控振蕩器中.晶振等效為一個短路元件.起選頻作用;或者等效為一個高Q值的電感元件.作為振蕩回路元件之一。通常仍采用變?nèi)荻O管作壓控元件。 在圖2-35(a)所示晶體壓控振蕩器中.晶振作為一個電感元件。圖2-35(b)是其高頻等效電路?？刂齐妷赫{(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容值.使其與晶振串聯(lián)后的總等效電感發(fā)生變化.從而改變振蕩器的振蕩頻率。,上一頁,返回,2. 6諧振放大器的制作、調(diào)試和檢測,2. 6. 1單調(diào)諧回路諧振放大器的制作、調(diào)試和檢測 1.制作電路(圖2-37 ) (1)按圖