1、第2章 諧振與小信號(hào)選頻放大電路,2.1 選頻電路概述 2.2 LC諧振回路選頻特性分析 2.3 阻抗變換電路 2.4 選頻電路的計(jì)算與設(shè)計(jì) 2.5 高頻小信號(hào)選頻放大電路 2.6 集成諧振放大器,諧振與小信號(hào)選頻放大電路的作用：將微弱的有用信號(hào)進(jìn)行線性放大并濾除不需要的噪聲和干擾信號(hào)。高頻小信號(hào)諧振放大器廣泛用于廣播、電視、通信、雷達(dá)等接收設(shè)備中，處于接收機(jī)前端。 組成：放大器件+負(fù)載回路（各種選頻電路）,選頻+放大,2.1 選頻電路概述,諧振選頻回路的作用： 從眾多頻率成分中選出有用信號(hào)的頻率成分，抑制掉不需要的頻率成分，具有濾波和阻抗變換的功能。 常用的選頻回路： 有LC諧振回路，晶體諧

2、振器，聲表面波諧振器等。,選頻回路的主要指標(biāo)： (1)中心頻率 ：在該頻率上傳輸系數(shù)最大。 (2)通頻帶 （ ）：當(dāng)傳輸系數(shù)下降到最大值的 （即-3dB）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的上下限頻率的差。 (3)矩形系數(shù) ：當(dāng)傳輸系數(shù)下降到最大值的0.1倍時(shí)對(duì)應(yīng)的頻帶寬度和通頻帶之比。矩形系數(shù)越小說(shuō)明選擇性越好，理想情況下 =1說(shuō)明可以把通頻帶以外的信號(hào)全部濾掉。矩形系數(shù)的定義如下：,LC諧振回路是通信電路中最常用的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)， 有并聯(lián)回路和串聯(lián)回路兩種形式，其作用是：,（1）選頻濾波：從輸入信號(hào)中選出有用頻率分量，抑制無(wú)用頻率分量或噪聲。(例如在選頻放大器和正弦波振蕩器中),1.1,2.2 LC諧振回路選頻特性分析

3、,諧振特性：在某一特定頻率上諧振回路阻抗的虛部為零，即呈現(xiàn)為純電阻，此時(shí)回路阻抗具有最大或最小值的特性，稱(chēng)為諧振特性，這個(gè)特定頻率稱(chēng)為諧振頻率。利用其諧振特性可以實(shí)現(xiàn)頻率選擇，因此在高頻電路中得到廣泛應(yīng)用。,（2）阻抗變換電路及匹配電路；,（3）實(shí)現(xiàn)頻幅、頻相變換：將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅或相位的變化。例如在斜率鑒頻和相位鑒頻電路里，將在頻率調(diào)制中講。,阻抗變換的目的：將實(shí)際負(fù)載阻抗變換為前級(jí)網(wǎng)絡(luò)所要求的最佳負(fù)載值，即獲得最大功率輸出。,2.2.1 并聯(lián)諧振回路,電感、電容、信號(hào)源三者并聯(lián)，稱(chēng)之為并聯(lián)諧振回路。簡(jiǎn)單并聯(lián)諧振回路如圖所示，L為電感線圈，r是其損耗電阻，C為電容。,一、并聯(lián)諧振回路的

4、阻抗特性,當(dāng)信號(hào)頻率為 時(shí)， 由圖知：回路的阻抗,（2.1）,或 回路的導(dǎo)納：,此時(shí)，原圖可等效為下圖：,諧振時(shí)回路感抗和容抗相等，令阻抗虛部為零可得回路 的諧振頻率 ：,式中Q為回路的空載品質(zhì)因數(shù)（固有品質(zhì)因數(shù)）,空載品質(zhì)因數(shù)：,定義為諧振時(shí)回路儲(chǔ)存的能量與諧振時(shí)回路損耗的能量之比。,高頻電路中一般Q值較大（Q1）所以并聯(lián)回路的 諧振頻率可寫(xiě)為,它也是回路的中心頻率。,諧振時(shí)回路的阻抗最大為一純阻，回路的諧振電阻：,或諧振電導(dǎo),諧振時(shí)的感抗或容抗稱(chēng)為回路的特性阻抗,則式（2.1）可寫(xiě)作,當(dāng)信號(hào)頻率 在回路諧振頻率 附近，相差不大時(shí),則式可寫(xiě),阻抗的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式分別是,由此畫(huà)出的阻

5、抗頻率特性曲線如圖,阻抗幅頻特性,阻抗相頻特性,可見(jiàn)，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)電流的頻率與回路諧振頻率相同時(shí)，能在回路兩端產(chǎn)生最大輸出電壓。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率與諧振頻率出現(xiàn)偏差時(shí)（失諧），阻抗下降，輸出電壓也出現(xiàn)下降，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離諧振頻率時(shí)，回路阻抗趨于零，輸出電壓也趨于零。因此諧振回路具有選頻作用。,1.通頻帶 令頻率特性中,2.矩形系數(shù) 理想的濾波器的幅頻特性應(yīng)該是一個(gè)矩形，通頻帶內(nèi)信號(hào)被輸出，帶外信號(hào)被濾除。諧振回路的幅頻特性接近矩形的程度，用矩形系數(shù)描述。,令 可得,二、并聯(lián)諧振回路的參數(shù),可得,則矩形系數(shù),矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1，故回路的選擇性差。 回路的矩形系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)Q大小無(wú)關(guān)。,3.回路的

6、相頻特性,回路諧振時(shí) ， 回路呈純阻，不對(duì)信號(hào)附 加相移。,Q值對(duì)回路性能的影響,(a) 阻抗幅頻特性,(b) 阻抗相頻特性,并聯(lián)諧振回路的相頻特性呈現(xiàn)負(fù)斜率變化，在諧振頻率上斜率為,回路的Q值越大，曲線斜率越大，即相位隨信號(hào)頻率變化率增 大而增大（大?。?。在諧振頻率附近（ ），曲線近似,直線，即相移與頻率成線性關(guān)系。Q越小線性范圍越大。,串聯(lián)回路與并聯(lián)回路的電抗特性互為對(duì)稱(chēng)。,2.2.2 串聯(lián)諧振回路,L為電感線圈，r是其損耗電阻，C為電容。其中r很小，一般可以忽略。當(dāng)信號(hào)角頻率為 時(shí)， 回路的串聯(lián)阻抗為,令虛部為零，回路諧振，此時(shí)阻抗最小為r。,諧振頻率為,通頻帶和矩形系數(shù),單諧振回路的幅

7、頻特性不大理想,串聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻與相頻曲線如圖,(a)幅頻特性曲線,(b)相頻特性曲線,回路阻抗特性： 時(shí)諧振為純電阻且回路阻抗最小， 失諧時(shí)阻抗變大， 時(shí)回路呈容性 時(shí)回路呈感性,阻抗特性 (a) 串聯(lián)諧振回路的阻抗特性；(b) 并聯(lián)諧振回路的阻抗特性,4章19,4章23,2.2.3 串并聯(lián)諧振回路特點(diǎn),串、并聯(lián)回路的比較：,串聯(lián)諧振回路的阻抗,并聯(lián)諧振回路的阻抗,2、相頻特性：,串聯(lián)回路阻抗的相頻特性為正斜率，并聯(lián)回路阻抗的相頻特性為負(fù)斜率，且最大相移為,3、實(shí)際應(yīng)用中：,串聯(lián)回路適合于信號(hào)源和負(fù)載串接，從而使信號(hào)電流有效的送給負(fù)載。,并聯(lián)回路適合于信號(hào)源和負(fù)載并接，使信號(hào)在負(fù)載上得

8、到的電壓振幅最大。,表2.1 串并聯(lián)諧振回路對(duì)照,阻抗變換電路是一種將實(shí)際負(fù)載阻抗變換為前級(jí)網(wǎng)絡(luò)所要求的最佳負(fù)載阻抗的電路。阻抗變換電路對(duì)于提高整個(gè)電路的性能具有重要作用。,1、接入信號(hào)源和負(fù)載后會(huì)對(duì)回路產(chǎn)生什么影響？,并聯(lián)諧振回路與信號(hào)源和負(fù)載的連接,回路總電阻 R=RsRLRP,2.3 阻抗變換電路,2.3.1 信源與負(fù)載阻抗對(duì)選頻電路的影響,其中，回路總電導(dǎo)， 回路總電阻 R=RsRLRP。,回路的空載值為,而回路有載值為,此時(shí)的通頻帶為,接入信號(hào)源和負(fù)載對(duì)回路的影響： e ，回路選擇性變差，通頻帶展寬。而且并聯(lián)接入的s和L越小，則e越小，回路選擇性越差。 諧振電壓00也將隨著諧振回路總

9、電阻的減小而減小。 將影響回路的諧振頻率 ：信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載不一定是純電阻，可能還包括電抗分量。如要考慮信號(hào)源輸出電容和負(fù)載電容，由于它們也是和回路電容并聯(lián)的，所以總電容為三者之和，這樣就將影響回路的諧振頻率。 因此，必須設(shè)法盡量消除接入信號(hào)源和負(fù)載對(duì)回路的影響。,采用阻抗變換電路,可以改變信號(hào)源或負(fù)載對(duì)于回路的等效阻抗 若使s或L經(jīng)變換后的等效電阻增加，再與P并聯(lián)，可使回路總電阻 R 減小不多，從而保證e與相差不大。 可以使諧振頻率基本保持不變 若信號(hào)源電容與負(fù)載電容經(jīng)變換后大大減小，再與回路電容并聯(lián)，可使總等效電容增加很少，從而保證諧振頻率基本保持不變。,2、采用阻抗變換電路減小接入信號(hào)源

10、和負(fù)載對(duì)回路的影響,阻抗變換網(wǎng)絡(luò)首先應(yīng)是無(wú)損耗的，阻抗變換有多種方法，可以采用集中參數(shù)電抗元件構(gòu)成，也可采用分布參數(shù)的微帶構(gòu)成，采用集總參數(shù)的電感和電容或變壓器構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)可以是窄帶網(wǎng)絡(luò)，也可以是寬帶網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于窄帶網(wǎng)絡(luò)不僅要完成阻抗變換，還要完成濾波功能。,2.3.2 基本阻抗變換電路,變壓器是靠磁通交鏈, 或者說(shuō)是靠互感進(jìn)行耦合的。高頻變壓器有如下特點(diǎn)： (1) 為了減少損耗, 高頻變壓器常用導(dǎo)磁率高、 高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。,1.變壓器阻抗變換,(2) 高頻變壓器一般用于小信號(hào)場(chǎng)合, 尺寸小, 線圈的匝數(shù)較少。,次級(jí)所接負(fù)載為時(shí) ，從初級(jí)看 等效阻抗可以根據(jù)功率相等得到,設(shè)理想變壓

11、器初級(jí)匝數(shù)為,則變比為,次級(jí)匝數(shù)為,自耦變壓器阻抗變換電路 （）圖所示為考慮次級(jí)負(fù)載以后的初級(jí)等效電路。,2.部分接入進(jìn)行阻抗變換,采用抽頭回路的阻抗變換電路，包括自耦變壓器阻抗變換電路、電感分壓與電容分壓。,1) 自耦變壓器電路,負(fù)載L經(jīng)自耦變壓器耦合接到并聯(lián)諧振回路上。設(shè)自耦變壓器損耗很小，可以忽略，則初、次級(jí)的功率P1、P2近似相等，且初、次級(jí)線圈上的電壓UT和U之比應(yīng)等于匝數(shù)之比，設(shè)初級(jí)線圈與抽頭部分次級(jí)線圈匝數(shù)之比1p，,因?yàn)?定義接入系數(shù),所以,對(duì)于自耦變壓器， 總是小于或等于, 所以,等效到初級(jí)回路后阻值增大，從而對(duì)回路的影響將減小。 越小, 則L越大，對(duì)回路的影響越小。所以，接

12、入系數(shù) 的大小反映了外部接入負(fù)載（包括電阻負(fù)載與電抗負(fù)載）對(duì)回路影響大小的程度,通過(guò)改變抽頭系數(shù)，從而使信源與負(fù)載的阻抗實(shí)現(xiàn)匹配。,2） 電容分壓式阻抗變換電路 （b）圖所示是L等效到初級(jí)回路后的初級(jí)等效電路。,圖 電容分壓式阻抗變換電路,利用串、并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換公式，先將RL和C2轉(zhuǎn)換為串聯(lián)形式， 再與C1一起轉(zhuǎn)換為并聯(lián)形式，在2R2L(C1+C2)21時(shí)，可以推導(dǎo)出L折合到初級(jí)回路后的等效電阻為,接入系數(shù) 在這里總是小于。,如果把RL折合到回路中1、2兩端，則等效電阻為：,3） 電感分壓式電路,電感分壓式電路與自耦變壓器阻抗變換電路的區(qū)別在于1與2是各自屏蔽的，沒(méi)有互感耦合作用。（）圖是L等效

13、到初級(jí)回路后的初級(jí)等效電路，12。,圖 電感分壓式阻抗變換電路,L折合到初級(jí)回路后的等效電阻為：,其中 是接入系數(shù)，在這里總是小于。,2.4 選頻電路的計(jì)算與設(shè)計(jì),例2.1如圖，已知一個(gè)LC并聯(lián)回路的參數(shù),求(1)回路諧振頻率 ，品質(zhì)因數(shù)Q和諧振時(shí) 回路等效 阻抗 (2)當(dāng)信號(hào)頻率偏離諧振頻率 時(shí)，對(duì)應(yīng)的 阻抗和相移。,解：(1)諧振頻率為,品質(zhì)因素為,諧振電阻為:,(2)當(dāng)頻率偏移 時(shí)，偏移較小，對(duì)應(yīng)的阻抗和相移通過(guò)下式計(jì)算,例 2.2 試計(jì)算上題中回路的通頻帶 ，如果要求通頻帶 ，求在回路兩端并聯(lián)多大電阻以降低回路Q(chēng)值。,解：回路通頻帶,為了使通頻帶展寬，需要并聯(lián)負(fù)載電阻使回路品質(zhì)因數(shù)（稱(chēng)

14、為有載品質(zhì)因數(shù)）,此時(shí)對(duì)應(yīng)回路阻抗為,而 ，故,即需要在回路兩端并聯(lián)電阻 ,可使通頻帶變寬為,例2.3 某接收機(jī)輸入回路的簡(jiǎn)化電路如圖所示。 已知1=5pF，2=15pF，s=75 ，L=300。為了使電路匹配，即負(fù)載L等效到回路輸入端的電阻Ls，線圈初、次級(jí)匝數(shù)比12應(yīng)該是多少？,解：由圖可見(jiàn)，這是自耦變壓器電路與電容分壓式電路的級(jí)聯(lián)。,L等效到輸入端的電阻,如要求Ls，則 。所以,在以上介紹的四種常用阻抗變換電路中，所導(dǎo)出的接入系數(shù) 均是近似值，但對(duì)于實(shí)際電路來(lái)說(shuō)，其近似條件容易滿(mǎn)足， 所以可以容許引入的近似誤差。,例2.4 如圖,要求把負(fù)載 變成信源端阻抗 ,已知中心頻率 以及要求帶寬為 ,請(qǐng)選擇L,C的值。,解：據(jù)帶寬和諧振頻率算得,由并聯(lián)回路Q(chēng)值得感抗,可得到電感L值大小.同理可算出回路總電容,由 和 求得接入系數(shù),而,由此可求出 和 的值。,設(shè)一放大器以簡(jiǎn)單并聯(lián)振蕩回路為負(fù)載，信號(hào)中心頻率 ，回路電容采用C=50pF，試計(jì)算所需的線圈電感值。又若線圈品質(zhì)因數(shù)為 ，試計(jì)算回路諧振電阻及回路帶寬。若放大器所需的帶寬為0.5MHz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿(mǎn)足放大器所需帶寬要求？,課堂練習(xí),