小信号谐振放大器.ppt

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1、物理与电子工程学院电子信息科学与技术专业第2章 小信号谐振放大器 及电子噪声,教 师：陈 方 林,重庆师范大学,提纲 重庆师范大学,2.1 概述 2.2 LC谐振回路2.3 晶体管高频等效电路2.4 晶体管谐振放大器2.5 宽频带放大器2.6 集中选频与集成放大器2.7 小信号谐振放大器稳定性2.8 电子噪声及噪声度量,概述 重庆师范大学,定义,1,小信号谐振放大器是一种窄带的选频放大器，是无线电接收设备的主要部件。其功用是放大各种无线电设备中的高频小信号，抑制无用干扰信号。“小信号”主要是强调输入信号电平（电压）较低，放大器工作在它的线性范围。“谐振（调谐）放大器”采用谐振回路（选频网络）作

2、为负载的放大器。,概述 重庆师范大学,技术指标,1,增益高、满通频带、选择性强、稳定性好,1、增益 由接收机灵敏度要求而定。灵敏度高则增益高。增益有功率增益和电压增益。如下：,概述 重庆师范大学,技术指标,1,2、通频带,概述 重庆师范大学,技术指标,1,3、选择性各种不同频率的信号中选出有用信号而抑制干扰信号的能力,（1）抑制比抑制比为谐振电压增益与通频带以外某一特定频率上的电压增益之比值，用d表示。d值越大，放大器的选择性越好。（2）矩形系数,概述 重庆师范大学,技术指标,1,4、稳定性当放大器的元器件参数变化时，放大器的主要性能增益、通频带、矩形系数（选择性）的稳定程度。,返回,5、噪声

3、系数 表征信号经放大后，信噪比变坏的程度。噪声系数的定义是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振定义电路中L、C两组件之能量相等，当能量由电路中某一电抗组件释出时，且另一电抗组件必吸收相同之能量，即L、C之间互相吞吐能量。即此两电抗组件间会产生一能量脉动。,2,谐振回路,当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。,LC谐振回路 重庆师范大学,LC谐振回路分类,2,LC谐振回路特性,LC谐振回路

4、重庆师范大学,并联谐振回路,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,+ui-,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,电感性,电容性,LC谐振回路 重庆师范大学,2,同样定义并联谐振回路端电压的相位为,LC谐振回路 重庆师范大学,2,+ui-,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,串联谐振回路,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,2,电

5、容性,电感性,LC谐振回路 重庆师范大学,2,+uC-,+uL-,+ui-,+uR-,LC谐振回路 重庆师范大学,2,矩形系数:,=9.96,LC谐振回路 重庆师范大学,2,LC谐振回路 重庆师范大学,并、串联LC谐振回路比较,2,1.电路,r0:串谐电路的空载谐振阻抗。,R0:并谐电路的空载谐振阻抗,对信号源而言，RL，C 三者是并联关系,对信号源而言，RL，C 三者是串联关系,并联谐振回路,串联谐振回路,LC谐振回路 重庆师范大学,并、串联LC谐振回路比较,2,2.谐振条件,当 时，得谐振频率串联、并联谐振回路的谐振频率相等谐振意义：谐振时，同相。,LC谐振回路 重庆师范大学,并、串联LC

6、谐振回路比较,2,3.导纳或阻抗 4.阻抗特性曲线,并联谐振,串联谐振,LC谐振回路 重庆师范大学,并、串联LC谐振回路比较,2,并联谐振,Q用途：可以衡量谐振现象的尖锐程度,串联谐振,5.品质因数-quality factor,LC谐振回路 重庆师范大学,并、串联LC谐振回路比较,2,并联谐振,串联谐振,6.负载对谐振电路影响,品质因数下降,LC谐振回路 重庆师范大学,2,例1：串联回路如下图所示。,信号源频率 f=1MHz电压振幅 V=0.1V。将1-1端短接，电容C 调到100pF时谐振。此时，电容 C 两端的电压为10V。,如1-1端开路再串接一阻抗 Z（电阻和电容串联），则回路失谐，

7、电容 C 调到200pF时重新谐振。此时，电容 C 两端的电压为2.5V。试求：线圈的电感 L，回路品质因数 Q 以及未知阻抗 Z。,LC谐振回路 重庆师范大学,2,解：（1）计算L值,（2）空载品质因数和有载品质因数,电容：,（3）计算阻抗,回路谐振电阻,LC谐振回路 重庆师范大学,阻抗的串并联等效转换,2,LC谐振回路 重庆师范大学,阻抗的串并联等效转换,2,要使串联支路和并联支路等效，要求ps，即,品质因数Q必须相同,相除,LC谐振回路 重庆师范大学,两种并联谐振回路等效转换,2,LC谐振回路 重庆师范大学,两种并联谐振回路等效转换,2,利用,有,式中,是L、r支路在 点上的品质因数,当

8、高Q情况下，近似解,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（部分接入）,2,负载直接并在L、C元件上存在问题：1、谐振回路Q 值大大下降，无法满足实际要求；2、信号源内阻和负载电阻常常是不相等的，即阻抗不匹配。当相差较多，负载上得到功率可能很小；3、信号源输出电容和负载电容影响回路的谐振频率，在实际问题中，RS、RL、CL、CS 给定后，不能任意改动。,解决这些问题的途径是采用“部分接入”方法，使信号源或负载不直接并入回路的两端，而是经过一些简单的变换电路，利用“阻抗变换”把它们折算到回路两端。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,1、功率等效原理 当回路处于谐振时，电

9、感、电容功耗总和为0，同时在不考虑电感、电容自身损耗的情况下，信号源输入给回路的功率近似等效为负载所得到的功率。2、分析方法 A、利用功率等效原理 B、串、并联等效代换公式3、接入系数n（或p）,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,1.自耦变压器接入（电感抽头接入）,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（部分接入）,2,电感抽头接入等效电路,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（功率等效推导）,2,接入系数n（或者p）,接入系数表示在总圈数N1中接入N2所占比例。所以n在01之间，调节n的大小可以改变折合电阻 RL的数值。n越小，RL与回路的接入部分越少，对

10、回路影响越小，RL就越大。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,当外接负载不为纯阻，还包含电抗部分,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（功率等效推导）,2,当外接负载不是纯电阻，包含有电抗成分时，上述等效变换关系仍适用。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,当信号源采用部分接入的方法,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（功率等效推导）,2,可以这样理解：从2-3端折算到1-3端电压变比为 1/n 倍，在保持功率不变的条件下，电流变比应为 n 倍。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,2.电容抽头接入,LC谐振回路 重庆师范

11、大学,谐振回路的接入方式,2,电容抽头接入等效电路,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（串并联等效变换推导）,2,如图（b）中RL与C2的并联形式转换为串连形式,当 时，可得,如图（c）再把rLS与C1、C2串连形式转换成并联形式,式中，带入有,由于，所以 RLRL,其接入系数公式为,虽然双电容抽头的连接方式多了一个电容元件，但是，它避免了绕制变压器和线圈抽头的麻烦，调整方便，同时还起到隔直流作用。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,3.变压器接入方式,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式,2,互感变压器接入等效电路,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路

12、的接入方式（功率等效推导）,2,接入系数n（或者p）,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（总结）,2,（1）0 n 1,调节 n 可改变折算电阻数值。n 越小，RL 与回路接入部分越少，对回路影响越小，越大。（2）对于电容抽头接入，接入系数为（3）当外接负载不是纯电阻，包含有电抗成分时，上述等效变换关系仍适用。,LC谐振回路 重庆师范大学,谐振回路的接入方式（总结）,2,部分接入时,则,（1）,（2）,采用任何接入方式，都可使回路的有载QL 值提高，而谐振频率不变。同时，只要负载和信号源采用合适的接入系数，即可达到阻抗匹配，输出较大的功率。,晶体管等效电路 重庆师范大学,3,晶体管

13、（transistor）,高频管的电流放大系数随工作频率的增加而减小。混合型等效电路和Y参数等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具,晶体管、场效应管和电阻引起的电噪声将直接影响放大器和整个电子系统的性能。本章将讨论这两部分内容，他们是高频电路的基础。,晶体管及半导体三极管，高频管即工作频率大于30MHz。,晶体管等效电路 重庆师范大学,2,混合型等效电路,1、既有实际的物理点、物理元件，又有等效的等效节点、等效元件，因此冠以混合二字；2、等效电路的形态像希腊字母。,属于物理模型参数等效电路。从模拟晶体管的物理机构出发,用集中参数元件、和受控源来表示管内的复杂关系。,晶体管等效电路 重庆

14、师范大学,2,八大参数,：基区体电阻,基极引线段b到有效基区b 的电阻。约1550；,：发射结电阻折合到基极回路的等效电阻,约几十欧到几千欧；,：集电结电阻,约10k10M，可忽略不计；,：集电极发射极电阻,几十千欧以上，可忽略不计；,晶体管等效电路 重庆师范大学,2,八大参数,：发射结电容,约20 pF0.01uF；,：集电结电容,一般在10pF左右；,：电流源，代表晶体管的电流放大作用；,：集电极发射极电容,由晶体管引线和封装等结构形成，一般在210pF。可忽略不计或并到负载上；,晶体管的跨导；其值大小反应发射结电压对集电极电流的控制能力，值越大控制能力越强。,晶体管等效电路 重庆师范大学

15、,2,混合型等效电路优缺点,优点是各元件参数物理意义明确,直观容易理解。在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随器件不同而有不少差别,分析和测量不方便。从电路设计和计算角度，晶体管对外的等效参数越少越好，因此较好的方法要撇开晶体管的内部结构，只研究晶体管对外部的等效作用，也就是说只要知道输入端口和输出端口的电流电压关系就可以确定晶体管的的外部特征，Y参数等效电路就是基于此提出。,晶体管等效电路 重庆师范大学,2,晶体管Y参数等效电路,参数法则是从测量和使用的角度出发,把晶体管作为一个有源线性双口网络,用一组网络参数构成其等效电路。优点是导出的表达式具有普遍意义,分析和测量方便。缺点是网络

16、参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器相对频带较窄,一般仅需考虑谐振频率附近的特性,因而采用这种分析方法较合适。,晶体管等效电路 重庆师范大学,2,晶体管Y参数等效电路,四端网络,Y参数等效电路,Y参数 方程,晶体管等效电路 重庆师范大学,2,晶体管Y参数等效电路,输入导纳,正向传输导纳：决定晶体管方法能力,反向传输导纳：决定晶体管内部反馈,输出导纳,返回,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,何谓晶体管谐振放大器？,由晶体管和LC谐振回路组成，实现信号选频和放大。,选频谐振回路,放大放大电路,（由晶体管及其外围电路构成）,（由电感L和电容C构成）,谐振回路与放大电路如何结合为一体，成为 调谐

17、放大器？,谐振回路作为放大器的集电极负载,或者放大器作为负载部分接入谐振回路,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器,基本电路,工作原理1、直流通路：Ec保证晶体管处于放大区2、交流通路：天线信号输入到基极，加到发射结放大，由谐振回路调谐选频输出,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器高频等效电路,单级调谐放大器 交流等效电路 高频等效电路（晶体管用Y参数等效）,（1）绘制交流等效电路的原则,（2）交流等效电路,将交流等效电路中的晶体管用其Y参数等效电路代替，其它部分保持不变。,交流等效电路,分析方法：,Y参数等效电路的绘制,晶体管谐振放大器 重庆师范大

18、学,2,如何绘制电路的交流等效图？,绘制交流等效电路的原则：凡固定不变的量均为零，即恒定的电压为短路，恒定的电流为开路。,把直流电源看作短路；把交流旁路电容一律看作短路；把隔直耦合电容一律看作短路；,d.技术性元件可以删去，以简化交流等效电路；,e.原理性元件不能随便删除或变更位置。,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,绘制电路的交流等效图,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,绘制电路的Y参数等效电路图,将交流等效电路中的晶体管用其Y参数等效电路代替，其它部分保持不变。注意：忽略内部反馈,参数折合：,晶体管参数：,负载参数：,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,进一步简化,简化后电导和电容：,

19、晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器的性能指标计算,1、电压增益,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器的性能指标计算,1、电压增益,当回路谐振时:,谐振时电压增益,可知,电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数都有关：,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器的性能指标计算,2、通频带,增益降为,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器的性能指标计算,3、矩形系数,定义：增益降到1/10时所对应的带宽与通频带之比,理想的矩形系数应等于1。因此单调谐放大器的矩形系数与理想矩形相差较远，选择性不好，抑

20、制干扰能力较差。同时可知：（1）单调谐放大器的选频性取决于单个LC回路（2）通频带受晶体管输出阻抗和负载影响，比单LC回路宽,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器的性能指标计算,4、带宽与增益关系,结论：当放大器 确定后，增益和通频带的乘积为一常数，也就是说增益和通频带是一对矛盾参数。,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,单调谐共射极调谐放大器的性能指标计算,5、波段平稳性,结论：在C（或L）分段调谐时增益随频率的变化很大，很不平稳，可以适当的调整接入系数或者在回路两端并联电阻（或改变固定电容），使各波段电压增益起点基本一致，则整个波段就比较平稳了。,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,多级放大器,如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上,则称为多级单调谐放大器。,原因：单调谐放大器电路简单，调试容易。但（1）选频性能差（矩形系数大，离理想值1较远）（2）增益（放大倍数）和通频带的矛盾比较突出。,1、多级调谐放大器的增益,晶体管谐振放大器 重庆师范大学,2,多级放大器,2、总通频带和矩形系数,同理,带宽缩减因子,返回,多级放大器级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了,而通频带比单级放大器的通频带缩小了,且级数越多,频带越窄，总的矩形系数变小。,重庆师范大学,第2章结束,