2.1 谐振回路 2.2 小信号谐振放大器 2.3 集中选频放大器 2.4 放大器的噪声.

Presentation on theme: "2.1 谐振回路 2.2 小信号谐振放大器 2.3 集中选频放大器 2.4 放大器的噪声."— Presentation transcript:

1 2.1 谐振回路 2.2 小信号谐振放大器 2.3 集中选频放大器 2.4 放大器的噪声

2 2.1 谐振回路 2.1.1 并联谐振回路的选频特性 2.1.2 阻抗变换电路

3 2.1 谐振回路 谐振放大器的性能很大程度上取决于谐振回路，其应用广泛，首先介绍LC谐振回路。 2.1.1 并联谐振回路的选频特性
2.1 谐振回路 谐振放大器的性能很大程度上取决于谐振回路，其应用广泛，首先介绍LC谐振回路。 2.1.1 并联谐振回路的选频特性 作用：选择信号；阻抗变换。 一、并联谐振回路阻抗频率特性 Is . L r C Z + Uo – • L 的等效损耗电阻 图 并联谐振回路

4 时，回路并联谐振 r <<ωL 谐振阻抗： 谐振频率： 引入品质因数Q ，它反映谐振回路损耗的大小 Q 定义为：

5 在ω0附近 ?

6

7 其幅频特性和相频特性分别为

8 结论：谐振时，ω=ω0阻抗最大，相移=0。ω≠ω0时，并联谐振回路阻抗下降，相移增大。当ω>ω0时，回路呈容性，相移为负值，最大负值趋向于-900；当ω<ω0 时，回路呈感性，相移 为正值，最大值趋于900。 例 L = 180 H, C = 140 PF, r = 10  , 试求 （1） f0、 Q、Rp ；（2） 、 时的 等效阻抗和相移。 L r C Is . + Uo – [解] （1）求f0、Q、Rp

9

10 二、并联谐振电路的通频带和选择性 1. 电压谐振曲线 L r C Is . + Uo –

11 回路（归一化）输出电压的频率特性与阻抗频率特性是一样的。
输出电压的幅频特性与相频特性

12 图2.1.3 并联谐振回路幅频特性和相频特性曲线 (a)幅频特性 (b)相频特性

13 2.通频带 结论：f0一定，Q 越高, 通频带越窄。

14 正常使用时，回路通常应调谐在工作信号的中心频率上。
图2.1.4 并联谐振回路的通频带和选择性 3.选择性 选择有用信号，抑制干扰信号的能力。 可以用通频带外无用信号与谐振时输出电压之比来表示，比值越小，选择性越好。 正常使用时，回路通常应调谐在工作信号的中心频率上。 BW0.1越小，选择性越好 矩形系数K 0.1 K0.1 = BW0.1 / BW0.7

15 计算BW0.1 ： 即 推得 BW0.1 10 f 0 / Q=10 BW0.7 单谐振回路的矩形系数 K0.1 = BW0.1 / BW0.7=10 结论：单个并联谐振回路选择性较差。

16 2.1.2 阻抗变换电路 一、信号源及负载对谐振回路的影响 实际电路存在Rs、RL、 r；将使Q下降、通频带变宽、选择性变差、调谐频率偏移。
Us . C RL RS

17 相当于并 联电路 在0附近

18 L r Us . C RL RS （a） （b）

19 将(b)图的所有电阻合并为 显然Re < Rp L Is . C Re = RL // RS //RP 由于Re<Rp，所以Qe<Qp，信号源及负载使回路品质因数下降,通频带变宽，选择性变差。 由14页式（2.1.7）得：有载品质因数

20 (1) 计算无 RS、 RL时回路的固有特性：f0、Q、RP、BW0.7
例 下图中，L = 586 H, C = 200 PF, r = 12  , RS = RL= 200 k ，试 分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。 L r Us . C RL RS 解: (1) 计算无 RS、 RL时回路的固有特性：f0、Q、RP、BW0.7 （空载品质因数）

21 (2) 考虑 RS、RL时影响后回路的特性：

22 为减小RS、RL对谐振回路的影响，可以增大它们的数值，但常采用阻抗变换电路。
二、常用阻抗变换电路 为减小RS、RL对谐振回路的影响，可以增大它们的数值，但常采用阻抗变换电路。 变压器阻抗变换电路 设变压器为无耗的理想变压器，匝比n L1 RL R’L L2 N1 N2 + –

23 设L1 、L2无耗，当RL >> L2时, 可忽略RL分流，可证明
电感分压器阻抗变换电路 设L1 、L2无耗，当RL >> L2时, 可忽略RL分流，可证明 N1 N2 L1 RL R’L L2 + – 1 2 3 M 根据功率相等原理，有 小变大 初次级可换接吗？

24 电容分压分压器阻抗变换电路 设C1 、C2无耗， RL 小变大 R’L
+ – 设C1 、C2无耗， 小变大 例 下图中，线圈匝数 N12 = 10 匝， N13 = 50 匝， N45 = 5 匝，L13= 8.4 H, Q =100, C = 51 PF, RS =10 k, Is = 1 mA , RL= 2.5 k, 求有载品质因数Qe、通频带BW0.7、谐振输出电压Uo。

25 I’s Is = 250 k = 250 k = 40.6 k C Uo 1 2 3 + – RL Rs 5 4 1 3 C U’o
Rp L13 解：将Is 、RS 、 RL均折算到并联谐振回路1-3两端 = 250 k = 250 k = 40.6 k

26 = 30.6 k Re = R’s // Rp //R’L=250//40.6//250 空载（Q=100）
BW0.7 = f 0 / Qe =0.103106Hz=0.103MHz

27 Is C Uo 1 2 3 + – RL Rs 5 4 I’s C U’o + – RT L13

28 2.2 小信号谐振放大器 2.2.1 晶体管的Y参数等效电路 2.2.2 单调谐回路谐振放大器 2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器
2.2.4 调谐放大器的稳定性

29 2.2 小信号谐振放大器 以谐振回路为选频网络的高频小信号放大器，或称小信号调谐放大器。 构成： 小信号放大器 ＋ LC谐振回路
2.2 小信号谐振放大器 以谐振回路为选频网络的高频小信号放大器，或称小信号调谐放大器。 构成： 小信号放大器 ＋ LC谐振回路 2.2.1 晶体管的Y参数等效电路 对小信号

30 对小信号

31 称为晶体管输出端交流短路时的输入导纳 称为晶体管输出端交流短路时的正向传输导纳 称为晶体管输入端交流短路时的反向传输导纳 称为晶体管输入端交流短路时的输出导纳

32 Y参数通过仪器测量，或查手册，或由混合π型等效电路求出。
晶体管混合π型等效电路 考虑到 根据Y参数定义，可得Y参数 与混合参数之间的关系为

33 混合π型参数与频率无关,Y参数与频率有关。在窄带放大器中，可以近似认为晶体管Y参数与频率无关。

34 实际应用Y参数等效电路 高频管的rbb’ 很小，通常可略，即rbb’ =0。

35 rbb’ =0 一般内部反馈很小，Yre=0

36 rbb’ =0 C B E + – 简化高频小信号等效电路

37 2.2.2 单调谐回路谐振放大器 一、 放大电路及其等效电路 知识回顾 ： L1 RL R’L L2 N1 N2 + – 第七、八次课

38 L C +VCC RE RB1 RB2 CE CB YL L C YL 交流通路 自耦变压器匝比 变压器初次级匝比 3 5 5 1 2 +
– 5 1 2 3 4 L C YL 5 3 2 1 4 + – B E 交流通路 自耦变压器匝比 变压器初次级匝比

39 ；将Yoe折算到回路1、3两端为

40 也称 为本级晶体管输出对调谐回路的 接入系数， 称为下级对调谐回路的接入系数。

41 同理，将YL折算到谐振回路1、3两端为 参见下图

42 将相同性质的元件进行合并 参数合并后的等效电路 等效电路的谐振频率

43 谐振频率 注意： 有载品质因数 由于Ge>GP (Re<RP) ，所以Qe<Q（Q为电路的空载品质因数）。为减小晶体管及负载对回路的影响应选用Yoe、Yie小的晶体管外，还应选择较大的匝比n1和n2。

44 二、电压增益、选择性和通频带 1、3端电流 1、3端 4、5端 谐振时 谐振电压增益

45 归1化 的增益频率特性 幅频特性 通频带

46 由此可得单调谐放 大器的矩形系数 O 1.0  f 0.707 0.1 BW0.7 BW0.1 选择 性较差 谐振曲线

47 2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器 同步调谐放大器 — 参差调谐放大器 — 每级谐振回路均调谐在 同一频率上 各级谐振回路调谐在
多级单调谐回路谐振放大器 同步调谐放大器 — 参差调谐放大器 — 每级谐振回路均调谐在 同一频率上 各级谐振回路调谐在 不同频率上 一、同步调谐放大器 总电压放大倍数 谐振时总电压放大倍数 用增益的分贝数表示

48 多级同步调谐放大器特点：级数越多，谐振增益越大，幅频特性曲线越尖锐，矩形系数减小，选择性越好，通频带越窄。
O  f 1.0 0.707 级数 增多 多级同步调谐放大器特点：级数越多，谐振增益越大，幅频特性曲线越尖锐，矩形系数减小，选择性越好，通频带越窄。 二、双参差调谐放大器 Au1 Au2 ui uo f1= f0 +  f f2= f0 –  f

49 2.2.4 调谐放大器的稳定性 总幅频特性更接近于矩形， 选择性比单调谐放大器好。 总通频带可宽于各级。 见24页图2.2.2
f f0 f2 f1 总幅频特性更接近于矩形， 选择性比单调谐放大器好。 总通频带可宽于各级。 调谐放大器的稳定性 见24页图2.2.2 一、谐振放大器不稳定的原因 Yre引起内部反馈；其主要由CB间结电容Cb’c引起。

50 二、提高谐振放大器稳定性的方法 选用Yre（或 Cb’c ）小的晶体管 从电路上消除内 反馈的影响 中和法 失配法 1. 中和法
谐振回路阻抗特性剧烈变化的特性更使这种内反馈随频率变化而剧烈变化，使放大器的频率特性发生变化，增益、通频带、选择性等都发生变化，导致放大器工作不稳定。严重时会在某频率点满足自激条件，产生自激振荡。 频率越高，回路Q值越大，放大器工作越不稳定。 二、提高谐振放大器稳定性的方法 选用Yre（或 Cb’c ）小的晶体管 从电路上消除内 反馈的影响 中和法 失配法 1. 中和法

51 在某频率附近，通过中和电容的反馈电压与通过结电容的反馈电压相位相反，抵消了通过结电容的反馈。
中和法只能在很窄的频率范围内起作用，且不易调节。 交 流 通 路 中和电容 增大负载导纳YL，使回路总导纳增大，导致输出回路失配，输出电压减小，从而减小内反馈。 2. 失配法 失配法以牺牲增益为代价。在设计小信号谐振放大器时，通常不追求很高的增益，而是以稳定工作为前提。

52 输入导纳大，与前级失配，不存在 反馈。 输出导纳小，负载导纳大，电流增益 仍很大。 图 共射—共基组合电路调谐放大器 另外要注意元件排列、接地、电源滤波。

53 输入级由共射—共基电路构成差分电路，输出级由复合管差分电路构成。内反馈很小。是一个双端输入、双端输出的全差动式电路。
三、集成调谐放大器 uo MC1590 1 3 4 8 5 6 2 7 AGC VCC ui 输入级由共射—共基电路构成差分电路，输出级由复合管差分电路构成。内反馈很小。是一个双端输入、双端输出的全差动式电路。

54 C3隔直，交流接地，单端输入，C2，L1调谐。
电源去耦滤波器 应用电路 uo C2 L1 L2 +12V RL MC1590 L3 1 3 4 8 5 6 2 7 AGC C3 C4 ui C5 C6 输出调谐，单端输出。 C3隔直，交流接地，单端输入，C2，L1调谐。 输入、输出回路均调谐在信号的中心频率上。

55 2.3 集中选频放大器 2.3.1 集中选频滤波器 2.3.2 集中选频放大器应用举例

56 2.3 集中选频放大器 组成： 集成宽带放大器 ＋ 集中选频滤波器 由多级差分放大电路组成 适用于固定频率选频放大器，矩形系数接近于一。
2.3 集中选频放大器 组成： 集成宽带放大器 ＋ 集中选频滤波器 由多级差分放大电路组成 适用于固定频率选频放大器，矩形系数接近于一。 常用的有石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。作为部件由专业工厂生产。

57 2.3.1 集中选频滤波器 一、 陶瓷滤波器 材料:由锆钛酸铅陶瓷材料制成 工艺： 陶瓷焙烧  片状  两面涂银浆直流高压极化 。
压电效应： 当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两极间产生电压；而当陶瓷片两极间加上电压时，它会产生机械变形。 Rs us 示意图

58 Co— 压电陶瓷片的固定电容 Lq— 机械振动时的晶体的等 效质量 Cq Cq — 机械振动时的等效弹性 Lq 系数 C0 rq
当外加交变电压的频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。 电路符号和等效电路 rq C0 Cq Lq Co— 压电陶瓷片的固定电容 Lq— 机械振动时的晶体的等 效质量 Cq — 机械振动时的等效弹性 系数 rq — 机械振动时的等效阻 尼 参数与几何尺寸有关。

59 阻抗频率特性 串联谐振频率 达100 k 并联谐振频率  20  构成四端陶瓷滤波器 由两个陶瓷片组成 由九个陶瓷片组成 例 如

60 陶瓷片的Q值比一般LC回路的大，将各陶瓷片的串并联谐振频率配置得当时，四端陶瓷滤波器可获得接近矩形的幅频特性。
符号 陶瓷滤波器：工作频率为 几百kHz  几十MHz 使用时，其输入阻抗须与信号源阻抗 匹配，其输出阻抗须与负载阻抗匹配。 陶瓷滤波器的优缺点 优点：体积小、成本低、受外界影响小。 缺点：频率特性较难控制，生产一致性较差，BW不够宽。石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q

61 值高很多，因此频率特性好，但价格较高。 二、声表面波滤波器 (SAWF) 声表面波滤波器优点： 体积小、重量轻、性能稳定、特性一致性好、工作频率高（几MHz~几GHz）、通频带宽、抗辐射能力强、动态范围大等。 声表面波滤波器是一种利用弹性固体表面传播 机械振动波的器件；可以做成带通滤波器，在通信、 电视、卫星、宇航领域得到广泛应用。

62 声表面波滤波器的结构与工作原理 它以铌酸锂、锆钛酸铅和石英等压电材料为基片，利用真空蒸镀法，在基片表面形成叉指形金属膜电极，称为叉指电极。

63 SAW滤波器的性能与基片材料、叉指电极的尺寸、形状等有关。合理设计叉指电极，可获得预期频率特性，K0. 1可小于1
SAW滤波器的性能与基片材料、叉指电极的尺寸、形状等有关。合理设计叉指电极，可获得预期频率特性，K0.1可小于1.2，相对带宽(2△f/f0)可达50%。 2.3.2 集中选频放大器应用举例 集中选频放大器线路简单、选择性好、性能稳定、调整方便，广泛运用于通信、电视等各种电子设备中。

64 并联谐振回路调谐在陶瓷滤波器的主谐振频率上，用来消除陶瓷滤波器通带以外出现的小谐振峰。 4.7 k用来展宽LC通带。
uo +6V 30 FZ1 6 4 7 10 5 12 11 1 2 ui 470 H – 6V 8 0.033F 62 560 3.3 k 1.2 k 1 k 4.7 k 30 pF 陶瓷滤波器选频放大器 共射—共基组合 并联谐振回路调谐在陶瓷滤波器的主谐振频率上，用来消除陶瓷滤波器通带以外出现的小谐振峰。 4.7 k用来展宽LC通带。 陶瓷滤波器输入端采用变压器耦合，输出端接跟随器，以实现阻抗匹配。

65 声表面波滤波器选频放大器 预中放 L1与分布电容并联谐振于中心频率。 C1 、C2、C3均为隔直耦合电容。 R2 、C4为电源去耦滤波电路L2、L3为匹配电感，用于抵消SAWF输入、输出端分布电容的影响，以实现阻抗匹配。

66 2.4 放大器的噪声 2.4.1 噪声的来源 2.4.2 噪声系数

67 2.4 放大器的噪声 2.4.1 噪声的来源 噪声会影响放大器对微弱信号的放大能力。 一、电阻热噪声
2.4 放大器的噪声 噪声会影响放大器对微弱信号的放大能力。 2.4.1 噪声的来源 一、电阻热噪声 电阻内的自由电子处于无规则的热运动状态。大量电子的热运动所产生的窄脉冲电流相叠加，就形成了噪声电流，并在电阻两端产生噪声电压。 由于自由电子的热运动所产生噪声，称为电阻热噪声。

68 电阻热噪声属于白噪声。因为它具有极宽的频谱，0—10131014Hz以上，且各个频率分量的强度相等。
就一段时间看，电阻热噪声电压的平均值为零。但有噪声功率，且温度一定时，热噪声功率一定。 电阻热噪声属于白噪声。因为它具有极宽的频谱，0—10131014Hz以上，且各个频率分量的强度相等。 放大器频带越宽，温度越高，电阻值越大，则电阻热噪声的影响也越大。 二、晶体管的噪声 由于单位时间内通过PN结的载流子数目随机起伏，使流过PN结的电流在平均值上下作不规则的起伏变化而形成的噪声。它也是白噪声。 晶体管 放大工作时，散弹噪声主要由发射结产生。 一般比电阻热噪声大，有四种来源。 1.散弹噪声

69 其频谱集中在约1kHz以下，且功率谱密度与频率成反比。因此，也称为低频噪声或1/f 噪声。对低频放大器影响较大。
1.散弹 噪声 由于基区中IC 、 IB 分配比例的随机变化，造成在IC 在静态值上下起伏变化所引起的噪声。 2.分配 噪声 表现为IE的起伏。一般认为由于晶体管清洁处理不好或有缺陷引起。 其频谱集中在约1kHz以下，且功率谱密度与频率成反比。因此，也称为低频噪声或1/f 噪声。对低频放大器影响较大。 闪烁噪声也存在于电阻等耗能元器件中。 3.闪烁 噪声 4.热噪声

70 4.热噪声 三、场效应管的噪声 结型场效应管主要为沟道电阻热噪声
晶体管三个中性区体电阻、相应的引线电阻等产生的电阻热噪声。rbb’的影响较大，其它的体电阻及引线电阻的热噪声可略。 4.热噪声 三、场效应管的噪声 结型场效应管主要为沟道电阻热噪声 沟道中载流子不规则热运动而产生，类似电阻热噪声；绝缘珊场效应管的主要为 1/f 噪声，栅极漏电流产生的散弹噪声；一般场效应管的噪声比晶体管的小。

71 2.4.2 噪声系数 评价放大器性能好坏的一个指标，由下式计算 噪声系数大小只与放大器本身性能有关；只适用于线性放大器。
290K（170C)

72 2.4.2 噪声系数 评价放大器性能好坏的一个指标，由下式计算 噪声系数大小只与放大器本身性能有关；只适用于线性放大器。
噪声系数的另一种表示

73 放大器总噪声功率Pno应等于APPni和放大器本身噪声在输出端产生的噪声功率PnA之和
由前面公式可得 ,噪声系数 >1 噪声系数 越小，说明放大器内部噪声越小。

74 作业： 2.1，2.2，2.3，2.4，2.6，2.7，2.8