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通信电子线路

通信电子线路. 湖北理工学院. 第 2 章　高频小信号调谐放大器. 本章重点： 1. 串、并联谐振回路分析方法； 2. 单双调谐放大器基本原理及组成； 3. 单、双调谐放大器 Y 参数分析方法； 4. 高频小信号调谐放大器稳定性； 5. 集中选频放大器. 第 2 章　高频小信号调谐放大器. 高频小信号调谐放大器是无线电通信设备中的重要电路 定义：指采用谐振回路（串、并联及耦合谐振回路）作为放大器负载，放大各种无线电设备中的高频小信号（中心频率在几百 kHz 到几百 MHz ，频谱在宽度在几 kHz 到几十 MHz 的范围内的微弱信号）的放大器。

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  1. 通信电子线路 湖北理工学院

  2. 第2章　高频小信号调谐放大器 • 本章重点： • 1. 串、并联谐振回路分析方法； • 2. 单双调谐放大器基本原理及组成； • 3. 单、双调谐放大器Y参数分析方法； • 4. 高频小信号调谐放大器稳定性； • 5. 集中选频放大器

  3. 第2章　高频小信号调谐放大器 高频小信号调谐放大器是无线电通信设备中的重要电路 • 定义：指采用谐振回路（串、并联及耦合谐振回路）作为放大器负载，放大各种无线电设备中的高频小信号（中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱在宽度在几kHz到几十MHz的范围内的微弱信号）的放大器。 • 特点：负载不是纯电阻，而是由L、C元件组成的并联谐振回路。通常是窄带放大器，具有选频或滤波作用。 • 要求：（1）增益要高； • （2）选择性要好； • （3）工作要稳定可靠； • （4）噪声要小。

  4. 第2章　高频小信号调谐放大器 • 1、分析方法：属于线性放大器，采用线性模型的等效电路分析法 • 2、分类： 按所使用器件 • 晶体管高频小信号放大器、场效应管高频小信号放大器、集成电路高频小信号放大器； 按照放大信号频谱的宽窄 • 窄带放大器、宽带放大器； 按照电路形式不同 • 单级放大器、多级放大器； 按照负载形式 • 调谐放大器、非调谐放大器。 • 本章主要介绍晶体管单级窄带高频小信号调谐放大器

  5. 第2章　高频小信号调谐放大器 • 2.1LC谐振回路 • 2.2　单调谐放大器 • 2.3　双调谐放大器 • 2.4　高频小信号调谐放大器级联 • 2.5　高频调谐放大器的稳定性 • 2.6*　集中选频放大器

  6. 2.1LC谐振回路 • LC谐振回路: • 由电感和电容（包括它们的损耗电阻在内）组成的单个谐振回路。分串联谐振回路和并联谐振回路。 • 2.1.1　串、并联谐振回路的基本特性 • 电感的感抗（jωL）值随频率升高而增大；电容的容抗（1/ jωC）值则随频率升高而减小。 谐振频率 谐振回路阻抗的幅值在某个特殊频率点上有最小值（串联）或最大值（并联），此时电压与电流相位差为零 。 谐振阻抗 当激励源正弦信号频率等于谐振频率时，串联或并联谐振回路的阻抗等于一个纯电阻。

  7. 2.1LC谐振回路 • 1、串联谐振回路 图2–1 串联谐振回路及特性

  8. 2.1LC谐振回路 • 设信号角频率为ω，此时串联谐振回路阻抗为 • （2–1） • 谐振频率 • 谐振阻抗 • 品质因数

  9. 2.1LC谐振回路 • 2、并联谐振回路 图2–2 并联谐振回路及特性

  10. 2.1LC谐振回路 • 设信号角频率为ω，此时并联谐振回路导纳为 • （2–5） • 式中 • 谐振频率 • 谐振阻抗 R0=1/G0 • 品质因数 其它特性及计算公式如表2–1所示。

  11. 2.1LC谐振回路 • 2.1.2　负载和信号源内阻对谐振回路的影响 • 1、串联谐振 • 有载品质因数： • （2–8） • 说明：实际中，如果负载电阻有多个，则利用串并联方法合并成一个RL，再由式（2–8）计算QL。类比，用RΣ代替表2–1中的r，可计算其它参数。 图2–3考虑RS和RL后串联谐振电路

  12. 2.1LC谐振回路 • 2.1.2　负载和信号源内阻对谐振回路的影响 • 2、并联谐振 • 有载品质因数： • （2–10） • 式中，GS = 1/RS，G0 = 1/R0，GL = 1/R • 总结：串联谐振回路（又称为电压谐振回路）适用于RS很小（恒压源）及RL较小的场合；并联谐振回路（又称为电流谐振回路）适用于RS很大（恒流源）及RL较大的场合。综上所述，为了得到较好的选择性，要根据情况，选择合适的谐振回路。 图2–4 考虑RS和RL后并联谐振电路

  13. 2.1LC谐振回路 • 2.1.3　谐振回路的接入方式 • 当并联谐振回路作为放大器负载时，输入端与信号源之间，负载与放大器之间的耦合连接方式将直接影响放大器的性能。放大器输入端与信号源之间、放大器与负载之间的阻抗匹配问题也通常借助合适的耦合连接形式来实现。因此，在通信电子线路中，它们之间的接入方式就显得尤为重要。 常用耦合连接方式： • 互感耦合、自感耦合和电容分压耦合。

  14. 2.1LC谐振回路 • 1、互感耦合 • 引入接入系数p，其定义为与外电路相连的部分电压（等效前电压U2）与回路总电压（等效后电压U1）之比。即 ： 图2–5 互感耦合连接原理电路

  15. 2.1LC谐振回路 • 【知识扩展】 • 为了反映变压器的耦合程度，引入耦合系数k，其定义是耦合回路的公共电抗（或电阻）绝对值与初次级回路中同性质的电抗（或电阻）的几何平均值之比，即 : • 耦合系数k是一个小于等于1的没有量纲的正实数。

  16. 2.1LC谐振回路 • R'L与RL之间的关系 • 归纳： • （1）负载电阻RL与放大器之间实现了电隔离。当负载电阻发生开路或短路故障时，会减小放大器损坏的可能。 • （2）等效后的R'L比RL可能大，也可能小。只要改变N1和N2，就能方便实现阻抗匹配。 • （3）等效后的电路中的电感值只与变压器初级线圈的电感值有关，与次级线圈的电感值无关，简化了分析与计算。

  17. 2.1LC谐振回路 • 2、自感耦合 图2–6 自感耦合连接原理电路

  18. 2.1LC谐振回路 • R'L与RL之间的关系 • 归纳： • （1）接入系数p小于1，即等效后的电阻比等效前的电阻增大。 • （2）等效后的电路中的电感值为两部分线圈的总电感值L。 • （3）自感耦变压器线圈绕制工艺比互感耦合变压器简单。

  19. 2.1LC谐振回路 • 3、电容分压耦合 图2–7 电容分压耦合连接原理电路

  20. 2.1LC谐振回路 • R'L与RL之间的关系 • 归纳： • （1）与前二种耦合连接形式相比，电容分压耦合连接具有体积小，受外部电磁干扰影响小的优点。 • （2）接入系数p小于1，即等效后的电阻比等效前的电阻增大。 • （3）等效后的电路中的电容是电容C1和C2的串联等效电容C。

  21. 2.1LC谐振回路 • 三种耦合比较： • 由此分析知，三种耦合连接形式中，只有互感耦合可任意使负载电阻变大或变小，利于阻抗变换，其余两种只能变大。三种耦合连接形式等效后阻抗计算公式是相同的，为原大小除以接入系数的平方，即R'L= RL/p2。 • 注意：若电压源或电流源是部分接入谐振回路中，利用同样方法，也可以等效到谐振回路两端，其电压源等效后的大小为原大小除以接入系数，其电流源等效后的大小为原大小乘以接入系数。

  22. 2.1LC谐振回路 • 【知识扩展】 • （1）串、并联阻抗可以等效互换，电抗性质不发生变化，大小相等，电阻变化了（串变并扩大，并变串缩小）Q2倍。 • （2）若自感耦合中L1和L2间存在互感M，则接入系数 • 式中L1和L2线圈绕组方向一致时，M前取正号，绕向相反时，则取负号。

  23. 2.1LC谐振回路 • 例2-1：如图2-8所示的并联谐振回路，信号源与负载都为部分接入。已知RS、RL，并已知回路参数L、C1、C2和空载品质因数Q0，求： • （1）f0与 BW0.7； • （2）RL不变时，要求总负载与信号源的阻抗匹配，应如何调整回路参数？ 图2–8 例图

  24. 2.1LC谐振回路 • 分析：（1）根据接入系数的概念，可将负载电阻RL和电流源都等效到回路1-1'两端，再根据已知条件和谐振回路的计算公式很容易计算f0与 BW0.7； • （2）根据匹配原理计算。 • 解：（1）计算f0与BW0.7 • 空载时BW0.7=f0/Q0 • 负载端接入系数为

  25. 2.1LC谐振回路 • 将RL等效到回路1-1'两端，变成R'L，即 • 回路空载并联谐振阻抗： R0=Q0ω0L • R0与R'L并联，成为回路的总负载R'0，即 • 由于 QL=R'0 ω0L • 所以有载时 BW0.7=f0/QL • 考虑信号源时，也可以将RS等效到回路两端，计算回路的总负载后，再计算BW0.7

  26. 2.1LC谐振回路 • （2）设信号源对回路的接入系数为p1，为了突出物理概念，将总负载R'0等效到信号源两端，有 • 匹配时有R"0=RS • 由于RL不变，一般地f0、L、Q0参数不会变，所以很容易通过改变p1或p2来实现。 • 注意：调整p2时，要保持C不变。 • 【提示】如果RL并接一个电容（与分压元件性质相同）时，则直接将该电容合并到分压支路中，不能等效到支路两端。

  27. 2.2　单调谐放大器 • 2.2.1　原理电路 图2–10 单调谐回路谐振放大器

  28. 2.2　单调谐放大器 • 一般电路分析主要有二大步骤： • （1）画出直流电路，分析并计算静态工作点等参数（以后省略）； • （2）画出交流电路，分析动态特性，计算动态参数前还应将交流电路中的晶体管用相应等效电路代替（如y参数等效电路）。根据该分析步骤，很容易定性判断电路连接正确与否。

  29. 2.2　单调谐放大器 • 2.2.2 性能指标 • 主要性能指标有： • 电压增益、功率增益、通频带、 选择性、矩形系数、工作稳定性、噪声系数等 • 1、电压增益和功率增益 • 分贝（dB）表示

  30. 2.2　单调谐放大器 • 2、通频带 • 定义为放大器增益从最大值下降3dB（1/ ）时所对应的频率范围，用2Δf0.7（或BW0.7）表示 图中Au0为f0对应的最大增益 图2–11放大器归一化幅频特性曲线

  31. 2.2　单调谐放大器 • 3、选择性 • 选择性表示放大器对通频带以外的各种干扰信号及其噪声的滤除能力。用矩形系数K0.1来表示，定义为： • K0.1 = 2Δf0.1/2Δf0.7 • 式中，2Δf0.1是增益下降最大值的0.1倍时的频带宽度。 • 0.707倍与0.1倍之间的频带称过渡带 • K0.1越小，则过渡带越陡峭，表明选择性越好，越接近理 • 想曲线。实际中K0.1总是大于1的，等于1则为理想情况。

  32. 2.2　单调谐放大器 • 【知识扩展】 • 选择性另外表示方法： • （1） S参数 • S = Au(ω1)/Au0 • Au(ω1) 为ω1对应的增益 • （2）抑制比d • d = Aun(ωn)/Au0 • Aun(ωn)为频率ωn干扰信号的增益 • d也可以用分贝表示。

  33. 2.2　单调谐放大器 • 4、工作稳定性 • 指放大器中的直流偏置、交流参数和电路元件参数等发 • 生变化时，放大器性能的稳定程度。 • 不稳定现象表现在增益变化、中心频率偏移、通频带变 • 化和谐振曲线畸变等方面。 • 严重时可使放大器产生自激，不能正常工作。 • 5、噪声系数NF • 式中，Psi / Pni 输入端信噪比 • Pso / Pno 输出端信噪比

  34. 三极管 2.2　单调谐放大器 • 2.2.3 放大器等效电路及计算 • 在小信号条件下，图2–10（b）中的晶体管用y参数等效电 • 路等效，如图2–12所示。 Y'L = p22YL = p22 / RL p1 = N12 / N13 p2 = N45 / N13 YS=1/Ri 图2–12小信号y参数等效计算图

  35. 2.2　单调谐放大器 • 2.2.3 放大器等效电路及计算 • 在小信号条件下，图2–10（b）中的晶体管用y参数等效电 • 路等效，如图2–12所示。 图2–13 小信号y参数等效最简计算图 yie = gie + jωCie（2–29） yoe = goe + jωCoe（2–30） （2–31） （2–32）

  36. 2.2　单调谐放大器 • 根据前述计算公式可得： • （1）谐振频率ω0 • （2–33） • （2）电压增益 • （2–36）

  37. 2.2　单调谐放大器 • （3）有载品质因数QL • （2–38） • （4）通频带BW0.7 • BW0.7 ≈ ω0/QL=1/（gΣL） （2–39） • 或 2Δf0.7 = BW0.7 / 2π = 1 /（2πgΣL）

  38. 2.2　单调谐放大器 • （5）矩形系数K0.1 • 因 • 令Au/Au0分别等于为0.707和0.1，即 • 于是有： • K0.1 = 2Δf0.1 / 2Δf0.7 = (102–1)1/2 ≈ 9.95 （2–40）

  39. 2.2　单调谐放大器 • 2.2.4 实例分析与仿真 • 例2-2某接收机的中频放大电路如图2-15所示。晶体三极管VT1和VT2为3DG6，其参数如下：rie=500Ω；Cie＝12 pF；|yfe|＝40mS；roe＝4kΩ；Coe＝4pF；yre＝0。已知C1＝15pF，L1＝10μH，N13＝100，N23＝80，N45＝20。试求：（1）放大器的谐振频率f0； • （2）放大器谐振回路的品质因数Q0； • （3）放大器的3dB通频带； • （4）放大器的谐振电压增益Au0。

  40. 2.2　单调谐放大器 • 2.2.4 实例分析与仿真 • 解：计算结果及仿真波形见教材（略）。 图2–15 例2-2图

  41. 2.3　双调谐放大器 • 双调谐回路谐振放大器就是将两个谐振频率分别调谐在信号中心频率f0附近的两个不同的频率点上，其中一个调谐在f01=f0+Δ，另一个调谐在f02=f0-Δ上 • 曲线1弱耦合，曲线2临界耦合，曲线3强耦合 图2–17 双调谐回路谐振放大器幅频特性曲线

  42. 2.3　双调谐放大器 • 2.3.1 原理电路及等效电路 图2–18 并联式互感耦合双调谐回路放大器电路

  43. 2.3　双调谐放大器 • 等效电路为 图2–19 小信号交流等效电路

  44. 2.3　双调谐放大器 • 为了分析方便，假定两个回路参数相同，即L1=L2=L；初、次级回路总电容C1+p12Coe = C2+p22Cie =C；折合到初、次级回路的导纳p12goe=p22gie=G；并设ω0= ）；初、次级回路品质因数QL1=QL2=QL≈1/(Gω0L)= ω0C/G。 • 由变压器理论知，在次级回路中产生感应电动势为，等效成电流源为： • 同理，

  45. 2.3　双调谐放大器 • 由基尔霍夫定理，写出节点方程为 • （2–45） • （2–46） • 引入广义失谐 ，则上式整理后可写成 • （2–47） • （2–48）

  46. 2.3　双调谐放大器 • 考虑到 ，对式（2–47）和式（2–48）求解后，电压增益为 • （2–49） • 式中 ，为耦合因数，k是耦合系数

  47. 2.3　双调谐放大器 • 电压增益幅值( 的模)为 • （2–50） • 利用导数求极值的方法可求得，当η=1时，在ξ=0处，式（2–50）中Au出现最大值，于是有： • （2–51） • （2–52） • 这就是耦合谐振回路谐振曲线的通用表达式。

  48. 2.3　双调谐放大器 • 上式同样适用于电容耦合谐振回路。此时 • 式中CM为耦合电容。 • 下面对式（2–50）作进一步讨论： • 谐振时，即ξ=0，得 • （2–52） • 可见，增益不仅与晶体管内部参数有关，而且与η有关。

  49. 2.3　双调谐放大器 • （1）、弱耦合（η < 1），谐振曲线在f0（ξ = 0）处出现峰值，并且随着η的增大而增大。 • （2）、临界耦合（η = 1），谐振曲线较平坦，并且在f0（ξ = 0）处出现峰值。此时 • （3）、强耦合（η > 1），谐振曲线出现双峰，对式（2–50）中ξ求导数，令为零，可解出两个峰值点的ξ值。 • 此时 ，与临界耦合值相同。

  50. 2.3　双调谐放大器 • 2.3.3 实例分析与仿真 p1=0.2，p2=0.25 k=0.99

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