通信電子電路第2章完整版本.ppt

通信電子電路 何豐主編重慶郵電學(xué)院人民郵電出版社 第二章高頻小信號選頻放大器的結(jié)構(gòu)與電路2 1概述2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路2 3較理想的小信號選頻放大電路模型2 4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性問題2 5信號與電路及結(jié)構(gòu) 第二章高頻小信號選頻放大器的結(jié)構(gòu)與電路 本章講的高頻小信號選頻放大器就是其中之一 除此以外 還有第八章的限幅放大器 第九章的鎖相環(huán)濾波電路等 這些電路的共同特點是 只對共存于輸入端的有用信號進(jìn)行選擇性處理 即它能盡可能地減少存在于同一時間 同一電路空間的無用輸入信號對有用輸出信號的影響 2 1概述 高頻小信號選頻放大器由放大部分和選頻部分按級聯(lián)方式構(gòu)成 具體分為 先放大后選頻 先選頻后放大 以及選頻 放大 再選頻的三種基本模式 2 1概述 2 1概述 放大部分的核心元器件是增益元器件 如三極管 場效應(yīng)管 集成運放或?qū)Ｓ眉煞糯笃鞯?本章將對小信號選頻放大器的主要性能指標(biāo) 電路穩(wěn)定性 以及具體電路的應(yīng)用進(jìn)行討論 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 常見的基本指標(biāo)如下 一 增益增益定義為放大器的輸出信號電量與輸入信號電量的比值 用A加下標(biāo)來表示 圖2 2 1 b 為一典型增益的幅頻特性曲線 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 二 通頻帶通頻帶定義為放大器的增益比最大增益下降3dB時的上限截止頻率與下限截止頻率之差 用BW0 7表示 三 選擇性選擇性表示放大器對通頻帶以外的各種干擾信號及其噪聲的濾除能力 或者說 從各種干擾中選出有用信號的能力 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 為了評價實際幅頻特性曲線接近理想矩形的程度 我們引入矩形系數(shù)K0 1來表示 其定義為 K0 1 BW0 1 BW0 7 2 2 1 式中 BW0 1是增益下降到最大值的0 1倍時的頻帶寬度 此頻帶內(nèi)的頻率分量能通過放大器 但不一定能被正常放大 BW0 1以外的頻率分量被放大器所抑制 BW0 1和BW0 7之間的頻率范圍稱為過渡帶 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 對于滿足帶寬要求的選頻放大電路來說 可以采用S參數(shù)的方法來表示圖2 2 1 b 的選擇性 S參數(shù)定義為 過渡帶內(nèi)的某特定頻率條件下的增益A 1 與通頻帶內(nèi)的最大增益AO的比值 即 S A 1 AO 2 2 2 顯然 S值越小的電路選擇性越好 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 四 工作穩(wěn)定性這是指選頻放大器中的非線性放大元器件的偏置 交流參數(shù) 以及其它電路元件參數(shù)發(fā)生變化時 電路性能的穩(wěn)定程度 五 噪聲系數(shù)與低頻放大器一樣 選頻放大器的輸出噪聲也來源于輸入端和放大電路本身 噪聲系數(shù)是用來反映電路本身噪聲大小的技術(shù)指標(biāo) 現(xiàn)在以諧振回路作為負(fù)載的選頻放大器 即諧振放大器為例進(jìn)行分析 圖2 2 2 a 是原理圖 b 是交流等效電路圖 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 2 2 2以放大和選頻兩部分的組成結(jié)構(gòu)為線索 分析圖2 2 2 a 電路中各元件的作用 2 2 3在工作點設(shè)置合理的情況下 圖2 2 2 b 中三極管能否用不含結(jié)電容的小信號等效電路來等效 為什么 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 根據(jù)計算電壓增益的需求可整理得圖2 2 3 a 圖中n2為下級放大器對本級諧振回路的接入系數(shù) 即電感4 5端到1 3端的變比 在全耦合下 n2等于線圈匝比N45 N13 gZ表示電感本身在1 3端的總等效損耗電導(dǎo) yi2為下級放大器的輸入導(dǎo)納 yo1為本級放大器的輸出導(dǎo)納 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 考慮到PN結(jié)的結(jié)電容和極間電容 設(shè)三極管輸入 輸出參數(shù)為 yi2 gi2 j Ci2 2 2 3 yo1 go1 j Co1 2 2 4 為方便計算 現(xiàn)將電感1 2端的受控源和三極管的輸出電阻等效到電感的1 3端 并最終等效為圖2 2 3 b 所示電路 其中 2 2 5 2 2 6 式中 n1為三極管輸出端對諧振回路的接入系數(shù) 即電感1 2端到1 3端的變比 在全耦合下 n1等于線圈匝比N12 N13 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 根據(jù)圖2 2 3 b 可以求出選頻放大器的諧振頻率 0 品質(zhì)因數(shù)Q 常稱為回路LC的有載品質(zhì)因數(shù) 參考附錄A的式 A 3 3 和式 A 3 4 可得 0 1 LCe 1 2 1 LC 1 2 2 2 7 Q 2 2 8 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 由此可知 由于下級電路的輸入導(dǎo)納和本級放大元件的輸出導(dǎo)納的影響 LC回路的諧振頻率 品質(zhì)因數(shù)及諧振電阻都比空載時小 此外 由式 A 3 5 得輸出電壓 n1n2yfe1Vi j ge 1 j 2 2 9 其中 2Q 0 0 是回路的失諧系數(shù) 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 放大器在諧振時的電壓增益v0為 v0 v 0 n1n2 yfe1 ge 2 2 10 在 0 0 時 由式 A 3 6 得放大器的通頻帶為 BW0 7 0 Q ge Ce rad s 2 2 11 由式 A 2 12 和矩形系數(shù)的定義 推得放大器的矩形系數(shù)為 K0 1 102 1 1 2 9 96 2 2 12 2 2主要性能指標(biāo)和基本單元電路 由以上分析 我們可以將電路各部分作如下安排 電路放大能力主要由三極管正向受控參數(shù)yfe確定 選頻主要由選頻回路LC確定 n1和n2主要用于調(diào)節(jié)三極管與選頻回路 負(fù)載與選頻回路之間的耦合關(guān)系 分別如圖2 2 4所示 常稱這類電路為LC集中選頻式諧振放大器 2 3較理想的小信號選頻放大電路模型 所謂較理想的小信號選頻放大器是指具有較寬的通頻帶 更小的過渡帶 即電路的選擇性更為理想的小信號放大器 第一 從結(jié)構(gòu)電路的觀點出發(fā) 用諧振回路和增益元器件的不同組合進(jìn)行電路總體性能的優(yōu)化第二 從改善選頻濾波部件出發(fā) 對其它材料構(gòu)成的選頻電路的性能進(jìn)行討論 2 3 1參差調(diào)諧的選頻放大單元 所謂參差調(diào)諧 就是將兩級單調(diào)諧放大器的諧振頻率分別調(diào)諧在信號中心頻率f0附近的兩個不同頻率點上 其中一級調(diào)諧在f01 f0 另一級調(diào)諧在f02 f0 上 如圖2 3 1 a 所示上述兩級放大器統(tǒng)稱為一級參差調(diào)諧放大器 或一個基本參差調(diào)諧放大器單元 2 3 1參差調(diào)諧的選頻放大單元 2 3 1參差調(diào)諧的選頻放大單元 利用式 2 2 9 可得總的放大倍數(shù) Av j Av1 j Av2 j n1n2yfe ge 2 1 j 1 1 j 2 2 3 1 設(shè)一級的電容為C1 諧振頻率為 01 0 另一級的電容為C2 諧振頻率為 02 0 在 0 條件下 兩極放大器的品質(zhì)因素近似相等 令為Q 這樣 1 2Q 01 01 2Q 0 0 2 3 2 2 2Q 02 02 2Q 0 0 2 3 3 Av j K 4Q2 2 02 4Q2 0 2 j4Q 0 0 2 3 4 2 3 1參差調(diào)諧的選頻放大單元 其中 K n1n2yfe 0 ge 2 此外 觀察圖2 3 1 a 可以想到 1 在 較大時 Av 將在 0附近出現(xiàn)下凹現(xiàn)象 2 在 較小時 Av 將在 0頻率出現(xiàn)最大值 由此 我們可以找到一特定的 值 使Av 在 0剛好不下凹 即只要 大于特定值 Av 就會出現(xiàn)下凹現(xiàn)象 常稱這時的Av 為最平坦特性 2 3 1參差調(diào)諧的選頻放大單元 可以證明 最平坦特性時 應(yīng)滿足 即 0 2Q 2 3 5 這時 Av0 Av 0 0 5 n1n2 yfe ge 2 2 3 6 BW0 7 1 414 0 Q 2 3 7 K0 1 3 15 2 3 8 2 3 2雙調(diào)諧回路的選頻放大單元 我們稱兩個諧振回路相互耦合的電路為雙耦合回路 具體耦合方式有 電容耦合 互感耦合兩種 圖2 3 2 a 為并聯(lián)式互感耦合放大電路 2 3 2雙調(diào)諧回路的選頻放大單元 由此可推得 Av j jn1n2yfe ge 1 2 2 j2 2 3 9 式中 kQ M 0C Lge 式 2 3 9 與式 2 2 4 類似 所以在滿足式2 2 1 2 2 2 即 1時 電路處于最平坦情況 也稱臨界耦合 2 3 2雙調(diào)諧回路的選頻放大單元 這時 可以證得 Av0 Av 0 0 5 n1n2 yfe ge 2 3 10 BW0 7 1 414 0 Q 2 3 11 K0 1 3 15 2 3 12 可見 臨界耦合雙調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)與參差調(diào)諧放大器相同 其選擇性比單調(diào)諧回路諧振放大器好 2 3 2雙調(diào)諧回路的選頻放大單元 2 3 2雙調(diào)諧回路諧振放大器為何要采用n1 n2為代表的抽頭方式將放大器與諧振回路相連接 2 3 3參差調(diào)諧放大器相對于雙調(diào)諧回路放大器來說 其選頻頻率更容易在電路實現(xiàn)時得到控制 為什么 2 3 3多級單元電路的諧振放大器 假定多級單元放大器由幾個相同參數(shù) 包括增益元器件和選頻參數(shù) 的單元放大器組成 則n級單元放大器的總增益函數(shù)可以用一個單元的增益函數(shù)來表示 即 A j A1 j n 2 3 13 表2 3 1和表2 3 2給出了相關(guān)的數(shù)據(jù) 其中放大器的3dB帶寬BW0 7 BW0 7單 在最平坦條件下 雙諧振回路的情況與參差調(diào)諧相似 例題2 3 1已知單回路諧振放大單元電路如圖2 2 2所示 電路的諧振頻率f0 10 7MHz 回路品質(zhì)因數(shù)Q 40 接入系數(shù)n1 0 5 n2 0 1 諧振回路總電容Ce 100pF 晶體三極管的 yfe 38 5mS 問 由上述放大器組成的四級單元放大器 即同步調(diào)諧放大器的總諧振電壓增益和帶寬 解 由式 2 2 9 得單級單元電路增益的幅頻表達(dá)式 Av1 n1n2 yfe ge 1 j Av1 0 1 j 2 3 14 1 總的諧振增益為 A v0 Av1 0 4 n1n2 yfe Q 0Ce 4 1 27 104 2 求解3dB帶寬 令 Av1 Av1 0 4 1 1 j 4 2 1 2得 1 2 21 4 1 1 2 即2Q f f0 f0 21 4 1 1 2 f1 2 0 5 f0 Q 21 4 1 1 2 f0BW0 7 f1 f2 f0 Q 21 4 1 1 2 115 9kHz 2 3 4其它選頻電路的選頻放大單元 隨著技術(shù)的進(jìn)步 由其它材料構(gòu)成的選頻性能優(yōu)異的選頻元件被用于選頻電路中 這類元件具體有 晶體濾波器 陶瓷濾波器和聲表面波濾波器 正因為如此 我們常采用集中選頻放大的單元電路組成方案 即用多級放大來構(gòu)成選頻單元電路中的放大電路部分 2 3 4其它選頻電路的選頻放大單元 一 陶瓷濾波選頻放大電路在研究中我們發(fā)現(xiàn)石英晶體材料和陶瓷材料都具有壓電效應(yīng) 即在材料發(fā)生機(jī)械變形時 它們的表面就會出現(xiàn)電荷 反之 當(dāng)加有外電壓作用時 它們也會產(chǎn)生機(jī)械變形 我們將石英晶體材料制作的元件稱作石英晶體 陶瓷材料制作的元件稱作陶瓷濾波器 2 3 4其它選頻電路的選頻放大單元 經(jīng)進(jìn)一步的研究 其等效電路如圖2 3 3 a 所示 圖中C0為靜態(tài)等效電容 Lq Cq rq為串聯(lián)等效回路 圖中等效電路具有一個串聯(lián)諧振頻率和一個并聯(lián)諧振頻率 因此 可以實現(xiàn)與LC諧振回路相似的選頻電路功能 圖2 3 4是一個利用二端陶瓷濾波器作為選頻電路的選頻放大器 圖中接于晶體管發(fā)射極的標(biāo)有字母2L的元件 即為二端陶瓷濾波器 2 3 4其它選頻電路的選頻放大單元 二 聲表面波濾波電路由于這種濾波元件在內(nèi)部的信號傳遞過程中 利用了聲表面波 因此稱為聲表面波濾波器 圖2 3 5是聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)圖 如果在叉指電極A組上加入交流信號 則會在材料表面上產(chǎn)生與外加信號同頻率的周期振動 即為表面波 2 3 4其它選頻電路的選頻放大單元 2 4小信號選頻放大器的穩(wěn)定性問題 在實際工作中 為了減小增益元器件內(nèi)部反饋帶來的影響 我們可以考慮采用如下的措施 1 選用內(nèi)部反饋小的放大電路 如集成寬帶放大器 電流模放大電路等 2 采用外加反饋去綜合增益元件內(nèi)部反饋 使總反饋接近為零通常我們將使總反饋為零或減小的方法稱為中和法 圖中的電容CN被稱為中和電容 利用圖2 4 2 b 在考慮rbb 的條件下 可以證明 在Zn滿足Zn nrb