《高頻電子技術(shù)與應用》課件第2章

2.1小信號諧振放大器的分類和性能指標2.2LC并聯(lián)諧振回路

2.3高頻小信號放大器2.4集成選頻放大器2.5仿真設計與應用

小結(jié)

習題

本章要點

·高頻小信號諧振放大器的分類、性能指標

·高頻小信號諧振放大器

·集中選頻放大器本章難點

·高頻小信號放大器的工作原理分析

·高頻小信號放大器的仿真實驗

·用Multisim10.0仿真分析高頻小信號放大器

2.1小信號諧振放大器的分類和性能指標

采用諧振回路作為負載的放大器稱為諧振放大器，又稱調(diào)諧放大器。高頻小信號諧振放大器的功用是放大各種無線電設備中的高頻小信號，以便作進一步的變換和處理?！靶⌒盘枴敝饕菑娬{(diào)輸入信號電平較低，因而放大器工作在它的線性范圍。小信號諧振放大器不但具有從接收的眾多電信號中選出有用信號并加以放大的作用，而且具有對無用信號、干擾信號、噪聲信號進行抑制的作用。因此廣泛應用于廣播、電視、通信和雷達等電子接收設備中。

2.1.1諧振放大器的分類高頻小信號諧振放大器按核心器件分類可分為晶體管放大器、場效應管放大器、集成電路放大器；按負載性質(zhì)分類可以分為諧振放大器和非諧振放大器，諧振放大器是以LC諧振回路作為負載，非諧振放大器以傳輸線變壓器作為負載。按頻譜寬度分，高頻小信號放大器可分為窄頻帶放大器和寬頻帶放大器。窄頻帶放大器用LC諧振回路或集中選頻濾波器做負載，具有放大、選頻的功能，其中心頻率在幾百赫茲到幾百兆赫茲范圍內(nèi)，頻帶寬度為幾赫茲到幾十兆赫茲。寬帶放大器用純阻或變壓器做負載，帶寬較寬，為幾兆赫茲到幾百兆赫茲。

2.1.2小信號諧振放大器的性能指標

1.高頻小信號放大器的主要要求

(1)高增益，即要求放大器的放大量要高，一般可達80～100dB。

(2)頻率選擇性要好。

(3)工作穩(wěn)定可靠。

2.高頻小信號放大器的基本性能指標

(1)增益。增益定義為放大器的輸出信號電壓與輸入信號電壓的比值，用A加下標(類似于低頻放大器的增益)來表示。放大器在諧振頻率上的增益稱為諧振電壓增益，并用Au0來表示，Au0用于衡量對有用信號的放大能力。

(2)通頻帶。當放大器的增益比最大增益下降3dB(0.707倍)時的高端頻率稱為上限截止頻率fH，低端頻率稱為下限截止頻率fL。通頻帶定義為放大器的上限截止頻率與下限截止頻率之差，用BW0.7=fH－fL表示，如圖2-1所示。

圖2-1高頻小信號放大器的幅頻特性曲線

(3)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。放大電路的選擇性主要由選頻電路來決定。衡量選擇性的具體指標是矩形系數(shù)Kr0.1

其中，BW0.1為幅頻特性曲線下降0.1時的頻帶寬度；BW0.7為曲線下降3dB的頻帶寬度，簡稱帶寬。矩形系數(shù)顯然是大于1的值(理想時為1)，矩形系數(shù)越接近于1，說明回路的選擇性越好。

(4)工作穩(wěn)定性。工作穩(wěn)定性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)、以及其他電路元件參數(shù)發(fā)生變化時，電路性能(如增益、通頻帶、矩形系數(shù)等)的穩(wěn)定程度。為使放大器穩(wěn)定工作，必須采取穩(wěn)定措施，即限制每級增益，選擇內(nèi)反饋小的晶體管，應用中和或失配方法等。

(5)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。通常用信噪比來表示噪聲對信號的影響，電路中某處信號功率與噪聲功率之比稱信噪比。信噪比越大，信號質(zhì)量越好。噪聲系數(shù)是用來反映電路本身噪聲大小的技術(shù)指標。其定義為輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值。噪聲系數(shù)越接近于1，說明放大器的抗噪能力越強，輸出信號的質(zhì)量越好。

在多級放大器中，第一級的噪聲系數(shù)對整個放大器的噪聲起決定作用，因此要求它的噪聲系數(shù)應盡量小。以上五項性能指標，相互間有聯(lián)系也有矛盾，如增益和穩(wěn)定性，通頻帶和選擇性等。因此，應根據(jù)要求決定主次和取舍。

2.2

LC并聯(lián)諧振回路

諧振放大器的性能在很大程度上取決于諧振回路，LC諧振回路在正弦波振蕩、調(diào)制、混頻電路中都起著重要作用。諧振回路由電感線圈和電容器組成，它具有選擇信號和阻抗變換作用，簡單的諧振回路一般有串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路兩種形式，在諧振放大器中，LC并聯(lián)諧振回路使用最為廣泛。

1.并聯(lián)諧振回路的選頻特性圖2-2(a)是最簡單的并聯(lián)振蕩回路。圖中，r代表線圈L的等效損耗電阻。電容器的損耗比較小，圖中將其略去。

圖2-2并聯(lián)諧振回路及其等效電路、幅頻特性和相頻特性

并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為

在實際電路中，通常r很小，滿足r<<ωL。當Zp的虛部為零時，回路產(chǎn)生諧振，諧振時回路的阻抗為純電阻且為最大，可以用R0表示，式(2-1)變?yōu)?2-1)(2-2)

并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為在LC諧振回路中，為了評價諧振回路損耗的大小，常引入空載品質(zhì)因數(shù)Q0。Q0定義為回路諧振時的感抗(或容抗)與回路等效損耗電阻r之比，即(2-3)(2-4)

一般Q0>>1，Q0值越大，回路的損耗越小，其選頻特性就越好。將式(2-2)、式(2-3)和式(2-4)帶入式(2-1)，可得并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗特性為

式中，Δω=ω－ω0表示頻率偏離諧振的程度，稱為失諧。ω為外加信號的頻率，ω與ω0很接近時，相對失諧ε為對應的幅頻特性與相頻特性分別為(2-5)(2-6)

諧振時，諧振阻抗最大且為純電阻，相移為0。當ω＜ω0時，回路呈感性，相移為正值，最大值趨于90°。當ω＞ω0時，回路呈容性，相移為負值，最大值趨于－90°。

2.并聯(lián)諧振回路的通頻帶和選擇性

當|Zp|/R0的值由最大值1下降為(0.707倍)時，對應的頻率范圍稱為回路的通頻帶，也稱回路帶寬，常用BW0.7來表示。令式(2-5)等于，則可推得ε＝±1，從而可得帶寬為(2-7)

式(2-7)說明，回路Q0值越高，幅頻特性曲線越尖銳，通頻帶越窄；回路諧振頻率越高，通頻帶越寬。選擇性是指回路從含有不同頻率信號總和中選出有用信號、排除干擾信號的能力。由圖2-2可以看出，LC諧振回路對偏離諧振頻率信號具有抑制作用，偏離越大，|Zp|/R0越??；而且回路Q值越大，曲線就越尖銳，說明回路的選頻性能越好，回路Q0值越小，曲線越平緩，回路的選頻性能就越差。正常使用時，諧振回路的諧振頻率應調(diào)諧在所需信號的中心頻率上。

理想諧振回路的幅頻特性曲線為一個寬度為BW0.7，高度為1的矩形，如圖2-1所示。但實際上諧振回路的特性曲線不能滿足要求。為了說明實際幅頻特性曲線接近矩形的程度，常用矩形系數(shù)來表示。矩形系數(shù)越接近于1，回路的選擇性越好。由矩形系數(shù)的定義可得，單個并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)為10。若要減小矩形系數(shù)，可以采用兩個或多個串聯(lián)、并聯(lián)諧振回路連接起來，構(gòu)成帶通濾波器，也可以采用石英晶體和陶瓷濾波器或聲表面波濾波器等。

通過前面分析，需要說明以下幾點：

(1)回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路的通頻帶越狹窄。因此，對于簡單(單級)并聯(lián)諧振回路，通頻帶與選擇性是不能兼顧的。

(2)前面的結(jié)論均是在“高Q”情況下，如果Q值較低，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率將低于高Q時的諧振頻率，并使諧振曲線和相位特性隨著Q值而偏離。

(3)以上所知品質(zhì)因數(shù)均是指回路沒有外加負載時的值，稱為空載品質(zhì)因數(shù)，用Q0來表示。當回路有外加負載時，品質(zhì)因數(shù)要用有載品質(zhì)因數(shù)值Qe表示。

3.并聯(lián)諧振回路的應用并聯(lián)諧振回路在高頻小信號放大器、高頻功率放大器、混頻器以及正弦波振蕩器中常用如圖2-3所示的中頻放大器。圖2-3中頻放大器

4.信號源和負載對諧振回路的影響在實際應用中，諧振回路必須與信號源和負載相連接，信號源的輸出阻抗和負載阻抗都會對諧振回路產(chǎn)生影響，它們不但會使回路的等效品質(zhì)因數(shù)下降、選擇性變差，同時還會使諧振回路的調(diào)諧頻率發(fā)生偏移。若考慮信號源內(nèi)阻和負載，則并聯(lián)回路如圖2-4所示。

圖2-4具有負載和信號源內(nèi)阻的并聯(lián)諧振回路

回路總諧振阻抗為RΣ=RS∥RL∥R0回路的有載品質(zhì)因數(shù)為回路的3dB帶寬為所以，回路的選擇性變差，通頻帶展寬。

可以看出，由于負載電阻和信號源內(nèi)阻的影響，使RΣ<Re，回路兩端的諧振電壓u0減小，回路的品質(zhì)因數(shù)下降，通頻帶展寬，選擇性變差。同時信號源內(nèi)阻及負載不一定是純阻，又將對諧振曲線產(chǎn)生影響。RS和RL越小，Qe下降越多，影響也就越嚴重。在實際應用中，為了保證回路有較高的選擇性，為此可采用下節(jié)討論的阻抗變換網(wǎng)絡，減小這種影響。

【例題】設一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負載，信號中心頻率f0=10MHz，回路電容C=50pF，試計算所需的線圈電感值。若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q0=100，試計算回路諧振電阻及回路帶寬。若放大器所需的帶寬為0.5MHz，則應在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求？解：(1)計算L

值。由諧振頻率表達式可得將f0=10MHz，C=50pF代入上式，得L=5.07μH。

(2)回路諧振電阻和帶寬。

R0=Q0ω0L=100×2π×107×5.07×10-6=3.18×104

=31.8kΩ回路帶寬為

(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設回路上并聯(lián)的電阻為R1，并聯(lián)后的總電阻為RΣ，回路的有載品質(zhì)因數(shù)為Qe，由帶寬公式可以得到

回路總電阻為

因此，需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。

5.常用阻抗變換電路

為了減小信號源及負載對諧振回路的影響，除了增大RS、RL外，還可以采用阻抗變換電路。常用的阻抗變換電路有變壓器、電感和電容分壓電路等。變壓器的功能有

變壓：

變流：

變阻：

其中，下標為1的是指變壓器的原邊的參數(shù)，下標為2的是指變壓器的副邊的參數(shù)?？梢娮儔浩骺捎糜谧杩棺儞Q。

(1)變壓器的耦合聯(lián)接。圖2-5(a)為變壓器的耦合聯(lián)接電路。負載電阻RL折合到諧振回路后的等效電為，如圖2-5(b)所示，。圖2-5變壓器的耦合聯(lián)接

(2)自耦變壓器的耦合聯(lián)接。如圖2-6(a)所示，N13是自耦變壓器的總線圈數(shù)，N23是自耦變壓器的抽頭部分線圈數(shù)。負載電阻RL折合到諧振回路后的等效電阻為，如圖2-6(b)所示。，其中n=N13/N23為接入系數(shù)。

圖2-6自耦變壓器的耦合聯(lián)接

(3)中間抽頭變壓器的耦合聯(lián)接。如圖2-7(a)所示，該電路可以將信號源內(nèi)阻和負載電阻折合到諧振回路中。

RL和RS折合到諧振回路后的等效電阻為和，如圖2-7(b)所示，，，式中接入系數(shù)n1＝N13/N12

，n2＝N13/N45。

圖2-7中間抽頭變壓器的耦合聯(lián)接

2.3高頻小信號放大器2.3.1單調(diào)諧放大器

單級單調(diào)諧放大器由晶體管和并聯(lián)諧振回路組成。圖2-8(a)是一典型的高頻小信號諧振放大器的實際線路。其中Cb、Ce為高頻旁路電容；Rb1、Rb2、Re為偏置電阻。圖2-8(b)為其交流等效電路，有抽頭的諧振回路為放大器的負載，完成阻抗匹配和選頻功能。

1.電路組成及特點

將晶體管用小信號電路模型代入圖2-8(b)，得圖2-9所示電路。圖中Gie、Cie分別為晶體管的輸入電導和輸入電容，gm為晶體管的跨導，，Goe、Coe分別為晶體管的輸出電導和輸出電容。

圖2-8單調(diào)諧放大器

圖2-9單調(diào)諧放大電路小信號電路模型

設諧振回路一次電感線圈1-2之間的匝數(shù)為N12，1-3之間的匝數(shù)為N13，二次線圈的匝數(shù)為N45。由圖2-9可知，自耦變壓器的匝比n1=N13/N12，一次、二次之間的匝比n2=N13/N45。因此可將、Goe、Coe、RL折算到諧振回路1-3端，得到圖2-10所示小信號放大電路模型。圖中Gp=1/Rp為諧振回路空載電導，GL=1/RL。由此可得并聯(lián)諧振回路的有載電導為(2-8)

當LC并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號頻率上，回路產(chǎn)生諧振時，放大器輸出電壓最大，故電壓增益也為最大。用Au0表示，稱為諧振電壓增益。由圖2-10可得(2-9)

圖2-10單調(diào)諧放大電路小信號變換后的電路模型

當輸入信號頻率不等于諧振回路諧振頻率f0時，回路失諧。輸出電壓下降，故電壓增益下降。由于在諧振頻率f0附近很窄的頻率范圍內(nèi)，晶體管的放大特性隨頻率變化不大，因此，單調(diào)諧放大器的增益頻率特性決定于LC并聯(lián)諧振回路的頻率特性，因此，可得放大器的增益頻率特性為式中，Qe為LC并聯(lián)諧振回路考慮到負載及晶體管參數(shù)影響后的有載品質(zhì)因數(shù)；Δf=f-f0為回路的絕對失調(diào)量。根據(jù)式(2-10)作出單調(diào)諧放大器的增益頻率特性曲線和LC并聯(lián)諧振回路特性曲線相似，如圖2-11所示。(2-10)

顯然，單調(diào)諧放大器的選擇性、通頻帶和矩形系數(shù)與單調(diào)諧并聯(lián)諧振回路相同，即BW0.7=f0/Qe，Kr0.1=10，故單調(diào)諧放大器的選擇性比較差。諧振頻率為，其中CΣ為三極管輸出電容和負載電容折合到LC回路兩端的等效電容與回路電容C之和?？梢姡淖僉和CΣ都可改變諧振頻率，即進行調(diào)諧。

圖2-11單調(diào)諧放大器的幅頻特性曲線

2.多級單調(diào)諧放大器

若單級調(diào)諧放大器的增益不能滿足要求，可采用多級單調(diào)諧放大器級聯(lián)。如果多級放大器中的每一級都調(diào)諧在同一頻率上，則稱為同步調(diào)諧。若各級諧振回路諧振在不同的頻率上，則稱為參差調(diào)諧。

(1)電壓增益。多級單調(diào)諧放大器的總電壓增益是各級電壓增益的乘積，即An=Au1Au2…Aun

若由完全相同的單級放大器組成，各級電壓增益相等，則n級放大器的總電壓增益為An=(Au1)n

(2)通頻帶。多級單調(diào)放大器的通頻帶為

由于n是大于1的整數(shù)，因此多級放大器總的通頻帶比單級放大器的通頻帶要窄。級數(shù)越多，總通頻帶越窄。

(3)矩形系數(shù)。多級單調(diào)放大器的矩形系數(shù)為

多級放大器級數(shù)越多，矩形系數(shù)越小，與理想矩形特性越接近。

2.3.2雙調(diào)諧放大器

雙調(diào)諧放大器是利用兩個相互耦合的單調(diào)諧回路作為選頻回路，并且兩個回路的諧振頻率都調(diào)諧在同一個中心頻率上。它是改善放大器選擇性和解決放大器增益和通頻帶之間矛盾的有效方法之一。

1.雙調(diào)諧耦合回路的基本特性

雙調(diào)諧耦合回路有電容耦合和互感耦合兩種類型，這里只討論后者，互感耦合調(diào)諧回路如圖2-12所示。

圖2-12互感耦合調(diào)諧回路

初、次級回路之間的耦合系數(shù)，定義耦合因數(shù)h=kQ0。式中，Q0為空載品質(zhì)因數(shù)。h=1稱為臨界耦合狀態(tài)，而h>1、h<1分別稱為強耦合和弱耦合狀態(tài)?；ジ旭詈想p調(diào)諧回路的次級電壓諧振曲線，如圖2-13所示，可以看出，強耦合時曲線出現(xiàn)雙峰，中心下陷；弱耦合時曲線為單峰，但峰值較小。比較理想的是臨界耦合時的情況，諧振曲線既為單峰，峰值又大。

圖2-13次級電壓諧振曲線

2.雙調(diào)諧放大器的電路組成和性能指標

(1)電路組成。雙調(diào)諧放大器的電路如圖2-14所示。圖中，Rb1、Rb2和Re組成分壓式偏置電路，Ce為高頻旁路電容，ZL為負載阻抗(或下級輸入阻抗)，Tr1、Tr2為高頻變壓器，其中Tr2的初、次級電感L1、L2分別與C1、C2組成的雙調(diào)諧耦合回路作為放大器的集電極負載，初級回路自耦變壓器匝數(shù)比為n1，次級回路自耦變壓器匝數(shù)比為n2。

圖2-14雙調(diào)諧放大器

(2)電路性能分析。為了簡化分析，設初次級回路的元件參數(shù)相同，則它們的諧振頻率、有載品質(zhì)因數(shù)也相同，且都用f0和Qe表示。與單調(diào)諧放大器相似，可以求得雙調(diào)諧放大器臨界耦合時的諧振電壓增益為

雙調(diào)諧放大器在臨界耦合的條件下，諧振電壓增益是單調(diào)諧的1/2倍。

臨界耦合狀態(tài)下，雙調(diào)諧放大器的通頻帶和矩形系數(shù)分別為因此，在f0與Qe相同的情況下，臨界耦合狀態(tài)的雙調(diào)諧放大器的通頻帶為單調(diào)諧放大器通頻帶的倍，而矩形系數(shù)小于單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)，即其諧振曲線更接近于理想的矩形曲線，選擇性更好。

總之，與單調(diào)諧放大器相比較，處于臨界耦合狀態(tài)的雙調(diào)諧放大器具有頻帶寬、選擇性好等優(yōu)點，但調(diào)諧較麻煩。多級雙調(diào)諧放大器和多級單調(diào)諧放大器類似，通頻帶隨級數(shù)的增加而減小，矩形系數(shù)隨級數(shù)的增加而變好。如圖2-15所示，在黑白電視機高頻頭中高放級常采用雙調(diào)諧放大電路。該電路的主要功能是將輸入回路選出的某一VHF頻道的微弱電視信號進行放大，同時對信號進行進一步的選頻，以抑制其他干擾。

V1是高放管，V2是混頻管，L1、L2通過波段開關(guān)來改變從而完成頻道切換，雙調(diào)諧回路采用電容分壓部分接入方式，中和電容C5是為了提高電路的穩(wěn)定性。自動增益控制電壓VAGC是為了提高輸出的穩(wěn)定性，使后級視頻檢波電路獲得穩(wěn)定的輸出。

圖2-15黑白電視機高頻頭中采用的雙調(diào)諧放大電路

2.3.3調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性以上我們在討論諧振放大器時，都假定了晶體管單向工作，輸入電壓可以控制輸出電流，而輸出電壓不影響輸入。實際上由于晶體管集電極和基極之間存在結(jié)電容Cb′c，其值雖然很小(只有幾個皮法)，但高頻工作時仍能使放大器輸出和輸入之間形成反饋通道(稱為內(nèi)反饋)，從而可能引起放大器工作不穩(wěn)定。如果這個反饋足夠大，且在相位上滿足正反饋條件，則會出現(xiàn)自激振蕩，使放大器的工作不穩(wěn)定。

為了提高放大器的穩(wěn)定性，通常從兩個方面著手。一是從晶體管本身想辦法，在制作晶體管時應盡量使其Cb′c減小，使反饋容抗增大，反饋作用減弱；二是從電路上設法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法與失配法。

中和法是在晶體管的輸出端與輸入端之間引入一個附加的外部反饋電路(中和電路)，以抵消晶體管內(nèi)部的反饋作用。為了使通過CN的外部電流和通過Cb′e的內(nèi)部反饋電流相位相差180°，從而能互相抵消，通常在晶體管輸出端添加一個反相的耦合變壓器。如圖2-16(a)所示為分離元件收音機中常用的中和電路，圖2-16(b)是其交流等效電路。為了直觀，將晶體管內(nèi)部電容Cb′c畫在了晶體管外部。

圖2-16放大器的中和電路

中和電路應該是一個由電阻和電容組成的電路，但這給調(diào)試增加了困難。另外，如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響，中和電路的效果很有限。失配法通過增大負載電導，進而增大總回路電導，使輸出電路嚴重失配，輸出電壓相應減小，從而反饋到輸入端的電流減小，對輸入端的影響也就減小?？梢?，失配法是用犧牲增益而換取電路的穩(wěn)定。用兩只晶體管按共射—共基方式連接成一個復合管是經(jīng)常采用的一種失配法，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-17所示。由于共基電路的輸入導納較大，當它和輸出導納較小的共射電路連接時，相當于使共射電路的負載導納增大而失配，從而使共射晶體管內(nèi)部反饋減弱，穩(wěn)定性大大提高。圖2-17共射-共基電路

2.4集成選頻放大器

2.4.1集成選頻放大器的組成

集成選頻濾波器一般有兩種接法：

(1)集中選頻濾波器接于寬帶集成放大器的后面。在圖2-18(a)中，集中選頻濾波器接于寬帶集成放大器的后面，這是一種常見接法。該接法需注意的問題是集成放大器與集中濾波器之間的阻抗匹配問題，這包括兩重含義：其一是從放大器輸出上看，阻抗匹配表示放大器有較大的功率增益；其二是從濾波器的輸入端看，要求信號源的阻抗與濾波器的輸入阻抗匹配，方能得到預期的頻率特性。

(2)集中選頻濾波器接于寬帶集成放大器的前面，如圖2-18(b)所示。圖2-18集中選頻放大器組成框圖

2.4.2集中選頻濾波器

1.陶瓷濾波器

陶瓷片具有“壓電效應”與“反壓電效應”。兩端陶瓷濾波器的外形、符號及等效電路如圖2-19所示。陶瓷濾波器有兩個諧振頻率：

圖2-19陶瓷濾波器的結(jié)構(gòu)、符號和等效電路

某些經(jīng)過特殊處理(經(jīng)高壓電場極化)后的陶瓷具有與石英晶體類似的壓電效應，這種陶瓷稱為壓電陶瓷。壓電陶瓷的等效電路與石英晶體類似。壓電陶瓷的特性：

(1)Q值：遠大于LC回路，遠小于石英晶體；

(2)帶寬：小于LC回路，大于石英晶體；

(3)工作頻率：1～100MHz；

(4)相對帶寬：0.1%～10%。陶瓷濾波器電路如圖2-20所示。

圖2-20陶瓷濾波器電路

三端陶瓷濾波器結(jié)構(gòu)示意圖、符號、等效電路和實物如圖2-21所示。

2.聲表面波濾波器(SAWF)聲表面波(SAW)是在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深入固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波。聲表面波具有以下特點：

(1)能量密度高，其中90%的能量集中在厚度等于一個波長的表面薄層中；

(2)傳輸速度慢，約為縱波速度的45%，是橫波速度的90%。

聲表面波器件是一種利用沿彈性固體表面?zhèn)鞑C械振動波的器件，主要有濾波器、延遲線等。聲表面波器件的結(jié)構(gòu)、符號及實物如圖2-22所示。聲表面波濾波器具有以下特點：(1)工作頻率范圍寬，可達10～10000MHz；

(2)相對頻帶也較寬，一般可達1%～50%；

(3)便于微型化和片式化；

(4)帶內(nèi)插入衰減大，一般不低于15dB——最突出的不足；

(5)矩形系數(shù)可達1.1～2。

總之，聲表面波器件與其他濾波器相比，具有頻率特性好、性能穩(wěn)定、體積小、設計靈活、可靠性高，制造簡單且重復性好，便于大批量生產(chǎn)，廣泛應用于通信設備、電視機中。

圖2-22聲表面波濾波器

聲表面波濾波器的頻率特性取決于叉指電極的幾何形狀，只要設計合理，用光刻技術(shù)制造，可保證有較高的精度，使用時不需調(diào)整。彩電中實際應用的SAWF的幅頻特性如圖2-23所示，可見它有接近矩形的幅頻特性，具有良好的選擇性和較寬的頻帶寬度。30MHz和39.5MHz兩個頻率點，可以分別徹底吸收上鄰頻道的圖像載頻和下鄰頻道的伴音載頻，防止臨近頻道的干擾。

圖2-23電視中SAWF的幅頻特性

2.4.3集成選頻放大器電路實例

1.由單片集成放大器MC1590構(gòu)成的選頻放大器

單片集成放大器MC1590具有工作頻率高，不易自激的特點，并帶有自動增益控制的功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個雙端輸入、雙端輸出的全差動式電路，如圖2-24所示。

圖2-24集成放大器MC1590構(gòu)成的選頻放大器

器件的輸入和輸出各有一個單諧振回路。輸入信號ui通過隔直流電容C4加到輸入端的引腳“1”，另一輸入端的引腳“3”通過電容C3交流接地，輸出端之一的引腳“6”連接電源正端，并通過電容C5交流接地，故電路是單端輸入、單端輸出。由L3和C6構(gòu)成去耦濾波器，減小輸出級信號通過供電電源對輸入級的寄生反饋。

2.MC1110制成的100MHz調(diào)諧放大電路

MC1110集成塊是一種適合于放大頻率高達100MHz信號的射極耦合放大電路，其內(nèi)部電路及由它制成的100MHz調(diào)諧放大器的實用電路如圖2-25所示。片內(nèi)電路如虛線框內(nèi)所示，兩只晶體管V1和V2組成共集—共基組合放大電路，使電路的上限截止頻率得以提高，且輸入、輸出阻抗均較高，故對外接調(diào)諧回路的影響減小。

圖2-25

MC1110構(gòu)成的100MHz調(diào)諧放大電路

片內(nèi)電容C約30pF，跨接在V1的集電極與V2的基極之間，對于100MHz以上的工作頻率，C的容抗較小，以構(gòu)成這兩極間的高頻短路，使V1的集電極在管內(nèi)經(jīng)C至V2的基極，形成良好的高頻接地，實現(xiàn)共集—共基放大對。由C1、C2、L1構(gòu)成的回路調(diào)諧于信號頻率，為了減弱信號源對回路的影響，信號是部分接入的。

L2、C3、C4組成并聯(lián)諧振回路，RL是負載，阻值較小，也是部分接入回路的。

2.5仿真設計與應用

1.SAWF的應用

集成寬帶放大器常用集中選頻濾波器和寬帶放大器構(gòu)成，電視機中的集成中頻放大器常用SAWF和集成寬帶放大器，具體應用實例如圖2-26所示。

圖2-26

TA7680AP圖像中頻放大器

電視機高頻調(diào)諧器輸出中頻信號IF，經(jīng)C161耦合至V161

的基極，V161完成預中放，起前置放大作用，彌補因Z101(SAWF)帶來的插入損耗；Z101起集中選頻作用；TA7680AP為東芝二片機彩電圖像中頻放大器IC，內(nèi)部含有的中頻放大電路為寬帶放大電路?？梢?，此電路是由SAWF和TA7680AP含有的中頻放大電路一起構(gòu)成的集成中頻寬帶放大器，無需調(diào)整，使用方便。

2.陶瓷濾波器的應用

陶瓷濾波器具有體積小、易制作、穩(wěn)定性好、無需調(diào)整等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應用于通信設備、收音機、電視等電子設備中。如圖2-27所示，就是利用三端陶瓷濾波器Z1替代中頻變壓器，完成信號的耦合。

圖2-27三端陶瓷濾波器的應用電路

3.高頻小信號諧振放大器的應用如圖2-28所示，為分離元件超外差收音機中頻放大器的實際電路。其中V1和V2構(gòu)成兩級單調(diào)諧放大器，Tr1、Tr2、Tr3為中周，Tr1是變頻器的交流負載，Tr2是第一級中放的負載，Tr3是第二級中放的負載。R3為第二中周Tr2回路的外加電阻，其作用是展寬頻帶和降低增益，以免自激。C5為中和電容，其作用是抵消V2的極間電容Cb′c的反饋，防止自激。C8起電源濾波作用。

圖2-28超外差收音機中頻放大電路

4.用Multisim10.0仿真分析小信號諧振放大器利用Multisim10.0仿真軟件進行元器件選擇放置、參數(shù)設置、電路連線、儀器設置及仿真的步驟等，見附錄一，此處不詳細討論。

(1)開啟Multisim10.0仿真軟件。

(2)畫電路圖。連接好如圖2-29所示的電路，設置好儀器的參數(shù)，并進行分析。C2為耦合電容；R1、R2、R3完成對V的偏置；C4為高頻旁路電容；R5、C3起電源退耦作用；L1C1諧振回路為V的交流負載，完成對信號的選頻濾波作用；R4為降Q值電阻，展寬頻帶作用；XFG1為函數(shù)信號發(fā)生器；XSC1為雙蹤示波器；XBP1為波特圖儀。

(3)信號源參數(shù)設置。在Multisim10.0仿真軟件電路中，雙擊函數(shù)信號發(fā)生器XFG1圖標，會出現(xiàn)如圖2-30所示的信號發(fā)生器面板，選擇正弦波信號源，其工作頻率為10MHz、幅度為50mV峰值。然后按一下信號發(fā)生器面板上的“關(guān)閉”按鈕，即可完成信號源參數(shù)的設置。

(4)工作波形測量。根據(jù)圖2-29所示電路設計，A路為輸出信號，B路為輸入信號。在Multisim10.0仿真軟件電路中，雙擊示波器XSC1圖標，在出現(xiàn)的示波器面板上，設置時基Timebase為200ns/div，通道A(ChannelA)幅度偏轉(zhuǎn)因數(shù)為5V/div，通道B(ChannelB)[JP]幅度偏轉(zhuǎn)因數(shù)為100mV/div。打開仿真開關(guān)，出現(xiàn)如圖2-31所示的輸入、輸出波形。觀察并對比輸入輸出波形(注意：輸入、輸出波形的相位并沒有相差180°，因為存在放大器的相移)，估算此電路的電壓增益(約為100倍)。

(5)幅頻特性的測量。在Multisim10.0仿真軟件電路中，雙擊波特圖儀XBP1圖標，在出現(xiàn)的波特圖儀面板上，在方式(Mode)選擇區(qū)域，按下幅度測量(Magnitude)按鈕，此時選擇測量的是幅頻特性。在水平(Horizontal)區(qū)域，按下“l(fā)og”按鈕，F(xiàn)參數(shù)設置為2GHz，I參數(shù)設置為100Hz，在垂直(Vertical)區(qū)域，按下“l(fā)og”按鈕，F(xiàn)參數(shù)設置為45dB，I參數(shù)設置為0dB。

打開仿真開關(guān)，出現(xiàn)如圖2-32所示的幅頻特性曲線。中心頻率為10.705MHz。分別取R4的值為500W、1kW

、2kW

、5kW

、15kW

、20kW

等，觀察幅頻特性曲線的變換情況，進一步了解降Q值電阻的作用。

L1、C1為小信號諧振放大器的選頻網(wǎng)絡，也是V的交流負載。若斷開它們中的任意一個，仿真時會出現(xiàn)電路工作不正?，F(xiàn)象。R4為降Q值電阻，若刪去，輸出波形會出現(xiàn)類似調(diào)幅波。

圖2-29小信號諧振放大器仿真電路

圖2-30函數(shù)信號發(fā)生器

圖2-31輸入輸出波形的測量

圖2-32小信號諧振放大器的幅頻特性曲線

小結(jié)

1.高頻小信號放大器分為寬帶和窄帶兩類。

2.小信號諧振放大器是一種窄帶放大器，由放大器和諧振負載組成，具有選頻或濾波功能。按諧振負載的不同，可分為單調(diào)諧放大器、雙調(diào)諧放大器等。

3.調(diào)諧放大器的不穩(wěn)定是由于晶體管內(nèi)部電容造成內(nèi)部反饋；提高放大器穩(wěn)定性措施有中和法與失配法。

4.集中選頻放大器是由集中選頻濾波器和寬帶放大器組成的。常用的集中選頻濾波器有陶瓷濾波器、聲表面波濾波器等。

5.Multisim10.0仿真分析小信號諧振放大器工作過程。

習題

1.選擇題

(1)在電路參數(shù)相同的情況下，雙調(diào)諧回路放大器的最大電壓增益與單調(diào)諧回路比較

。

A.增大B.減小C.相同D.無法比較

(2)在電路參數(shù)相同的情況下，雙調(diào)諧回路放大器的通頻帶與單調(diào)諧回路放大器的通頻帶相比較

。

A.增大B.減小C.相同D.無法比較

(3)在電路參數(shù)相同的情況下