第2章 諧振與小信號放大器1.ppt

1、第2章 諧振與小信號選頻放大電路,2.1 選頻電路概述 2.2 LC諧振回路選頻特性分析 2.3 阻抗變換電路 2.4 選頻電路的計算與設計 2.5 高頻小信號選頻放大電路 2.6 集成諧振放大器,諧振與小信號選頻放大電路的作用：將微弱的有用信號進行線性放大并濾除不需要的噪聲和干擾信號。高頻小信號諧振放大器廣泛用于廣播、電視、通信、雷達等接收設備中，處于接收機前端。 組成：放大器件+負載回路（各種選頻電路）,選頻+放大,2.1 選頻電路概述,諧振選頻回路的作用： 從眾多頻率成分中選出有用信號的頻率成分，抑制掉不需要的頻率成分，具有濾波和阻抗變換的功能。 常用的選頻回路： 有LC諧振回路，晶體諧

2、振器，聲表面波諧振器等。,選頻回路的主要指標： (1)中心頻率 ：在該頻率上傳輸系數(shù)最大。 (2)通頻帶 （ ）：當傳輸系數(shù)下降到最大值的 （即-3dB）時，所對應的上下限頻率的差。 (3)矩形系數(shù) ：當傳輸系數(shù)下降到最大值的0.1倍時對應的頻帶寬度和通頻帶之比。矩形系數(shù)越小說明選擇性越好，理想情況下 =1說明可以把通頻帶以外的信號全部濾掉。矩形系數(shù)的定義如下：,LC諧振回路是通信電路中最常用的無源網(wǎng)絡， 有并聯(lián)回路和串聯(lián)回路兩種形式，其作用是：,（1）選頻濾波：從輸入信號中選出有用頻率分量，抑制無用頻率分量或噪聲。(例如在選頻放大器和正弦波振蕩器中),1.1,2.2 LC諧振回路選頻特性分析

3、,諧振特性：在某一特定頻率上諧振回路阻抗的虛部為零，即呈現(xiàn)為純電阻，此時回路阻抗具有最大或最小值的特性，稱為諧振特性，這個特定頻率稱為諧振頻率。利用其諧振特性可以實現(xiàn)頻率選擇，因此在高頻電路中得到廣泛應用。,（2）阻抗變換電路及匹配電路；,（3）實現(xiàn)頻幅、頻相變換：將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅或相位的變化。例如在斜率鑒頻和相位鑒頻電路里，將在頻率調(diào)制中講。,阻抗變換的目的：將實際負載阻抗變換為前級網(wǎng)絡所要求的最佳負載值，即獲得最大功率輸出。,2.2.1 并聯(lián)諧振回路,電感、電容、信號源三者并聯(lián)，稱之為并聯(lián)諧振回路。簡單并聯(lián)諧振回路如圖所示，L為電感線圈，r是其損耗電阻，C為電容。,一、并聯(lián)諧振回路的

4、阻抗特性,當信號頻率為 時， 由圖知：回路的阻抗,（2.1）,或 回路的導納：,此時，原圖可等效為下圖：,諧振時回路感抗和容抗相等，令阻抗虛部為零可得回路 的諧振頻率 ：,式中Q為回路的空載品質(zhì)因數(shù)（固有品質(zhì)因數(shù)）,空載品質(zhì)因數(shù)：,定義為諧振時回路儲存的能量與諧振時回路損耗的能量之比。,高頻電路中一般Q值較大（Q1）所以并聯(lián)回路的 諧振頻率可寫為,它也是回路的中心頻率。,諧振時回路的阻抗最大為一純阻，回路的諧振電阻：,或諧振電導,諧振時的感抗或容抗稱為回路的特性阻抗,則式（2.1）可寫作,當信號頻率 在回路諧振頻率 附近，相差不大時,則式可寫,阻抗的幅頻特性和相頻特性表達式分別是,由此畫出的阻

5、抗頻率特性曲線如圖,阻抗幅頻特性,阻抗相頻特性,可見，當激勵信號電流的頻率與回路諧振頻率相同時，能在回路兩端產(chǎn)生最大輸出電壓。當激勵信號頻率與諧振頻率出現(xiàn)偏差時（失諧），阻抗下降，輸出電壓也出現(xiàn)下降，當激勵信號頻率遠遠偏離諧振頻率時，回路阻抗趨于零，輸出電壓也趨于零。因此諧振回路具有選頻作用。,1.通頻帶 令頻率特性中,2.矩形系數(shù) 理想的濾波器的幅頻特性應該是一個矩形，通頻帶內(nèi)信號被輸出，帶外信號被濾除。諧振回路的幅頻特性接近矩形的程度，用矩形系數(shù)描述。,令 可得,二、并聯(lián)諧振回路的參數(shù),可得,則矩形系數(shù),矩形系數(shù)遠大于1，故回路的選擇性差。 回路的矩形系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)Q大小無關。,3.回路的

6、相頻特性,回路諧振時 ， 回路呈純阻，不對信號附 加相移。,Q值對回路性能的影響,(a) 阻抗幅頻特性,(b) 阻抗相頻特性,并聯(lián)諧振回路的相頻特性呈現(xiàn)負斜率變化，在諧振頻率上斜率為,回路的Q值越大，曲線斜率越大，即相位隨信號頻率變化率增 大而增大（大?。?。在諧振頻率附近（ ），曲線近似,直線，即相移與頻率成線性關系。Q越小線性范圍越大。,串聯(lián)回路與并聯(lián)回路的電抗特性互為對稱。,2.2.2 串聯(lián)諧振回路,L為電感線圈，r是其損耗電阻，C為電容。其中r很小，一般可以忽略。當信號角頻率為 時， 回路的串聯(lián)阻抗為,令虛部為零，回路諧振，此時阻抗最小為r。,諧振頻率為,通頻帶和矩形系數(shù),單諧振回路的幅

7、頻特性不大理想,串聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻與相頻曲線如圖,(a)幅頻特性曲線,(b)相頻特性曲線,回路阻抗特性： 時諧振為純電阻且回路阻抗最小， 失諧時阻抗變大， 時回路呈容性 時回路呈感性,阻抗特性 (a) 串聯(lián)諧振回路的阻抗特性；(b) 并聯(lián)諧振回路的阻抗特性,4章19,4章23,2.2.3 串并聯(lián)諧振回路特點,串、并聯(lián)回路的比較：,串聯(lián)諧振回路的阻抗,并聯(lián)諧振回路的阻抗,2、相頻特性：,串聯(lián)回路阻抗的相頻特性為正斜率，并聯(lián)回路阻抗的相頻特性為負斜率，且最大相移為,3、實際應用中：,串聯(lián)回路適合于信號源和負載串接，從而使信號電流有效的送給負載。,并聯(lián)回路適合于信號源和負載并接，使信號在負載上得

8、到的電壓振幅最大。,表2.1 串并聯(lián)諧振回路對照,阻抗變換電路是一種將實際負載阻抗變換為前級網(wǎng)絡所要求的最佳負載阻抗的電路。阻抗變換電路對于提高整個電路的性能具有重要作用。,1、接入信號源和負載后會對回路產(chǎn)生什么影響？,并聯(lián)諧振回路與信號源和負載的連接,回路總電阻 R=RsRLRP,2.3 阻抗變換電路,2.3.1 信源與負載阻抗對選頻電路的影響,其中，回路總電導， 回路總電阻 R=RsRLRP。,回路的空載值為,而回路有載值為,此時的通頻帶為,接入信號源和負載對回路的影響： e ，回路選擇性變差，通頻帶展寬。而且并聯(lián)接入的s和L越小，則e越小，回路選擇性越差。 諧振電壓00也將隨著諧振回路總

9、電阻的減小而減小。 將影響回路的諧振頻率 ：信號源內(nèi)阻和負載不一定是純電阻，可能還包括電抗分量。如要考慮信號源輸出電容和負載電容，由于它們也是和回路電容并聯(lián)的，所以總電容為三者之和，這樣就將影響回路的諧振頻率。 因此，必須設法盡量消除接入信號源和負載對回路的影響。,采用阻抗變換電路,可以改變信號源或負載對于回路的等效阻抗 若使s或L經(jīng)變換后的等效電阻增加，再與P并聯(lián)，可使回路總電阻 R 減小不多，從而保證e與相差不大。 可以使諧振頻率基本保持不變 若信號源電容與負載電容經(jīng)變換后大大減小，再與回路電容并聯(lián)，可使總等效電容增加很少，從而保證諧振頻率基本保持不變。,2、采用阻抗變換電路減小接入信號源

10、和負載對回路的影響,阻抗變換網(wǎng)絡首先應是無損耗的，阻抗變換有多種方法，可以采用集中參數(shù)電抗元件構成，也可采用分布參數(shù)的微帶構成，采用集總參數(shù)的電感和電容或變壓器構成的匹配網(wǎng)絡可以是窄帶網(wǎng)絡，也可以是寬帶網(wǎng)絡。對于窄帶網(wǎng)絡不僅要完成阻抗變換，還要完成濾波功能。,2.3.2 基本阻抗變換電路,變壓器是靠磁通交鏈, 或者說是靠互感進行耦合的。高頻變壓器有如下特點： (1) 為了減少損耗, 高頻變壓器常用導磁率高、 高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。,1.變壓器阻抗變換,(2) 高頻變壓器一般用于小信號場合, 尺寸小, 線圈的匝數(shù)較少。,次級所接負載為時 ，從初級看 等效阻抗可以根據(jù)功率相等得到,設理想變壓

11、器初級匝數(shù)為,則變比為,次級匝數(shù)為,自耦變壓器阻抗變換電路 （）圖所示為考慮次級負載以后的初級等效電路。,2.部分接入進行阻抗變換,采用抽頭回路的阻抗變換電路，包括自耦變壓器阻抗變換電路、電感分壓與電容分壓。,1) 自耦變壓器電路,負載L經(jīng)自耦變壓器耦合接到并聯(lián)諧振回路上。設自耦變壓器損耗很小，可以忽略，則初、次級的功率P1、P2近似相等，且初、次級線圈上的電壓UT和U之比應等于匝數(shù)之比，設初級線圈與抽頭部分次級線圈匝數(shù)之比1p，,因為,定義接入系數(shù),所以,對于自耦變壓器， 總是小于或等于, 所以,等效到初級回路后阻值增大，從而對回路的影響將減小。 越小, 則L越大，對回路的影響越小。所以，接

12、入系數(shù) 的大小反映了外部接入負載（包括電阻負載與電抗負載）對回路影響大小的程度,通過改變抽頭系數(shù)，從而使信源與負載的阻抗實現(xiàn)匹配。,2） 電容分壓式阻抗變換電路 （b）圖所示是L等效到初級回路后的初級等效電路。,圖 電容分壓式阻抗變換電路,利用串、并聯(lián)等效轉(zhuǎn)換公式，先將RL和C2轉(zhuǎn)換為串聯(lián)形式， 再與C1一起轉(zhuǎn)換為并聯(lián)形式，在2R2L(C1+C2)21時，可以推導出L折合到初級回路后的等效電阻為,接入系數(shù) 在這里總是小于。,如果把RL折合到回路中1、2兩端，則等效電阻為：,3） 電感分壓式電路,電感分壓式電路與自耦變壓器阻抗變換電路的區(qū)別在于1與2是各自屏蔽的，沒有互感耦合作用。（）圖是L等效

13、到初級回路后的初級等效電路，12。,圖 電感分壓式阻抗變換電路,L折合到初級回路后的等效電阻為：,其中 是接入系數(shù)，在這里總是小于。,2.4 選頻電路的計算與設計,例2.1如圖，已知一個LC并聯(lián)回路的參數(shù),求(1)回路諧振頻率 ，品質(zhì)因數(shù)Q和諧振時 回路等效 阻抗 (2)當信號頻率偏離諧振頻率 時，對應的 阻抗和相移。,解：(1)諧振頻率為,品質(zhì)因素為,諧振電阻為:,(2)當頻率偏移 時，偏移較小，對應的阻抗和相移通過下式計算,例 2.2 試計算上題中回路的通頻帶 ，如果要求通頻帶 ，求在回路兩端并聯(lián)多大電阻以降低回路Q值。,解：回路通頻帶,為了使通頻帶展寬，需要并聯(lián)負載電阻使回路品質(zhì)因數(shù)（稱

14、為有載品質(zhì)因數(shù)）,此時對應回路阻抗為,而 ，故,即需要在回路兩端并聯(lián)電阻 ,可使通頻帶變寬為,例2.3 某接收機輸入回路的簡化電路如圖所示。 已知1=5pF，2=15pF，s=75 ，L=300。為了使電路匹配，即負載L等效到回路輸入端的電阻Ls，線圈初、次級匝數(shù)比12應該是多少？,解：由圖可見，這是自耦變壓器電路與電容分壓式電路的級聯(lián)。,L等效到輸入端的電阻,如要求Ls，則 。所以,在以上介紹的四種常用阻抗變換電路中，所導出的接入系數(shù) 均是近似值，但對于實際電路來說，其近似條件容易滿足， 所以可以容許引入的近似誤差。,例2.4 如圖,要求把負載 變成信源端阻抗 ,已知中心頻率 以及要求帶寬為 ,請選擇L,C的值。,解：據(jù)帶寬和諧振頻率算得,由并聯(lián)回路Q值得感抗,可得到電感L值大小.同理可算出回路總電容,由 和 求得接入系數(shù),而,由此可求出 和 的值。,設一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負載，信號中心頻率 ，回路電容采用C=50pF，試計算所需的線圈電感值。又若線圈品質(zhì)因數(shù)為 ，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？,課堂練習,