通信電子電路 何豐主編重慶郵電學院人民郵電出版社 第二章高頻小信號選頻放大器的結構與電路2 1概述2 2主要性能指標和基本單元電路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定性問題2 5信號與電路及結構 第二章高頻小信號選頻放大器的結構與電路 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方式構成 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 場效應管 集成運放或專用集成放大器等 本章將對小信號選頻放大器的主要性能指標 電路穩定性 以及具體電路的應用進行討論 2 2主要性能指標和基本單元電路 常見的基本指標如下 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主要性能指標和基本單元電路 2 2主要性能指標和基本單元電路 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參數的方法來表示圖2 2 1 b 的選擇性 S參數定義為 過渡帶內的某特定頻率條件下的增益A 1 與通頻帶內的最大增益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主要性能指標和基本單元電路 四 工作穩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 以及其它電路元件參數發生變化時 電路性能的穩定程度 五 噪聲系數與低頻放大器一樣 選頻放大器的輸出噪聲也來源于輸入端和放大電路本身 噪聲系數是用來反映電路本身噪聲大小的技術指標 現在以諧振回路作為負載的選頻放大器 即諧振放大器為例進行分析 圖2 2 2 a 是原理圖 b 是交流等效電路圖 2 2主要性能指標和基本單元電路 2 2主要性能指標和基本單元電路 2 2 2以放大和選頻兩部分的組成結構為線索 分析圖2 2 2 a 電路中各元件的作用 2 2 3在工作點設置合理的情況下 圖2 2 2 b 中三極管能否用不含結電容的小信號等效電路來等效 為什么 2 2主要性能指標和基本單元電路 根據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 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 yi2為下級放大器的輸入導納 yo1為本級放大器的輸出導納 2 2主要性能指標和基本單元電路 考慮到PN結的結電容和極間電容 設三極管輸入 輸出參數為 yi2 gi2 j Ci2 2 2 3 yo1 go1 j Co1 2 2 4 為方便計算 現將電感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 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主要性能指標和基本單元電路 根據圖2 2 3 b 可以求出選頻放大器的諧振頻率 0 品質因數Q 常稱為回路LC的有載品質因數 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主要性能指標和基本單元電路 由此可知 由于下級電路的輸入導納和本級放大元件的輸出導納的影響 LC回路的諧振頻率 品質因數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 2 2主要性能指標和基本單元電路 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 和矩形系數的定義 推得放大器的矩形系數為 K0 1 102 1 1 2 9 96 2 2 12 2 2主要性能指標和基本單元電路 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yfe確定 選頻主要由選頻回路LC確定 n1和n2主要用于調節三極管與選頻回路 負載與選頻回路之間的耦合關系 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 從結構電路的觀點出發 用諧振回路和增益元器件的不同組合進行電路總體性能的優化第二 從改善選頻濾波部件出發 對其它材料構成的選頻電路的性能進行討論 2 3 1參差調諧的選頻放大單元 所謂參差調諧 就是將兩級單調諧放大器的諧振頻率分別調諧在信號中心頻率f0附近的兩個不同頻率點上 其中一級調諧在f01 f0 另一級調諧在f02 f0 上 如圖2 3 1 a 所示上述兩級放大器統稱為一級參差調諧放大器 或一個基本參差調諧放大器單元 2 3 1參差調諧的選頻放大單元 2 3 1參差調諧的選頻放大單元 利用式 2 2 9 可得總的放大倍數 Av j Av1 j Av2 j n1n2yfe ge 2 1 j 1 1 j 2 2 3 1 設一級的電容為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附近出現下凹現象 2 在 較小時 Av 將在 0頻率出現最大值 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 就會出現下凹現象 常稱這時的Av 為最平坦特性 2 3 1參差調諧的選頻放大單元 可以證明 最平坦特性時 應滿足 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 為并聯式互感耦合放大電路 2 3 2雙調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 臨界耦合雙調諧回路諧振放大器的矩形系數與參差調諧放大器相同 其選擇性比單調諧回路諧振放大器好 2 3 2雙調諧回路的選頻放大單元 2 3 2雙調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 3參差調諧放大器相對于雙調諧回路放大器來說 其選頻頻率更容易在電路實現時得到控制 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 包括增益元器件和選頻參數 的單元放大器組成 則n級單元放大器的總增益函數可以用一個單元的增益函數來表示 即 A j A1 j n 2 3 13 表2 3 1和表2 3 2給出了相關的數據 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 回路品質因數Q 40 接入系數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 隨著技術的進步 由其它材料構成的選頻性能優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現石英晶體材料和陶瓷材料都具有壓電效應 即在材料發生機械變形時 它們的表面就會出現電荷 反之 當加有外電壓作用時 它們也會產生機械變形 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 經進一步的研究 其等效電路如圖2 3 3 a 所示 圖中C0為靜態等效電容 Lq Cq rq為串聯等效回路 圖中等效電路具有一個串聯諧振頻率和一個并聯諧振頻率 因此 可以實現與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 圖中接于晶體管發射極的標有字母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構圖 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定性問題 在實際工作中 為了減小增益元器件內部反饋帶來的影響 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