1、谐振放大器设计内容第一章 谐振放大器电路及原理第一节 谐振放大器的概念所谓谐振放大器就是采用谐振回路（串、并联及耦合回路）作负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。一个理想的谐振放大电路的幅频特性曲线如下图所示。实际谐振电路的幅频特性曲线如图的虚线所示。幅频特性曲线的特点是在谐振频率f0上增益最大，偏离中心频率后增益迅速下降。如果f0等于有用信号的频率，就能将有用信号选择出来并加以放大，从而有效地抑制其他频道信号或干扰信号。图1.1.1反馈导纳对放大器谐振
2、曲线的影响小信号谐振放大电路的技术指标有谐振增益，通频带，选择性和稳定性。其中电路稳定是放大电路工作的必要条件，稳定性是指放大电路直流偏置，电路元件参数等发生变化时，放大电路的增益，中心频率，通频带，幅频特性等主要特性的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移，谐振曲线变形等。因此，为了保证放大器正常工作，必须采取稳定措施，使放大器不自激或偏离自激，并且在工作过程中应避免主要特征的变化超出允许范围。第二节 谐振放大器的分类谐振放大器按作用可分为调谐放大器（通称高频放大器）和频带放大器（通称中频放大器）。前者的调谐回路需对外不同的信号频率进行调谐；后者的调谐回路的谐振频率固定不变。按谐
3、振回路区分，有单调谐放大器，双调谐放大器和参差调谐放大器。按晶体管连接方法分有共基极，共基电极，共发射极放大极等第三节 谐振放大器的性能指标谐振放大电路的性能指标有谐振增益： (1-1)通频带： (1-2)选择性：选出有用信号的能力和抑制干扰的能力 1 (1-3)稳定性。其中电路稳定是放大电路工作的必要条件，稳定性是指放大电路直流偏置，电路元件参数等发生变化时，放大电路的增益，中心频率，通频带，幅频特性等主要特性的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移，谐振曲线变形等。因此，为了保证放大器正常工作，必须采取稳定措施，使放大器不自激或偏离自激，并且在工作过程中应避免主要特征的变化超出
4、允许范围。除上述四个主要的性能指标外，还要求噪声系数小。降低高频放大电路的噪声系数，可以提高整机灵敏度。小信号谐振放大电路，通常是指负载具有谐振特性（或选频特性）的放大电路。该电路广泛应用于通信，广播 电视 雷达等接收系统中，主要起选频，放大作用。由于在接收机中从天线上感应到的信号非常微弱，因此放大器的输入信号一般都比较小，此时放大器工作在线性范围内，即甲类放大状态，因而能够用微变等效电路法来进行分析。第二章 谐振放大器不稳定性因素第一节 放大器不稳定性的内部因素由于，由于晶体管存在着反向导纳，即，因此放大器的输入导纳和输出导纳分别与负载和信号源有关，这给放大器的调试带来很多麻烦。如果放大器输
5、入端也接有谐振回路，那么输入导纳并联在放大器输入端后如图所示。当没有反馈导纳YF时，输入端回路是调谐的。中电纳部分bie的作用，已包括在L或C中，而中电导部分gie以及信号源内电导gS的作用则是使回路有一定的等效品质因数QL值。然而由于反馈导纳YF的存在，就改变了输入端回路的正常情况。图2.1.1输出导纳的等效电路图2.1.1为计算器输出导纳的等效电路，由图可列出方程如下：Y s + Y i = 0 (2-1)图2.2.2式（2-1）表明，放大器的输出导纳YI 包括两部分，即晶体管的输出导纳和输出电路通过反馈导纳的作用在输出电路产生的等效导纳。如图2.2.3所示，图2.2.3 放大器输出导纳的
6、等效电路其中 即由于反馈导纳的存在，负载对输出导纳将产生影响。图2.2.4 计算放大器输出导纳等效电路图2.2.5放大器的输出导纳Y0也包括两个部分，即晶体管的输出导纳和在输出电路上产生的等效导纳。如图2.2.5所示，由于反馈导纳Yre 的存在，信号源导纳对输出导纳将产生影响。终上所述，由于内反馈的影响，使放大器的输入导纳与负载有关，输出导纳与信号源导纳有关。这样，在调整输出回路时，放大器的输出端将受到影响；同理，调整输入回路，放大器的输出导纳也随之改变，对输出电路的调谐和匹配又产生影响。因此，调整工作需要反复进行多次。这种相互制约的现象严重时将使整个放大电路的前后若干级放大器连成一个整体，调
7、整任何一级都将影响前后各级的工作。第二节 使谐振放大器不稳定的外部因素以上讨论的稳定性是从放大器内部来看的，实际上在制作放大电路时为了使电路稳定，还应该考虑外部因素引起的不稳定性。在实际电路中，放大器外部的寄生反馈，均是以电磁耦合的方式出现的，引起电磁干扰必然存在发射电磁干扰的源，能接收干扰的感应装置，以及两者之间的耦合途径。由于频率高的缘故，干扰和接收装置几乎是不可能避免的，由此关键是弄清楚耦合途径以及如何去截断它。电磁干扰的耦合途径主要有以下几种：（1） 电容性耦合：导线与导线之间，导线与器件之间，器件与器件之间均存在着分布电容。当工作频率达到一定程度时，这些电容会起作用，信号从后级耦合到
8、前级。（2） 电感性耦合：导线与导线之间，导线与电感之间，电感与电感之间，除分布电容外，在高频情况下，还存在互感。流经导线或电感的后级高频电流产生交变磁场，可以与前级回路产生不必要的耦合。（3） 公共电阻耦合：当前后级信号流经同一公共导线或电阻时，后级电流会产生电压，从而对前级产生影响。（4） 辐射耦合：当工作频率达到一定程度时，后级的高频信号可以通过电磁辐射的方式耦合到前级。另外，在电子设备中，接地是控制干扰的重要手段。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。一般而言，当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变化很大。此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1
9、10MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法，而且接地线很细。接地电位则随电流的变化而变化，抗噪声性能变坏，应将接地线尽量加粗。第三章 谐振放大器稳定的措施第一节 放大器产生自激一 产生自激的原因图 3.1.1放大器输入等效电路反馈导纳 b F ，其中 g F 改变了回路的 Q L 值 , b F 引起回路失谐。 g F 是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，它使回路的总电导减小， Q L 值增加，放大器的通频带减小，增益也因损耗的减少而增加。即负电导 g F 供给回路能量，出现正反馈，当 g F = g S + g ie 则回路总电导 g
10、 = 0 ， Q L ? ￥ ，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。二 放大器产生自激的条件根据以上分析，当 Y s + Y i = 0 时放大器产生自激，由式中可见放大器的反馈能 量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。因此，放大器产生自激的条件是(3-1)即 (3-2)晶体管反向传输导纳 y re 愈大，则反馈愈强，上式左边值就愈小。该值愈接近于 1 ，放大器愈不稳定。因此我们引入稳定系数 S 来表示放大器的稳定性。根据上式可以推导稳定系数 (3-3)、 分别为 y fe 、 y re 的相角， S 表示放大器能稳定工作的条件。当满足 Y s+ Y i = 0 时， S = 1
11、放大器自激 ； S 1 时放大器存在潜在不稳定 ； 只有当 S 1 时内部反馈较小，放大器才工作稳定。通常工程设计中取 S = 510三 谐振电压增益 A vo 与稳定系数 S 的关系在工程计算中常作如下近似 ： 当工作频率 f 0 远小于特征频率 f T 时， y fe = | y fe | 即 j fe = 0 反馈导纳 即 g S + g ie = g oe + = g当 P 1 =P 2 =1 时将以上条件代入稳定系数 S 公式 (3-3) 得(3-4)而由前述知 (3-5)(3-4) 代入 (3-5) 得(3-6)当 S = 5 时， (3-7)( A vo ) S 是保持放大器稳定
12、工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作， A vo 不允许超过 ( A vo ) S 。第二节 克服自激的方法晶体管存在着的反馈，所以它是一个“双向元件”。作为放大器工作时，的反馈是有害的，其有害作用是可能引起放大器工作的不稳定。晶体管的内反馈会带来有害的影响，要设法消除。克服内反馈的途径有两个：一个是从晶体管本身想办法，使反向传输导纳尽量减小；另一方面是在电路上想办法，把的作用抵消或减小，也就是说，从电路上设法取消晶体管的反向作用，使它变为单向化。单向化的方法有两种：一种是消除的反馈作用，称为“中和法”；另一种是使负载电导或信号源电导的数值加大，因而使得输入或输出回路与
13、晶体管失去匹配，称为“失配法”。一 中和法中和法是解决放大器的增益和稳定性之间的矛盾的一种有效措施。它是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外加的反馈电路（中和电路），使该反馈电路的作用与晶体管内部反馈的作用相互抵消。通常是在输出回路与晶体管基极之间接入一个电容来实现中和作用，该电容亦称中和电容。具体线路如图 3.2.1(a) ， C N 为外接电容。图3.2.1(b) 为其电桥等效路。 (a) (b) 图3.2.1当电桥平衡时， CD 两端的回路电压 不会反映到 AB 两端，即输出不影响输入，变双向器件为单向器件。电桥平衡时，两对边阻抗之比相等。 由于 y re 与 w 有关，故中和法只能在
14、一个频率上完全中和中和法的主要优点是增益高，因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。但其缺点也是突出的，主要有三点：一是中和不彻底，因为Yre还有电导部分；二是与工作点关系大，因与工作点有关；三是与频率有关，因为中的等效电容与频率有关,往往只在一个频率点起到中和作用，而一些要求较高的通信设备大多不采用中和法，而采用失配法。二 失配法 基本思想是信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。 由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。因此失配法是用牺牲增益换来提高放大器的稳定性。 根据前面分析可知放大器等效输入导纳为 要使放大器输入导纳 Y
15、i 等于晶体管短路输入导纳 Y ie ，即使后项为零，则必须加大 Y L 。 晶体管实现单向化，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发一共基级联放大器实现，如图 3.2.2 。 因为共发电路中输入、输出阻抗较高，共基电路中输入阻抗低，输出阻抗高，而共基的输入阻抗是共发的负载，故 Y L 大。 图 3.2.2 共发共基级联放大器电路 又因为共发的 y oe 较小（阻抗大），对 BG 2 来说， BG 1 的输出导纳就是它的信源内导纳 Y s ， Y s ( Y oe ) 小则 BG 2 输出导纳 Y 0 就只和共基极晶体管 BG 2 本身有关，而不受它的输入电路的影响。所以复合管的输入和输出导
16、纳基本上不再互相依赖，可把它看成单向器件。另外，共发一共基电路能保证小的噪声系数。这类放大器的增益计算方法与单管共发相同。 复合管 y 参数可用如下公式近似表示 由此看出 与单管情况相当，而反向传输导纳（反馈导纳） 和输出导纳 则与单管情况差别大，复合管的 小于单管 y re 三个数量级，这说明级联后的内部反馈影响已大大减弱，所以，放大器的工作稳定性提高了。复合管的输出导纳 也只是单管 y oe 的几分之一，这说明级联放大器的输出端可以直接和阻抗较高的调谐回路相匹配，不再需要抽头接入，有利于提高放大器的增益。 三 中和法与失配法比较 中和法的优点是电路简单，增益不受影响 ； 其缺点是只能在一个
17、频率上完全中和，不适合宽带 ； 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。采用中和法对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。 失配法的优点是 性能稳定，能改善各种参数变化的影响 ； 频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。 失配法的缺点是增益较低。 第四章 谐振放大器电路举例 图 4.1.1表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中频放大器电路。 图4.1.1 二级共发 - 共基级联中频放大器电路 第一中放级由晶体管 T 1 和 T 2 组成共发 - 共基级联电路，电源电路采用串馈供电， R 6 、 R 10 、 R 11 为这两个管子的偏置电
18、阻， R 7 为负反馈电阻，用来控制和调整中放增益。 R 8 为发射极温度稳定电阻。 R 12 、 C 6 为本级中放的去耦电路，防止中频信号电流通过公共电源引起不必要的反馈。变压器 Tr 1 和电容 C 7 、 C 8 组成调谐回路C 4 、 C 5 为中频旁路电容器。人工增益控制电压通过 R 9 加至 T 1 的发射极，改变控制电压（ 8V ）即可改变本级的直流工作状态，达到增益控制的目的。耦合电容 C 3 至 T 1 的基极之间加接的 680 W 电阻是防止可能产生寄生振荡（自激振荡）用的，是否一定加，这要根据具体情况而定。第二级中放由晶体管 T 3 和 T 4 组成共发 - 共基级联电
19、路，基本上和第一级中放相同，仅回路上多并联了电阻，即 R 10 和 R 20 的串联值。电阻 R 19 和热敏电阻 R 20 串接后作低温补偿，使低温时灵敏度不降低。 在调整合适的情况下，应该保持两个管子的管压降接近相等。这时能充分发挥两个管子的作用，使放大器达到最佳的直流工作状态。 心得体会通过这次谐振放大器稳定性分析的课程设计，使我对高频课程中有关高频小信号放大器的知识进一步的学习。更深刻的了解了课本上的知识。在开始设计之前，我们对课题进行了分析和讨论，了解了谐振放大器的工作原理，研究了任务书书所提出的要求。通过查看书籍和搜索资料和在老师精心讲解的帮助下，我们完成了这次的课程设计。在这期间
20、，我所得到的不仅仅是知识的充实，更是对寻求解决问题的方法这样一种能力的提高，同时我掌握了如何搜索和查阅文献资料。在设计过程中，发现了自身存在很多的问题。首先，自己在书本知识的学习上还存在太多的问题，许多的知识根本没有完全理解和掌握。在设计过程中是在不断的查看课本。其中还有许多自己根本无法解决的问题，最后是通过向老师和同学请教才得以解决。其次，我发现自己对课程设计的要求把握的不明确。在设计的过程中，刚开始找了很多的资料和谐振放大器有关，但并不适合我们的课程设计。并因此而浪费了不少的时间，这也是我以后应该注意的问题，在做事前先把自己的目标方向确定好！参考文献1、李银华 电子线路设计指导 北京航天航空大学出版社 2005.62、裴昌幸 电视原理与现代电视系统 西安电子科技大学出版社 2004.63、张肃文 高频电子线路 高等教育出版社 2004.114、J.M.佩提著，柴振明译 电子放大器的理论与设计 上海科学技术出版社 1964.5
