小信号调谐放大电路相关解析

小信号谐振放大电路相关解析与设计1.小信号谐振放大电路相关了解与介绍。[2]2.晶体管放大器部分介绍与静态工作点选择。[1]3.选频网络相关知识点。[3]4.小信号谐振放大相关例题及其仿真实验。[3]学院：电子工程学院班级：电工1301姓名：汤舜彬班级学号：1指导老师：姬五胜1.小信号谐振放大电路相关了解与介绍。[2]在无线电技术中，经常会遇到这样的问题-----所接受到的信号很弱，而这样的信号又往往与干扰信号同时进入接收机。我们希望将有用的信号放大，把其他无用的干扰信号抑制掉。借助于选频放大器，便可达到此目的。小信号谐振放大器便是这样一种最常用的选频放大器，即有选择地对某一频率的信号进行放大的放大器。小信号谐振放大器是构成无线电通信设备的主要电路，其作用是放大信道中的高频小信号。所谓小信号，通常是指输入信号电压一般在微伏至毫伏数量级，放大这种信号的放大器工作在线性范围。所谓调谐，主要是指放大器的集电极负载为调谐回路（如LC谐振回路）。这种放大器对谐振频率𝑓0的信号具有放大作用，而对其他远离𝑓0的频率信号，放大作用差。如上图1.1所示。图1.1调谐放大器频率特性调谐放大器主要由两部分组成，放大器部分和谐振回路部分。我们将讲解这两个部分以方便对小信号谐振放大电路的理解。小信号1谐振放大电路一般在接收机中做高频放大和中频放大，对其主要指标要求是：有足够的增益，满足通频带和选择性要求，工作稳定等。（）通过上面相关介绍，我们大致了解了小信号谐振放大相关电路的构成，接下来介绍基本的放大电路部分和选频网络部分。晶体管放大器部分介绍与静态工作点选择2.晶体管是半导体器件，在电子电路中常用的半导体器件有二极管、稳压管、双极性三极管……..等。制造这些器件的主要材料是半导体，如硅和锗等。上图的Q1和Q2就是三极管。半导体中存在两种载流子：电子和空穴。纯净的半导体称为本征半导体，导电能力较差。掺有少量其他元素的半导体称为杂质半导体。杂质半导体分两种：N型半导体------多数载流子是电子；P型半导体------多数载流子是空穴。当把P型半导体和N型半导体结合在一起时，在二者的交界处形成一个PN结，这是制造各种半导体器件的基础。二极管就是利用一个PN结加上外壳，引出两个电极制造而成的。三极管就是利用两个PN结，即发射结和集电极，并引出三个电极制造而成的。而根据组合方式不同，分为NPN与PNPNPN与PNP三极管结构示意图与符号三极管的特性曲线和相关参数[1]：UCEiB输入特性曲线描述管压降一定的情况下，基极电流UBE与发射极压降之间的函数关系，即iB=fUBE（）uce=常数|UCE当=0V时，相当于集电极和发射极短路，如下图a。此时，与PN结的伏安特性曲线类似，呈指数关系，可看下UCE图b。当增大时，输入特性曲线将右移。如下图b可见，UCEUCE=0V和≥1V时的两条输入特性曲线。在放大区，硅管UEEUEE的发射结压降一般去0.7V，锗管的发射结压降一般取0.3V。输出特性曲线描述基极电流iB为一般常量时，集电极电流iC与管压降UCE之间的函数关系，即：iC=f1UCE（）ib=常数|对于每一个确定的iB，都有一条曲线，所以输出特性曲线是一族曲线，如图c。从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域，即放大区、截止区和饱和区。【放大区】条件；发射极正偏，集电极反偏。特点：iC=iB，iC仅由iB决定。【截止区】条件：两个PN结均反偏。特点是iB=0、iC=iceo≈0，无放大作用。【饱和区】条件：两个PN结均正偏。特点：UCE≤1V，有iB和iC，但是iB≠iC，iC已经iB控制，无放大作用。三极管的主要参数：电流放大系数、极间反向电流、极限参数等。他们是选用三极管的依据。1.电流放大系数：（1）共射交流放大系数β=ICIb≥1（2）共基极交流放大系数α=𝐈𝐂𝐈𝐛≤1在选择三极管时，如果β值太小则电流放大能力差，β值太大会使工作稳定性差。β值一般选20到100之间。2.极间反向电流：【集电极和基极间反向饱和电流icbo】icbo的下标CB表示基极与集电极，o表示e开路，相当于集电极的反向饱和电流。icbo受温度的影响很大，每升高10℃，电流增加10倍。【集电极和发射极的反向饱和电流iceo】icbo和iceo有如下关系iceo=（1+β）icbo3.极限参数：【集电极所允许流过的最大电流iCM】三极管集电极最大允许电流iCM，当iC＞iCM时，三极管性能将显著下降，甚至烧坏三极管。【集电极最大允许功耗PCM】集电极上允许损耗功率的最大值，超过此值就会使三极管性能变差，甚至烧坏。【U（BR）CEO】基极开路时，集电极和发射极之间的反向击穿电压，此时集电极承受反向电压。静态工作点的选择与求解（射极偏置电路）[1]为什么要设置静态工作点？放大电路要对信号进行有效的放大，即输入信号与输出的信号的畸变不能超过所规定的范围。否则信号就会失真。因此必须设置合适的静态工作点什么是静态工作点？放大器的输入端短路，则放大器处于无输入信号时的状态叫静态，与此对应的晶体管直流电压UBE、iB、UCE、iC在输入/输出特性曲线上所确定的点叫静态工作点，用Q表示，分别为：UBEQ、iBQ、UCEQ和iCQ。以下图是这些点在输出上的曲线变换和相关静态工作点的选择情况。绿色的斜线为直流负载通过一些例题我们来可以更深入了解静态工作点的情况。基极分压式静态工作点的计算上图左边为基极分压射极偏置电路，他的直流通路为右图所示。由图我们开始计算Q点的值。在IiBQ的条件下有VBQ≈Rb2（Rb1+Rb2）VCC集电极电流iCQ≈iEQ=（VBQ−VBEQ）Re≈VBQRe由此式可见，该电路中集电极静态电流ICQ只与直流电压及电阻Re有关，因此β随温度变化时，ICQ基本不变。基极电流IBQ=ICQβ集电极----射极电压。VCEQ=VCC－ICQ(RC+RB)以上就是分压射极偏置电路静态工作点的求解。动态性能的分析：画出下图所示的电路小信号等效图如下图所示。由此图可求得电压增益Avo，输入电阻Ri和输出电阻R0。先求Avo:因为有u0=－βibRL‘（式子中RL‘=RL‖Rc）Ui=ibrbe+ieRe=ibrbe+（1+β）ibRe所以Avo=V0Vi=－βRL‘（rbe+（1+β）Re）由上式子可以知道，接入电阻Re后，提高了静态工作点的稳定性，但电压增益下降了，Re越大，Avo下降越多.为了解决这个矛盾，我们接了一个旁路电容，如上图小信号电路的C4，它对一定频率范围内的交流信号可以视为短路，对于交流信号而言，发射极信号和“地”直接相连，电压增益不会下降，所以可得Avo=－βRL‘rbe关于rbe的相关介绍：rbe=rbb’+（1+β）（re+re’）𝐫𝐛𝐛’和𝐫𝐞’仅仅与制造工艺有关，基区的杂质浓度比发射区浓度低，所以𝐫𝐛𝐛’比𝐫𝐞’大得多。𝐫𝐞’忽略。根据PN结的电流方程可以推导re=𝐕𝐓𝐈𝐄𝐐.常温下re=𝟐𝟔𝐦𝐯𝐈𝐄𝐐。所以常温下：rbe=rbb’+(1+β)26mvIEQ特别需要指出：①rbe是交流（动态）电阻，只能用来计算放大电路动态性能指标，不能求静态工作点Q值，但它的大小与静态工作电流IEQ有关。②流过𝐫𝐛𝐛’电流是ib，流过re的电流是ie，(1+β)re是re折合到基极回路的等效电阻。③rbe的适用范围为0.1mA＜IEQ＜5mA，超出此范围，会产生大误差。作为稳定的一些必要条件，我们必须确定一些电路参数，经过各方人士多年的实践经验和器件本身的限制。可以知道：1.工作点稳定的必要条件：𝐈𝟏𝐈𝐁𝐐，𝐕𝐁𝐐𝐕𝐁𝐄一般取I1=（5到10）IBQ（硅管）I1=（10到20）IBQ（锗管）2.𝐑𝐄越大，直流负反馈越强，电路的稳定性越好。一般取VBQ=（3到5）V（硅管）VBQ=（1到3）V（锗管）3.设计小信号放大器时，一般取ICQ=（0.5到2）mAVEQ=（0.2到0.5）VCC4.接下来我们来看看小信号放大电路参数求解。设计计算举例1，要求：工作频率𝐟𝟎≈40dB，𝐀𝐮𝟎≥40dB，𝐁𝐖𝟎.𝟕≥3000kHz。已知电感线圈L=22μH，Q=70（品质因数），晶体管选用9013（𝐟𝟎=150MHz，β0=100），求直流偏置电路的计算。首先我先黄色笔圈出放大器的部分，我们来求左边的那部分。取直流电源VCC=12V，ICQ=1.5mA。（范围为0.5到2mA，1.5mA方便计算）为了保证工作点稳定，可以取UBQ=3V。因此可得：R3=（UBQ－0.7）IEQ=2.3V1.5mA=1.5kΩ取流过R2的电流I1=0.3mA（根据上面的经验值我们可以得出I1=10到20倍的IBQ），则可得：R2=UBQI1=3V0.3mA=10kΩ而Rv1=(Vcc－UBQ)I1=（12−3）V0.3mA=30kΩ为了便于调节静态工作点，Rv1可用10kΩ标称电阻与47kΩ可调电阻串联使用。而红色线圈出的是共集电极电路，共集电极只有电流放大作用，Au约为1，没有电压放大，只有电压跟随作用，输入电阻高，输出电阻小，频率特性好，可用于输入级，输出级或缓冲级，在该小信号选频放大电路里作为输出级。3.选频网络相关知识点[3]LC并联谐振回路[3]实验电路及原理1.LC并联谐振回路的等效阻抗LC并联回路如图1所示，其中R表示回路的等效损耗电阻。由图可知，LC并联谐振回路的等效阻抗为（1）考虑到通常有，所以（2）2.LC并联谐振回路具有以下特点由式（2）可知，LC并联谐振回路具有以下特点：（1）回路的谐振频率为或（3）（2）谐振时，回路的等效阻抗为纯电阻性质，并达到最大值，即图1LC并联谐振回路（4）式中，，称为回路品质因数，其值一般在几十至几百范围内。由式（2）可画出回路的阻抗频率响应和相频响应如图2所示。由图及式（4）可见，R值越小，Q值越大，谐振时的阻抗值就越大，相角频率变化的程度越急剧，选频效果越好。（3）谐振时输入电流与回路电流之间的关系由图1和式（4）有通常，所以。可见谐振时，LC并联电路的回路电流或比输入电流大得多，即的影响可忽略。这个结论对于分析LC正弦波振荡电路的相位关系十分有用。图2(a)阻抗频率响应(b)相频响应通频带与矩形系数通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。通常情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。如图所示为某放大电路的幅频特性曲线。𝑓1-𝑓2之间为通频带下限截止频率fL：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为下限截止频率fL。上限截止频率fH：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍的频率称为上限截止频率fH。通频带fbw：fL与fH之间形成的频带称中频段，或通频带fbw。fbw=fH－fL或者定义为：在信号传输系统中,系统输出信号从最大值衰减3dB的信号频率为截止频率,上下截止频率之间的频带称为通频带,用BW表示。BW0.7=f0Q。通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。通频带越窄，表明电路对通频带中心频率的选择能力越强。选择性是指回路选取有用信号、抑制干扰信号的能力。由于谐振回路具有谐振特性，所以它具有选择性，回路谐振曲线越尖锐，其选择性越好。回路的选择性通常用矩形系数K0.1表示，并联谐振回路的矩形系数K0.1=BW0.1BW0.7≈10。矩形系数越接近于1，回路的选择性就越好。在并联谐振回路中，Q值越高，谐振曲线越尖锐，通频带越窄，抑制通频带外信号能力就越强，但其矩形系数并不改变，这说明简单的并联谐振回路的选择性是比较差的。LC并联谐振回路仿真电路图形工作运行环境如下图所示，我们可以得出一些结论。仿真电路运行结果:结果为单位谐振曲线。谐振时，回路呈现纯电导，且谐