第 6 章 调谐放大器

第6章调谐放大器和正弦波振荡器本章学习目标6.1调谐放大器6.2正弦波振荡器本章小结本章学习目标1.理解调谐放大器的工作原理，了解基本调谐放大电路的构成和工作原理。2.理解自激振荡的原理，掌握自激振荡的条件，了解自激振荡的建立过程，掌握判别电路是否产生自激振荡的方法。3.理解变压器耦合式LC振荡器的构成和工作原理。4.了解三点式LC振荡器的分类，清楚这些振荡器的工作原理，理解三点式振荡器的特点。5.了解石英晶体的基本特性、符号、等效电路及谐振频率的基本知识。理解石英体振荡电路的构成和工作原理，了解石英晶体在不同类型的振荡电路中的作用。6.了解用集成运放电路组成的LC振荡电路的工作原理。6.1调谐放大器6.1.1调谐放大器的工作原理6.1.2两种基本的调谐放大电路6.1.1调谐放大器的工作原理调谐放大器：具有选频放大能力的放大电路。电路特点：LC谐振回路作负载。应用：无线电发射和接收设备。一、LC并联电路R为并联电路损耗电阻。1.阻抗频率特性表示了LC并联电路的阻抗Z与信号频率f之间的变化关系。当f=f0时，LC并联电路发生谐振，阻抗最大。当ff0或ff0时，电路失谐，阻抗很小。因此，f0称为谐振频率，又称固有频率，即LCf210可见，元件L、C取定值时，谐振频率f0是一个常数。可见，LC并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质。2．相位频率特性表示了LC并联电路两端电压v和流进并联电路电流I之间的相位角之差与信号频率f之间的变化关系。当f=f0时，=0，电路呈纯阻性；当ff0时，0，电路呈感性；当ff0时，0，电路呈容性；3．选频特性阻频特性和相频特性统称为LC并联电路的频率特性。它说明了LC并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。品质因数RLfRLRXQL002它表征了LC并联电路选频特性的好坏。实验和理论证明：R越小，Q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强；R越大，Q值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。LC并联电路的Q值，一般在几十到一二百之间。4．选频放大器电路特点是利用LC并联电路作为负载，因此，放大电路具有选频放大能力。工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即f=f0，放大器输出电压最大；放大倍数AV0最大。这种表示选频放大器的放大倍数与信号频率关系的曲线，称为调谐放大器的谐振曲线。6.1.2两种基本的调谐放大电路一、单回路调谐放大器工作原理：输入信号vi经T1通过Cb和Ce送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经LC谐振电路选频由T2耦合输出。电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的Q值。单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于谐振曲线，与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。电路优点：调整方便、工作稳定；缺点：失真大。二、双回路调谐放大器电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。1．互感耦合：电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。调节L1、L2之间的距离或磁心的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。工作原理：假定L1C1和L2C2调谐在信号频率上，输入信号vi通过T1送到V时，集电极信号电流经L1C1产生并联谐振。此时，由于互感耦合，L1中的电流在L2C2回路电感的抽头处产生很大的输出电压vo。2．耦合：电路特点是通过外接电容Ck实现两个调谐回路之间的耦合，改变Ck的大小就可改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。3．选择性和通频带与耦合程度的关系：（3）临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦。（1）弱耦合时，谐振曲线出现单峰；（2）强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率f0处下凹的程度与耦合强度成正比；可见，谐振曲线在临界耦合时，与理想的矩形谐振曲线很接近。结论，双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。6.2正弦波振荡器6.2.1自激振荡的工作原理6.2.2LC振荡器6.2.3石英晶体振荡器6.2.4用集成运算放大器组成的振荡电路6.2.1自激振荡的工作原理正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。一、LC回路中的自由振荡自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。阻尼振荡——因损耗等效电阻R将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程。这种等幅正弦波振荡的频率称LC回路的固有频率，记作LCf210二、自激振荡的条件1．相位平衡条件其中，为vf与vi的相位差，n是整数。vi、vo、vf的相互关系如图所示。2．振幅平衡条件反馈信号幅度与原输入信号幅度相等，即1FAV反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180º的偶数倍，即=2n三、自激振荡建立过程自激振荡器：去掉信号源，把开关S和2端相连所组成的电路。自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号vi，振荡管V产生集电极电流iC，因iC具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。经LC并联电路选出频率为f0的信号，由输出端输出vo，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到AVF=1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。(2)相位条件采用瞬时极性法，设V基极电位为“正”，根据共射电路的倒相作用，可知集电极电位为“负”，于是L同名端为“正”，根据同名端的定义得知，Lf同名端也为“正”，则反馈电压极性为“负”。显然，电路不能自激振荡。[例6.2.1]判断电路能否产生自激振荡。解：图(a)：(1)振幅条件因V基极偏置电阻Rb2被反馈线圈Lf短路接地，使V处于截止状态，故电路不能起振。图(b)：因隔直电容Cb避免了Rb2被反馈线圈Lf短路，同时反馈电压极性为“正”，电路满足振幅平衡和相位平衡条件，所以电路能产生自激振荡。6.2.2LC振荡器一、变压器耦合式LC振荡器电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。常用的有以下两种。1．共发射极变压器耦合LC振荡器(1)电路结构图中V为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作点偏置电路，C1、C2为旁路电容，LC并联回路为选频振荡回路，L3-4为反馈线圈，L7-8为振荡信号输出端，电位器RP和电容C1组成反馈量控制电路。动画变压器耦合LC振荡器(2)工作原理交流通路。对频率f=f0的信号，LC选频振荡回路呈纯阻性，此时vo和vf反相，即1=180º。输出电压vo再通过反馈线圈L3-4，使4端为正电位，即vf与vo的φ2=180º。于是φ1+φ2=180º+180º=360º，保证了正反馈，满足了相位条件。如果电路具有足够大的放大倍数，满足振幅条件，电路就能振荡。调节RP可改变输出幅度。图中V为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作点偏置电路，C1为基极旁路电容，C2为隔直耦合电容，L2为反馈线圈，L与C串联组成选频振荡电路。2．共基极变压器耦合LC振荡器(1)电路结构(2)工作原理交流通路如图所示。接通电源瞬间，LC回路振荡电压加到管子基射极之间，形成输入电压，经V放大后，输出信号经反馈线圈L2与L之间的互感耦合反馈到管子基射之间，若形成正反馈。在满足振幅平衡条件下，电路产生振荡。综上分析可见，变压器反馈电路的反馈强度，可通过L2与L1之间的距离来调节。变压器耦合振荡电路的振荡频率为LCf210若调节L、C，可改变振荡频率。二、三点式LC振荡电路相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”，此时2端电位低于１端而高于3端，即vf与vo反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。电路特点：LC振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。1．电感三点式振荡器振幅条件：适当选择L２和L１的比值。使AVF1，满足振幅条件。电路就能振荡。由于反馈电压vf取自L２两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。L２越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，L2越小，反馈越小，不易起振。电路振荡频率为CMLLLCf)2(212121其中M是L１与L２之间的互感系数。优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫；缺点：波形失真较大。2．电容三点式振荡器电路交流通路相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”。此电压经C1、C2分压后，2端电位低于1端而高于3端，即vf与vo反相，经V倒相放大后，使1端获“+”电位，形成正反馈，满足相位条件。振幅条件：适当的选择C１、C2的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。电路振荡频率为CLf21o而2121CCCCC电路特点：频率较高，可达100MHz以上。优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。3．改进的电容三点式振荡器Ci和Co分别是三极管的输入和输出电容，其数值随温度而变化，直接影响LC回路的振荡频率。取C1Co，C2Ci，以减小Ci和Co对振荡频率的影响，提高其稳定性。由于C1、C2的增大，会导致Q值下降，且调节振荡频率时，必须同时改变C1、C2，实属困难。为此，在LC回路中的电感支路串入一小电容C3，得到改进的电容三点式振荡器。取C3C1，C3C2。这样，振荡频率f0与C1、C2、Ci、Co基本无关，只取决于C3和L。振荡频率为)(7.2.62130LCf优点：振荡波形好，频率比较稳定。缺点：调节C3时，输出信号幅度会随频率增大而降低。6.2.3石英晶体振荡器电路特点：频率稳定度高，可达10-11~10-6量级。一、石英晶体的基本特性及其等效电路石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成的器件。1．压电效应压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的谐振频率。2．符号和等效电路当晶体不振动时，可用静态电容C0来等效，一般约为几皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为10-3~10-2H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为10-2~10-1pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约为102。CLRQ1由可知，品质因数Q很大，可达104~106。加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。它有两个谐振频率（1）当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为LCf21s（2）当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为000121CCfCCCCLfsp由于CC0，因此fs和fp两个频率非常接近。3．电抗频率特性石英谐振器在fs和fp之间为感性，在此区域之外为容性。二、石英晶体振荡电路)()(00CCCCCC振荡频率在晶体谐振器的fs与fp之间。由于回路电容是C1和C2串联后与Co并联，再与C串联，则回路电容为1．并联型晶体振荡电路振荡回路由C1、C2和晶体组成。其中，晶体起电感L的作用。等效电路：振荡回路的谐振频率为000)(21CCCCCLCf由于CC0+C，则谐振频率近似为s0fLCf21可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率fs。故其频率稳定度高。2．串联型晶体振荡电路晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率fs时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为f0=fs。否则不能振荡。调节电阻R可获得良好的正弦波输出。6.2.4用集成运算放大器组成的振荡电路L和C构成选频网络与电阻R3组成正反馈支路；R1和R2组成负反馈支路。当电源接通后，集成运放输出信号经选频网络选出频率为的信号从同相端输入，形成正反馈。LCf21o输出端可输出频率较高的正弦波振荡信号，