1.3 小信號諧振放大器

采用諧振回路作為負載的放大器稱為諧振放大器，又稱調諧放大器。由于諧振負載的選頻特性，小信號諧振放大器不但具有從接收的眾多電信號中選出有用信號并加以放大的作用，而且具有對無用信號、干擾信號、噪聲信號進行抑制的作用，因此廣泛應用于廣播、電視、通信和雷達等接收設備中。

1.3.1 小信號諧振放大器的分類和主要性能指標

小信號諧振放大器的類型很多。按調諧回路區分，有單調諧回路放大器、雙調諧回路放大器和參差調諧放大器；按所用器件可分為晶體管、場效應管和集成電路放大器；按器件連接方法可分為共基極、共發射極和共集電極放大器及共源、共漏和共柵放大器等。

小信號諧振放大器的主要性能指標有以下幾個。

1．諧振電壓增益

放大器的諧振增益是指放大器在諧振頻率上的電壓增益，記為Au0，其值可用分貝（dB）表示。通常，實際應用時，考慮到放大器的穩定性問題，其單級增益Au0一般為20～30dB。若增益不夠，可采用多級調諧放大器。

2．通頻帶

通頻帶是指放大器的電壓增益下降到諧振電壓增益Au0 的 時所對應的頻率范圍，一般用 BW0.7（或2Δf0.7）表示。小信號諧振放大器的諧振曲線如圖1.15所示，圖中 f0表示放大器的中心諧振頻率，Au/Au0表示相對電壓增益。由圖可見，BW0.7=fH - fL。由于小信號調諧放大器所放大的一般都是已調信號，包含一定的邊頻，所以放大器必須有一定的通頻帶，允許主要的邊頻通過。如：一般調幅廣播接收機的中放通頻帶約為8kHz，調頻廣播接收機的中放通頻帶約為200kHz，電視接收機的高放和中放通頻帶約為6～8MHz。

3．選擇性

選擇性是指放大器從各種不同頻率的信號中選出有用信號而抑制干擾信號的能力，稱為選擇性。為了準確地衡量小信號諧振放大器的選擇性，通常選用“抑制比”和“矩形系數”兩個技術指標。

（1）抑制比。抑制比可定義為諧振電壓增益 Au0與通頻帶以外某一特定頻率上的電壓增益Au之比值，用d（dB）表示，記為：

顯然，d 值越大，放大器的選擇性越好。廣播調幅收音機常用偏調±10kHz時的抑制比來衡量它的選擇性，即對鄰臺的抑制能力。例如，超外差式收音機所用的中周（中頻變壓器）的選擇性約為5～8dB，即偏調±10kHz時，衰減應不小于5～8dB。

（2）矩形系數。理想的小信號諧振放大器的諧振曲線應為矩形（見圖1.15所示的理想矩形），即對通頻帶內的各頻率信號有同樣的放大作用，而對通頻帶外的各頻率信號完全抑制。但實際的小信號諧振放大器的諧振曲線與理想的矩形有較大的差異。為了評定實際的諧振曲線偏離（或接近）理想的矩形曲線的程度，引入矩形系數，定義為：

式中，

BW0.7是放大器的通頻帶；

BW0.1是相對電壓增益值下降到0.1時的頻帶寬度。

K0.1的值越小越好，在接近1時，說明放大器的諧振曲線就越接近于理想曲線，放大器的選擇性就越好。

4．穩定性

穩定性是指當組成放大器的元器件參數變化時，放大器的主要性能——增益、通頻帶、矩形系數（選擇性）的穩定程度。一般不穩定現象是放大器增益變化、中心頻率偏移，通頻帶變化、諧振曲線變形等，這些都使放大器性能下降。不穩定的極端情況是放大器自激，以致放大器完全不能工作。在整個波段都遠離自激，這是對調諧放大器的基本要求。

5．噪聲系數

放大器工作時，元器件在電路內部會產生噪聲，在放大信號的同時也放大了噪聲，使信號質量受到影響。噪聲對信號的影響程度用信噪比來表示，電路中某處信號功率與噪聲功率之比稱為信噪比。信噪比大，表示信號功率大，噪聲功率小，信號受噪聲影響小，信號質量好。

衡量放大器噪聲對信號質量的影響程度用噪聲系數來表示。噪聲系數的定義是輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值。如噪聲系數等于1，說明放大器沒有增加任何噪聲，這是理想情況。在多級放大器中，最前面一、二級對整個放大器的噪聲起決定作用，因此要求它們的噪聲系數盡量接近1。為使放大器內部噪聲小，應采用低噪聲管，正確選擇工作點電流，選用噪聲小的元件和合適的電路。

1.3.2 單級單調諧放大器

單調諧放大器是由單調諧回路作為交流負載的放大器。如圖1.16（a）所示為一個共發射極單調諧放大器，它是超外差式接收機中一個典型的中頻放大器（簡稱中放）。圖中，Rb1、Rb2和Re組成穩定工作點的分壓式偏置電路，Cb、Ce為中頻旁路電容，ZL為負載阻抗（或下一級輸入阻抗），Tr1、Tr2為中頻變壓器（中周），其中Tr2的初級電感L和電容C組成的并聯諧振回路作為放大器的集電極負載，回路的諧振頻率應調諧在輸入信號的中心頻率上。圖1.16（b）所示為相應的交流通路?？梢钥闯?，三極管的輸出端和負載阻抗都采用了部分接入的方式與LC回路相連，以減小它們的接入對回路Q值和諧振頻率的影響（其影響是使Q值減小、增益下降、諧振頻率降低），從而提高了電路的穩定性。采用變壓器耦合還能使前后級直流電路分開，也能較好地實現前、后級間的阻抗匹配。

由于LC并聯諧振回路具有選頻特性，因此，單調諧放大器具有選頻放大功能。理論分析和實驗測量都將可以繪出單調諧放大器的幅頻特性曲線，如圖1.17所示。由圖可以看出，當輸入信號頻率等于LC諧振頻率時，即f=f0，其增益最高；一旦f≠f0，即失諧，放大器的增益將下降。其中，諧振頻率f0為：

式中，

回路總電容CΣ為三極管輸出電容和負載電容折合到LC回路兩端的等效電容與回路電容C之和。

由式（1-3）可見，改變L或CΣ都可以改變諧振頻率，即進行調諧。在實用電路中，常采用調節中周的磁芯來改變電感量L，達到調諧的目的。

單調諧放大器的通頻帶BW0.7為：

式中，

Qe為LC回路的有載品質因素。其值為：

式中，

RΣ為LC諧振回路的總電阻。

由式（1-4）和式（1-5）可見，改變RΣ的值，Qe就會發生變化，通頻帶也將隨之改變。在實用電路中，常采用在LC回路兩端并聯電阻的辦法，來降低調諧回路的有載品質因數Qe的值，以達到展寬放大器的通頻帶的目的。當f0確定時，Qe越低，通頻帶BW0.7就越寬。

理論分析還可以得出單調諧放大器的矩形系數為：

上式說明，單調諧放大器的矩形系數遠大于1，諧振曲線與矩形相差太遠，故單調諧放大器的選擇性較差。

例1.1 如圖1.16所示的單調諧放大器，若諧振回路的諧振頻率f0=10.7MHz，回路總電容CΣ=56pF，通頻帶BW0.7=120kHz。

（1）求電感L和有載品質因數Qe；

（2）為了把通頻帶BW0.7調整到180kHz，通常在回路兩端并聯電阻R，求R的值。

解：（1）根據式（1-3）和式（1-4）可得：

（2）由式（1-5）可得，電阻并聯前回路的總電阻RΣ為：

R∑=ω 0 LQe=2π×10.7×106×3.95×10-6×89≈23.6 kΩ

因并聯前后回路的有載品質因數之比為：

則

R = 2R∑= 47.2kΩ

1.3.3 多級單調諧放大器

單級單調諧放大器的電壓增益不太高，有時為了展寬頻帶，又要人為地降低增益，因此，實際運用需要較高電壓增益時，就需用多級放大器來實現。下面討論其主要技術指標。

1．多級單調諧放大器的電壓增益

設有n級單調諧放大器相互級聯，且各級的電壓增益相同，即

Au1=Au2=Au3=…=Aun

則級聯后放大器的總電壓增益為：

Au = Au1Au2Au3…Aun = (Au1) n

2．通頻帶

多級放大器級聯后的諧振曲線如圖1.18所示，由圖可見，級聯后總的通頻帶要比單級放大器的通頻帶窄。級數越多，總通頻帶越窄。由理論分析可以得出，n 級相同的單調諧放大器級聯后的總通頻帶為：

式中，

f0/Qe是單級單調諧放大器的通頻帶；

是頻帶縮減因子，表1.1列舉了幾種不同 n 值對應的縮減因子的值。

3．選擇性

由圖1.18還可以看出，放大器級聯的級數越多，曲線的形狀越接近于矩形，也就是說矩形系數越接近1，選擇性越好。對于n級相同的單調諧放大器級聯后的矩形系數可以求得

表1.2列出了不同n值時矩形系數的大小。

總之，在多級級聯放大器中，級聯后放大器的總電壓增益比單級放大器的電壓增益大、選擇性好，但總通頻帶比單級放大器通頻帶窄。如果要保證總的通頻帶與單級時的一樣，則必須通過減小每級回路有載品質因數Qe值，以加寬各級放大器的通頻帶的方法來彌補。由表1.2可以看出，級數增加，選擇性有所提高，但是當n ＞ 3時，選擇性改善程度不明顯。所以說，靠增加級數來改善選擇性是有限的。

1.3.4 雙調諧放大器

雙調諧放大器具有較好的選擇性、較寬的通頻帶，并能較好地解決增益與通頻帶之間的矛盾，因而它被廣泛地用于高增益、寬頻帶、選擇性要求高的場合。

雙調諧放大器的負載為雙調諧耦合回路，雙調諧耦合回路有電容耦合和互感耦合兩種類型，這里以互感耦合的雙調諧放大器為例，典型的電路如圖1.19（a）所示。圖中，Rb1、Rb2和Re組成分壓式偏置電路，Cb、Ce為高頻旁路電容，ZL為負載阻抗（或下一級輸入阻抗）， Tr1、Tr2為高頻變壓器。其中，Tr2的初、次級電感L1、L2分別與C1、C2組成的雙調諧耦合回路作為放大器的集電極負載，三極管的輸出端與初級回路采用了部分接入的方法，負載阻抗與次級回路也采用了部分接入的方式。圖1.19（b）所示為其交流通路。

為了簡化分析，設初、次級回路元件的參數相同，即L1 = L2 = L、CΣ1 = CΣ2 = CΣ、Qe1 = Qe2= Qe，M為互感系數，為說明回路間的耦合程度，常用耦合系數k表示為：

初、次級回路的諧振頻率和有載品質因數為：

定義耦合因數η為：

根據理論分析或實驗測量可畫出雙調諧放大器的諧振曲線，如圖1.20所示。當η ＜ 1時，稱為弱耦合，這時諧振曲線為單峰；當η ＞ 1時，稱為強耦合，這時諧振曲線出現雙峰；當η = 1時，稱為臨界耦合。由圖1.20可見，臨界耦合與強耦合的峰值相等。臨界耦合時的通頻帶和矩形系數分別為：

因此，在f0與Qe相同的情況下，臨界耦合狀態的雙調諧放大器的通頻帶為單調諧放大器通頻帶的倍；而矩形系數小于單調諧放大器的矩形系數，即其諧振曲線更接近于理想的矩形曲線，選擇性更好。

雙調諧放大器在弱耦合時，其放大器的諧振曲線與單調諧放大器相似，通頻帶窄，選擇性差，而且增益也低，故一般不采用；在強耦合時，通頻帶顯著加寬，矩形系數變好，但諧振曲線頂部出現凹陷，因此，只是在要求放大器的通頻帶較寬時才采用。

總之，與單調諧放大器相比較，處于臨界耦合狀態的雙調諧放大器具有頻帶寬、選擇性好等優點，但調諧比較麻煩。

1.3.5 調諧放大器的穩定性

調諧放大器的穩定與否，直接影響到放大器的性能，而影響調諧放大器穩定性的主要因素是三極管內部反饋及負載變化。三極管的內部反饋對放大器的影響有兩個方面：一方面是由于內部反饋的作用，使放大器的輸入和輸出阻抗與信號源內阻及負載有關，這給放大器的安裝調試帶來很多麻煩。另一方面，內部反饋使放大器不穩定，因為內部反饋通過三極管的結電容 Cb′c的反向傳輸作用，將輸出電壓的一部分反饋到輸入端。雖然 Cb′c很小，但由于比大得多，所以反饋電壓是不能忽略的；尤其在工作頻率很高的情況下，很容易因內部反饋而引起高頻自激，使正常的放大作用受到破壞。即使不產生自激，由于內部反饋隨頻率的變化而變化，它對某些頻率可能形成正反饋，而對另外一些頻率的信號則形成負反饋，且反饋的強弱也不完全相等，使輸出信號中有些頻率分量得到加強，而另一些頻率分量被削弱，其結果使放大器的頻率特性、通頻帶及選擇性都受到影響。

為了減小內部反饋對放大器穩定性的影響，在選用三極管時，應盡量選用Cb′c值小的器件。此外，也可在電路上采取措施，以消除三極管內部的反饋作用。常用的方法是中和法以及失配法。失配法就是采用如圖1.5所示的“共射-共基”組態級聯的方法，使前后級阻抗不匹配，以減小Cb′c的影響。中和法電路如圖1.21（a）所示，圖（b）所示為其交流通路，圖（c）所示為其橋式等效電路。

由圖1.21（c）可以看到，電感LA、LB、Cb′c和中和電容CN組成一個簡單的四臂電橋，根據電橋平衡的原理，可以得到當滿足下列條件時電橋平衡。這時即使C、D兩端有電壓，也不會反饋到A、B端，即LC調諧回路上的輸出電壓不會反饋到三極管的輸入端。

即

平衡條件為：

因此，調節CN的數值可以消除Cb′c引起的內部反饋，提高放大器的穩定性。