1、高频电子技术（第2 版）1.1 通信与通信系统技术 1.2 无线电波的传播方式和频段划分 1.3 本课程的内容 1.4 技能训练1：函数信号发生实训下一页返回 2.1 概述 2.2 小信号选频放大器 2.3 集中选频放大器 2.4 放大器的噪声 2.5 技能训练2：接收与小信号调谐放大实训上一页 下一页返回 3.1 谐振功率放大器 3.2 宽带高频功率放大器 3.3 倍频器 3.4 技能训练3：高频功率放大与发射实训上一页 下一页返回 4.1 反馈型振荡器 4.2 三点式LC 振荡器 4.3 石英晶体振荡器 4.4 RC 正弦波振荡器 4.5 集成电路振荡器 4.6 技能训练4：LC 与晶体振
2、荡器应用实训上一页 下一页返回 5.1 信号变换概述 5.2 振幅调制电路 5.3 振幅解调电路 5.4 混频电路 5.5 技能训练5：幅度调制与解调实训下一页返回上一页 6.1 角度调制原理 6.2 调频电路 6.3 角度调制和解调 6.4 技能训练6：变容二极管调频器与相位鉴频器应用实训上一页 下一页返回 7.1 自动增益控制电路 7.2 自动频率控制电路 7.3 自动相位控制电路（锁相环路）7.4 频率合成器 7.5 技能训练7：接收部分的联试实训 7.6 技能训练8：发送部分的联试实训 7.7 技能综合训练：收音机整机装配实训上一页返回 1.1 通信与通信系统技术 1.2 无线电波的传
3、播方式和频段划分 1.3 本课程的内容 1.4 技能训练1：函数信号发生实训返回1.1 通信与通信系统技术 高频电子技术是通信系统，特别是无线通信系统的技术基础，高频电路是无线通信设备的重要组成部分。通信的主要任务是传递信息，即将经过处理的信息从一个地方传递到另一个地方。对信息传输的要求主要是提高可靠性和有效性。通信的目的是为了更有效、更可靠地传递信息，所以实用通信系统的实现需依靠三个方面的技术支持。第一，能将声音、文字、图像和数据等含有信息的具体表现形式与电信号进行相互转换的传感技术；第二，能对电信号进行加密、交换等处理的电信号处理技术；第三，能对电信号（或光信号）进行有效变换并切实传输的信
4、息传送技术。下一页返回1.1 通信与通信系统技术 1.1.1 通信系统的基本组成 通信系统的基本组成框图如图1-1 所示。它由输入/输出变换器、发送与接收设备以及信道组成。输入变换器将要传递的声音或图像消息变换为电信号，该电信号包含了原始消息的全部信息（允许存在一定的误差或者说信息损失），称为基带信号。输入变换器的输出作为通信系统的信号源。图1-1 中的发送设备和接收设备是直接为远距离信号传输提供技术支持的设备，基带信号是需要传送的信息信号，信道是信号传输的物理通路。基带信号可以是通过电话机、电报机、话筒或摄像机等物体前端的“输入变换器”得到的输出电信号，也可以是数字终端或其他电子设备输出的电
5、信号。上一页 下一页返回1.1 通信与通信系统技术 通信系统中的信道是信号传输的通道，也就是传输介质，不同的信道有不同的传输特性。为了适应信道对要传输信号的要求，就必须将已获取的基带信号再做变换，这就是发送变换设备的功用。发送设备将基带信号经过调制等处理，并使其具有足够的发射功率，再送入信道，实现信号的有效传输。常见的信道通常有光信道和电磁信道两类。人们通常将电磁信道分为无线信道和有线信道两类。无线信道是指无明显边界的电波传播空间，如无线通信的空间信号通路。有线信道是针对边界明显、空间范围相对较窄的信号传播通路，如有线通信用的架空明线、同轴电缆、视频电缆和波导管等。上一页 下一页返回1.1 通
6、信与通信系统技术 1.1.2 无线电的发送与接收设备 通信系统的核心部分是发送设备和接收设备。不同通信系统的发送设备和接收设备的组成不完全相同，但基本结构有相似之处。人们经常见到的通信系统有广播通信系统和移动通信系统，它们都是无线通信系统。从发送设备到接收设备之间的无线电波的传播属于模拟通信系统，其组成结构基本相同。下面以无线广播系统为例来说明发送设备和接收设备的基本组成和工作原理。1.无线电调幅广播发送设备 图1-2 所示为无线电调幅广播发送设备组成框图，图中画出了各部分输出电压的波形。上一页 下一页返回1.1 通信与通信系统技术 振荡器产生等幅的高频正弦信号，经过倍频器后将振荡器产生的高频
7、信号频率成整数倍升高，即成为高频载波频率信号；调制放大器是由低频电压和功率放大级组成，用来放大话筒所产生的微弱信号，即基带信号，并送入调制器。然后，振幅调制器将输入的高频载波信号和低频调制信号变换成高频已调信号，即高频载波频率信号被基带信号调制。最后再经功率放大器放大，获得足够的发射功率，作为射频信号发送到空间。载波频率在适合无线信道传播的频率范围。2.无线电调幅广播接收设备 图1-3 所示为超外差式调幅接收机组成框图，图中画出了各部分输出电压的波形。上一页 下一页返回1.1 通信与通信系统技术上一页返回 超外差式调幅接收机的第一级是高频放大器。由于由发送设备发出的信号经过长距离的传播，产生很
8、大的衰减，能量受到很大的损失，同时还受到传输过程中来自各方面的干扰和噪声。当到达接收设备时信号是很微弱的，因而需要经过放大器的放大，并且高频放大器的窄带特性同时滤除一部分带外的噪声和干扰。高频放大器的输出是载频为fc 的已调信号，经过混频器与本机振荡器提供的频率为fL 的信号混频，产生频率为fI 的中频信号。中频信号经中频放大器放大送到解调器，恢复原基带信号，再经低频放大器放大后输出。高频放大器、中频放大器都是小信号谐振放大器，功率放大器是谐振功率放大器，调制器和解调器进行幅度调制、角度调制和它们的解调。上述电路以及振荡器、混频器都是本课程所讨论的重点。1.2 无线电波的传播方式和频段划分 1
9、.2.1 无线电波的传播方式 传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。电磁波从发射天线辐射出去后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射，或者在大气层中产生折射或散射等现象，从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程中所发生的现象，电波的传播方式主要有直射（视距）传播、绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播及散射传播等，如图1-4 所示。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。下一页返回1.2 无线电波的传播方式
10、和频段划分 1.地波传播（绕射波）特点：波长越长，传播损耗越小。主要用于中、长波无线电通信和导航，如收音机接收的广播电台中波信号。2.视距传播（直射波）特点：收、发信需要高架（高度比波长大得多）。主要用于超短波、微波波段的通信和电视广播，如卫星通信采用视距传播。3.天波传播（也称电离层传播（反射波）特点：损耗小，传播距离远；因电离层状态不断变化使天波传播不稳定；因要满足从电离层返回地面的条件，工作频率受到限制。主要用于短波、中波的远距离通信和广播，如收音机接收的广播电台短波信号或军用短波电台。上一页 下一页返回1.2 无线电波的传播方式和频段划分 1.2.2 频段划分 无线电波段可以按频率划分
11、，也可以按波长划分。表1-1 列出了按波长划分的波段名称、相应的波段范围及相应的频段名称。不过，波段的划分是粗糙的，各波段之间并没有明显的分界线，所以在各波段之间的衔接处无线电波的特性也无明显差异。1.2.3 调制特性 无线电传播一般都要采用高频（射频）的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸为可以与信号波长相比拟时，天线的辐射效率才会较高，从而以较小的信号功率传播较远的距离，接收天线也才能有效地接收信号。上一页 下一页返回1.2 无线电波的传播方式和频段划分 调制就是用调制信号去控制高频载波的参数，使载波信号的某一个或几个参数（振幅、频率或相位）按照调制信号的规律变化。根
12、据载波受调制参数的不同，调制可分为三种基本方式，即振幅调制（调幅）、频率调制（调频）、相位调制（调相），分别用AM、FM、PM 表示，还可以采用组合调制方式。上一页返回1.3 本课程的内容 1.本课程的特点 高频电子技术是低频电子技术（模拟电子技术）的后续课程。从它处理的信号频率角度来说，发送和接收的信号都是高频信号。这是相对于需要传送信息的音频信号和视频信号来说的。称这些音频信号和视频信号为基带信号。基带信号的基本特点是其信号频谱是宽带的，即该信号频谱范围的上限频率和下限频率的差（即信号带宽），与其下限频率的比远大于1。宽带信号包含大量低频信号的能量。为了远距离地传送信号和接收信号就需要调制
13、，这是一种频率变换。无线电波的发送设备和接收设备就是进行这种频率变换的设备。因此，在这些设备中，必定包含非线性的器件。下一页返回1.3 本课程的内容 本教材阐述的各部分高频电子电路，除高频小信号谐振放大器外，都是非线性电路。相对于线性电子电路的分析方法来说，非线性电子电路的分析方法更加复杂，求解也困难得多。2.学习本课程的方法（1）在学习本课程时，要抓住各种电路之间的共性，洞悉各种功能之间的内在联系，而不要局限于掌握一个个具体的电路及其工作原理。（2）学习时要注意“分立为基础，集成为重点，分立为集成服务”的原则。（3）重视实训环节，坚持理论联系实际，在实践中积累丰富的经验和技能。上一页返回1.
14、4 技能训练1：函数信号发生实训 1.实训目的（1）了解单片集成函数信号发生器ICL8038 的功能及特点。（2）掌握ICL8038 的应用方法。2.实训内容（1）高频实训箱的正确使用。（2）输出正弦波的调整。（3）输出三角波的观察。（4）输出方波的观察。（5）三种波段参数的比较。下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训 3.实训预习要求 参阅相关资料中有关ICL8038 的内容介绍。4.实训知识 1）ICL8038 内部框图介绍 ICL8038 是单片集成函数信号发生器，其内部框图如图1-5 所示。它由恒流源I2 和I1、电压比较器A 和B、触发器、缓冲器和三角波变正弦波电路等组成。上
15、一页 下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训 外接电容C 可由两个恒流源充电和放电，电压比较器A、B 的阈值分别为总电源电压（指UCC+UEE）的2/3 和1/3。恒流源I2 和I1 的大小可通过外接电阻调节，但必须满足I2I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2 断开，恒流源I1 给C 充电，它的两端电压uC 随时间线性上升，当达到电源电压的2/3 时，电压比较器A 的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2 接通，由于I2I1（设I2=2I1），I2 将加到C 上进行反充电，相当于C 由一个净电流I 放电，C 两端的电压uC又转为直线下降。当它下降到电源电压的
16、1/3 时，电压比较器B 输出电压便发生跳变，使触发器的输出由高电平跳变为原来的低电平，恒流源I2 断开，I1 再给C 充电，如此周而复始，产生振荡。上一页 下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训 若调整电路，使I2=2I1，则触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9 输出方波信号。C 上的电压uC 上升与下降时间相等（呈三角形）时，经电压跟随器从引脚3 输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过了一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现的，在这个非线性网络中，当三角波电位向两端顶点摆动时，网络提供的交流通路阻抗会减小，这样就使三角波的两端变为平滑的正弦波，从引脚2 输出。5.实训仪器与设
17、备（1）TKGPZ-1 型高频电子线路综合实训箱。（2）双踪示波器。（3）频率计。上一页 下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训（4）交流毫伏表。6.实训内容与步骤 在实训箱上找到本次实训所用的单元电路，并与电路原理图相对照，了解各个切换开关 的功能与使用。然后按前述的实训步骤开启相应的电源开关。1）输出正弦波的调整与测量（1）取某一频段的正弦波输出，用示波器观测输出端（TP201）的波形。通过反复调节电位器RW2、RW3、RW4，使输出正弦波的失真为最小。上一页 下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训（2）用频率计和交流毫伏表分别测量三个频段的频率调节范围和各频段的输出频响特
18、性U=f(f)，将数据填入表1-2 中。从最低频段开始，调节频率细调电位器RW1，测定本频段的频率调节范围和输出电压（在最高与最低频率之间选取若干点）。切换到中间频段，重复的步骤。切换到最高频段，重复的步骤。2）观察输出的三角波信号 通过调节频率和幅度，观测输出的波形。3）观察输出的方波信号（1）通过调节频率和幅度，观测输出的波形。（2）通过调节RW2，可以改变输出方波的占空比。上一页 下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训 7.实训注意事项（1）正弦波的波形调整是一项较细致的实训步骤，往往需要反复多次调整相关的电位器，以获得一个失真度最小的正弦波形。（2）经实训3）的第（2）项步骤后
19、，要想重新恢复正弦波输出，则必须重新调整电位器RW2。8.预习思考题（1）如果采用单电源或不对称的双电源供电，对输出有何影响？（2）本电路输出的最高频率与最低频率受哪些因素的影响？（3）要想同时输出三种不同波形的信号，是否可能？如何实现？上一页 下一页返回1.4 技能训练1：函数信号发生实训（4）在实训的实际电路中后两级的运放有何作用？去除它行吗？9.实训报告（1）作出各频段的频响特性曲线图。（2）回答预习中的思考题。上一页返回图1-1 通信系统框图返回图1-2 无线电调幅广播发送设备组成框图返回图1-3 超外差式调幅接收机组成框图返回图1-4 无线电波的主要传播方式返回表1-1 波段的划分返
20、回图1-5 ICL8038 单片集成函数信号发生器内部框图返回表1-2 数据记录表返回 2.1 概述 2.2 小信号选频放大器 2.3 集中选频放大器 2.4 放大器的噪声 2.5 技能训练2：接收与小信号调谐放大实训返回2.1 概 述 在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号放大器来完成。这种小信号放大器是一种谐振放大器。混频器输出端也接有这
21、种小信号放大器，作为中频放大器对已调信号进行放大。高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。下一页返回2.1 概 述 它们的主要功能都是从接收的众多电信号中选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力。谐振放大器常由晶体管等放大器件与LC 并联谐振回路或耦合谐振回路构成。它可分为调谐放大器和频带放大器，前者的谐振回路需调谐于需要放大的外来信号的频率上，后者谐振回路的谐振频率固定不变。集中选频放大器把放大和选频两种功能分
22、开，放大作用由多级非谐振宽频带放大器承担，选频作用由LC 带通滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等承担。目前广泛采用集中宽频带放大器。高频小信号放大器主要性能指标有谐振增益、通频带、选择性及噪声系数等。上一页返回2.2 小信号选频放大器 2.2.1 谐振回路 LC 谐振回路是高频电路里最常用的无源网络，利用LC 谐振回路的幅频特性和相频特性，不仅可以进行选频，即从输入信号中选择出有用频率分量而抑制掉无用频率分量或噪声（如在选频放大器和正弦波振荡器中），而且还可以进行信号的频幅转换和频相转换（如在斜率鉴频和相位鉴频电路里）。另外，用L、C 组件还可以组成各种形式的阻抗变换电路和匹配电
23、路。所以，LC 谐振回路虽然结构简单，但是在高频电路里却是不可缺少的重要组成部分，在本书所介绍的各种功能的高频电路单元里几乎都离不开它。下一页返回2.2 小信号选频放大器 LC 谐振回路分为并联谐振回路和串联谐振回路两种形式，其中并联网络在实际电路中用途更广，且二者之间具有一定的对偶关系，所以只要理解并联回路，则串联谐振回路的特性用对偶方法就可以得到。1.并联谐振回路的选频特性 信号源与电感线圈和电容器并联组成的电路，叫作LC 并联回路，如图2-2 所示。图中与电感线圈L 串联的电阻R 代表线圈的损耗，电容C 的损耗不考虑。为信号电流源。为了分析方便，在分析电路时也暂时不考虑信号源内阻的影响。
24、上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 1）并联谐振回路阻抗的频率特性 如图2-2 所示，并联谐振回路阻抗表达式为上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 根据式（2-8）和式（2-9）可作出并联谐振回路阻抗的幅频特性和相频特性曲线，如图 2-3 所示。下面讨论并联回路阻抗的频率特性。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 2）并联谐振回路端电压频率特性上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 谐振回路两端的电压为IsRP。由此可见，在信号源电流Is 一定的情况下，并联回路端电压UAB 的频率特性与阻抗频率特性相似，如图2-4 所示。3）并联谐振回路谐振频率 在实际应用中，并联谐振
25、回路频率可以由式（2-13）近似求出。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 并联回路准确的谐振角频率可以从式（2-14）求出，即 4）品质因数 并联回路谐振时的感抗或容抗与线圈中串联的损耗电阻R 之比，定义为回路的品质因数，用Q0 表示，即上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 5）谐振曲线、通频带及选择性 将式（2-10）与式（2-12）相比，得上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 由式（2-17）可以绘出并联回路谐振曲线，如图2-5 所示。该曲线适用于任何LC 并联谐振回路。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 式中，f=f-f0，得 从式（2-19）可以看出，在谐振
26、点f=0，U/U0=1。随着|f|的增大，U/U0 将减小。对于 同样的偏离值f，Q0 越高，U/U0 衰减就越多，谐振曲线就越尖锐。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 2.2.2 小信号谐振放大器 LC 谐振回路小信号放大器由放大器和LC 谐振回路组成。放大器件可采用单管、双管组合电路和集成放大电路等。谐振回路可以是单谐振回路或双耦合谐振回路。1.单调谐回路谐振放大器 单调谐放大器是由单调谐回路作为交流负载的放大器。图2-13 所示为一个共发射极单调谐放大器。它是接收机中一种典型的高频放大器电路。图中R1、R2 是放大器的偏置电阻，Re是直流负反馈电阻，C1、Ce 是直流高频旁路电容
27、，它们起稳定放大器静态工作点的作用。LC组成并联谐振回路，它与晶体管共同起着选频放大作用。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 当直流工作点选定以后，图2-13 可以简化成只包括高频通路的等效电路，如图2-14 所示。由图2-14 可以看出，电路分为三部分，即晶体管本身、输入电路和输出电路。晶体管是谐振放大器的重要组件，在分析电路时，可用Y 参数等效电路来说明它的特性。输入电路由电感L 与天线回路耦合，将天线来的高频信号通过它加到晶体管的输入端。输出电路是由L与C 组成的并联谐振回路，通过互感耦合将放大后的信号加到下一级放大器的输入端。本电路的晶体管输出端与负载输入端采用了部分接入的方式
28、。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 2.单调谐放大器Y 参数等效电路 在分析高频小信号放大器时，采用Y 参数等效电路进行分析是比较方便的。所以在电路化简时，可将电路中的晶体管等效成一个Y 参数等效电路，如图2-15 所示。将晶体管Y 参数等效电路代入图2-14 所示电路，则可得单调谐放大器Y 参数等效电路，如图2-16 所示。3.单调谐放大器的稳定性 由于晶体管集电极和基极之间存在结电容 ，其值虽然很小（只有几个皮法），但高频工作时仍然使放大器输出和输入之间形成反馈通路（称为内反馈），上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 再加上谐振放大器中LC谐振回路阻抗的大小及性质随频率剧烈
29、变化的特性，使这种内反馈随频率变化而剧烈变化，使放大器的幅频特性曲线发生变形，增益、通频带、选择性等都发生变化，严重时会在某频率点满足自激条件，放大器将产生自激振荡，破坏放大器的正常工作。谐振放大器工作频率越高，LC 谐振回路的有载品质因数越高（即谐振增益越高），放大器的工作就越不稳定。为了减小内反馈的影响，提高谐振放大器工作稳定性，常采用共射-共基组合电路构成调谐放大器。其交流通路如图2-21 所示。图中，VT1 接成共射组态，VT2 接成共基组态，由于共基电路输入阻抗很小，使共射电路的输出小，因此通过内反馈对输入端产生的影响小，故可提高放大器的稳定性。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放
30、大器 2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器 若单级调谐放大器的增益不能满足要求，可采用多级单调谐放大器级联。将图2-13 中晶体管VT2 集电极上加一个谐振回路，就可得双级单调谐放大电路，如图2-22 所示。下面分析多级单调谐回路谐振放大器的性能指标。上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 1.电压增益 设有n 级单调谐放大器相互级联，且各级的电压增益相同，即 则级联后放大器的总电压增益为上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 谐振时，电压增益为 电压增益谐振曲线数学表达式为上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 从式（2-46）可以看出，级联后总电压增益是单级电压增益的n 次方。
31、在图2-23 中，n=1 是单级单调谐放大器电压增益谐振曲线；n=2 是双级单调谐放大器电压增益谐振曲线；n=3 是三级单调谐放大器电压增益谐振曲线。2.通频带 令式（2-46）等于0.707，可得n 级级联放大器的总通频带为上一页 下一页返回2.2 小信号选频放大器 式中，f0/QL 是单级单调谐放大器通频带。3.选择性 令式（2-46）等于0.1，可得n 级级联放大器总通频带BW0.1 为 将上式与式（2-47）相比，得矩形系数为上一页返回2.3 集中选频放大器 随着电子技术的发展，在小信号选频放大电路中越来越多地采用集中选频放大器。集中选频放大器由两部分部件组成：一部分是宽频带带放大器一
32、般由线性集成电路构成，当工作频率较高时，也可用其他分立元件宽频带放大器构成。在集中选频放大器里，先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频，然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大。前者以集中预后者可充分发挥线性集成电路的优势。集中滤波器的任务是选频，要求在满足通频带指标的同时，矩形系数要好。其主要类型有集中LC 滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。下一页返回2.3 集中选频放大器 集中LC 滤波器通常由一节或若干节LC 网络组成，根据网络理论，按照带宽、衰减特性等要求进行设计，目前已得到了广泛应用。石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面滤波器等固体滤波器已被广泛地应用在通信电
33、子线路中。1.陶瓷滤波器 在通信、广播等接收设备中，陶瓷滤波器有着广泛的应用。陶瓷滤波器是利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，常用的陶瓷滤波器是由锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3压电陶瓷材料（简称PZT）制成的。把这种陶瓷材料制成片状，两面涂银作为电极，经过直流高压极化后就具有压电效应。压电效应就是当陶瓷片发生机械变形时，其表面会产生电荷，两电极间产生电压；上一页 下一页返回2.3 集中选频放大器 而当陶瓷片两电极间加上电压时，它会产生机械变形。当外加交变电压的频率等于陶瓷片固有频率时，机械振动幅度最大，陶瓷片表面产生电荷量的变化也最大，在外电路中产生的电流也最大，其作用类似于串联谐振回路。其
34、等效电路和电路符号如图2-24（a）、（b）所示。图中Co 为压电陶瓷片的固定电容值，Lq、Cq、rq 分别相当于机械振动时晶体的等效质量、等效弹性系数和等效阻尼。压电陶瓷片的厚度、半径等尺寸不同时其等效电路参数也就不同。从图2-24 所示电路可见，陶瓷片具有两个谐振频率，一个是串联谐振频率fs，另一个是并联谐振频率fp。在串联谐振频率时陶瓷片的等效阻抗最小（20），并联谐振频率时，陶瓷片的等效阻抗最大，其阻抗频率特性如图2-25 所示。上一页 下一页返回2.3 集中选频放大器 陶瓷滤波器具有无须调谐、体积小、加工方便等优点，但工作频率不太高（几十兆赫兹以下）、相对频宽较窄。使用时，其输入阻抗
35、须与信号源阻抗匹配，其输出阻抗也须与负载阻抗匹配；否则其频率特性将会变坏。另外，其频率特性较难控制，生产一致性较差。上一页 下一页返回2.3 集中选频放大器 石英晶体滤波器特性与陶瓷滤波器相似，但Q 值高很多，因此频率特性好，但价格较高。2.声表面波滤波器 目前，应用最普遍的集中滤波器是声表面波滤波器。声表面波滤波器SAWF（SurfaceAcoustic Wave Filter）是利用某些晶体的压电效应和表面波传播的物理特性制成的一种新型电声换能器件。压电效应是指，当晶体受到应力作用时，在它的某些特定表面上将出现电荷，而且应力大小与电荷密度之间存在着线性关系，这是正压电效应；当晶体受到电场作
36、用时，在它的某些特定方向上将出现应力变化，而且电场强度与应力变化之间存在着线性关系，这是逆压电效应。上一页 下一页返回2.3 集中选频放大器 自20 世纪60 年代中期问世以来，声表面波滤波器的发展非常迅速。它不仅不需要调整，而且具有良好的幅频特性和相频特性，其矩形系数接近1。声表面波滤波器结构示意图如图2-26 所示。它以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基片，在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场。由于逆压电效应的
37、作用，基体材料将产生弹性变形，从而产生声波振动。向基片内部传送的体波会很快衰减，而表面波则向垂直于电极的左、右两个方向传播。向左传送的声表面波被涂于基片左端的吸声材料所吸收，向右传送的声上一页 下一页返回2.3 集中选频放大器 表面波由接收换能器接收，由于正压电效应，在叉指对间产生电信号，并由此端输出。当输入信号的频率f 等于换能器的频率f0 时，各节所激发的表面波同相叠加，振幅最大。其频率特性曲线如图2-27 所示。声表面波滤波器的滤波特性，如中心频率、频带宽度、频响特性等一般由叉指换能器的几何形状和尺寸决定。这些几何尺寸包括叉指对数、指条宽度a、指条间隔b、指条有效长度B 和周期长度M 等
38、。只要合理设计叉指电极，就能获得预期的频率特性。目前声表面波滤波器的中心频率可在10 MHz1 GHz 之间，相对带宽为5%50%，插入损耗最低仅几个分贝，矩形系数可达1.2。上一页 下一页返回2.3 集中选频放大器 为了保证对信号的选择性要求，声表面波滤波器在接入实际电路时必须实现良好的匹配。图2-28 所示为一接有声表面波滤波器的预中放电路，滤波器输出端与一宽带放大器相接。来自混频器的中频信号经预中放放大后输入声表面波滤波器，经滤波后从SAWF 的输出端平衡输出，通过匹配电路加至集成宽带中频放大器的输入端，实现滤波器输入端和输出端各自对外有良好的阻抗匹配。上一页返回2.4 放大器的噪声 2
39、.4.1 电噪声 1.电阻热噪声 电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。在运动中自由电子经常相互碰撞，因而其运动速度的大小和方向都是不规则的。温度越高运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时，运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流，这种电流呈杂乱起伏的状态，称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。下一页返回2.4 放大器的噪声 由于起伏噪声电压的变化是不规则的，其瞬时振幅和瞬时相位是随机的，所以无法计算其瞬时值。起伏噪声电压的平均值为零，噪声电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化。但是，起伏噪声的均方值是确定的，可以用功率计测量出来。
40、实验发现，在整个无线电频段内，当温度一定时单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数，即其功率频谱密度是一个常数。对照白光内包含了所有可见光波长这一现象，人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。在单位频带内，电阻所产生的热噪声电压的均方值为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 式中S(f)称为噪声功率谱密度；k 为玻耳兹曼常数，为1.3810-23 J/K；T 为热力学温度，K。绝对温度T（K）与摄氏温度T（）间的关系为 电阻热噪声频谱很宽，但只有位于放大器通频带f 内那一部分噪声功率才能通过放大器得到放大。能通过放大器的电阻热噪声电压的均方值为 式中，fn
41、为等效噪声带宽。上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 因此，噪声电压的有效值（噪声电压）为 噪声电流的均方值为 所以，一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示，如图2-30 所示。上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 理想电抗元件是不会产生噪声的，但实际电抗元件是有损耗电阻的，这些损耗电阻会产生噪声。对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略，而对于实际电容的损耗电阻一般可以忽略。2.晶体管噪声 晶体管的噪声一般比电阻热噪声大，它有以下四种形式。1）热噪声 和电阻相同，在晶体管中电子不规则的热运动同样会产生热噪声。其中基极电阻 所引起的热噪声最大，发射极和集电极电阻的热噪声一般很小，可以忽
42、略。所以 产生的热噪声电压均方值为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 2）散粒噪声 散粒噪声是晶体管的主要噪声源。散粒噪声是沿用电子管噪声中的词。在二极管和三极管中都存在散粒噪声。晶体三极管是由两个PN 结构成的，当晶体管处于放大状态时，发射结为正向偏置，发射结所产生的散粒噪声较大；集电结为反向偏置，集电结所产生的散粒噪声可忽略不计。发射结散粒噪声电流均方值为 式中，q 为电子电荷（1.610-19C）；IE 为发射极直流电流。上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 3）分配噪声 晶体管发射区注入到基区的多数载流子，大部分到达集电极，成为集电极电流，而小部分在基区内被复合，形成基极电流。这
43、两部分电流的分配比例是随机的，因而造成通过集电结的电流在静态值上下起伏变化，引起噪声，把这种噪声称为分配噪声。晶体管集电极电流分配噪声电流均值为 式中，a 为共基极状态的电流放大系数；a0 为相应于零频率的a 值。上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 4）闪烁噪声 闪烁噪声又称为低频噪声。一般认为，这种噪声是由于晶体管清洁处理不好或有缺陷造成的。其特点是频谱集中在低频（约1 kHz 以下），在高频工作时通常可不考虑它的影响。3.场效应管噪声 场效应管的噪声主要包括：场效应管沟道电阻产生的热噪声；栅极漏电流产生的散粒噪声；表面处理不当引起的闪烁噪声。一般说来，场效应管的噪声比晶体管的噪声低。综
44、合以上讨论，可画出晶体管共基接法噪声等效电路，如图2-31 所示。图中没有计入闪烁噪声，其中，分别代表散粒噪声、分配噪声和基区体电阻产生的热噪声。上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 2.4.2 噪声系数 1.噪声系数的定义 要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，噪声系数定义为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 输出信噪比要比输入信噪比低。NF 反映出放大系统内部噪声的大小。噪声系数可由式（2-58）表示，即上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 噪声系数通常只适用于线性放大器，因为非线性电路会产生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附加噪声性能。由于线性放大器的功率增
45、益为 或上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 式中，GPPni 为信号源内阻Rs 产生的噪声经放大器放大后，在输出端产生的噪声功率；而放大器输出端的总噪声功率Pno 应等于GPPni 和放大器本身噪声在输出端产生的噪声功率Pnao之和，即 将式（2-60）代入式（2-59），则得上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 2.信噪比与负载的关系 设信号源内阻为Rs，信号源的电压为Us（有效值），当它与负载电阻RL 相接时，在负载电阻RL 上的信噪比计算如下。信号源在RL 上的功率为 信号源内阻噪声在RL 上的功率为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 在负载两端的信噪比为 结论：信号源与任何负
46、载相接并不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。3.用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数放大器输入信号源电路。放大器的噪声系数NF 为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 式中，Pai 和Pao 分别为放大器的输入和输出额定信号功率；Pani 和Pano 分别为放大器的输入和输出额定噪声功率。信号源输入额定噪声功率为 式中，GPa1 为放大器的额定功率增益。4.多级放大器噪声系数的计算 已知各级的噪声系数和各级功率增益，求多级放大器的总噪声系数，如图2-34 所示。上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 由噪声系数定义可得
47、 在第二级输出端，由第一级和第二级产生的总噪声为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 由于由Ro1 产生的噪声已在Pano1 中考虑，故这里应减掉，所以第一、二两级的噪声系数为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 5.等效噪声温度 在某些低噪声系统中，往往采用等效输入噪声Te 来表示它的噪声性能。设放大器的噪声系数为NF，噪声源的温度为T0，则折算到放大器输入端的噪声功率为EkT0f，相当于新的温度为NFT0，则它的温升为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 Te 只代表放大器本身的热噪声温度，与噪声功率大小无关。由上式可知：多级放大器的等效噪声温度为 6.晶体管放大器的噪声系数根据图2
48、-35 所示的共基极放大器噪声等效电路，可求出各噪声源在放大器输出端所产生的噪声电压均方值总和，然后根据噪声系数的定义，可得到放大器的噪声系数的计算公式为上一页 下一页返回2.4 放大器的噪声 式中，ICO 为集电极的反向饱和电流；其他符号的意义同前。2.4.3 降低噪声系数的措施 通过以上分析，对电路产生噪声的原因以及影响噪声系数大小的主要原因有了基本了解。现对降低噪声系数的有关措施归纳如下。（1）选用低噪声元器件。（2）选择合适的直流工作点。（3）选择合适的信号源内阻。（4）选择合适的工作带宽。上一页返回2.5 技能训练2：接收与小信号调谐放大实训 1.实训目的（1）了解谐振回路的幅频特性
49、分析通频带与选择性。（2）了解信号源内阻及负载对谐振回路的影响，并掌握频带的展宽方法。（3）掌握放大器的动态范围及其测试方法。2.实训预习要求 实训前预习本章有关内容。3.实训说明下一页返回2.5 技能训练2：接收与小信号调谐放大实训 1）小信号调谐放大器的工作过程 高频小信号放大器电路是构成无线电设备的主要电路，它的作用是放大信道中的高频小信号。为使放大信号不失真，放大器必须工作在线性范围内，如无线电接收机中的高放电路就是典型的高频窄带小信号放大电路。窄带放大电路中，被放大信号的频带宽度小于或远小于它的中心频率。如在调幅接收机的中放电路中，带宽为9 kHz，中心频率为465 kHz，相对带宽
50、f/f0 为百分之几。因此，高频小信号放大电路的基本类型是选频放大电路，选频放大电路以选频器作为线性放大器的负载，或作为放大器与负载之间的匹配器。它主要由放大器与选频回路两部分构成。用于放大的有源器件可以是半导体三极管，也可以是场效应管、电子管或者是集成运算放大器。上一页 下一页返回2.5 技能训练2：接收与小信号调谐放大实训 用于调谐的选频器件可以是LC 谐振回路，也可以是晶体滤波器、陶瓷滤波器、LC 集中滤波器和声表面波滤波器等。本实训用三极管作为放大器件，LC 谐振回路作为选频器。在分析时，主要用以下参数衡量电路的技术声系数、灵敏度、通频带与选择性。单调谐放大电路一般采用LC 回路作为选
