1.3 小信号谐振放大器

采用谐振回路作为负载的放大器称为谐振放大器，又称调谐放大器。由于谐振负载的选频特性，小信号谐振放大器不但具有从接收的众多电信号中选出有用信号并加以放大的作用，而且具有对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制的作用，因此广泛应用于广播、电视、通信和雷达等接收设备中。

1.3.1 小信号谐振放大器的分类和主要性能指标

小信号谐振放大器的类型很多。按调谐回路区分，有单调谐回路放大器、双调谐回路放大器和参差调谐放大器；按所用器件可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器；按器件连接方法可分为共基极、共发射极和共集电极放大器及共源、共漏和共栅放大器等。

小信号谐振放大器的主要性能指标有以下几个。

1．谐振电压增益

放大器的谐振增益是指放大器在谐振频率上的电压增益，记为Au0，其值可用分贝（dB）表示。通常，实际应用时，考虑到放大器的稳定性问题，其单级增益Au0一般为20～30dB。若增益不够，可采用多级调谐放大器。

2．通频带

通频带是指放大器的电压增益下降到谐振电压增益Au0 的 时所对应的频率范围，一般用 BW0.7（或2Δf0.7）表示。小信号谐振放大器的谐振曲线如图1.15所示，图中 f0表示放大器的中心谐振频率，Au/Au0表示相对电压增益。由图可见，BW0.7=fH - fL。由于小信号调谐放大器所放大的一般都是已调信号，包含一定的边频，所以放大器必须有一定的通频带，允许主要的边频通过。如：一般调幅广播接收机的中放通频带约为8kHz，调频广播接收机的中放通频带约为200kHz，电视接收机的高放和中放通频带约为6～8MHz。

3．选择性

选择性是指放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号而抑制干扰信号的能力，称为选择性。为了准确地衡量小信号谐振放大器的选择性，通常选用“抑制比”和“矩形系数”两个技术指标。

（1）抑制比。抑制比可定义为谐振电压增益 Au0与通频带以外某一特定频率上的电压增益Au之比值，用d（dB）表示，记为：

显然，d 值越大，放大器的选择性越好。广播调幅收音机常用偏调±10kHz时的抑制比来衡量它的选择性，即对邻台的抑制能力。例如，超外差式收音机所用的中周（中频变压器）的选择性约为5～8dB，即偏调±10kHz时，衰减应不小于5～8dB。

（2）矩形系数。理想的小信号谐振放大器的谐振曲线应为矩形（见图1.15所示的理想矩形），即对通频带内的各频率信号有同样的放大作用，而对通频带外的各频率信号完全抑制。但实际的小信号谐振放大器的谐振曲线与理想的矩形有较大的差异。为了评定实际的谐振曲线偏离（或接近）理想的矩形曲线的程度，引入矩形系数，定义为：

式中，

BW0.7是放大器的通频带；

BW0.1是相对电压增益值下降到0.1时的频带宽度。

K0.1的值越小越好，在接近1时，说明放大器的谐振曲线就越接近于理想曲线，放大器的选择性就越好。

4．稳定性

稳定性是指当组成放大器的元器件参数变化时，放大器的主要性能——增益、通频带、矩形系数（选择性）的稳定程度。一般不稳定现象是放大器增益变化、中心频率偏移，通频带变化、谐振曲线变形等，这些都使放大器性能下降。不稳定的极端情况是放大器自激，以致放大器完全不能工作。在整个波段都远离自激，这是对调谐放大器的基本要求。

5．噪声系数

放大器工作时，元器件在电路内部会产生噪声，在放大信号的同时也放大了噪声，使信号质量受到影响。噪声对信号的影响程度用信噪比来表示，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。

衡量放大器噪声对信号质量的影响程度用噪声系数来表示。噪声系数的定义是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。如噪声系数等于1，说明放大器没有增加任何噪声，这是理想情况。在多级放大器中，最前面一、二级对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它们的噪声系数尽量接近1。为使放大器内部噪声小，应采用低噪声管，正确选择工作点电流，选用噪声小的元件和合适的电路。

1.3.2 单级单调谐放大器

单调谐放大器是由单调谐回路作为交流负载的放大器。如图1.16（a）所示为一个共发射极单调谐放大器，它是超外差式接收机中一个典型的中频放大器（简称中放）。图中，Rb1、Rb2和Re组成稳定工作点的分压式偏置电路，Cb、Ce为中频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下一级输入阻抗），Tr1、Tr2为中频变压器（中周），其中Tr2的初级电感L和电容C组成的并联谐振回路作为放大器的集电极负载，回路的谐振频率应调谐在输入信号的中心频率上。图1.16（b）所示为相应的交流通路。可以看出，三极管的输出端和负载阻抗都采用了部分接入的方式与LC回路相连，以减小它们的接入对回路Q值和谐振频率的影响（其影响是使Q值减小、增益下降、谐振频率降低），从而提高了电路的稳定性。采用变压器耦合还能使前后级直流电路分开，也能较好地实现前、后级间的阻抗匹配。

由于LC并联谐振回路具有选频特性，因此，单调谐放大器具有选频放大功能。理论分析和实验测量都将可以绘出单调谐放大器的幅频特性曲线，如图1.17所示。由图可以看出，当输入信号频率等于LC谐振频率时，即f=f0，其增益最高；一旦f≠f0，即失谐，放大器的增益将下降。其中，谐振频率f0为：

式中，

回路总电容CΣ为三极管输出电容和负载电容折合到LC回路两端的等效电容与回路电容C之和。

由式（1-3）可见，改变L或CΣ都可以改变谐振频率，即进行调谐。在实用电路中，常采用调节中周的磁芯来改变电感量L，达到调谐的目的。

单调谐放大器的通频带BW0.7为：

式中，

Qe为LC回路的有载品质因素。其值为：

式中，

RΣ为LC谐振回路的总电阻。

由式（1-4）和式（1-5）可见，改变RΣ的值，Qe就会发生变化，通频带也将随之改变。在实用电路中，常采用在LC回路两端并联电阻的办法，来降低调谐回路的有载品质因数Qe的值，以达到展宽放大器的通频带的目的。当f0确定时，Qe越低，通频带BW0.7就越宽。

理论分析还可以得出单调谐放大器的矩形系数为：

上式说明，单调谐放大器的矩形系数远大于1，谐振曲线与矩形相差太远，故单调谐放大器的选择性较差。

例1.1 如图1.16所示的单调谐放大器，若谐振回路的谐振频率f0=10.7MHz，回路总电容CΣ=56pF，通频带BW0.7=120kHz。

（1）求电感L和有载品质因数Qe；

（2）为了把通频带BW0.7调整到180kHz，通常在回路两端并联电阻R，求R的值。

解：（1）根据式（1-3）和式（1-4）可得：

（2）由式（1-5）可得，电阻并联前回路的总电阻RΣ为：

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

因并联前后回路的有载品质因数之比为：

则

R = 2R∑= 47.2kΩ

1.3.3 多级单调谐放大器

单级单调谐放大器的电压增益不太高，有时为了展宽频带，又要人为地降低增益，因此，实际运用需要较高电压增益时，就需用多级放大器来实现。下面讨论其主要技术指标。

1．多级单调谐放大器的电压增益

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

Au1=Au2=Au3=…=Aun

则级联后放大器的总电压增益为：

Au = Au1Au2Au3…Aun = (Au1) n

2．通频带

多级放大器级联后的谐振曲线如图1.18所示，由图可见，级联后总的通频带要比单级放大器的通频带窄。级数越多，总通频带越窄。由理论分析可以得出，n 级相同的单调谐放大器级联后的总通频带为：

式中，

f0/Qe是单级单调谐放大器的通频带；

是频带缩减因子，表1.1列举了几种不同 n 值对应的缩减因子的值。

3．选择性

由图1.18还可以看出，放大器级联的级数越多，曲线的形状越接近于矩形，也就是说矩形系数越接近1，选择性越好。对于n级相同的单调谐放大器级联后的矩形系数可以求得

表1.2列出了不同n值时矩形系数的大小。

总之，在多级级联放大器中，级联后放大器的总电压增益比单级放大器的电压增益大、选择性好，但总通频带比单级放大器通频带窄。如果要保证总的通频带与单级时的一样，则必须通过减小每级回路有载品质因数Qe值，以加宽各级放大器的通频带的方法来弥补。由表1.2可以看出，级数增加，选择性有所提高，但是当n ＞ 3时，选择性改善程度不明显。所以说，靠增加级数来改善选择性是有限的。

1.3.4 双调谐放大器

双调谐放大器具有较好的选择性、较宽的通频带，并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，因而它被广泛地用于高增益、宽频带、选择性要求高的场合。

双调谐放大器的负载为双调谐耦合回路，双调谐耦合回路有电容耦合和互感耦合两种类型，这里以互感耦合的双调谐放大器为例，典型的电路如图1.19（a）所示。图中，Rb1、Rb2和Re组成分压式偏置电路，Cb、Ce为高频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下一级输入阻抗）， Tr1、Tr2为高频变压器。其中，Tr2的初、次级电感L1、L2分别与C1、C2组成的双调谐耦合回路作为放大器的集电极负载，三极管的输出端与初级回路采用了部分接入的方法，负载阻抗与次级回路也采用了部分接入的方式。图1.19（b）所示为其交流通路。

为了简化分析，设初、次级回路元件的参数相同，即L1 = L2 = L、CΣ1 = CΣ2 = CΣ、Qe1 = Qe2= Qe，M为互感系数，为说明回路间的耦合程度，常用耦合系数k表示为：

初、次级回路的谐振频率和有载品质因数为：

定义耦合因数η为：

根据理论分析或实验测量可画出双调谐放大器的谐振曲线，如图1.20所示。当η ＜ 1时，称为弱耦合，这时谐振曲线为单峰；当η ＞ 1时，称为强耦合，这时谐振曲线出现双峰；当η = 1时，称为临界耦合。由图1.20可见，临界耦合与强耦合的峰值相等。临界耦合时的通频带和矩形系数分别为：

因此，在f0与Qe相同的情况下，临界耦合状态的双调谐放大器的通频带为单调谐放大器通频带的倍；而矩形系数小于单调谐放大器的矩形系数，即其谐振曲线更接近于理想的矩形曲线，选择性更好。

双调谐放大器在弱耦合时，其放大器的谐振曲线与单调谐放大器相似，通频带窄，选择性差，而且增益也低，故一般不采用；在强耦合时，通频带显著加宽，矩形系数变好，但谐振曲线顶部出现凹陷，因此，只是在要求放大器的通频带较宽时才采用。

总之，与单调谐放大器相比较，处于临界耦合状态的双调谐放大器具有频带宽、选择性好等优点，但调谐比较麻烦。

1.3.5 调谐放大器的稳定性

调谐放大器的稳定与否，直接影响到放大器的性能，而影响调谐放大器稳定性的主要因素是三极管内部反馈及负载变化。三极管的内部反馈对放大器的影响有两个方面：一方面是由于内部反馈的作用，使放大器的输入和输出阻抗与信号源内阻及负载有关，这给放大器的安装调试带来很多麻烦。另一方面，内部反馈使放大器不稳定，因为内部反馈通过三极管的结电容 Cb′c的反向传输作用，将输出电压的一部分反馈到输入端。虽然 Cb′c很小，但由于比大得多，所以反馈电压是不能忽略的；尤其在工作频率很高的情况下，很容易因内部反馈而引起高频自激，使正常的放大作用受到破坏。即使不产生自激，由于内部反馈随频率的变化而变化，它对某些频率可能形成正反馈，而对另外一些频率的信号则形成负反馈，且反馈的强弱也不完全相等，使输出信号中有些频率分量得到加强，而另一些频率分量被削弱，其结果使放大器的频率特性、通频带及选择性都受到影响。

为了减小内部反馈对放大器稳定性的影响，在选用三极管时，应尽量选用Cb′c值小的器件。此外，也可在电路上采取措施，以消除三极管内部的反馈作用。常用的方法是中和法以及失配法。失配法就是采用如图1.5所示的“共射-共基”组态级联的方法，使前后级阻抗不匹配，以减小Cb′c的影响。中和法电路如图1.21（a）所示，图（b）所示为其交流通路，图（c）所示为其桥式等效电路。

由图1.21（c）可以看到，电感LA、LB、Cb′c和中和电容CN组成一个简单的四臂电桥，根据电桥平衡的原理，可以得到当满足下列条件时电桥平衡。这时即使C、D两端有电压，也不会反馈到A、B端，即LC调谐回路上的输出电压不会反馈到三极管的输入端。

即

平衡条件为：

因此，调节CN的数值可以消除Cb′c引起的内部反馈，提高放大器的稳定性。