谐振放大器的稳定性分析课程设计

摘要…………………………………………………………………Ⅰ 第1章 谐振放大器概述………………………………………1

1.1 谐振定义………………………………………………………1 1.2 谐振放大电路…………………………………………………1

第2章 放大器的稳定性…………………………………………4

2.1放大器调试困难…………………………………………………4

2.1.1 放大器的输出导纳Yi…

…4

2.1.2 放大器的输出导纳y…………………………………………5

O2.2 使放大器产生自激…………………………………………………7

2.2.1 放大器自激的原因………………………………………………7 2.2.2 放大器产生自激的条件………………………………………… 8 2.2.3 谐振电压增益Avo与稳定系数S的关系…………………………9

第3章 使放大器稳定的措施………………………………… 11

3.1 中和法……………………………………………………………11 3.2 失配法……………………………………………………………14

第4章 放大器不稳定的外部因素…………………………… 16 参考文献……………………………………………………………… 18 总结………………………………………………………………………19

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摘要

谐振放大电路，通常是指负载具有谐振特性（或选频特性）的放大电路。该电路广泛应用于通信，广播、 电视、 雷达等接收系统中，主要起选频，放大作用。

但是由于内反馈的存在，使得谐振放大器的稳定性受到影响。主要表现在放大器调试困难，甚至使放大器自激，因而必须想办法克服内反馈。克服内反馈的途径有两个：一个是从晶体管本身想办法，使反向传输导纳尽量减小。另一方面是在电路上想办法，把反馈导纳的作用抵消或减小，也就是说，从电路上设法取消晶体管的反向作用，使它变为单向化。具体的方法有中和法和失配法。

失配就是不匹配。在小信号谐振放大器中，失配专指信号源内阻与晶体管输入阻抗之间，放大器输出端的负载阻抗与晶体管输出阻抗匹配之间的失配。

中和法是解决放大器的增益和稳定性之间的矛盾的一种有效措施。它是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外加的反馈电路（中和电路），使该反馈电路的作用与晶体管内部反馈的作用相互抵消。通常是在输出回路与晶体管基极之间接入一个电容来实现中和作用，该电容亦称中和电容

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1.谐振放大器概述

1.1谐振定义

所谓谐振，按电路理论，它是正弦电压加在理想的(无寄生电阻)电感或电容串联电路上。当正弦频率为某一值时，容抗与感抗相等，电路的阻抗为零，电路电流达到无穷大；如果正弦电压加在电感和电容并联电路上，当正弦电压频率为某一值时，电路的总导纳为零,电感、电容元件上电压为无穷大。前者称为串联谐振，后者称为并联谐振。

谐振的现象是电流增大和电压减小，越接近谐振中心，电流表电压表功率表转动变化快，但是和短路得区别是不会出现零序量。电学谐振指的是电磁学物理量的强度在一个中值上下进行波动，也是类似运动学的谐振。

由电感L和电容C组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤出，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。

1.2谐振放大电路

谐振放大电路，通常是指负载具有谐振特性（或选频特性）的放大电路。该电路广泛应用于通信，广播 电视 雷达等接收系统中，主要起选频，放大作用。由于在接收机中从天线上感应到的信号非常微弱，因此放大器的输入信号一般都比较小，此时放大器工作在线性范围内，即甲类放大状态，因而能够用微变等效电路法来进行分析。

一个理想的谐振放大电路的幅频特性曲线如下图实线所示。实际谐

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振电路的幅频特性曲线如图的虚线所示。幅频特性曲线的特点是在谐振频率

fo上增益最大，偏离中心频率后增益迅速下降。如果

fo等于有用

信号的频率，就能将有用信号选择出来并加以放大，从而有效地抑制其他频道信号或干扰信号。但是由于反馈导纳的存在，使得放大器输入端回路的电导发生变化，也使得放大器输入端回路的电纳发生变化。这些都将影响放大器的增益，通频带和选择性，使谐振曲线发生畸变，如下图(1.2.1)所示：

图1.2.1 反馈导纳对放大器谐振曲线的影响

高频小信号调谐回路目前广泛应用于无线电广播，电视，通信，雷达等接收设备中，其作用是放大微弱的有用信号，滤除无用的干扰信号。高频小信号调谐放大器的主要指标是电压放大倍数，通频带，选择性和矩形系数。其中电路稳定是放大电路工作的必要条件，稳定性是指放大电路直流偏置，电路元件参数等发生变化时，放大电路的增益，中心频率，通频带，幅频特性等主要特性的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移，谐振曲线变形等。因此，为了保证放大器正常工作，必须采取稳定措施，使放大器不自激或偏离自激，并且在工作过程中应避免主要特征的变化超出允许范围。

除上述四个主要的性能指标外，还要求噪声系数小。降低高频放大电路的噪声系数，可以提高整机灵敏度。

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小信号谐振放大电路通常有两种组成方法：一种是将单级谐振放大电路级联起来，构成多级放大电路；另一种是用集成宽带放大电路和具有相应选频特性的窄带滤波器构成谐振放大电路，称为集中选频放大电路。小信号谐振放大器的种类很多：按谐振回路区分，有单调谐放大器，双调谐放大器和参差调谐放大器：按晶体管连接方法分有共基极，共基电极，共发射极放大极等；按作用区分可分为调谐放大器，和频带放大器。图1.2为小信号单调谐共射极调谐放大器的电路原理图。

图1.2.2 小信号单调谐共射极调谐放大器的电路原理图

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第2章 内反馈对放大器的影响

2.1放大器调试困难

在分析放大器的增益，矩形系数，通频带等技术指标时，y的影响

re不大，可以忽略，故暂不考虑晶体管内部反馈的影响。忽略输出电压Ｕｃ通过反向传输导纳

yre对输入电流的影响后，晶体管则成为单向化器

件。由于，y≠０，因此放大器的输入导纳和输出导纳分别与负载和信

re号源有关，这给放大器的调试带来很多麻烦。

2.1.1放大器的输出导纳Y在

i

yre＝０的条件下，放大器的输出导纳Yi等于晶体管的输出导纳。

但由于晶体管的内部反馈总是存在（

yre≠０）因此

Y≠yie。怎样确

i定放大器的输出导纳呢？

图2.1.2为计算器输出导纳的等效电路，由图可列出方程如下：

IIb==

yUiei++

yUreo （2.1.1） （2.1.2）

cyUfeLOiyUoeo将Ic=-YU带入式（2.1.2）得：

Uo=-

yyoefeLULi

将上式代入式（2.1.1）得放大器的输入导纳为Yi=

IUbi=y+Yi

ie' 6

图2.1.1计算放大器输入导纳等效电路

上式表明，放大器的输出导纳Yi 包括两部分，即晶体管的输出导纳和输出电路通过反馈导纳

y的作用在输出电路产生的等效导纳。如

fe图2.1.2所示，其中

YiyyfereyoeY 即由于反馈导纳的存在，负载对输

L出导纳将产生影响。

图2.1.2 放大器输出导纳的等效电路

2.1.2 放大器的输出导纳yO

由于反馈导纳的存在，输入电路的信号源导纳对放大器的输出导纳也有影响。图2.1.2画出了计算输出导纳y0的等效电路。

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图2.1.3 放大器输出导纳的等效电路

根据戴维南电路定理，求Y0时应令信号源电流Is=0，这时有：

I=-YSUi

bI=yieUi+yreUo

bIc=

yU+yU

feioeo解得：

YOIUcO=

yoeYo

'上式表明，放大器的输出导纳Yo也包括两个部分，即晶体管的输出导纳

'和在输出电路上产生的等效导纳。如图2-41所示，其中 Yo即由于反馈导纳YyyfereyieY

sre的存在，信号源导纳对输出导纳将产生影响。

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图2.1.4 放大器的输出等效电路

终上所述，由于内反馈的影响，使放大器的输入导纳与负载有关，输出导纳与信号源导纳有关。这样，在调整输出回路(即改变YL)时，放大器的输出端将受到影响；同理，调整输入回路（即改变YS）时，放大器的输出导纳也随之改变，对输出电路的调谐和匹配又产生影响。因此，调整工作需要反复进行多次。这种相互制约的现象严重时将使整个放大电路的前后若干级放大器连成一个整体，调整任何一级都将影响前后各级的工作。

2.2使放大器产生自激

2.2.1自激产生的原因

图2.2.1 放大器等效输入端回路

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放大器输入等效电路如图 2.2.1 。 反馈导纳YFFgFjbF，其

F中 g 和bF分别为电导部分和电纳部分 , bF引起回路失谐。 g 是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，它使回路的总电导减小，Q 值增加，放大器的通频带减小，增益也因损耗的减少

L而增加。即负电导g 供给回路能量，出现正反馈，当g = g + g

FFSie则回路总电导 g = 0 ，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。

2.2.2 放大器产生自激的条件

根据以上分析，当 YS + Yi= 0 时放大器产生自激，由式中可见放大器的反馈能 量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。因此，放大器产生自激的条件是

(2.2.1)

即

YSyyieoeY'L=1(2.2.2)

yyfere晶体管反向传输导纳 y愈大，则反馈愈强，上式左边值就愈小。

re该值愈接近于 1 ，放大器愈不稳定。因此我们引入稳定系数 S 来表示放器的稳定性。根据 (2.2.2) 式可以推导稳定系数：

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2SgSggiey、

feyre1cosoegfeLre (2.2.3)

分别为 y 、y 的相角， S 表示放大器能稳定工作的条件。

fere当满足YS + Yi= 0 时， S = 1 放大器自激 ； S < 1 时放大器更自激 ； S > 1 时放大器存在潜在不稳定 ； 只有当 S > >1 时内部反馈较小，放大器才工作稳定。 通常工程设计中取 S = 5-10。

2.2.3谐振电压增益 A 与稳定系数 S 的关系

vo根据式 2.2.1 ，在工程计算中常作如下近似 ： ① 当工作频率

fo 远小于特征频率

fT 时， y= | y | 即

fefej = 0。

fe② 反馈导纳

yregCCb'bb;e2b'b2b'cjCb'c2g2b'bgC2b'ejCb'c即

re900。

③ g + g = g + g= 0

Sieoe'L 11

g'L1P21gpPg22ie2

当 P1 =P2=1 时将以上条件代入稳定系数 S 公式 (2.2.3) 得

(2.2.4)

而由前述知

(2．2.4) 代入 (2.2.5) 得

(2.2.5)

当 S = 5 时，

( AVO) s 是保持放大器稳定工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作，AVO 不允许超过 (AVO ) s 。

注意： (AVO ) s 只考虑内部反馈，未考虑外部其他原因引起放大器工作不稳定的反馈。以上分析了放大器不稳定的因素及产生自激的条件，下面分析克服的方法。

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第3章 使放大器稳定的措施

管子的内反馈会会使放大器变得不稳定，要设法消除。克服内反馈

的途径有两个：一个是从晶体管本身想办法，使反向传输导纳尽量减小；因为

yre主要决定于Cbc，设计晶体管时应使Cbc尽量小，由于晶体管制

造工艺的进步，这个问题已得到较好的解决；另一方面是在电路上想办法，把

yre的作用抵消或减小，也就是说，从电路上设法取消晶体管的反

向作用，使它变为单向化。具体的方法有中和法和失配法，下面分别进行介绍。

3.1 中和法

中和法是解决放大器的增益和稳定性之间的矛盾的一种有效措施。它是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个外加的反馈电路（中和电路），使该反馈电路的作用与晶体管内部反馈的作用相互抵消。通常是在输出回路与晶体管基极之间接入一个电容来实现中和作用，该电容亦称中和电容。

以3.1.1图所示的单调谐放大器为例进行分析，图3.1.2（a）为其交流等效电路。图中，Cbc为晶体管的集电结电容，它跨接在晶体管的输入端与输出端之间，引起晶体管的内部反馈，Cn为外加的中和电容，其作用是抵消Cbc的影响。

从图3.1.2（a）可以看出，未加中和电容Cn时，由于Cbc的作用，有反馈电流Ir（内反馈电流）流进A点（晶体管输出端）；加Cn后，由于其的作用引出另一反馈电流（外反馈电流）In流出a点。如果Cn的

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值选择合理，使

arnI=I,则两电流在a点正好相互抵消，即∑

rnrI=I-I=0.这样引起放大器不稳定的内部反馈电流I不会进入晶体

管基极，从而消除了晶体管内部不稳定因素的影响。

图3.1.1 采用中和法的单调谐放大器

（a） (b)

图3.1.2 中和法的原理图

上述过程可以看做一个电桥平衡过程。如图3.1.2（b）所示。Cbc和

C及回路电感L1和L2正好构成一个桥式电路，根据电桥平衡原理，若

n电桥对边两臂的阻抗乘积相等，则c d两端（放大器输出端）的电压不

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会对a b两端（放大器输入端）产生影响，即放大器的输出信号不会反馈到输入端。根据电桥平衡条件有:

ωL1

1Cn=ωL2

1Cbc

可见，在电路的a b两点间外接一个中和电容，使之成为电桥的一个臂，并适当的选择Cn的值，使之满足电桥平衡条件，就可以消除Cbc引起的内部反馈，提高放大器的稳定性。

图3.1.3 变压器耦合的中和连接

图3.1.3是采用自耦变压器耦合的连接方法来连接中和电容的。除此之外，也可以采用变压器耦合的连接方法，即调谐回路接在变压器的初级，中和电容接在次级。在这里需注意同名端的位置，应当使高频信号通过变压器后反向一次，否则不仅不能克服晶体管的内反馈，反而会使相反的作用。中和法的主要优点是增益高，因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。但其缺点也是突出的，主要有三点：一是中和不彻底，因为Yre还有电导部分；二是与工作点关系大，因Cbc与工作点有关；三

是与频率有关，因为

yre中的等效电容与频率有关,往往只在一个频率点

起到中和作用，而一些要求较高的通信设备大多不采用中和法，而采用

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失配法。

3.2 失配法

失配就是不匹配。在小信号谐振放大器中，失配专指信号源内阻与晶体管输入阻抗之间，放大器输出端的负载阻抗与晶体管输出阻抗匹配之间的失配。

从以上分析可知，如果负载导纳YL很大，则放大器的输入导纳为

Y=iie-

yyfereyoeYLyie

这样，即使YL发生变化，对Yi也基本上没有影响，实际上可以认为输出电路对输入电路没有反作用了，达到了使晶体管单向化的目的。

同理，如果信号源内导纳很小，由分析可知，放大器的输出导纳为 =oYyoe-

yyferey

sieY这样，输出导纳与信号源导纳无关，只决定于晶体管本身的参量。 失配法（单向化）的道理很简单，当输出电路严重失配时，输出电压相应减小，反馈到输出端的信号就进一步减弱，对输出电路的影响也随之减少。通过增大负载电导，使输出电路严重失配，失配越严重，输出电路对输出回路的反馈作用就越小，这样，放大器基本上就可以看做是单向化的。

常用的办法是将两晶体管按共射-共基方式连接，形成复合管形式。其原理图如3.2.1所示。

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图3.2.1 共射—共基级联的复合管

其中

YYiyie

oyobyyfbrby

ib在级联放大器中，后一级放大器的输入导纳是前一级放大器的负载，而前一级放大器则是后一级放大器的信号源内导纳。晶体管按共基方式连接时，输入导纳较大，这就等于第一级放大管V1的负载YL很大因此复合管的输入导纳Yiyie，放大管V1工作在失配状态；同理，共射连

接的第一级晶体管V1的输出导纳

yoe较小，对于V2来说，V1管的输出

导纳就是它的信号源内导纳YS,其值很小，因此V2级的输出导纳就只和本身的参量有关，而不受它的输入电路V1级的影响，这样就大大减小了输入输出回路间的牵扯作用，实际应用时，就可以把它看作是单向器件了。

失配法与中和法相比，失配法的突出特点是能在频率较宽的范围内消弱内部反馈的影响，因此，适合于频率可调节的高频信号放大器。

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第4章使谐

以上讨论的稳定性是从放大器内部来看的，实际上在制作放大电路时为了使电路稳定，还应该考虑外部因素引起的不稳定性。

在实际电路中，放大器外部的寄生反馈，均是以电磁耦合的方式出现的，引起电磁干扰必然存在发射电磁干扰的源，能接收干扰的感应装置，以及两者之间的耦合途径。由于频率高的缘故，干扰和接收装置几乎是不可能避免的，由此关键是弄清楚耦合途径以及如何去截断它。

电磁干扰的耦合途径主要有以下几种：

（1） 电容性耦合：导线与导线之间，导线与器件之间，器件与器件之

间均存在着分布电容。当工作频率达到一定程度时，这些电容会起作用，信号从后级耦合到前级。

（2） 电感性耦合：导线与导线之间，导线与电感之间，电感与电感之

间，除分布电容外，在高频情况下，还存在互感。流经导线或电感的后级高频电流产生交变磁场，可以与前级回路产生不必要的耦合。

（3） 公共电阻耦合：当前后级信号流经同一公共导线或电阻时，后级

电流会产生电压，从而对前级产生影响。

（4） 辐射耦合：当工作频率达到一定程度时，后级的高频信号可以通

过电磁辐射的方式耦合到前级。

另外，在电子设备中，接地是控制干扰的重要手段。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。一般而言，当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变化很大。此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应

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采用多点接地法，而且接地线很细。接地电位则随电流的变化而变化，抗噪声性能变坏，应将接地线尽量加粗。

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参考文献

1．张素文，高频电子线路，高等教育出版社，2006年12月

2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版设，2001年10月 3．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003年

4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年 5．赵伟军，Protel2004教程，人民邮电出版社，2006年

6. 毕满清，电子技术实验与课程设计，北京电子工业出版社，2007年

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总结

这一次课程设计虽然时间很短，只有短短的一星期时间。但是通过这次课程设计让我认识到了自己在学习中还存在很多的不足之处。比如以前总觉得课本上很多知识自己已经掌握了，但是直到自己需要用的时候才发现自己只不过是机械的记住了一些东西，对许多电路的工作原理自己并不清楚，给设计带来了很大的困难。但是，也正是通过此次课程设计，自己也学到了许多东西，有些东西也许是在课本上是学不到的。总之，这次课程设计让我收获很大。

刚拿到设计任务时，觉得很难。感觉无从下手，于是便按照老师 提供的参考资料在图书馆查阅了一些与设计内容有关的书籍，并且找到了一些相似的例子认真地研究了一下，突然发现以前自己学过的那些看起来没什么用处的电路经过组装之后原来有那么多的功能。于是便根据自己学过的知识，参照书中的例子，自己开始了分析设计。

也正是此时自己才发现那些看似很简单的东西，可是真正用到现实中时却总会遇到这样或那样的问题。我想其根本原因还是因为自己并没有对所学知识完全理解，自己只是机械的记忆，这样学的东西只能应付考试，却不能实际应用。这次课程设计让我认识到了学习中的不足，以后自己会尽量克服自己学习中的的不足，做到理解所学的知识。也只有这样才能学以致用，学的东西才有意义。

还有就是自己总觉得自己学的那些抽象的电路没什么用，而且很枯燥，很乏味。经过此次课程设计才发现那些看似无用的电路经过组合之后可以完成那么多复杂的功能，让我明白了自己所学的东西还是有很大用处的。这极大的提高了自己学习的兴趣。我想在以后的学习中自己一定会更加努力的。这次课程设计让我明白了自己所学的东西的意义何在，

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我想这是最大的收获。

另外一个收获就是通过这次课程设计，提高了自己分析问题的能力和查阅资料的能力，我想无论是在学习中还是以后的工作中这都是一个十分重要的能力。

在这次课程设计中，老师做了许多的指导工作，帮助同学们解决了许多问题。所以最后请允许学生向老师致以诚挚的谢意。

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