调谐放大器

---

---

到目前为止，我们讨论过的放大器类型在射频下无法有效工作，尽管它们在音频频率下表现良好。此外，这些放大器的增益不会随着信号频率在很宽的范围内变化。这使得信号能够在一定频率范围内同样良好地放大，并且不允许选择特定的所需频率，同时抑制其他频率。

因此，需要一个既能选择又能放大的电路。因此，放大器电路与选择器（例如调谐电路）一起构成了一个**调谐放大器**。

什么是调谐放大器？

调谐放大器是指用于**调谐**目的的放大器。调谐意味着选择。在一组可用的频率中，如果需要选择特定的频率，同时抑制所有其他频率，则此过程称为**选择**。这种选择是通过使用称为**调谐电路**的电路来完成的。

当放大器电路的负载被调谐电路取代时，这种放大器可以称为**调谐放大器电路**。基本的调谐放大器电路如下所示。

调谐器电路只不过是一个LC电路，也称为**谐振**或**储能电路**。它选择频率。调谐电路能够在一个以谐振频率为中心的窄带频率范围内放大信号。

当电感器的电抗在调谐电路中的某个频率下平衡电容器的电抗时，该频率可以称为**谐振频率**。它用f_r表示。

谐振公式为

$$2 \pi f_L = \frac{1}{2 \pi f_c}$$

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

调谐电路类型

根据调谐电路与其主电路的连接方式，调谐电路可以是串联调谐电路（串联谐振电路）或并联调谐电路（并联谐振电路）。

串联调谐电路

串联连接的电感器和电容器构成串联调谐电路，如下面的电路图所示。

在谐振频率下，串联谐振电路提供低阻抗，允许高电流流过。串联谐振电路对远离谐振频率的频率提供越来越高的阻抗。

并联调谐电路

并联连接的电感器和电容器构成并联调谐电路，如下图所示。

在谐振频率下，并联谐振电路提供高阻抗，不允许高电流流过。并联谐振电路对远离谐振频率的频率提供越来越低的阻抗。

并联调谐电路的特性

发生并联谐振（即电路电流的无功分量变为零）的频率称为谐振频率f_r。调谐电路的主要特性如下。

阻抗

电源电压与线路电流之比是调谐电路的阻抗。LC电路提供的阻抗由下式给出

$$\frac{电源电压}{线路电流} = \frac{V}{I}$$

在谐振时，线路电流增大，而阻抗减小。

下图表示并联谐振电路的阻抗曲线。

电路的阻抗在高于和低于谐振频率f_r的值时减小。因此，可以选择特定的频率并抑制其他频率。

为了获得电路阻抗的方程式，让我们考虑

线路电流 $I = I_L cos \phi$

$$\frac{V}{Z_r} = \frac{V}{Z_L} \times \frac{R}{Z_L}$$

$$\frac{1}{Z_r} = \frac{R}{Z_L^2}$$

$$\frac{1}{Z_r} = \frac{R}{L/C} = \frac{C R}{L}$$

因为，$Z_L^2 = \frac{L}{C}$

因此，得到电路阻抗 Z_r 为

$$Z_R = \frac{L}{C R}$$

因此，在并联谐振时，电路阻抗等于 L/CR。

电路电流

在并联谐振时，电路或线路电流 I 由施加的电压除以电路阻抗 Z_r 给出，即

线路电流 $I = \frac{V}{Z_r}$

其中 $Z_r = \frac{L}{C R}$

因为 Z_r 非常高，所以线路电流 I 将非常小。

品质因数

对于并联谐振电路，谐振曲线的尖锐度决定了选择性。线圈的电阻越小，谐振曲线越尖锐。因此，线圈的感抗和电阻决定了调谐电路的品质。

谐振时线圈感抗与其电阻之比称为**品质因数**。它用Q表示。

$$Q = \frac{X_L}{R} = \frac{2 \pi f_r L}{R}$$

Q值越高，谐振曲线越尖锐，选择性越好。

调谐放大器的优点

以下是调谐放大器的优点。

• 使用 L 和 C 等无功元件可以最大程度地减少功率损耗，这使得调谐放大器效率更高。

• 通过在谐振频率下提供更高的阻抗，可以提高所需频率的选择性和放大。

• 由于并联调谐电路中的电阻很小，因此可以使用较小的集电极电源电压 VCC。

重要的是要记住，当存在高电阻集电极负载时，这些优点不适用。

调谐放大器的频率响应

为了使放大器高效，其增益应很高。此电压增益取决于 β、输入阻抗和集电极负载。调谐放大器中的集电极负载是一个调谐电路。

这种放大器的电压增益由下式给出

电压增益 = $\frac{\beta Z_C}{Z_{in}}$

其中 Z_C = 有效集电极负载，Z_in = 放大器的输入阻抗。

Z_C 的值取决于调谐放大器的频率。由于 Z_C 在谐振频率下最大，因此放大器的增益在此谐振频率下最大。

带宽

调谐放大器的电压增益下降到最大增益的 70.7% 的频率范围称为其**带宽**。

f₁ 和 f₂ 之间的频率范围称为调谐放大器的带宽。调谐放大器的带宽取决于 LC 电路的 Q 值，即频率响应的尖锐度。Q 值和带宽成反比。

下图详细说明了调谐放大器的带宽和频率响应。

Q 值和带宽之间的关系

带宽的品质因数 Q 定义为谐振频率与带宽之比，即

$$Q = \frac{f_r}{BW}$$

通常，实际电路的 Q 值大于 10。

在这种情况下，并联谐振时的谐振频率由下式给出

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$