調諧放大器

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到目前為止，我們討論過的放大器型別在射頻下無法有效工作，儘管它們在音訊頻率下表現良好。此外，這些放大器的增益不會隨著訊號頻率在很寬的範圍內變化。這使得訊號能夠在一定頻率範圍內同樣良好地放大，並且不允許選擇特定的所需頻率，同時抑制其他頻率。

因此，需要一個既能選擇又能放大的電路。因此，放大器電路與選擇器（例如調諧電路）一起構成了一個**調諧放大器**。

什麼是調諧放大器？

調諧放大器是指用於**調諧**目的的放大器。調諧意味著選擇。在一組可用的頻率中，如果需要選擇特定的頻率，同時抑制所有其他頻率，則此過程稱為**選擇**。這種選擇是透過使用稱為**調諧電路**的電路來完成的。

當放大器電路的負載被調諧電路取代時，這種放大器可以稱為**調諧放大器電路**。基本的調諧放大器電路如下所示。

調諧器電路只不過是一個LC電路，也稱為**諧振**或**儲能電路**。它選擇頻率。調諧電路能夠在一個以諧振頻率為中心的窄帶頻率範圍內放大訊號。

當電感器的電抗在調諧電路中的某個頻率下平衡電容器的電抗時，該頻率可以稱為**諧振頻率**。它用f_r表示。

諧振公式為

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

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

調諧電路型別

根據調諧電路與其主電路的連線方式，調諧電路可以是串聯調諧電路（串聯諧振電路）或並聯調諧電路（並聯諧振電路）。

串聯調諧電路

串聯連線的電感器和電容器構成串聯調諧電路，如下面的電路圖所示。

在諧振頻率下，串聯諧振電路提供低阻抗，允許高電流流過。串聯諧振電路對遠離諧振頻率的頻率提供越來越高的阻抗。

並聯調諧電路

並聯連線的電感器和電容器構成並聯調諧電路，如下圖所示。

在諧振頻率下，並聯諧振電路提供高阻抗，不允許高電流流過。並聯諧振電路對遠離諧振頻率的頻率提供越來越低的阻抗。

並聯調諧電路的特性

發生並聯諧振（即電路電流的無功分量變為零）的頻率稱為諧振頻率f_r。調諧電路的主要特性如下。

阻抗

電源電壓與線路電流之比是調諧電路的阻抗。LC電路提供的阻抗由下式給出

$$\frac{電源電壓}{線路電流} = \frac{V}{I}$$

在諧振時，線路電流增大，而阻抗減小。

下圖表示並聯諧振電路的阻抗曲線。

電路的阻抗在高於和低於諧振頻率f_r的值時減小。因此，可以選擇特定的頻率並抑制其他頻率。

為了獲得電路阻抗的方程式，讓我們考慮

線路電流 $I = I_L cos \phi$

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

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

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

因為，$Z_L^2 = \frac{L}{C}$

因此，得到電路阻抗 Z_r 為

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

因此，在並聯諧振時，電路阻抗等於 L/CR。

電路電流

在並聯諧振時，電路或線路電流 I 由施加的電壓除以電路阻抗 Z_r 給出，即

線路電流 $I = \frac{V}{Z_r}$

其中 $Z_r = \frac{L}{C R}$

因為 Z_r 非常高，所以線路電流 I 將非常小。

品質因數

對於並聯諧振電路，諧振曲線的尖銳度決定了選擇性。線圈的電阻越小，諧振曲線越尖銳。因此，線圈的感抗和電阻決定了調諧電路的品質。

諧振時線圈感抗與其電阻之比稱為**品質因數**。它用Q表示。

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

Q值越高，諧振曲線越尖銳，選擇性越好。

調諧放大器的優點

以下是調諧放大器的優點。

• 使用 L 和 C 等無功元件可以最大程度地減少功率損耗，這使得調諧放大器效率更高。

• 透過在諧振頻率下提供更高的阻抗，可以提高所需頻率的選擇性和放大。

• 由於並聯調諧電路中的電阻很小，因此可以使用較小的集電極電源電壓 VCC。

重要的是要記住，當存在高電阻集電極負載時，這些優點不適用。

調諧放大器的頻率響應

為了使放大器高效，其增益應很高。此電壓增益取決於 β、輸入阻抗和集電極負載。調諧放大器中的集電極負載是一個調諧電路。

這種放大器的電壓增益由下式給出

電壓增益 = $\frac{\beta Z_C}{Z_{in}}$

其中 Z_C = 有效集電極負載，Z_in = 放大器的輸入阻抗。

Z_C 的值取決於調諧放大器的頻率。由於 Z_C 在諧振頻率下最大，因此放大器的增益在此諧振頻率下最大。

頻寬

調諧放大器的電壓增益下降到最大增益的 70.7% 的頻率範圍稱為其**頻寬**。

f₁ 和 f₂ 之間的頻率範圍稱為調諧放大器的頻寬。調諧放大器的頻寬取決於 LC 電路的 Q 值，即頻率響應的尖銳度。Q 值和頻寬成反比。

下圖詳細說明了調諧放大器的頻寬和頻率響應。

Q 值和頻寬之間的關係

頻寬的品質因數 Q 定義為諧振頻率與頻寬之比，即

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

通常，實際電路的 Q 值大於 10。

在這種情況下，並聯諧振時的諧振頻率由下式給出

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