高频第二章第二节课件.ppt

2.2 2.2 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器 高频小信号调谐放大器的电路组成：高频小信号调谐放大器的电路组成：晶体管和晶体管和LCLC谐振回路。谐振回路。2.2.12.2.1晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路参数等效电路）。参数等效电路）。另一是形式另一是形式等效电路（等效电路（）等效电路。）等效电路。一是物理模拟（混合一是物理模拟（混合2.2一、混合一、混合型等效电路型等效电路图2.2.1 晶体管高频共发射极混合型等效电路；基区体电阻基区体电阻,约约发射结电阻发射结电阻折合到基极回路的等效电阻折合到基极回路的等效电阻,约约几十欧到几千欧；几十欧到几千欧；2.2.1（晶体管混合等效电路及其单向化动画）：发射结电容：发射结电容,约约1010皮法到几百皮法；皮法到几百皮法；：集电结电阻：集电结电阻,约约10k10k10M10M；：集电结电容：集电结电容,约几个皮法；约几个皮法；：晶体管跨导：晶体管跨导,几十毫西门子以下；几十毫西门子以下；各参数有关的公式如下：各参数有关的公式如下：其中其中:是发射极静态电流是发射极静态电流,是晶体管低频短路电流是晶体管低频短路电流是晶体管特征频率。是晶体管特征频率。放大系数放大系数,2.2.1注意注意:各参数均与静态工作点有关。各参数均与静态工作点有关。另外，常用的晶体管高频共基极等效电路如图另外，常用的晶体管高频共基极等效电路如图2.2.22.2.2图（图（a a）所示，图）所示，图 (b)(b)是简化等效电路。是简化等效电路。图2.2.2 晶体管高频共基极等效电路及其简化电路 2.2.1二、参数等效电路二、参数等效电路 双口网络即具有两个端口的网络，如图双口网络即具有两个端口的网络，如图2.2.32.2.3所示。所示。参数方程是选取各端口的电压为自变量参数方程是选取各端口的电压为自变量,电流为应变电流为应变量量,其方程如下其方程如下 图2.2.3 双口网络2.2.1其中其中 四个参量均具有导纳量纲，即四个参量均具有导纳量纲，即 所以参数又称为短路导纳参数所以参数又称为短路导纳参数,即确定这即确定这四个参数时必须使某一个端口电压为零四个参数时必须使某一个端口电压为零,也就是也就是使该端口交流短路。使该端口交流短路。2.2.1图2.2.4 共发射极接法的晶体管参数等效电路 2.2.1 如共发射极接法的晶体管如共发射极接法的晶体管,如图2.2.4所示所示,相应的相应的参数方程为参数方程为 式中，式中，分别称为输入导纳、反向传输导纳分别称为输入导纳、反向传输导纳正向传输导纳和输出导纳。正向传输导纳和输出导纳。其中其中 图2.2.4 共发射极接法的晶体管参数等效电路 三、参数与混合三、参数与混合 参数的关系参数的关系2.2.1 信息工程学院 信息工程学院2.2.2 2.2.2 单管单调谐放大器单管单调谐放大器一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理图2.2.5 高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路 （b）交流通路1 1、各元件的作用、各元件的作用 构成晶体管的分压式电流反馈直流偏置电路，构成晶体管的分压式电流反馈直流偏置电路，以保证晶体管工作在甲类状态。以保证晶体管工作在甲类状态。2.2.2电容电容C CB B、C CE E对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。LC LC振荡回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供振荡回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供选频回路。振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。选频回路。振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。2.2.2图2.2.5 高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路 （b）交流通路2 2、简单工作原理、简单工作原理 信号由输入端的高频变压器引入，晶体管放大器信号由输入端的高频变压器引入，晶体管放大器的负载为部分接入的振荡回路，该回路对输入信号频的负载为部分接入的振荡回路，该回路对输入信号频率谐振，即率谐振，即 。此时，回路呈现的阻抗最大，。此时，回路呈现的阻抗最大，而对其它频率的阻抗很小，因而输入信号频率的电压而对其它频率的阻抗很小，因而输入信号频率的电压得到放大，而其它频率信号受到抑制。同时振荡回路得到放大，而其它频率信号受到抑制。同时振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集采用抽头连接，可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集电极所需要的负载电阻，从而在负载（下一级晶体管电极所需要的负载电阻，从而在负载（下一级晶体管的输入）上得到最大的电压输出。所以，振荡回路的的输入）上得到最大的电压输出。所以，振荡回路的作用是实现选频滤波及阻抗匹配。作用是实现选频滤波及阻抗匹配。二、电路性能分析二、电路性能分析1 1、放大器的小信号等效电路及其简化、放大器的小信号等效电路及其简化图2.2.6 单管放大器的小信号（a）小信号等效电路 （b）简化电路2.2.2图中设图中设得到的小信号等效电路如下图所示。其中得到的小信号等效电路如下图所示。其中（高频小信号放大器分析过程动画）其中其中 2.2.2由图知：由图知：所以所以 2 2、电路性能分析、电路性能分析（1）电压放大倍数（增益）2.2.2谐振电压放大倍数（增益）谐振电压放大倍数（增益）式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差 。同时，由于同时，由于是复数，其相角为是复数，其相角为 故放大器在回路谐振时，故放大器在回路谐振时，。当工作频率较低时，。当工作频率较低时，和和相位才相差相位才相差，即输出电压，即输出电压和输入和输入电压电压反相位。反相位。谐振电压放大倍数（增益）的振幅值谐振电压放大倍数（增益）的振幅值 2.2.2和输入电压和输入电压之间之间，而是，而是的相位差并不是的相位差并不是输出电压输出电压结论：电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐结论：电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：振电导和接入系数有关：（A A）为了增大为了增大,应选取应选取大大,小的晶体管。小的晶体管。（B B）为了增为了增大大,要求负载电导小要求负载电导小,如果负载是下如果负载是下小。小。一级放大器一级放大器,则要求其则要求其（C C）回路谐振电导回路谐振电导越小越小,越大。而越大。而取决于取决于值值,与与成反比。成反比。回路空载品质因数回路空载品质因数（D D）与接入系数与接入系数 有关有关,但不是单调递增或但不是单调递增或单调递减关系。由于单调递减关系。由于还会影响回路有载品质因数值还会影响回路有载品质因数值而而 又将影响通频带又将影响通频带,所以所以 的选择应全面考虑的选择应全面考虑,选取选取最佳值。最佳值。2.2.2（2）、放大器的频率特性其中幅频特性表达式为其中幅频特性表达式为 图2.2.7 放大器的谐振曲线 2.2.2 放大器的频率特性曲线如图示。（3）放大器的通频带令 ，得到放大器的通频带为 越高，放大器的通频带越窄，反之越宽。（4）放大器的增益带宽积将 代入 得到放大器的增益带宽积为 2.2.2（5）矩形系数（6）、结论A A、晶体管选定以后（、晶体管选定以后（值已经确定），接入系数值已经确定），接入系数不变时，放大器的谐振电压增益不变时，放大器的谐振电压增益 只决定于回路的总只决定于回路的总电容电容和通频带和通频带 的乘积。电容的乘积。电容 越大，通频带越大，通频带 越宽，则增益越宽，则增益 越小。越小。B B、要想既得到高的增益，又保证足够宽的通频带，除、要想既得到高的增益，又保证足够宽的通频带，除2.2.2了选用了选用 大的晶体管外，还应该尽量减小谐振回路的总大的晶体管外，还应该尽量减小谐振回路的总电容电容 。C C、的减小与电路的稳定性相矛盾，减小的减小与电路的稳定性相矛盾，减小 即应该即应该减小外接电容减小外接电容C C，但分布参数的影响将加大，会造成电，但分布参数的影响将加大，会造成电路不稳定。解决的方法采用部分接入的方式。路不稳定。解决的方法采用部分接入的方式。例例2.2.12.2.1 在图2.2.5中,已知工作频率 =30MHz,cc6,2mA。晶体管采用3DG47型NPN高频管，其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：，；，；，；回路电感14H,接入系数，回路空载品质因数 100，负载是另一级相同的放大器。求放大器的谐振电压增益 、通频带 ，且回路电容C取多少时，回路谐振？2.2.2解解：暂不考虑 的作用（）。根据已知条件可得 回路总电导 电压增益为2.2.2回路总电容故外加电容C通频带2.2.22.2.3 2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器多级单调谐回路谐振放大器 当多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上时，当多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上时，称为多级单调谐放大器。称为多级单调谐放大器。n n级放大器级联，则级放大器级联，则总电压增益的振幅值为：为：一、电压增益电压增益 若每一若每一级参数均相级参数均相同，则同，则谐振电压增益谐振电压增益 2.2.3（放大器多级级联动画）所以，单位谐振函数所以，单位谐振函数二、通频带二、通频带n n 级放大器的通频带级放大器的通频带由上式知，由上式知，级联的放大器级数越多，总增益 越大，但通频带 越窄。换句话说，当多级放大器带宽确定后，级数越多，要求每一级的带宽越宽。2.2.3 例例2.2.2 2.2.2 某中频放大器的通频带为某中频放大器的通频带为 6MHz6MHz，现，现采用两级或三级相同的单调谐放大器，对每一级放大采用两级或三级相同的单调谐放大器，对每一级放大器的通频带要求各是多少？器的通频带要求各是多少？解解：根据式(2.2.25)，当n=2时 所以要求每一级放大器的带宽同理，当n=3时，要求每一级放大器的带宽2.2.3三、矩形系数三、矩形系数n n级单调谐放大器的矩形系数为级单调谐放大器的矩形系数为由该表知，级联的放大器级数越多，虽有所改善，但效果不大。123456789109.954.83.753.43.23.13.02.942.922.92.56 由以上分析知，单调谐放大器的选择性差，增益和通频带的矛盾突出。改善放大器选择性和解决其增益与通频带之间的矛盾的有效方法之一是采用参差调谐放大器。2.2.3矩形系数与级数n的关系如下表所示：2.2.4 2.2.4 参差调谐放大器参差调谐放大器一、一、双参差调谐放大器双参差调谐放大器 所谓双参差调谐，是将两级单调谐回路放大器的谐所谓双参差调谐，是将两级单调谐回路放大器的谐振频率，分别调整到略高于和略低于信号的中心频率。振频率，分别调整到略高于和略低于信号的中心频率。图2.2.8 双参差调谐放大器的频率特性曲线(a)双参差调谐放大器的交流通路 (b)双参差调谐放大器的频率特性曲线2.2.4（参差调谐动画）两级放大器的谐振频率分别为两级放大器的谐振频率分别为 对于单个谐振电路而言，它是工作于失谐状态的。对于单个谐振电路而言，它是工作于失谐状态的。相应的广义参差相应的广义参差失谐量分别是失谐量分别是 参差调谐的综合频率特性与参差失谐量参差调谐的综合频率特性与参差失谐量 有关，即与有关，即与 有关。有关。平坦的情况。平坦的情况。）(愈大，则双峰的距离愈远，且中间愈大，则双峰的距离愈远，且中间下凹愈严重。下凹愈严重。2.2.4理论推导表明，当理论推导表明，当 时综合频率特性曲线为单峰；时综合频率特性曲线为单峰；时为双峰；时为双峰；为两者的分界线，相当于单峰中最为两者的分界线，相当于单峰中最二三参差调谐放大器二三参差调谐放大器 三参差调谐回路，是使其中的两级工作于参差调谐的三参差调谐回路，是使其中的两级工作于参差调谐的双峰状态，第三级调谐于双峰状态，第三级调谐于 。合成的谐振合成的谐振曲线就比较曲线就比较平坦。平坦。图2.2.9 三参差调谐放大器的频率特性曲线由合成谐振曲线可见：利用三参差调谐电路，并适当地由合成谐振曲线可见：利用三参差调谐电路，并适当地选择每个回路的有载品质因数选择每个回路的有载品质因数 和和 ，就可以获得双，就可以获得双参差调谐所不能得到的通频带。参差调谐所不能得到的通频带。2.2.4（三参差调谐动画）需要指出，由于参差调谐在需要指出，由于参差调谐在 处失谐，故其在处失谐，故其在 倍数小。可以证明它们有如下关系：倍数小。可以证明它们有如下关系：例如，设例如，设 ，则上式等于，则上式等于 即双参差调谐放大的谐振放大倍数等于调谐于同一即双参差调谐放大的谐振放大倍数等于调谐于同一频率的两级放大器的放大倍数的一半。频率的两级放大器的放大倍数的一半。2.2.4点的放大点的放大倍数倍数 要比调谐于同一频率的两级放大器的放大要比调谐于同一频率的两级放大器的放大