第2章高频小信号放大定课件.ppt

第第2章章 高频小信号放大电路高频小信号放大电路.概述概述.谐振放大器谐振放大器.宽频带放大器宽频带放大器.集集成成高高频频放放大大电电路路的的选选用用与与实实例介绍例介绍.章末小结章末小结2.1 概述概述高频小信号放大电路分类：窄频带放大和宽频带放大窄带放大的特点窄带放大的特点1、中心频率在几百千赫到几百兆赫。2、频谱宽度在几千赫到几十兆赫内。3、对微弱信号进行不失真放大（晶体管、场效应管或集成电路等有源器件）。4、具有选频能力（LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器）。5、以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。宽带放大的特点宽带放大的特点1、对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大。2、由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好,而且在电路结构上采取了一些改进措施。高频小信号放大电路1、线性放大。2、采用Y参数等效电路和混合型等效电路分析。3、晶体管、场效应管和电阻引起的电噪声将直接影响放大器和整个电子系统的性能。2.2 谐谐 振振 放放 大大 器器1、晶晶体体管管、场场效效应应管管或或集集成成电电路路与与并并联联谐谐振振回路组成高频小信号谐振放大器。回路组成高频小信号谐振放大器。2、用用于于广广播播、电电视视、通通信信、雷雷达达等等接接收收设设备备中中,其其作作用用是是将将微微弱弱信信号号进进行行线线性性放放大大并并滤滤除除噪噪声声和干扰信号。和干扰信号。3、主要指标是电压增益、主要指标是电压增益,通频带和矩形系数。通频带和矩形系数。用参数等效电路分析高频小信号谐振放大器用参数等效电路分析高频小信号谐振放大器。2.2.1单管单调谐放大器单管单调谐放大器1、电路组成：、电路组成：b、c耦合电容,e旁路电容。与组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载,谐振频率调谐在输入有用信号的中心频率上。电路特点电路特点 并联谐振回路与本级晶体管耦合采用自耦变压器耦合方式,这样可减弱晶体管输出导纳对回路的影响。负载与回路的耦合采用自耦变压器耦合和电容耦合方式,这样,既可减弱负载导纳对回路的影响,又可使前后级的直流供电电路分开。另外,也容易实现前后级之间的阻抗匹配。、电路性能分析、电路性能分析给出单管单调谐放大器的参数等效电路。忽略re。信号源用电流源与并联源导纳s表示,负载为相同的单调谐放大器,则用晶体管ie表示。单管单调谐放大器的电压增益为：先求与的关系式,然后求出与的关系,即可导出与之比,即电压增益。因为负载的接入系数为n2,晶体管的接入系数为n1,所以负载等效到回路两端的导纳为n22yie。设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为,则:据自耦变压器特性：可知：其中,YL=n21是等效到谐振回路两端的导纳,它包括回路本身元件L、C、ge0和负载导纳总的等效值,即:把此代入可得：其中g与C分别为谐振回路总电导和总电容:g=n21goe+n22gie+ge0;C=n21Coe+n22Cie+C谐振频率:回路有载值以上公式说明,考虑了晶体管和负载影响之后,放大器谐振频率与值均有变化。谐振频率处放大器的电压增益：其电压增益振幅由N(f)定义可知放大器电压增益振幅的另一种表达式由此式可知：单管单调谐放大器的单位谐振函数N(f)与其并联谐振回路的单位谐振函数相同,且都可以写成：因fe是复数,存在相角fe,则图2.2.1放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差180。据上述公式可知,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：(1)为了增大u0,应选取|yfe|大,oe小的晶体管。(2)为了增大u0,要求负载电导小,如果负载是下一级放大器,则要求其ie小。(3)回路谐振电导e0越小,u0越大。而e0取决于回路空载值0,与0成反比。(4)u0与接入系数1、2有关,但不是单调递增或单调递减关系。由于1和2还会影响回路有载值e,而e又将影响通频带,所以1与2的选择应全面考虑,选取最佳值。实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下,尽可能提高电压增益。单管单调谐放大器中,选频功能由单个并联谐振回路完成,所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同,其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响,比单个并联谐振回路加宽,因为有载Q值小于空载Q值。例2.1图2.2.1中,已知工作频率f030MHz,Vcc6,Ie2mA。晶体管采用3DG47型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：gie=12mS，Cie=12pF；goe=400S,Coe=95pF；|yfe|=583mS,fe=-22；|yre|=310S,re=-888,回路电感L=14H,接入系数n1=1,n2=0.3,Q0=100。负载是另一级相同的放大器。求：谐振电压增益振幅u0和通频带07，并求回路电容是多少时,才能使回路谐振？解：设不考虑yre，因为所以g=ge0+n21goe+n22gie=37.910-6+40010-6+0.321210-3=0.5510-3S从而因为又所以由可得：从对单管单调谐放大器的分析可知,其电压增益取决于晶体管参数、回路与负载特性及接入系数等,所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益,可采用多级放大器。2.3.2多级单调谐放大器多级单调谐放大器如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上,则称为多级单调谐放大器。设放大器有级,各级电压增益振幅分别为u1,u2,un,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积,即nu1u2un如果每一级放大器的参数结构均相同,则总电压增益振幅谐振频率处电压增益振幅单位谐振函数级放大器通频带由此可知,级相同单调谐放大器的总增益比单级放大器增益提高了,而通频带比单级放大器通频带缩小了,且级数越多,频带越窄。换句话说,如多级放大器的频带确定以后,级数越多,则要求其中每一级放大器的频带越宽。所以,增益和通频带的矛盾是一个严重的问题,特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说,这个问题更为突出。这一特性与低频多级放大器相同。例2.2某中频放大器的通频带为MHz,现采用两级或三级相同的单调谐放大器,两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？解:根据式（2321）,当n=2时,因为所以,要求每一级带宽同理,当时,要求每一级带宽据矩形系数定义,当0.1时,nn00.1,可得:则级单调谐放大器的矩形系数表表2.3.1 单调谐放大器矩形系数与级数的关系单调谐放大器矩形系数与级数的关系级数级数n n1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010矩形系矩形系数数K Kn01n01 9.959.954.904.903.743.743.403.403.203.203.103.103.003.002.932.932.892.892.852.852.562.56从表可知,当级数增加时,放大器矩形系数有所改善,但这种改善是有一定限度的,最小不会低于2.56。2.3.3谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性共射电路由于电压增益和电流增益都较大,所以是谐振放大器的常用形式。以上我们在讨论谐振放大器时,都假定了反向传输导纳re,即晶体管单向工作,输入电压可以控制输出电流,而输出电压不影响输入。实际上re0,即输出电压可以反馈到输入端,引起输入电流的变化,从而可能引起放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大,且在相位上满足正反馈条件,则会出现自激振荡。为了提高放大器的稳定性为了提高放大器的稳定性通常从两个方面着手通常从两个方面着手一、是从晶体管本身想办法一、是从晶体管本身想办法,减小其反减小其反向传输导纳向传输导纳re值。值。二、是从电路上设法消除晶体管的反向二、是从电路上设法消除晶体管的反向作用作用,使它单向化。使它单向化。具体方法有中和法具体方法有中和法与失配法。与失配法。re大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc（由混合型等效电路图可知,bc跨接在输入、输出端之间）,所以选晶体管时应尽量选bc小的,使反馈容抗增大,反馈作用减弱。中和法在晶体管输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路（中和电路）,以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。由于re的实部（反馈电导）通常很小,可以忽略,则常常只用一个电容N来抵消yre的虚部（反馈电容）的影响,就可达到中和的目的。为了使通过N的外部电流和通过bc的内部反馈电流相位相差,从而能互相抵消,通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器。由于re是随频率而变化的,所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用,对其它频率只能有部分中和作用.又因为re是一个复数,中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路,但这给调试增加了困难。另外,如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响,中和电路的效果很有限中和电路的效果很有限中和电路的效果很有限中和电路的效果很有限。图2.3.3（）所示为收音机常用的中和电路（）是其交流等效电路失配法通过增大负载电导L,进而增大总回路电导,使输出电路严重失配,输出电压相应减小,从而反馈到输入端的电流减小,对输入端的影响也就减小。可见,失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是常采用的一种失配法。由于共基电路的输入导纳较大,当它和输出导纳较小的共射电路连接时,相当于使共射电路的负载导纳增大而失配,从而使共射晶体管内部反馈减弱,稳定性大大提高。2.3 宽频带放大器宽频带放大器 宽宽频频带带放放大大器器既既要要有有较较大大的的电电压压增增益益,又又要要有有很很宽宽的的通通频频带带,所所以以常常用用电电压压增增益益A Au u和和通通频频带带BWBW的的乘乘积积作作为为衡衡量量其其性性能能的的重重要要指指标标,称称为为增增增增益益益益带带带带宽宽宽宽积积积积,写写成成GBW=GBW=A Auuf fH H。增增益益带带宽宽积积越越大大的的宽宽频频带带放放大大器器的性能越好。的性能越好。宽宽频频带带放放大大器器既既可可由由晶晶体体管管和和场场效效应应管管组组成成,也也可以由集成电路组成。可以由集成电路组成。在通信系统中，前置低噪放大器和混频器之后的中频放大器一般采用宽带小信号放大器。宽带放大器的晶体管特性一般采用混合型等效电路bb：基区体电阻,约。be：发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻,约几十欧到几千欧。bc：集电结电阻,约kM。ce：集电极发射极电阻,几十千欧以上。be：发射结电容,约皮法到几百皮法。bc：集电结电容,约几个皮法。m：晶体管跨导,几十毫西门子以下。由于集电结电容Cbc跨接在输入输出端之间,是双向传输元件,使电路分析复杂化。为了简化电路,可以把Cbc折合到输入端b、e之间,与电容Cbe并联,其等效电容为：CM=(1+gmRL)Cbc即把Cbc的作用等效到输入端,这就是密勒效应这就是密勒效应这就是密勒效应这就是密勒效应。其中gm是晶体管跨导,RL是考虑负载后的输出端总电阻,C CMM称为密勒电容称为密勒电容称为密勒电容称为密勒电容。另外,由于rce和rbc较大,一般可视其开路。这样可利用密勒效应简化高频混合型等效电路。其中k为波尔兹曼常数,T是电阻温度(以绝对温度K计量),IEQ是发射极静态电流,0是晶体管低频短路电流放大系数,fT是晶体管特征频率。确定晶体管混合型参数可以先查阅手册。晶体管手册中一般给出rbb、Cbc、0和fT等参数,然后根据此式可以计算出其它参数。注意各参数均与静态工作点有关。2.2.3晶体管的高频参数晶体管的高频参数考虑电容效应后,晶体管电流增益是工作频率的函数。1、共射晶体管截止频率、共射晶体管截止频率共射短路电流放大系数是指混合型等效电路输出交流短路时,集电极电流与基极电流的比值。从图可以知,当输出端短路后,rbe、Cbe和Cbc三者并联。其中：由此式可知,的幅值随频率的增高而下降。当下降到时,对应的频率定义为共射晶体管截止频率f。2、特征频率、特征频率fT当的幅值下降到1时,对应的频率定义为特征频率fT。3、共基晶体管截止频率、共基晶体管截止频率f共基短路电流放大系数是晶体管共基组态时的输出交流短路参数,其幅值也是随频率的增高而下降f定义为的幅值下降到时的频率。fT0f=gmrbeffT0fffT2.4.1单级差分宽频带放大器单级差分宽频带放大器集成宽频带放大器常采用单级或多级差分电路形式。由于单级共射电路可看成是单级差分电路的差模半电路,所以先分析单级共射电路的电压增益和通频带(用上限截止频率fH表示)。宽频带放大器中的晶体管特性适合采用混合型等效电路。下图(a)、(b)分别是共射电路的交流通路和高频等效电路。设R/L是交流负载，且其中：其中上限截止频率：差分电路的差分电压增益和上限截止频率上图是一个双端输入双端输出的差分放大电路，它的差模电压增益与单管共射电路的电压增益相同。此处上限截止频率增益带宽积例2.3在图2.4.2所示差分放大器中,V1管和V2管的参数相同,在IEQ=1mA时，均为0=100,rbb=50,Cbc=2pF,fT=200MHz。RC=2k，RL=10k。计算此差分放大器的差模电压增益、上限截止频率和增益带宽积。解:先求晶体管混合型参数。根据上述公式可以得出：rbe=(1+o)re=(1+100)26=2.6kRL=Rc/0.5RL=2k/5k1.43k2.3.1展宽放大器频带的方法展宽放大器频带的方法在实际宽频带放大电路中,要展宽通频带,即要提高上限截止频率,主要有组合法和反馈法两种方法。1、组合电路法、组合电路法在集成宽频带放大器中广泛采用共射-共基组合电路,如图2.4.4所示。共射电路的电流增益和电压增益都较大,是放大器最常用的一种组态。但它的上限截止频率较低,从而带宽受到限制,这主要是由于密勒效应的缘故。从上可知,集电结电容Cbc等效到输入端以后,电容值增加为原来的(1+gmR/L)倍。虽然Cbc数值很小,一般仅几个皮法,但M一般却很大。密勒效应使共射电路输入电容增大,容抗减小,且随频率的增大容抗更加减小,因此高频性能降低在共基电路和共集电路中,bc或者处于输出端,或者处于输入端,无密勒效应,所以上限截止频率远高于共射电路。在图2.4.4所示共射共基组合电路中,上限频率由共射电路的上限截止频率决定。利用共基电路输入阻抗小的特点,将它作为共射电路的负载,使共射电路输出总电阻L大大减小,进而使密勒电容M大大减小,高频性能有所改善,从而有效地扩展了共射电路亦即整个组合电路的上限截止频率。由于共射电路负载减小,所以电压增益减小但这可以由电压增益较大的共基电路进行补偿。而共射电路的电流增益不会减小,因此整个组合电路的电流增益和电压增益都较大。集成电路可用共射共基差分对电路。图示国产宽带放大器集成电路（国外,）采用了这种电路,它的带宽可达到z。该电路由V1、V3（或V4）与V2、V6(或V5)组成共射共基差分对,输出电压特性由外电路控制。如外电路使b2,b1时,V8和V4、V5截止,信号电流由V1、V2流入V3、V6后输出。如外电路使b1,b2时,V7和V3、V6截止,信号电流由V1、V2流入V4、V5后输出,输出极性与第一种情况相反。如外电路使b1b2时,通过负载的电流则互相抵消,输出为零。e用于高频补偿,因高频时容抗减小,发射极反馈深度减小,使频带展宽。此集成电路常用作350MHz以上宽带示波器的高频、中频和视频放大。采用共集共基,共集共射等组合电路也可以提高上限截止频率。例2.4已知晶体管混合型参数与例2.3中相同,分别求出图例2.4(a)、(b)所示共射共基电路和单管共射电路的电压增益和上限截止频率。交流负载/L=15k。解:先求共射共基电路的电压增益和上限截止频率。共射共基电路的交流等效电路如图例2.4(c)所示,其中虚线框内是共基电路混合型等效电路。其中注意：此时共射电路的输出端负载电阻是re。因为其中是共射电路输出电压或共基电路输入电压，所以其中代入已知各参数,可求得：f1f2,f1f3因为因为gm,所以共射共基电路的电压增益幅值与单级共射电路大致相同,上限截止频率提高为单级共射电路的4倍多。、负反馈法、负反馈法调节负反馈电路中的某些元件参数,可以改变反馈深度,从而调节负反馈放大器的增益和频带宽度。如果以牺牲增益为代价,可以扩展放大器的频带,其类型可以是单级负反馈,也可以是多级负反馈。单管负反馈放大器可以采用电流串联和电压并联两种反馈电路,其交流等效电路分别如图2.4.6（）、（）所示。其中电流串联负反馈电路的特点是输入、输出阻抗高,所以适合与低内阻的信号电压源连接。电压并联负反馈电路的特点是输入、输出阻抗低,所以适合与高内阻的信号电流源连接在集成电路里,用差分电路代替单管电路,将电流串联负反馈电路和电压并联负反馈电路级联,可提高上限截止频率。图2.4.7所示集成宽带放大电路中,V1、V2组成电流串联负反馈差分放大器,V3V6组成电压并联负反馈差分放大器(其中V5和V6兼作输出级),V7V11为恒流源电路。改变第一级差放的负反馈电阻,可调节整个电路的电压增益。将引出端和短接,增益可达400倍；将引出端10和短接,增益可达100倍。各引出端均不短接,增益为10倍。以上三种情况下的上限截止频率依次为40MHz,90MHz和120MHz。图2.4.8是F733用作可调增益放大器的典型接法。图中电位器R是用于调节电压增益和带宽的。当R调到零时,与短接,片内V1与V2发射极短接,增益最大,上限截止频率最低；当R调到最大时,片内V1与V2发射极之间共并联了5个电阻,即片内R3,R4,R5,R6和外接电位器R,这时交流负反馈最强,增益最小,上限截止频率最高。可见,这种接法使得电压增益和带宽连续可调。