高频小信号放大器 (2).ppt

第第2 2章章 高频小信号放大器高频小信号放大器第二章 高频小信号放大器高高 频：频：被放大信号的频率为几百被放大信号的频率为几百KHz几百几百MHz So:晶体管、场效应管的极间电容不能被忽略晶体管、场效应管的极间电容不能被忽略小信号：小信号：输入信号小输入信号小 So：认为放大器的晶体管工作在线性范围内。认为放大器的晶体管工作在线性范围内。功功 能能：实现对微弱的高频信号的不失真放大。：实现对微弱的高频信号的不失真放大。（频谱不变）（频谱不变）2.1 2.1 概述概述 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器（high frequency small signal amplifiers）用途：用途：用作接收机的高频放大器和中频放大器用作接收机的高频放大器和中频放大器第二章 高频小信号放大器有源放大元件有源放大元件选频网选频网络络高频小信号调谐放大器组成框图高频小信号调谐放大器组成框图晶体管晶体管场效应管场效应管集成运放集成运放LC谐振谐振晶体、陶瓷、声表面波晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器等固体滤波器第二章 高频小信号放大器有源器件是什么有源器件是什么？选频网络在哪？选频网络在哪？输入输出在哪？输入输出在哪？负载是什么？负载是什么？负载抽头有何意义负载抽头有何意义？第二章 高频小信号放大器放大器放大器特点特点工作频率高，中心频率几百工作频率高，中心频率几百KHz-几百几百MHz具有选频特性，一般负载采用谐振回路具有选频特性，一般负载采用谐振回路晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用双端网晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用双端网络参数微变等效电路来分析。络参数微变等效电路来分析。按按所用负载的性质所用负载的性质分为分为谐振放大器和非谐振放大器。谐振放大器和非谐振放大器。谐振放大器谐振放大器采用谐振回路作为负载的放大器，具有采用谐振回路作为负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。放大、滤波和选频的作用。非谐振放大器非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器组成，其由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。机构简单，便于集成。第二章 高频小信号放大器按按所使用的器件所使用的器件分为分为晶体管放大器晶体管放大器 场效应管放大器场效应管放大器 集成电路放大器集成电路放大器按按所放大信号的频谱宽窄所放大信号的频谱宽窄分为分为 窄带放大电路窄带放大电路：中心频率：几百中心频率：几百KHz几百几百MHz,频谱宽度：几频谱宽度：几KHz几几MHz 故故不但需要有一定的电压增益不但需要有一定的电压增益,而且需要有选频能力。而且需要有选频能力。宽带放大电路宽带放大电路：频谱宽度：几频谱宽度：几MHz几百几百MHz 故故要求放大电路的下限截止频率很低要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流有些要求到零频即直流),上限截止频率很高。上限截止频率很高。按按电路形式电路形式分为分为单级放大器和级联放大器。单级放大器和级联放大器。第二章 高频小信号放大器2.2 技术指标技术指标 1.电压增益与功率增益电压增益与功率增益-Au，Ap 3.矩形系数矩形系数-K0.1 越接近于越接近于1，选择性越好，选择性越好 选择性：从各种不同频率的信号总和中选出有用信号，抑制选择性：从各种不同频率的信号总和中选出有用信号，抑制干扰信号的能力。干扰信号的能力。2.通频带通频带-B=2B0.7（或（或f0.7)放大器所放大的一般都是已调信号，已调信号都包含一定谱宽度，放大器所放大的一般都是已调信号，已调信号都包含一定谱宽度，因此要有一定通频带。通频带取决于回路的形式和因此要有一定通频带。通频带取决于回路的形式和QL。并且通频带越宽，。并且通频带越宽，放大器增益越小。放大器增益越小。选择性选择性选出有用信号选出有用信号抑制干扰抑制干扰2 D D f0.112 D D f0.7K0.1=第二章 高频小信号放大器4.工作稳定性工作稳定性 5.噪声系数噪声系数-NF指放大器的工作点、晶体管参数、电路元件参数变时，指放大器的工作点、晶体管参数、电路元件参数变时，放大器的上述三参数的稳定程度。放大器的上述三参数的稳定程度。在高频端，晶体管的在高频端，晶体管的C Cb bc c存在，可能引起自激。而低频存在，可能引起自激。而低频时容抗很大，可以认为开路。时容抗很大，可以认为开路。希望放大器本身产生的噪声越小越好，要求噪声系数接希望放大器本身产生的噪声越小越好，要求噪声系数接近近1。第二章 高频小信号放大器以上这些要求相互之间即有联系又有矛盾，故根据以上这些要求相互之间即有联系又有矛盾，故根据需要决定主次，需要决定主次，eg:增益和稳定性；通频带和选择性增益和稳定性；通频带和选择性等。等。第二章 高频小信号放大器3.3.各类滤波器幅频特性各类滤波器幅频特性低通，高通，带通，带阻低通，高通，带通，带阻2.3 滤波器（选频回路）的分类及功能滤波器（选频回路）的分类及功能1 1、滤波器的功能、滤波器的功能:根据某一特定的性能要求实现对信号的频谱进行根据某一特定的性能要求实现对信号的频谱进行选择处理的电路。选择处理的电路。2.2.分类：分类：按频率特性分：低通、高通、带通和带阻滤波器按频率特性分：低通、高通、带通和带阻滤波器按所用器件分：无源和有源滤波器按所用器件分：无源和有源滤波器第二章 高频小信号放大器2.3.1 LC串并联谐振回路的特性串并联谐振回路的特性 阻抗特性：阻抗特性：时，呈容性时，呈容性 时，纯电阻时，纯电阻 时，呈感性时，呈感性 电压特性电压特性：谐振时电感线圈和电容两端的电压模值相等：谐振时电感线圈和电容两端的电压模值相等 (方向相反方向相反)，且等于外加电压的，且等于外加电压的QL倍。即倍。即 电流特性电流特性:谐振时流过回路的电流的最大谐振时流过回路的电流的最大品质因数品质因数:其中其中 为特性阻抗为特性阻抗 谐振频率谐振频率：1、LC串联谐振回路串联谐振回路第二章 高频小信号放大器 阻抗特性阻抗特性：时，呈感性 时，纯电阻 时，呈容性2、LC并联谐振回路并联谐振回路谐振频率谐振频率：电流特性电流特性：谐振时流过电感线圈和电容的电流模值相等：谐振时流过电感线圈和电容的电流模值相等(方向相反方向相反)且等于外加电流源的且等于外加电流源的 倍。即倍。即 电压特性电压特性:谐振时回路的输出电压最大谐振时回路的输出电压最大品质因数品质因数:其中其中 为特性阻抗第二章 高频小信号放大器 三极管三极管直接并联在直接并联在LC回路中存在的问题：回路中存在的问题：谐振回路谐振回路Q值下降，通频带增宽，选择性变差。值下降，通频带增宽，选择性变差。影响中心频率影响中心频率f0，且稳定性变差。，且稳定性变差。阻抗不匹配阻抗不匹配 采用采用并联谐振回路并联谐振回路作为放大器的负载：作为放大器的负载：完成完成选频选频功能；功能；为完成为完成阻抗变换阻抗变换的功能，一般采用的功能，一般采用部分接入部分接入的的方式方式2.3.2 并联谐振回路的耦合连接与阻抗变换并联谐振回路的耦合连接与阻抗变换第二章 高频小信号放大器2.4 晶体管的高频小信号等效模型晶体管的高频小信号等效模型双口网络双口网络:具有两个端口的网络具有两个端口的网络四端网络四端网络外部结构与双口网络相同外部结构与双口网络相同,但对流入流出电流没有但对流入流出电流没有类似的规定类似的规定,这是两者的区别。这是两者的区别。端口端口:指一对端钮指一对端钮,流入其中一个端钮的电流总是等于流流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。出另一个端钮的电流。第二章 高频小信号放大器双口网络在每一个端口都只有双口网络在每一个端口都只有一个电流变量一个电流变量和和一个电压变量一个电压变量,因此共有四个端口变量。因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自变量如设其中任意两个为自变量,其余两个为应变量其余两个为应变量,则共有六种则共有六种组合方式组合方式,也就是有也就是有六组六组可能的方程用以表明双口网络端口变可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系量之间的相互关系参数方程就是其中的一组参数方程就是其中的一组,它是选取各端口的电压为自变量它是选取各端口的电压为自变量,电流为应变量。电流为应变量。晶体管的高频小信号等效电路主要有两种表示方法：晶体管的高频小信号等效电路主要有两种表示方法：物理模型物理模型等效电路：混合等效电路：混合参数等效电路。参数等效电路。网络参数网络参数等效电路：等效电路：y 参数等效电路。参数等效电路。高频中常采用高频中常采用Y参数等效电路参数等效电路。因晶体管是电流受控元件，输入输出端都有电流，采用因晶体管是电流受控元件，输入输出端都有电流，采用Y参数系较参数系较方便方便;另外很多导纳的并联可直接相加，使运算简单。另外很多导纳的并联可直接相加，使运算简单。第二章 高频小信号放大器yiyoyru2yfu1+u1-+u2-i1i2+U1-+U2-i1i2设电压设电压u1和和u2为为自变量自变量，电流电流i1和和i2为为参数量参数量，可得可得Y参数系的约束方程：参数系的约束方程：1.Y参数等效电路参数等效电路第二章 高频小信号放大器yiyoyru2yfu1+u1-+u2-i1i2第二章 高频小信号放大器受控电流源受控电流源:yrU2：输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）：输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）yfU1：输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）：输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）f越大越大,表示晶体管的放大能力越强；表示晶体管的放大能力越强；r越大越大,表示晶体管的内部反馈越强。表示晶体管的内部反馈越强。r的的存存在在,对对实实际际工工作作带带来来很很大大危危害害,是是谐谐振振放放大大器器自自激激的的根根源源,同同时时也也使使分分析析过过程程变变得得复复杂杂,因因此此应应尽尽可可能能使使其其减减小小,或削弱它的影响。或削弱它的影响。yiyoyru2yfu1第二章 高频小信号放大器Y参数的物理意义参数的物理意义 输入导纳输入导纳 输入电压对输入电流的控制作用。输入电压对输入电流的控制作用。正向传输导纳正向传输导纳 输入电压对输出电流的控制作用输入电压对输出电流的控制作用反向传输导纳反向传输导纳 晶体管输出电压对输入端的反作用晶体管输出电压对输入端的反作用输出导纳输出导纳 输出电压对输出电流的控制作用输出电压对输出电流的控制作用yiyoyru2yfu1第二章 高频小信号放大器*对于共基接法对于共基接法，y参数用参数用 表示，则表示，则:*对于共集接法对于共集接法，y参数用参数用 表示，则表示，则:第二章 高频小信号放大器参数法从测量和使用的角度出发参数法从测量和使用的角度出发,把晶体管作为一个把晶体管作为一个有源线性双口网络有源线性双口网络,用一组网络参数构成其等效电路。用一组网络参数构成其等效电路。优点优点：导出的表达式具有普遍意义：导出的表达式具有普遍意义,分析测量方便。分析测量方便。缺点：缺点：网络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大网络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器相对频带较窄器相对频带较窄,一般仅需考虑谐振频率附近的特性一般仅需考虑谐振频率附近的特性,因而采用这种分析方法较合适。因而采用这种分析方法较合适。晶体管参数获取方法：晶体管参数获取方法：测量、查阅晶体管手册。测量、查阅晶体管手册。测测量量方方法法：分分别别使使输输出出端端或或输输入入端端交交流流短短路路,在在另另一一端端加加上上直直流流偏偏压压和和交交流流信信号号,然然后后测测量量其其输输入入端端或或输输出端的交流电压和交流电流出端的交流电压和交流电流,代入式中可求。代入式中可求。第二章 高频小信号放大器CberbbCbcrbcrbeubercegm ubeeb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm ube把晶体管内部的物理过程用集中元器件把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表示物理模拟模型表示物理模拟模型第二章 高频小信号放大器:基区纵向电阻。几十基区纵向电阻。几十 100，基区很薄，相，基区很薄，相对发射区和集电区很大。对发射区和集电区很大。:结电阻。结电阻。较小较小 几十几十几百几百,:结电容，结电容，较大较大，100pf500pf。:结电容，结电容，很小很小。2pf10pf发发射射结结正正偏偏集集电电结结反反偏偏:结电阻，结电阻，很大很大。100K100M:受控电流源，而受控电流源，而 ，称为跨导，单位为，称为跨导，单位为 S。:极间电阻，极间电阻，很大很大。几十。几十K 第二章 高频小信号放大器 混合混合参数法是从模拟晶体管的物理机构出发参数法是从模拟晶体管的物理机构出发,用集中参数元件、和受控源来表示管内的复杂关用集中参数元件、和受控源来表示管内的复杂关系。系。优优 点点:各元件参数物理意义明确各元件参数物理意义明确,在较宽的频在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。带内元件值基本上与频率无关。缺缺 点点:随器件不同而有不少差别随器件不同而有不少差别,分析和测量分析和测量不方便。因而混合不方便。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。带小信号放大器。第二章 高频小信号放大器CberbbCbcrbcrbeubercegm ube3.Y参数与参数与参数转换参数转换rce很大，认为是开路，不计。很大，认为是开路，不计。第二章 高频小信号放大器（一）令（一）令V2=0，求，求yie第二章 高频小信号放大器（二）令（二）令V2=0，求，求yfe因为因为V1小，所以小，所以V1引起的引起的I小，可以忽略。小，可以忽略。第二章 高频小信号放大器（三）令（三）令V1=0，求，求yre第二章 高频小信号放大器（四）令（四）令V1=0，求，求yoe见书p21第二章 高频小信号放大器1（1）截止频率）截止频率f（2）特征频率）特征频率fT4.晶体管的高频参数晶体管的高频参数第二章 高频小信号放大器（3）最高振荡频率）最高振荡频率fmax 通常，为使电路工作稳定，且有一定的功率增益，晶体管通常，为使电路工作稳定，且有一定的功率增益，晶体管的实际工作频率应等于的实际工作频率应等于fmax的的1/31/4。第二章 高频小信号放大器45123R1R2ReyLCbCeCB1B2TLEc2.5单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器R1R2ReEc32154B1B2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管电路图电路图第二章 高频小信号放大器45123R1R2ReyLCbCeCB1B2TLEc32154B1B2CLyLT第二章 高频小信号放大器32154yieyoe yreuce yfeubeCyLLib+ube-iC+uce-YiSo：放大器的输入导纳：放大器的输入导纳Yi不仅与晶体管的输入导不仅与晶体管的输入导纳纳Yie有关，而且还与放有关，而且还与放大器的负载大器的负载YL有关。有关。原因：原因：Yre的存在的存在1 放大器输入导纳放大器输入导纳Yi第二章 高频小信号放大器yoeyfeubeyreuceyieYSyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSyfeubeyoeyreuceyieYSiC2 放大器输出导纳放大器输出导纳Yo第二章 高频小信号放大器yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoe第二章 高频小信号放大器3 3 指标指标11电压增益电压增益第二章 高频小信号放大器第二章 高频小信号放大器第二章 高频小信号放大器其中：其中：So:一般情况下，谐振时，输出电压与输入电压之间的相位差并不是一般情况下，谐振时，输出电压与输入电压之间的相位差并不是180；当工作频率远低于晶体管特征频率时，可以认为相位差是当工作频率远低于晶体管特征频率时，可以认为相位差是180。第二章 高频小信号放大器3 3 指标指标22功率增益功率增益前提：忽略yre谐振时忽略g0，且晶体管输出阻抗与负载阻抗匹配时，晶体管可输出最大功率若gie2=gie中间项为失配损失，后一项为插入损耗第二章 高频小信号放大器1B3 3 指标指标33通频带通频带第二章 高频小信号放大器1、当、当yfe确定，确定，p1和和p2不变时，不变时，Au0只取决于只取决于C 和和2 f0.7的的乘积，电容越大，通频带越宽，乘积，电容越大，通频带越宽，Au0越小。越小。2、为了获得高增益，宽频带，除了选用、为了获得高增益，宽频带，除了选用yfe较大的晶体较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容管外，应该尽量减小谐振回路的总电容C，但是这样会，但是这样会导致系统的稳定性变差。导致系统的稳定性变差。3、对于宽带而言，要使、对于宽带而言，要使Au0尽量大，谐振曲线不稳定是尽量大，谐振曲线不稳定是次要的，因为频带很宽；对于窄带放大器，次要的，因为频带很宽；对于窄带放大器，C 尽量大，尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。真）。第二章 高频小信号放大器1B3 3 指标指标33通频带（续）通频带（续）第二章 高频小信号放大器13 3 指标指标44矩形系数矩形系数第二章 高频小信号放大器例：例：图图中所示的中所示的单调谐单调谐回路放大器中，工作回路放大器中，工作频频率率为为10MHz，晶体管参数，晶体管参数:|yfe|=58.3mS，gie=1.2mS，Cie=12pF，goe=400S，Coe=9.5pF，回路，回路电电感感L=1.4H，接入系数，接入系数p1=0.9，p2=0.3，空，空载载品品质质因数因数Q0=100。假。假设设yre=0，求：，求：1）谐谐振振时电压时电压增益增益Au0；功率增益；功率增益Ap2）谐谐振回路振回路电电容容C之之值值；3）通）通频带频带2f0.7；4）若）若R4=10k，试试比比较较并并联联R4前后的通前后的通频带频带和增益。和增益。第二章 高频小信号放大器第二章 高频小信号放大器2.6 多级单调谐放大器多级单调谐放大器Au1Au2Aun第二章 高频小信号放大器第二章 高频小信号放大器例例 某某中中频频放放大大器器的的通通频频带带为为MHz,现现采采用用两两级级或或三三级级相相同同的的单单调调谐谐放放大大器器,两两种种情情况况下下对对每每一一级级放放大大器器的的通通频频带带要要求求各各是多少？是多少？所以所以,要求每一级带宽要求每一级带宽同理同理,当时当时,要求每一级带宽要求每一级带宽解解:当当n=2时时,因为因为第二章 高频小信号放大器(2)n级放大器的矩形系数级放大器的矩形系数 级数n12345678910矩形系数Kn01 9.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56第二章 高频小信号放大器可可知知:级级相相同同的的单单调调谐谐放放大大器器的的总总增增益益比比单单级级放放大大器器的的增增益益提提高高了了,而而通通频频带带比比单单级级放放大大器器的的通通频频带带缩缩小小了了,且级数越多且级数越多,频带越窄。频带越窄。In another word：如如多多级级放放大大器器的的频频带带确确定定以以后后,级级数数越越多多,则则要要求求其其中中每每一一级级放放大大器器的的频频带带越越宽宽。所所以以,增增益益和和通通频频带带的的矛矛盾盾是是一一个个严严重重的的问问题题,特特别别是是对对于于要要求求高高增增益益宽宽频频带带的的放放大大器器来来说说,这这个个问问题题更更为为突突出出。这这一一特性与低频多级放大器相同。特性与低频多级放大器相同。