Y--小信号谐振放大器.ppt

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1、3.1 概述概述3.2 晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路3.3 谐振放大器谐振放大器3.4 宽频带放大器宽频带放大器3.5 集中选频放大器集中选频放大器3.6 电噪声电噪声3.7 集成高频放大电路的选用与实例介绍集成高频放大电路的选用与实例介绍3.8 章末小结章末小结 第第3章章 高频小信号放大电路高频小信号放大电路第第3章章 高频小信号放大电路高频小信号放大电路3.1 概述概述什么是高频小信号放大器？什么是高频小信号放大器？放放大大高高频频小小信信号号（中中心心频频率率在在几几百百kHz到到几几百百MHz，频频谱谱宽宽度度在在几几kHz到到几几十十MHz的的范范围围）的的放放大大器器，称

2、称为为高高频频小小信信号号放大器。放大器。按照所用器件，可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器；按照所用器件，可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器；按照通过的频谱宽度，可分为窄带放大器、宽带放大器；按照通过的频谱宽度，可分为窄带放大器、宽带放大器；按照电路形式，可分为单级和级联放大器；按照电路形式，可分为单级和级联放大器；按照所用负载性质，可分为谐振放大器和非谐振放大器。按照所用负载性质，可分为谐振放大器和非谐振放大器。谐振放大器：采用谐振回路（串并联及谐振放大器：采用谐振回路（串并联及耦合回路）作负载的放大器。耦合回路）作负载的放大器。谐振放大器不仅有放大作用，也有滤波谐振放大器不仅有放大

3、作用，也有滤波或选频作用。或选频作用。高高频频小小信信号号放放大大电电路路分分为为窄窄频频带带放放大大电电路路和和宽宽频频带带放放大大电电路路两两大大类类。前前者者对对中中心心频频率率在在几几百百千千赫赫到到几几百百兆兆赫赫,频频谱谱宽宽度度在在几几千千赫赫到到几几十十兆兆赫赫内内的的微微弱弱信信号号进进行行不不失失真真的的放放大大,故故不不但但需需要要有有一一定定的的电电压压增增益益,而而且且需需要要有有选选频频能能力力。后后者者对对几几兆兆赫赫至至几几百百兆兆赫赫较较宽宽频频带带内内的的微微弱弱信信号号进进行行不不失失真真的的放放大大,故故要要求求放放大大电电路路的的下下限限截截止止频频率

4、率很很低低(有有些些要要求求到到零零频频即即直直流流),上上限限截截止止频频率很高。率很高。窄窄频频带带放放大大电电路路由由双双极极型型晶晶体体管管(以以下下简简称称晶晶体体管管)、场场效效应应管管或或集集成成电电路路等等有有源源器器件件提提供供电电压压增增益益,LC谐谐振振回回路路、陶陶瓷瓷滤滤波波器器、石石英英晶晶体体滤滤波波器器或或声声表表面面波波滤滤波波器器等等器器件件实实现现选选频频功功能能。它它有有两两种种主主要要类类型型：以以分分立立元元件件为为主主的的谐谐振振放放大大器器和和以以集集成电路为主的集中选频放大器。成电路为主的集中选频放大器。宽宽频频带带放放大大电电路路也也是是由由

5、晶晶体体管管、场场效效应应管管或或集集成成电电路路提提供供电电压压增增益益。为为了了展展宽宽工工作作频频带带,不不但但要要求求有有源源器器件件的的高高频频性性能能好好,而且在电路结构上采取了一些改进措施。而且在电路结构上采取了一些改进措施。衡量高频小信号放大器的主要性能指标衡量高频小信号放大器的主要性能指标：（1）电压增益与功率增益电压增益与功率增益电电压压增增益益等等于于输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之比比；功功率率增增益益等等于于放放大大器器输出给负载的功率与输入功率之比。输出给负载的功率与输入功率之比。（2）通频带通频带放放大大器器的的电电压压增增益益下下降降到到最最大大值值的的

6、 倍倍时时，所所对对应应的的频频带带宽度，也称宽度，也称-3dB带宽，常用带宽，常用 表示，也有用表示，也有用BW表示的。表示的。（3）矩形系数矩形系数表表征征放放大大器器选选择择性性好好坏坏的的一一个个参参量量。理理想想的的频频带带放放大大器器应应该该对对通通频频带带内内的的频频谱谱分分量量有有同同样样的的放放大大能能力力，而而对对通通频频带带以以外外的的频频谱谱分分量量要要完完全全抑抑制制。所所以以理理想想的的频频带带放放大大器器的的频频响响曲曲线线应应是是矩矩形。但实际的频响曲线与矩形有较大的差异。形。但实际的频响曲线与矩形有较大的差异。矩形系数用来表示实际响应曲线接近理想矩形的程度，用

7、矩形系数用来表示实际响应曲线接近理想矩形的程度，用 表示。表示。是是放放大大器器的的电电压压增增益益下下降降到到最最大大值值的的0.1倍倍时时所所对对应应的的频带宽度。频带宽度。（4）工作稳定性工作稳定性指指放放大大器器的的直直流流偏偏置置、晶晶体体管管参参数数、电电路路元元件件参参数数等等发发生生可可能能变变化化时时，放放大大器器的的主主要要性性能能的的稳稳定定程程度度。一一般般的的不不稳稳定定现现象象是是增增益益变变化化、中中心心频频率率偏偏移移、通通频频带带变变化化、谐谐振振曲曲线线变变形形等等，极极端情况是自激。端情况是自激。（5）噪声系数噪声系数表表征征放放大大器器的的噪噪声声性性能

8、能好好坏坏的的一一个个参参量量。希希望望噪噪声声越越小小越越好好，噪声系数接近于噪声系数接近于1。高高频频小小信信号号放放大大电电路路是是线线性性放放大大电电路路。Y参参数数等等效效电电路路和和混混合合型型等等效效电电路路是是分分析析高高频频晶晶体体管管电电路路线线性性工工作作的的重重要要工工具具,晶晶体体管管、场场效效应应管管和和电电阻阻引引起起的的电电噪噪声声将将直直接接影影响响放放大大器器和和整整个个电电子子系系统统的的性性能能。本本章章将将讨讨论论这这两两部部分分内内容容，他他们们是是高高频频电电路的基础。路的基础。3.2 晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路晶晶体体管管在在高高频频线

9、线性性运运用用时时常常采采用用两两种种等等效效电电路路进进行行分分析析,一是一是混合混合型等效电路型等效电路,一是一是参数等效电路参数等效电路。前前者者是是从从模模拟拟晶晶体体管管的的物物理理机机构构出出发发,用用集集中中参参数数元元件件、和和受受控控源源来来表表示示管管内内的的复复杂杂关关系系。优优点点是是各各元元件件参参数数物物理理意意义义明明确确,在在较较宽宽的的频频带带内内元元件件值值基基本本上上与与频频率率无无关关。缺缺点点是是随随器器件件不不同同而而有有不不少少差差别别,分分析析和和测测量量不不方方便便。因因而而混混合合型型等等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。效电路法较适合

10、于分析宽频带小信号放大器。参参数数法法则则是是从从测测量量和和使使用用的的角角度度出出发发,把把晶晶体体管管作作为为一一个个有有源源线线性性双双口口网网络络,用用一一组组网网络络参参数数构构成成其其等等效效电电路路。优优点点是是导导出出的的表表达达式式具具有有普普遍遍意意义义,分分析析和和测测量量方方便便。缺缺点点是是网网络络参参数数与与频频率率有有关关。由由于于高高频频小小信信号号谐谐振振放放大大器器相相对对频频带带较较窄窄,一一般般仅仅需需考考虑虑谐谐振振频频率率附附近近的的特特性性,因因而而采采用用这这种种分分析析方方法较合适。法较合适。3.2.1 混合混合型等效电路型等效电路图图321

11、是晶体管高频共发射极混合是晶体管高频共发射极混合型等效电路。型等效电路。图中各元件名称及典型值范围如下：图中各元件名称及典型值范围如下：bb：基区体电阻基区体电阻,约约。be：发发射射结结电电阻阻re折折合合到到基基极极回回路路的的等等效效电电阻阻,约约几几十十欧到几千欧。欧到几千欧。bc：集电结电阻集电结电阻,约约kM。ce：集电极集电极发射极电阻发射极电阻,几十千欧以上。几十千欧以上。Cbe：发射结电容发射结电容,约约 皮法到几百皮法。皮法到几百皮法。Cbc：集电结电容集电结电容,约几个皮法。约几个皮法。m：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。由由于于集集电电结结电电

12、容容C bc跨跨接接在在输输入入输输出出端端之之间间,是是双双向向传传输输元元件件,使使电电路路的的分分析析复复杂杂化化。为为了了简简化化电电路路,可可以以把把C bc折折合合到输入端到输入端b、e之间之间,与电容与电容C be并联并联,其等效电容为：其等效电容为：CM=(1+gmRL)Cbc (3.2.1)即即把把Cbc的的作作用用等等效效到到输输入入端端,这这就就是是密密勒勒效效应应。其其中中gm是是晶晶体体管管跨跨导导,RL是是考考虑虑负负载载后后的的输输出出端端总总电电阻阻,CM称称为为密密勒勒电容。电容。另外另外,由于由于rce和和rbc较大较大,一般可以将其开路。这样一般可以将其开

13、路。这样,利利用密勒效应后的简化高频混合用密勒效应后的简化高频混合型等效电路如图型等效电路如图3.2.2所示。所示。re=rbe=(1+0)reCbe+Cbc=与各参数有关的公式如下：与各参数有关的公式如下：(3.2.2)其其中中k为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数,T是是电电阻阻温温度度(以以绝绝对对温温度度K计计量量),IEQ是是发发射射极极静静态态电电流流,0是是晶晶体体管管低低频频短短路路电电流流放放大大系系数数,fT是晶体管特征频率。是晶体管特征频率。确确定定晶晶体体管管混混合合型型参参数数可可以以先先查查阅阅手手册册。晶晶体体管管手手册册中中一一般般给给出出r bb、Cbc、0和和fT等

14、等参参数数,然然后后根根据据式式(3.2.2)可可以以计算出其它参数。计算出其它参数。注意各参数均与静态工作点有关。注意各参数均与静态工作点有关。3.2.2参数等效电路参数等效电路图图3.2.3是双口网络示意图。是双口网络示意图。双双口口网网络络即即具具有有两两个个端端口口的的网网络络。所所谓谓端端口口是是指指一一对对端端钮钮,流流入入其其中中一一个个端端钮钮的的电电流流总总是是等等于于流流出出另另一一个个端端钮钮的的电电流流。而而四四端端网网络络虽虽然然其其外外部部结结构构与与双双口口网网络络相相同同,但但对对流流入入流流出出电电流没有类似的规定流没有类似的规定,这是两者的区别。这是两者的区

15、别。对对于于双双口口网网络络,在在其其每每一一个个端端口口都都只只有有一一个个电电流流变变量量和和一一个个电电压压变变量量,因因此此共共有有四四个个端端口口变变量量。如如设设其其中中任任意意两两个个为为自自变变量量,其其余余两两个个为为应应变变量量,则则共共有有六六种种组组合合方方式式,也也就就是是有有六六组可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。组可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。参参数数方方程程就就是是其其中中的的一一组组,它它是是选选取取各各端端口口的的电电压压为为自自变量变量,电流为应变量电流为应变量,其方程如下：其方程如下：其中11、12、21、22四个参数

16、均具有导纳量纲,且:所以参数又称为短路导纳参数,即确定这四个参数时必须使某一个端口电压为零,也就是使该端口交流短路。现以共发射极接法的晶体管为例,将其看作一个双口网络,如图324所示,相应的参数方程为：(3.2.3)正向传输导纳反向传输导纳输出导纳其中,输入导纳（3.2.4)(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7)图图中中受受控控电电流流源源 表表示示输输出出电电压压对对输输入入电电流流的的控控制制作作用用（反反向向控控制制）；表表示示输输入入电电压压对对输输出出电电流流的的控控制制作作用用（正正向向控控制制）。正正向向传传输输导导纳纳fe越越大大,表表示示晶晶体体管管的的放放大大能能力力越

17、越强强；反反向向传传输输导导纳纳re越越大大,表表示示晶晶体体管管的的内内部部反反馈馈越越强强。re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。晶晶体体管管的的参参数数可可以以通通过过测测量量得得到到。根根据据参参数数方方程程,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出端端的的交交流流电电压

18、压和和交交流流电电流流,代代入入式式(3.2.3)-(3.2.6)中中就就可可求求得得。通通过过查查阅阅晶晶体体管管手手册册也也可可得到各种型号晶体管的参数。得到各种型号晶体管的参数。需需要要注注意意的的是是,参参数数不不仅仅与与静静态态工工作作点点的的电电压压值值、电电流流值值有有关关,而而且且是是工工作作频频率率的的函函数数。例例如如当当发发射射极极电电流流增增加加时时,输输入入与与输输出出电电导导都都将将加加大大。当当工工作作频频率率较较低低时时,电电容容效效应应的的影影响响逐逐渐渐减减弱弱。所所以以无无论论是是测测量量还还是是查查阅阅晶晶体体管管手手册册,都都应应注意工作条件和工作频率

19、。注意工作条件和工作频率。显显然然,在在高高频频工工作作时时由由于于晶晶体体管管结结电电容容不不可可忽忽略略,参参数数是是一一个个复复数数。晶晶体体管管参参数数中中输输入入导导纳纳和和输输出出导导纳纳通通常常可可写写成成用用电电导导和和电电容容表表示示的的直直角角坐坐标标形形式式,而而正正向向传传输输导导纳纳和和反反向向传输导纳通常可写成极坐标形式传输导纳通常可写成极坐标形式,即即:yie=gie+jCieyoe=goe+jCoeyfe=|yfe|feyre=|yre|re3.2.3 晶体管的高频参数晶体管的高频参数考考虑虑电电容容效效应应后后,晶晶体体管管的的电电流流增增益益是是工工作作频频

20、率率的的函函数数。下面介绍三个与电流增益有关的晶体管高频参数。下面介绍三个与电流增益有关的晶体管高频参数。1.共射晶体管共射晶体管截止频率截止频率 共共射射短短路路电电流流放放大大系系数数 是是指指混混合合型型等等效效电电路路输输出出交交流流短短路路时时,集集电电极极电电流流 与与基基极极电电流流 的的比比值值。从从图图3.2.1可以看到可以看到,当输出端短路后当输出端短路后,r be、Cbe和和Cbc三者并联。三者并联。取其模，得其中0=gmrbef=由由式式(3.2.8)可可知知,的的幅幅值值随随频频率率的的增增高高而而下下降降。当当下下降到降到0的的 时时,对应的频率定义为共射晶体管截止

21、频率对应的频率定义为共射晶体管截止频率f。(3.2.8)2.特征频率特征频率fT当当|的幅值下降到的幅值下降到1时时,对应的频率定义为特征频率对应的频率定义为特征频率fT。根据定义，有根据定义，有 则则 一般地，一般地，所以所以3.共基晶体管截止频率共基晶体管截止频率f共共基基短短路路电电流流放放大大系系数数 是是晶晶体体管管用用作作共共基基组组态态时时的的输输出出交流短路参数交流短路参数,即即的的幅幅值值也也是是随随频频率率的的增增高高而而下下降降,f定定义义为为 的的幅幅值值下下降到低频放大系数降到低频放大系数0的的 时的频率。时的频率。三个高频参数之间的关系满足下列各式：三个高频参数之间

22、的关系满足下列各式：fT0f=gmrbeffT0fffTf(3.2.9)3.3 谐谐 振振 放放 大大 器器由由晶晶体体管管、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回路路组组成成的的高高频频小小信信号号谐谐振振放放大大器器广广泛泛用用于于广广播播、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的的有有用用信信号号进进行行线线性性放放大大并滤除不需要的噪声和干扰信号。并滤除不需要的噪声和干扰信号。谐谐振振放放大大器器的的主主要要性性能能指指标标是是电电压压增增益益,通通频频带带和和矩矩形形系数。系数。本节仅分析由晶体管和LC回路组成的谐振放

23、大器。3.3.1 单管单调谐放大器单管单调谐放大器 电路组成及特点电路组成及特点 图图3.3.1是是一一个个典典型型的的单单管管单单调调谐谐放放大大器器。b与与c分分别别是是和和信信号号源源（或或前前级级放放大大器器）与与负负载载（或或后后级级放放大大器器）的的耦耦合合电容电容,e是旁路电容。是旁路电容。电电容容与与电电感感组组成成的的并并联联谐谐振振回回路路作作为为晶晶体体管管的的集集电电极极负负载载,其其谐谐振振频频率率应应调调谐谐在在输输入入有有用用信信号号的的中中心心频频率率上上。回回路路与与本本级级晶晶体体管管的的耦耦合合采采用用自自耦耦变变压压器器耦耦合合方方式式,这这样样可可减减

24、弱弱晶体管输出导纳对回路的影响。晶体管输出导纳对回路的影响。图2.3.1单管单调谐放大电路负负载载（或或下下级级放放大大器器）与与回回路路的的耦耦合合采采用用自自耦耦变变压压器器耦耦合合和和电电容容耦耦合合方方式式,这这样样,既既可可减减弱弱负负载载（或或下下级级放放大大器器）导导纳纳对对回回路路的的影影响响,又又可可使使前前、后后级级的的直直流流供供电电电电路路分分开开。另另外外,采用上述耦合方式也比较容易实现前、采用上述耦合方式也比较容易实现前、后级之间的阻抗匹配。后级之间的阻抗匹配。电路性能分析电路性能分析为为了了分分析析单单管管单单调调谐谐放放大大器器的的电电压压增增益益,图图3.3.

25、2给给出出了了其其等等效效电电路路。其其中中晶晶体体管管部部分分采采用用了了参参数数等等效效电电路路,忽忽略略了了反反向向传传输输导导纳纳re的的影影响响。输输入入信信号号源源用用电电流流源源 并并联联源源导导纳纳s表表示示,负负载载假假定定为为另另一一级级相相同同的的单单调调谐谐放放大大器器,所所以以用用晶晶体体管输入导纳管输入导纳ie表示。表示。单管单调谐放大器的电压增益为：单管单调谐放大器的电压增益为：我我们们先先求求 与与 的的关关系系式式,然然后后求求出出 与与 的的关关系系,即即可可导导出出 与与 之之比比,即即电电压压增增益益 。因因为为负负载载的的接接入入系系数数为为2,晶晶体

26、体管管的的接接入入系系数数为为1,所所以以负负载载等等效效到到回回路两端的导纳为路两端的导纳为n22yie。设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为YL,则则:(3.3.2)(3.3.1)由由于于 是是 上上的的电电压压,且且 与与 相相位位相反相反,所以所以由由Y参数方程参数方程(3.2.3)可知可知:代入式代入式(3.3.3)可得可得:根据自耦变压器特性根据自耦变压器特性 因此因此(3.3.3)(3.3.4)(3.3.5)将式(3.3.5)与(3.3.6)代入(3.3.1),可得其其中中,YL=n21YL是是YL等等效效到到谐谐振振回回路路两两端端的

27、的导导纳纳,它它包包括回路本身元件、括回路本身元件、e0和负载导纳总的等效值和负载导纳总的等效值,即即YL=(ge0+jC+n22yie(3.3.6)(3.3.7)(3.3.8)根据式（3.2.7）,将式（3.3.8）代入（3.3.7）中,则:其中与分别为谐振回路总电导和总电容:g=n21goe+n22gie+ge0C=n21Coe+n22Cie+C谐振频率或(3.3.9)(3.3.11)(3.3.10)回路有载L值QL=以上几个公式说明,考虑了晶体管和负载的影响之后,放大器谐振频率和值均有变化。放大器谐振时，谐振频率处放大器的电压增益其电压增益振幅|Au0|=(3.3.14)(3.3.13)

28、(3.3.12)根据N(f)定义,可写出放大器电压增益振幅的另一种表达式Au=由式（3.3.15）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：(3.3.15)(3.3.16)由由于于fe是是复复数数,有有一一个个相相角角fe,所所以以一一般般来来说说,图图3.3.1所所示示放放大大器器输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之间间的的相相位位并并非非正正好好相相差差180。另另外外,由由上上述述公公式式可可知知,电电压压增增益益振振幅幅与与晶晶体体管管参参数数、负负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：载电导、回路谐振电导和接入系数有关：(1)为了

29、增大为了增大u0,应选取应选取|yfe|大大,oe小的晶体管。小的晶体管。(2)为为了了增增大大u0,要要求求负负载载电电导导小小,如如果果负负载载是是下下一一级级放放大器大器,则要求其则要求其ie小。小。(3)回回路路谐谐振振电电导导e0越越小小,u0越越大大。而而e0取取决决于于回回路空载值路空载值0,与与0成反比。成反比。(4)u0与与接接入入系系数数1、2有有关关,但但不不是是单单调调递递增增或或单单调调递递减减关关系系。由由于于1和和2还还会会影影响响回回路路有有载载值值e,而而e又又将将影影响响通通频频带带,所所以以1与与2的的选选择择应应全全面面考考虑虑,选选取取最最佳佳值值。实

30、实际际放放大大器器的的设设计计是是要要在在满满足足通通频频带带和和选选择择性性的的前前提提下下,尽可能提高电压增益。尽可能提高电压增益。在在单单管管单单调调谐谐放放大大器器中中,选选频频功功能能由由单单个个并并联联谐谐振振回回路路完完成成,所所以以单单管管单单调调谐谐放放大大器器的的矩矩形形系系数数与与单单个个并并联联谐谐振振回回路路的的矩矩形形系系数数相相同同,其其通通频频带带则则由由于于受受晶晶体体管管输输出出阻阻抗抗和和负负载载的的影影响响,比单个并联谐振回路加宽比单个并联谐振回路加宽,因为有载因为有载Q值小于空载值小于空载Q值。值。例3.1在图3.3.1中,已知工作频率0MHz,cc,

31、emA。晶体管采用型高频管。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H,接入系数1,2,0。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0.7，并求回路电容是多少时,才能使回路谐振？所以g=ge0+n21goe+n22gie=37.910-6+40010-6+0.321210-3=0.5510-3S从而Au0=因为又所以由Qe=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

32、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。3.3.2 多级单调谐放大器多级单调谐放大器 如如果果多多级级放放大大器器中中的的每每一一级级都都调调谐谐在在同同一一频频率率上上,则则称称为为多级单调谐放大器。多级单调谐放大器。设设放放大大器器有有级级,各各级级电电压压增增益益振振幅幅分分别别为为u1,u2,un,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积,即即 nu1u2un (3.3.17)如如果果每每一一级级放放大大器器的的参参数数结结构构均均相相同同,根根据据式式（3.3.15）,则总电压增益振幅则总电压增益振幅 An=(Au1)n=(n

33、1n2)n|yfe|n (3.3.18)谐振频率处电压增益振幅单位谐振函数N（f）=级放大器通频带BWn=2f0.7=由由上上述述公公式式可可知知,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。(3.3.19)(3.3.20)(3.3.21)换换句句话话说说,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

34、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。这这一一特特性性与与低低频频多多级级放放大大器器相相同同。例3.2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（3.3.21）,当n=2时,因为所以,要求每一级带宽同理,当时,要求每一级带宽根据矩形系数定义,当0.1时,nn001,由式（3.3.20)可求得:所以,级单调谐放大器的矩形系数表3.3.1列出了n0.1与的关系。表表3.3.1 单调谐放大器矩形系

35、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n12345678910矩形系数Kn019.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56从表中可以看出,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。3.3.3 谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性 共共射射电电路路由由于于电电压压增增益益和和电电流流增增益益都都较较大大,所所以以是是谐谐振振放放大器的常用形式。大器的常用形式。以以上上我我们们在在讨讨论论谐谐振振放放大大器器时时,都都假假定定了了反反向向传传输输导导纳纳re,即即晶晶体体管管单单向向工工作作,输输入

36、入电电压压可可以以控控制制输输出出电电流流,而而输输出出电电压压不不影影响响输输入入。实实际际上上re0,即即输输出出电电压压可可以以反反馈馈到到输输入入端端,引引起起输输入入电电流流的的变变化化,从从而而可可能能引引起起放放大大器器工工作作不不稳稳定定。如如果果这这个个反反馈馈足足够够大大,且且在在相相位位上上满满足足正正反反馈馈条条件件,则则会会出出现现自自激激振荡。振荡。为为了了提提高高放放大大器器的的稳稳定定性性,通通常常从从两两个个方方面面着着手手。一一是是从从晶体管本身想办法晶体管本身想办法,减小其反向传输导纳减小其反向传输导纳re值。值。re的的大大小小主主要要取取决决于于集集电

37、电极极与与基基极极间间的的结结电电容容bc（由由混混合合型型等等效效电电路路图图可可知知,bc跨跨接接在在输输入入、输输出出端端之之间间）,所所以以制制作作晶晶体体管管时时应应尽尽量量使使其其bc减减小小,使使反反馈馈容容抗抗增增大大,反反馈馈作作用用减减弱弱。二二是是从从电电路路上上设设法法消消除除晶晶体体管管的的反反向向作作用用,使使它单向化。它单向化。具体方法有中和法与失配法。具体方法有中和法与失配法。中中和和法法是是在在晶晶体体管管的的输输出出端端与与输输入入端端之之间间引引入入一一个个附附加加的的外外部部反反馈馈电电路路（中中和和电电路路）,以以抵抵消消晶晶体体管管内内部部参参数数r

38、e的的反反馈馈作作用用。由由于于re的的实实部部（反反馈馈电电导导）通通常常很很小小,可可以以忽忽略略,所所以以常常常常只只用用一一个个电电容容N来来抵抵消消re的的虚虚部部（反反馈馈电电容容）的影响的影响,就可达到中和的目的。就可达到中和的目的。为为了了使使通通过过N的的外外部部电电流流和和通通过过bc的的内内部部反反馈馈电电流流相相位位相相差差,从从而而能能互互相相抵抵消消,通通常常在在晶晶体体管管输输出出端端添添加加一一个个反反相相的的耦耦合合变变压压器器。图图3.3.3（）所所示示为为收收音音机机常常用用的的中中和电路和电路,（）是其交流等效电路。（）是其交流等效电路。为了直观为了直观

39、,将晶体管内部电容将晶体管内部电容bc画在了晶体管外部。画在了晶体管外部。由由于于re是是随随频频率率而而变变化化的的,所所以以固固定定的的中中和和电电容容N只只能能在在某某一一个个频频率率点点起起到到完完全全中中和和的的作作用用,对对其其它它频频率率只只能能有有部部分分中中和和作作用用,又又因因为为re是是一一个个复复数数,中中和和电电路路应应该该是是一一个个由由电电阻阻和和电电容容组组成成的的电电路路,但但这这给给调调试试增增加加了了困困难难。另另外外,如如果果再再考考虑虑到到分分布布参参数数的的作作用用和和温温度度变变化化等等因因素素的的影影响响,中中和和电电路路的的效效果很有限。果很有

40、限。失失配配法法通通过过增增大大负负载载电电导导L,进进而而增增大大总总回回路路电电导导,使使输输出出电电路路严严重重失失配配,输输出出电电压压相相应应减减小小,从从而而反反馈馈到到输输入入端端的的电电流流减减小小,对对输输入入端端的的影影响响也也就就减减小小。可可见见,失失配配法法是是用用牺牺牲牲增增益而换取电路的稳定。益而换取电路的稳定。用用两两只只晶晶体体管管按按共共射射共共基基方方式式连连接接成成一一个个复复合合管管是是经经常采用的一种失配法。常采用的一种失配法。图图3.3.4是其结构原理图。是其结构原理图。由由于于共共基基电电路路的的输输入入导导纳纳较较大大,当当它它和和输输出出导导

41、纳纳较较小小的的共共射射电电路路连连接接时时,相相当当于于使使共共射射电电路路的的负负载载导导纳纳增增大大而而失失配配,从而使共射晶体管内部反馈减弱从而使共射晶体管内部反馈减弱,稳定性大大提高。稳定性大大提高。由由于于re是是随随频频率率而而变变化化的的,所所以以固固定定的的中中和和电电容容N只只能能在在某某一一个个频频率率点点起起到到完完全全中中和和的的作作用用,对对其其它它频频率率只只能能有有部部分分中中和和作作用用,又又因因为为re是是一一个个复复数数,中中和和电电路路应应该该是是一一个个由由电电阻阻和和电电容容组组成成的的电电路路,但但这这给给调调试试增增加加了了困困难难。另另外外,如

42、如果果再再考考虑虑到到分分布布参参数数的的作作用用和和温温度度变变化化等等因因素素的的影影响响,中中和电路的效果很有限。和电路的效果很有限。失失配配法法通通过过增增大大负负载载电电导导L,进进而而增增大大总总回回路路电电导导,使使输输出出电电路路严严重重失失配配,输输出出电电压压相相应应减减小小,从从而而反反馈馈到到输输入入端端的的电电流流减减小小,对对输输入入端端的的影影响响也也就就减减小小。可可见见,失失配配法法是是用用牺牺牲牲增益而换取电路的稳定。增益而换取电路的稳定。3.4 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

43、的通通频频带带,所所以以常常用用电电压压增增益益Au和和通通频频带带BW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,称称为为增增益益带带宽宽积积,写写成成GBW=AufH。此此处处的的通通频频带带用用上上限限截截止止频频率率fH表表示示,因因为为宽宽频频带带放放大大器器的的下下限限截截止止频频率率fL一一般般很很低低或或为为零零频频。Au是是电电压压增增益益幅幅值值。增增益益带带宽宽积积越大的宽频带放大器的性能越好。越大的宽频带放大器的性能越好。宽宽频频带带放放大大器器既既可可以以由由晶晶体体管管和和场场效效应应管管组组成成,也也可可以以由由集集成成电电路路组组成成。本本节节

44、以以单单级级差差分分放放大大器器为为例例进进行行分分析析,可可以以推推广广到到由由差差分分电电路路组组成成的的单单级级或或多多级级集集成成电电路路宽宽频频带带放放.3.4.1 单级差分宽频带放大器单级差分宽频带放大器集集成成宽宽频频带带放放大大器器常常采采用用单单级级或或多多级级差差分分电电路路形形式式。由由于于单单级级共共射射电电路路可可看看成成是是单单级级差差分分电电路路的的差差模模半半电电路路,所所以以先先分分析析单单级级共共射射电电路路的的电电压压增增益益和和通通频频带带(用用上上限限截截止止频频率率fH表示表示)。宽宽频频带带放放大大器器中中的的晶晶体体管管特特性性适适合合采采用用混

45、混合合型型等等效效电电路路。图图3.4.1(a)、(b)分分别别是是共共射射电电路路的的交交流流通通路路和和高高频频等等效效电电路路。设设RL是交流负载，且是交流负载，且 Zbe=rbe=Ct=Cbe+CM=Cbe+(1+gmRL)Rt=rberbb=(3.4.3)则(3.4.4)其中H=,即上限截止频率fH=(3.4.7)下面继续推导差分电路的差分电压增益和上限截止频率。图3.4.2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RL=Rc 。上限截止频率fH与式(3.4.7)相同。增益带宽积GBW=例3.3在图3.4.2所示差分放大器中,V1管和V2

46、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。根据式(3.2.2)和式(3.2.1)可以得出：re=gmRbe=(1+o)re=(1+100)26=2.6kRL=RcRL=2k5k1.43kCM=(1+gmRL)Cbc=(1+0.041.43103)210-12116pFCbe=然后求差模电压增益、上限截止频率和增益带宽积。由式(3.4.2)和式(3.4.3)可以求得：GBW=AudfH=5622.46106=1.26109如

47、果在图3.4.2所示差分放大器中,两个晶体管的基极上各外接一个电阻Rb,这时的电路如图3.4.3所示。容易看出,与图3.4.1(b)比较,在图3.4.3对应的差模半电路的交流等效电路中,Rb与rbb串联,定义Rb=Rb+rbb(3.4.10)则相应的Rt=rbeRb(3.4.11)对于差分放大器的其它三种组态,即双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出,读者可以根据模拟电子线路课程中的知识,分别推导出相应的差模电压增益和上限截止频率公式。3.4.2 展宽放大器频带的方法展宽放大器频带的方法在在实实际际宽宽频频带带放放大大电电路路中中,要要展展宽宽通通频频带带,也也就就是是要要提提高

48、高上上限截止频率限截止频率,主要有主要有组合法组合法和和反馈法反馈法两种方法。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在集成宽频带放大器中广泛采用共射-共基组合电路共基组合电路,如如图图3.4.4所示。所示。共共射射电电路路的的电电流流增增益益和和电电压压增增益益都都较较大大,是是放放大大器器最最常常用用的的一一种种组组态态。但但它它的的上上限限截截止止频频率率较较低低,从从而而带带宽宽受受到到限限制制,这主要是由于密勒效应的缘故。这主要是由于密勒效应的缘故。图2.4.4集成宽带放大器中的共射共基电路CM=(1+gmRL)Cbc (3.2.1)从从式式(3.2.1)

49、可可以以看看到到,集集电电结结电电容容C bc等等效效到到输输入入端端以以后后,电容值增加为原来的电容值增加为原来的(1+gmRL)倍。倍。虽虽然然Cbc数数值值很很小小,一一般般仅仅几几个个皮皮法法,但但M一一般般却却很很大大。密密勒勒效效应应使使共共射射电电路路输输入入电电容容增增大大、容容抗抗减减小小,且且随随频频率率的的增增大容抗更加减小大容抗更加减小,因此高频性能降低。因此高频性能降低。在在共共基基电电路路和和共共集集电电路路中中,bc或或者者处处于于输输出出端端,或或者者处处于输入端于输入端,无密勒效应无密勒效应,所以上限截止频率远高于共射电路。所以上限截止频率远高于共射电路。在在

50、图图3.4.4所所示示共共射射共共基基组组合合电电路路中中,上上限限频频率率由由共共射射电电路的上限截止频率决定。路的上限截止频率决定。利利用用共共基基电电路路输输入入阻阻抗抗小小的的特特点点,将将它它作作为为共共射射电电路路的的负负载载,使使共共射射电电路路输输出出总总电电阻阻L大大大大减减小小,进进而而使使密密勒勒电电容容M大大大大减减小小,高高频频性性能能有有所所改改善善,从从而而有有效效地地扩扩展展了了共共射射电电路路亦亦即即整整个个组组合合电电路路的的上上限限截截止止频频率率。由由于于共共射射电电路路负负载载减减小小,所所以以电电压压增增益益减减小小。但但这这可可以以由由电电压压增增