高频小信号放大器 (2).ppt

,第2章 高频小信号放大器,高 频：被放大信号的频率为几百KHz几百MHz So:晶体管、场效应管的极间电容不能被忽略小信号：输入信号小 So：认为放大器的晶体管工作在线性范围内。功 能：实现对微弱的高频信号的不失真放大。（频谱不变）,2.1 概述,高频小信号调谐放大器（high frequency small signal amplifiers）,用途：用作接收机的高频放大器和中频放大器,高频小信号调谐放大器组成框图,晶体管场效应管集成运放,LC谐振晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器,有源器件是什么？,选频网络在哪？,输入输出在哪？,负载是什么？,负载抽头有何意义？,放大器特点,工作频率高，中心频率几百KHz-几百MHz,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，可用双端网络参数微变等效电路来分析。,按所用负载的性质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作为负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。,按所使用的器件分为晶体管放大器 场效应管放大器 集成电路放大器按所放大信号的频谱宽窄分为 窄带放大电路：中心频率：几百KHz几百MHz,频谱宽度：几KHz几MHz 故不但需要有一定的电压增益,而且需要有选频能力。宽带放大电路：频谱宽度：几MHz几百MHz 故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),上限截止频率很高。按电路形式分为单级放大器和级联放大器。,2.2 技术指标,1.电压增益与功率增益-Au，Ap,3.矩形系数-K0.1 越接近于1，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，抑制干扰信号的能力。,通频带-B=2B0.7（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，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，放大器增益越小。,选择性,选出有用信号抑制干扰,4.工作稳定性,5.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，放大器的上述三参数的稳定程度。在高频端，晶体管的Cbc存在，可能引起自激。而低频时容抗很大，可以认为开路。,希望放大器本身产生的噪声越小越好，要求噪声系数接近1。,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，eg:增益和稳定性；通频带和选择性等。,3.各类滤波器幅频特性低通，高通，带通，带阻,2.3 滤波器（选频回路）的分类及功能,1、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选择处理的电路。,2.分类：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,2.3.1 LC串并联谐振回路的特性,阻抗特性：时，呈容性 时，纯电阻 时，呈感性,电压特性：谐振时电感线圈和电容两端的电压模值相等(方向相反)，且等于外加电压的QL倍。即,电流特性:谐振时流过回路的电流的最大,品质因数:其中 为特性阻抗,谐振频率：,1、LC串联谐振回路,阻抗特性：时，呈感性 时，纯电阻 时，呈容性,2、LC并联谐振回路,谐振频率：,电流特性：谐振时流过电感线圈和电容的电流模值相等(方向相反)且等于外加电流源的 倍。即,电压特性:谐振时回路的输出电压最大,品质因数:其中 为特性阻抗,三极管直接并联在LC回路中存在的问题：谐振回路Q值下降，通频带增宽，选择性变差。影响中心频率f0，且稳定性变差。阻抗不匹配 采用并联谐振回路作为放大器的负载：完成选频功能；为完成阻抗变换的功能，一般采用部分接入的方式,2.3.2 并联谐振回路的耦合连接与阻抗变换,2.4 晶体管的高频小信号等效模型,双口网络:具有两个端口的网络,四端网络外部结构与双口网络相同,但对流入流出电流没有类似的规定,这是两者的区别。,端口:指一对端钮,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。,双口网络在每一个端口都只有一个电流变量和一个电压变量,因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自变量,其余两个为应变量,则共有六种组合方式,也就是有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,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：,高频中常采用Y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Y参数系较方便;另外很多导纳的并联可直接相加，使运算简单。,+u1-,+u2-,+U1-,+U2-,设电压u1和u2为自变量，电流i1和i2为参数量，可得Y参数系的约束方程：,1.Y参数等效电路,+u1-,+u2-,受控电流源:yrU2：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）f越大,表示晶体管的放大能力越强；r越大,表示晶体管的内部反馈越强。r的存在,对实际工作带来很大危害,是谐振放大器自激的根源,同时也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其减小,或削弱它的影响。,Y参数的物理意义,输入导纳 输入电压对输入电流的控制作用。,正向传输导纳 输入电压对输出电流的控制作用,反向传输导纳 晶体管输出电压对输入端的反作用,输出导纳 输出电压对输出电流的控制作用,*对于共基接法，y参数用 表示，则:,*对于共集接法，y参数用 表示，则:,参数法从测量和使用的角度出发,把晶体管作为一个有源线性双口网络,用一组网络参数构成其等效电路。优点：导出的表达式具有普遍意义,分析测量方便。缺点：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,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。,晶体管参数获取方法：测量、查阅晶体管手册。测量方法：分别使输出端或输入端交流短路,在另一端加上直流偏压和交流信号,然后测量其输入端或输出端的交流电压和交流电流,代入式中可求。,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,:基区纵向电阻。几十 100，基区很薄，相对发射区和集电区很大。,:结电阻。较小 几十几百,:结电容，较大，100pf500pf。,:结电容，很小。2pf10pf,发射结正偏,集电结反偏,:结电阻，很大。100K100M,:受控电流源，而，称为跨导，单位为 S。,:极间电阻，很大。几十K,混合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系。优 点:各元件参数物理意义明确,在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺 点:随器件不同而有不少差别,分析和测量不方便。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。,3.Y参数与参数转换,rce很大，认为是开路，不计。,（一）令V2=0，求yie,（二）令V2=0，求yfe,因为V1小，所以V1引起的I小，可以忽略。,（三）令V1=0，求yre,（四）令V1=0，求yoe,见书p21,（1）截止频率f,（2）特征频率fT,4.晶体管的高频参数,（3）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，晶体管的实际工作频率应等于fmax的1/31/4。,2.5单调谐回路谐振放大器,电路图,321,54,yie,yoe,yreuce,yfeube,C,yL,L,+ube-,+uce-,So：放大器的输入导纳Yi不仅与晶体管的输入导纳Yie有关，而且还与放大器的负载YL有关。,原因：Yre的存在,1 放大器输入导纳Yi,2 放大器输出导纳Yo,3 指标1电压增益,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180。,3 指标2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,3 指标3通频带,1、当yfe确定，p1和p2不变时，Au0只取决于C和2f0.7的乘积，电容越大，通频带越宽，Au0越小。2、为了获得高增益，宽频带，除了选用yfe较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容C，但是这样会导致系统的稳定性变差。3、对于宽带而言，要使Au0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，C尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。,3 指标3通频带（续）,3 指标4矩形系数,例：图中所示的单调谐回路放大器中，工作频率为10MHz，晶体管参数:|yfe|=58.3mS，gie=1.2mS，Cie=12pF，goe=400S，Coe=9.5pF，回路电感L=1.4H，接入系数p1=0.9，p2=0.3，空载品质因数Q0=100。假设yre=0，求：1）谐振时电压增益Au0；功率增益Ap2）谐振回路电容C之值；3）通频带2f0.7；4）若R4=10k，试比较并联R4前后的通频带和增益。,2.6 多级单调谐放大器,例 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？,所以,要求每一级带宽,同理,当时,要求每一级带宽,解:当n=2时,因为,可知:级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了,而通频带比单级放大器的通频带缩小了,且级数越多,频带越窄。,In another word：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。,