山東大學高頻電子線路[第三章高頻小信號放大器]山東大.doc

山東大學 期末考試 知識點復習第三章 高頻小信號放大器321 高頻小信號放大器的主要質量指標1)增益 輸出電壓(或功率)與輸入電壓(或功率)之比。2)通頻帶 通常以放大器的電壓增益下降為最大值的07倍所對應的頻率范圍為通頻帶，以2f0.7表示，如圖321所示。有時也稱為3 dB帶寬。 3)選擇性 放大器從含有各種頻率的信號總和(有用的和有害的)中選出有用信號，排除有害(干擾)信號的能力，稱為放大器的選擇性。表示選擇性的指標有：矩形系數(shù)和抑制比。圖322表示矩形系數(shù)Kr的定義為顯然，Kr越小越好，理想情況是Kr=1。 抑制比亦稱抗拒比，圖323表示抑制比的定義為 d=Av0/Av 放大器除了上述三個主要質量指標外，還有工作穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)等，應有一般了解。 322 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) 1)形式等效電路(網(wǎng)絡參數(shù)等效電路) 形式等效電路是將晶體管等效為有源線性四端網(wǎng)絡，優(yōu)點是通用，導出的表達式具有普遍意義，便于分析電路；缺點是網(wǎng)絡參數(shù)與頻率有關。根據(jù)選用的自變量與參變量的不同，可以有不同的參數(shù)系：在低頻時，最常用h參數(shù)系；在高頻時，則用y參數(shù)系比較方便。 圖324所示為晶體管放大器及其y參數(shù)等效電路。在該等效電路圖(b)中，可列出電路方程：式中各y參數(shù)第二個腳標e表示這是共發(fā)射極電路的參數(shù)；若為共基極或共集電極電路，則第二個腳標即用b或c。因此輸入導納為上式說明，輸入導納Yi與負載導納YL有關，這反映了晶體管有內部反饋，而這個內部反饋是由反向傳輸導納Yre所引起的。上式說明，晶體管的正向傳輸導納)，yoe越大，則放大器的增益越大。 2)混合等效電路 圖325是晶體管的混合，等效電路。圖中參數(shù)數(shù)值舉例： gm=0/rbc=Ic (mA)26 (3212) 三個附加電容Cbe、Cbc和Cce表示晶體管引線和封裝等結構所形成的電容，其值很小，在一般情況，可以忽略。 3)混合等效電路參數(shù)與形式等效電路y參數(shù)的轉換為了進行兩種等效電路參數(shù)的互換，可將圖324(b)與圖325(略去Cbe、Cbc、Cce)重繪如圖326所示。則將式(3216)、(321 7)與式(323)、(324)相比較，并考慮到下列條件gmybc，ybeybc及gcegbc通常是滿足的，所以可得由上式可見，四個參數(shù)都是復數(shù)，為以后計算方便，可表示為式中gie、goe分別稱為輸入、輸出電導；Cie、Coe分別稱為輸入、輸出電容。根據(jù)復數(shù)運算，并令a=1+rbbgbe；b=Cberbb，由式(3218)至式(3221)可得4)晶體管的高頻參數(shù)截止頻率f特征頻率fT最高振蕩頻率fmax 323 單調諧回路諧振放大器 圖327(a)是原理性電路，圖(b)是它的形式等效電路，它是等效電流源與線性網(wǎng)絡的組合。 1)電壓增益 由式(3211)可得放大器的電壓增益為式中yoe=yo1=go1+jCo1為晶體管的輸出導納。 YL為晶體管在輸出端l、2兩點之間的等效負載。若令p1=N1/N，p2=N2/N，經等效阻抗的轉換，在LC回路a、b兩端看來的總等效導納為 Y=p12(yoe+YL)式(3233)可寫成在諧振點=0時，Y=Gp，因此在阻抗匹配時，可得最大的電壓增益為2)功率增益原書中已證明，諧振時的功率增益為在匹配時，由式(3237)得在考慮諧振回路的損耗后，原書已證明，此時的插入損耗為此時的匹配最大功率增益為電壓增益則為3)通頻帶與選擇性單調諧回路諧振放大器的通頻帶為它的選擇性仍用矩形系數(shù)來表示。 321 4多級單調諧回路諧振放大器 m級單調諧回路諧振放大器的總增益是各級增益的乘積，即 Am=Av1Av2Avm (3245)當各級完全相同時，則 Am=Av1m (3246)此時的諧振曲線由下式表示： 圖，328所示為多級放大器的諧振曲線。顯然，級數(shù)越多，選擇性越好，但通頻帶越窄。此時，m級放大器的通頻帶為它的矩形系數(shù)為325 雙調諧回路諧振放大器在諧振時，=0，得根據(jù)值的不同，也可有：弱耦合，臨界耦合與強耦合三種情況。三種情況的曲線如圖3210所示。下面是在三種情況下，雙調諧回路放大器的諧振曲線表示式為：弱耦合1時有強耦合1時有臨界耦合=1時有這是較常用的情況。因此，很容易求出臨界耦合時的通頻帶由式(3243)知，單調諧放大器的通頻帶是f0/QL。與式(3255)對比可見，在回路有載品質因數(shù)QL相同的情況下，臨界耦合雙調諧回路放大器的通頻帶等于單調諧回路放大器通頻帶的倍，而且選擇性也優(yōu)于單調諧回路諧振放大器。 326 諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施 以上討論的放大器都是假定放大器工作于穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出對輸入沒有影響，也即)yre=0。但實際上，晶體管具有反向傳輸導納)，yre因而有反饋作用。由式(326)已知，此時的輸入導納為式中：第一部分yie是輸出端短路時，晶體管(共發(fā)連接時)本身的輸入導納；第二部分YF是通過yre的反饋引起的輸入導納，它反映了負載導納YL的影響。如果放大器輸入端也接有諧振回路(或前級放大器的輸出諧振回路)，那么輸入導納Yi并聯(lián)在放大器輸入端回路后如圖3211所示。當沒有反饋導納YF時，輸入端回路是調諧的。yie中電納部分bie的作用，已包括在L或C中；而yie中電導部分gie以及信號源內電導gs作用則是使回路有一定的等效品質因數(shù)QL值。由于YF的在，就改變了輸入端回路的正常工作情況。 回到圖3211，這時總導納為Ys+Yi。當總導納 Ys+Yi=0 (3257)時，表示放大器反饋的能量抵消了回路損耗的能量，且電納部分也恰好抵消。這時放大器產生自激。所以，放大器產生自激的條件是 為了使放大器穩(wěn)定工作，必須使它遠離自激條件。對式(3258)進行一系列推導后(見原書36節(jié))，得出作為判斷諧振放大器工作穩(wěn)定性的依據(jù)，S稱為諧振放大器的穩(wěn)定系數(shù)。若S=1，放大器將自激，只有當S1時，放大器才能穩(wěn)定工作，一般要求穩(wěn)定系數(shù)S510。同時原書還證明，放大器穩(wěn)定工作的增益為 失配法的典型電路是共射一共基級聯(lián)放大器，其交流等效電路如圖3212所示。圖中由兩個晶體管組成級聯(lián)電路，前一級是共射電路，后一級是共基電路。由于共基電路的特點是輸入阻抗很低(亦即輸入導納很大)和輸出阻抗很高(亦即輸出導納很小)，當它和共射電路連接時，相當于共射放大器的負載導納很大。根據(jù)前一小節(jié)討論已知，在YL很大(yoeYL)時，Yiyie，即晶體管內部反饋的影響相應減弱，甚至可以不考慮內部反饋的影響，因此，放大器的穩(wěn)定性就得到提高。所以共射一共基級聯(lián)放大器的穩(wěn)定性比一般共射放大器的穩(wěn)定性高得多。共射級在負載導納很大的情況下，雖然電壓增益很小，但電流增益仍較大，而共基級雖然電流增益接近1，但電壓增益卻較大，因此級聯(lián)后功率增益較大。 下面對共射一共基級聯(lián)放大器進行簡單的定量分析。 分析的方法是把兩個級聯(lián)晶體管看成一個復合管，如圖3213所示。這個復合管的y參數(shù)由兩個晶體管的電壓、電流和y參數(shù)決定。如兩個級聯(lián)晶體管是同一型號的，它們的y參數(shù)可認為是相同的。我們只要知道這個復合管的等效y參數(shù)，就可以把這類放大器看成是一般的共射級放大器?？梢宰C明，復合管的等效導納參數(shù)為式中，yi、yr、yf、yo分別代表復合管的四個y參數(shù)，有 y=yie+yre+yfe+yoe y=yieyoe-yreyfe 在一般的工作頻率范圍內，下列條件是成立的，即 yieyre；yfeyie；yfeyoe；yfeyre因此 yyfe 由此可見，輸入導納yi和正向傳輸導納yf大致與單管情況相等，而反向傳輸導納(反饋導納)yr遠小于單管情況的反饋導納)yre(yr約為yre的三十分之一)。這說明級聯(lián)放大器的工作穩(wěn)定性大大提高。其次，復合管的輸出導納yo也只是單管輸出導納yoe的幾分之一。這說明級聯(lián)放大器的輸出端可以直接和阻抗較高的調諧回路相匹配，不再需要抽頭接入。 另外，由于yf基本上和單管情況的yfe相等，因此，用諧振回路的這類放大器的增益計算方法也和單管共發(fā)電路的增益計算方法相同。 失配法的優(yōu)點是工作穩(wěn)定，在生產過程中無需調整，因此非常方便，適用于大量生產。并且這種方法除能防止放大器自激外，對電路中某些參數(shù)的變化(如yoe)還可起改善作用。兩管組成的級聯(lián)放大電路與單管共發(fā)放大器的總增益近似相等。此外，共射一共基電路的另一主要優(yōu)點是噪聲系數(shù)小。這是由于共發(fā)射極的輸入阻抗高，可以保證輸入端有較大的電壓傳輸系數(shù)，這對于提高信噪比有利。而且共射一共基電路工作穩(wěn)定，可以允許有較高的功率增益，更有利于抑制后面各級的噪聲。因此，共射一共基電路已成為典型的低噪聲電路。327場效應管高頻小信號放大器 1)共源放大器圖3214為場效應管y參數(shù)(共源)等效電路。圖中虛線框內為管子本身的等效電路。 和Ys分別為信號源和信號源內導納；YL為負載導納；yis和yfs分別為管子本身輸出端短路時的輸入導納和正向傳輸導納；yrs和yos分別為管子本身輸入端短路時的反向傳輸導納和輸出導納。 圖3215表示場效應管共源電路的模擬等效電路。圖中Cgd表示柵漏極之間的電容；Cds、gds表示漏源極之間的電容和電導；gfs、表示柵源電壓經放大后的漏源等效電流源。 由圖3214和圖3215求得場效應管共源電路的y參數(shù)與管子參數(shù)(模擬參數(shù))之間的關系為 與單回路晶體管共發(fā)射極放大器相同，在yrs=0的情況下(單向化后)，單回路場效應管共源放大器的電壓增益為在諧振時，電壓增益為通常gdsGL，所以式中，RL為負載電阻。 圖3216表示場效應管共源極放大器電路。L1C1為輸入回路，L2C3為輸出回路，分別調諧于信號頻率。場效應管共源電路的輸入、輸出阻抗都很高，對回路的影響可以忽略，因此回路不需抽頭接入。R1和C2組成自給偏壓電路，供給需要的直流偏壓。R2和C4組成去耦電路，消除高頻通過公共電源的反饋。C5、C6為耦合電容，分別與后級和前級耦合。當頻率低時，該電路尚能正常工作。但由于場效應管的yrs=-jCgd不能忽略，因此可能產生自激。這時須采用與晶體管諧振放大器相同的中和電路。2)共柵放大器可以證明，場效應管共柵電路的y參數(shù)為 與共源電路的)，參數(shù)相比較可見，共柵電路的輸入導納yig很大(即輸入阻抗很小，約1001 000 )，反向傳輸導納yrg較小(gds較小，CdsCgd)。因此，共柵電路的反饋小，電路穩(wěn)定性高。正向傳輸導納yfg和輸出導納yog與共源電路相近。 類似于共射-共基級聯(lián)電路，將上述兩種電路級聯(lián)，也可以組成共源一共柵級聯(lián)電路。 328放大器中的噪聲 1)噪聲的表示方法 起伏噪聲的平均值表示為起伏噪聲的均方值表示為 a)非周期噪聲的頻譜對于一個脈沖寬度為，振幅為1的單位脈沖，如圖3217(a)所示，可求得其振幅頻譜密度為式(3282)表示的F()與頻率f的關系曲線如圖3217(b)所示，它的第一個零值點在1/處。由于電阻和電子器件噪聲所產生的單個脈沖寬度極小，在整個無線電頻率f范圍內，遠小于信號周期T，T=1/f，因此f=/Tl，這時sinff，式(3282)變?yōu)?F() (3283) 式(3283)表明，單個噪聲脈沖電壓的振幅頻譜密度F()在整個無線電頻率范圍內，可看成是均等的。 b)起伏噪聲的功率譜 式(3281)可寫成可以表示噪聲功率。對于起伏噪聲來說，當時間無限增長時，平均功率P趨近一個常數(shù)，且等于起伏噪聲電壓的均方值。亦即若以S(f)df表示頻率在f與f+df之間的平均功率，則總的平均功率為因此最后得 起伏噪聲的頻譜在極寬的頻帶內，具有均勻的功率譜密度，如圖3218所示。因此起伏噪聲也稱為“白噪聲”。2)噪聲的來源a)電阻熱噪聲電阻熱噪聲的功率譜密度為 S(f)=4kTR (3287)如上所述，由于功率譜密度表示單位頻帶內的噪聲電壓均方值，故噪聲電壓或表示為噪聲電流的均方值以上各式中，k為玻耳茲曼常數(shù)(Boltzmann constant)，等于13810-23JK； T為電阻的絕對溫度，單位為K； fn為圖3218所示的帶寬或電路的等效噪聲帶寬，單位為Hz； R(或G)為fn內的電阻(或電導)值，單位為(或S)。 因此，噪聲電壓的有效值為注意，純電抗是不會產生噪聲電壓的。b)天線熱噪聲在熱平衡狀態(tài)下，天線熱噪聲電壓為式中，RA為天線輻射電阻，TA為天線等效噪聲溫度。 若天線無方向性，且處于絕對溫度為T的無界限均勻介質中，則TA=T，因而 c)晶體管噪聲 晶體管的噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和1f噪聲。其中熱噪聲與散粒噪聲為白噪聲，其余為有色噪聲。 d)場效應管噪聲 有由電荷不規(guī)則起伏所引起的噪聲、熱噪聲、閃爍(或稱1/f)噪聲等。 329噪聲的表示和計算方法 1)噪聲系數(shù) 在電路某一指定點處的信號功率Ps與噪聲功率Pn之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，以PsPn(或SN)表示。放大器噪聲系數(shù)Fn是指放大器輸入端信號噪聲比PsiPni與輸出端信號噪聲比PsoPno的比值，有用分貝數(shù)表示：式(3292)也可寫成另一種形式：式中，Ap=PsoPsi為放大器的功率增益。 PniAp表示信號源內阻產生的噪聲通過放大器放大后在輸出端所產生的噪聲功率，用Pno I表示。則式(3294)可寫成 Fn=PnoPno I (3295)上式表明，噪聲系數(shù)Fn僅與輸出端的兩個噪聲功率Pno、Pno I有關，而與輸入信號的大小無關。 實際上，放大器的輸出噪聲功率Pno是由兩部分組成的：一部分是Pno I=PniAp；另一部分是放大器本身(內部)產生的噪聲在輸出端上呈現(xiàn)的噪聲功率Pno，即 Pno=PnoI+Pno 所以，噪聲系數(shù)又可寫成實際上，放大器本身總是要產生噪聲的，即Pno0，因此Fn1。Fn越大，表示放大器產生的噪聲越大。 也可用額定功率和額定功率增益的關系來定義噪聲系數(shù)。為此，先引入額定功率的概念。額定功率是指信號源所能輸出的最大功率。參閱圖3219，為了使信號源有最大輸出功率，必須使放大器的輸入電阻Ri與信號源內阻Rs相匹配，亦即應使Rs=Ri。因而額定輸入信號功率為額定輸入噪聲功率為 下面介紹額定功率增益的概念。 額定功率增益是指放大器(或線性四端網(wǎng)絡)的輸入端和輸出端分別匹配時(Rs=Ri、Ro=RL)的功率增益，即與額定功率的概念相同，放大器不匹配時，仍然存在額定功率增益。因此，噪聲系數(shù)Fn也可定義為將式(3296)與式(3297)代入式(3298)，可得 式(32100)與式(32101)是假定放大器的輸出端和輸入端分別匹配時，計算噪聲系數(shù)的公式。但即使不匹配，以上二式仍是成立的。說明如下： 不匹配時，額定功率P與實際功率P之間存在如下的關系： P=Pq (32102)式中，q稱為失配系數(shù)，其意義是：由于電路失配，q1，因而使實際功率小于額定功率。對放大器來說，如輸入端與輸出端的失配系數(shù)分別為qi和qo，則噪聲系數(shù)Fn可寫成與式(32100)相同。 2)噪聲溫度表示放大器(四端網(wǎng)絡)內部噪聲的另一種方法是將內部噪聲折算到輸入端，放大器本身則被認為是沒有噪聲的理想器件。若折算到輸入端后的額定輸此處，Ti稱為噪聲溫度。用Ti表示噪聲比用噪聲系數(shù)表示噪聲更為精確。 3)多級放大器的噪聲系數(shù) 設有二級級聯(lián)放大器，如圖3220所示，每級的通頻帶為fn。 如前所述，第一級額定輸入噪聲功率(由信號源內阻產生)為kTfn參看式(3298)。由式(32101)可見，第一級額定輸出噪聲功率為 顯然，第一級額定輸出噪聲功率Pno1是由兩部分組成：一部分是經放大后的信號源噪聲功率kTfnApH1；另一部分是第一級放大器本身產生的輸出噪聲功率Pn1。因此 同理，第二級放大器額定輸出噪聲功率Pno2也由兩部分組成：一部分是第一級放大器輸出的額定輸出噪聲功率Pno1經第二級放大后的輸出部分，等于Pno1ApH2；另一部分是第二級放大器本身附加輸出的噪聲功率Pn2。而Pn2可用與求Pn1同樣的方法求得。但應注意，必須將二級放大器斷開，將信號源(包括內阻)直接接到第二級的輸入端，因為Pn2是第二級放大器本身產生的輸出噪