通信電子線路-第-03-章-高頻小信號放大器

1、LOGO 2021/3/10 講解：XX Page #1 第 3 章 高頻小信號放大器 v3.1 概述概述 v3.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) v3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 v3.4 諧振放大器的穩(wěn)定性諧振放大器的穩(wěn)定性 v3.5 非調(diào)諧式放大器與集成電路放大器非調(diào)諧式放大器與集成電路放大器 2021/3/10 講解：XX Page #2 3.1 概述 v主要用途：主要用途： 接收機中混頻接收機中混頻前前的的射頻射頻放大器放大器 接收機中混頻接收機中混頻后后的的中頻中頻放大器放大器 v工作頻率：工作頻率： 中心頻率很高（幾百中心頻率很高（幾百K

2、Hz 幾百幾百MHz） 頻譜寬度相對較窄（幾頻譜寬度相對較窄（幾KHz 數(shù)十數(shù)十MHz） AM: 5351605K, 9KHz; FM: 88108M, 350KHz v工作狀態(tài)：工作狀態(tài)： 信號較小，故工作在信號較小，故工作在線性放大狀態(tài)線性放大狀態(tài)（甲類狀態(tài)）（甲類狀態(tài)） 2021/3/10 講解：XX Page #3 3.1 概述概述 分類分類 v1. 高頻小信號放大器的分類高頻小信號放大器的分類 按所用器件：按所用器件： 晶體管晶體管 (BJT)、場效應(yīng)管、場效應(yīng)管 (FET)、集電電路、集電電路 (IC) 按頻譜寬度：按頻譜寬度：窄帶放大器、寬帶放大器窄帶放大器、寬帶放大器 按電路形

3、式：按電路形式：單級放大器、級聯(lián)放大器單級放大器、級聯(lián)放大器 按負載性質(zhì)：按負載性質(zhì)：諧振放大器、非諧振放大器諧振放大器、非諧振放大器 諧振放大器：采用諧振回路作負載的放大器，具有放大、諧振放大器：采用諧振回路作負載的放大器，具有放大、 濾波和選頻的作用。濾波和選頻的作用。 非諧振放大器：由阻容放大器和各種濾波器組成，其結(jié)非諧振放大器：由阻容放大器和各種濾波器組成，其結(jié) 構(gòu)簡單，便于集成。構(gòu)簡單，便于集成。 本章主要學(xué)習(xí)：本章主要學(xué)習(xí)：單級、窄帶、諧振放大器單級、窄帶、諧振放大器 2021/3/10 講解：XX Page #4 3.1 概述概述 指標指標 v2. 高頻小信號放大器的質(zhì)量指標高頻

4、小信號放大器的質(zhì)量指標 1) 增益增益 (放大系數(shù)放大系數(shù)) 電壓增益電壓增益 功率增益功率增益 2) 通頻帶通頻帶 3dB 帶寬帶寬：B0.7 = = 2 f0.7 3) 選擇性：選擇性： 矩形系數(shù)矩形系數(shù) o V i V A V = =20lg() o V i V AdB V = = o P i P A P = =10lg() o P i P AdB P = = 0.1 0.1 0.7 2 2 r f K f = = 0.01 0.01 0.7 2 2 r f K f = = 2021/3/10 講解：XX Page #5 3.1 概述概述 指標指標 抑制比抑制比：對某個干擾信號：對某個干

5、擾信號 fn 的抑制能力的抑制能力 4) 工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性 電源電壓及器件參數(shù)的變化會導(dǎo)致不穩(wěn)定現(xiàn)象：電源電壓及器件參數(shù)的變化會導(dǎo)致不穩(wěn)定現(xiàn)象： 增益改變、中心頻率漂移、通頻帶變窄等增益改變、中心頻率漂移、通頻帶變窄等 極端情況下，在高頻工作時，晶體管內(nèi)反饋和寄生反饋極端情況下，在高頻工作時，晶體管內(nèi)反饋和寄生反饋 較強，因此高頻放大器很容易自激，放大器不能工作。較強，因此高頻放大器很容易自激，放大器不能工作。 5) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 多級放大器中多級放大器中關(guān)鍵關(guān)鍵在于減小在于減小前級電路前級電路的內(nèi)部噪聲。的內(nèi)部噪聲。 0V n n A d A = = () () sini F son

6、o PP N PP = = 輸輸入入信信噪噪比比 輸輸出出信信噪噪比比 0 20lg() V n n A ddB A = = 2021/3/10 講解：XX Page #6 3.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) v1. 物理模擬等效電路物理模擬等效電路 低頻小信號微變等效電路低頻小信號微變等效電路 混合混合 型等效電路型等效電路 簡化：簡化： 高頻時：高頻時： 結(jié)電容的結(jié)電容的 影響更大影響更大 Cce rce rbc Cbc Cbe gmVbe b bIb b e bmb e b e V Ig V r b bb b = = = rbe + + - - Vce + + - - Vbe Ib

7、Ic bc e rbb b m b e g r b b = = 2021/3/10 講解：XX Page #7 3.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) v2. 形式等效電路形式等效電路 雙端口網(wǎng)絡(luò)、四端網(wǎng)絡(luò)雙端口網(wǎng)絡(luò)、四端網(wǎng)絡(luò) 可取任意兩個作為自變量可取任意兩個作為自變量 H 參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路 Hybrid Parameter Model I1、V2 做自變量，常用于低頻小信號分析做自變量，常用于低頻小信號分析 112 212 ir fo Vh Ih V Ih Ih V =+=+ =+=+ biebrec cfeboec Vh Ih V IhIh V =+

8、=+ =+=+ hie = = rbehfe = = b b . hreV2 + + - - hoe 1 hie hfeI1 . Ib . + + - - Vb . Vc . b + + - - cIc . e V1 V2 I1 I2 + + + - - - 2021/3/10 講解：XX Page #8 3.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) v2. 形式等效電路形式等效電路 雙端口網(wǎng)絡(luò)、四端網(wǎng)絡(luò)雙端口網(wǎng)絡(luò)、四端網(wǎng)絡(luò) 可取任意兩個作為自變量可取任意兩個作為自變量 Y 參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路 Y-Parameter Model V1、V2 做自變量，常用于高頻小

9、信號分析做自變量，常用于高頻小信號分析 V1 V2 I1 I2 + + + - - - 112 212 ir fo Iy Vy V Iy Vy V = =+ + = =+ + 11 22 ir fo yyIV yy IV = = 2021/3/10 講解：XX Page #9 3.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) yi 輸出短路時的輸入導(dǎo)納：輸出短路時的輸入導(dǎo)納： yr 輸入短路時的反向傳輸導(dǎo)納：輸入短路時的反向傳輸導(dǎo)納： yo 輸入短路時的輸出導(dǎo)納：輸入短路時的輸出導(dǎo)納： yf 輸出短路時的正向傳輸導(dǎo)納：輸出短路時的正向傳輸導(dǎo)納： 1 2 0 2 o V I

10、y V = = = = 2 1 0 1 i V I y V = = = = 1 1 0 2 r V I y V = = = = 2 2 0 1 f V I y V = = = = 112 212 ir fo Iy Vy V Iy Vy V = =+ + = =+ + 11 22 ir fo yyIV yy IV = = 2021/3/10 講解：XX Page #10 3.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) v3. Y 參數(shù)與混合參數(shù)與混合 型等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換型等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換 2 1 0 1 ie V I y V = = = = 2 2 0 1 1 m fe

11、 V b bb e gI y Vr Y = = = = = + + 1 1 0 2 1 b c re V b bb e j CI y Vr Y = = = = = - - + + 1 2 0 2 oe V I y V = = = = b eb eb c YjCC = =+ + b eb e Yj C = = 1 b e b bb e Y r Y = = + + 1 1 m bb b c b bb e g r j C r Y =+=+ + + 2021/3/10 講解：XX Page #11 3.3 晶體管諧振放大器 v晶體管低頻小信號放大器的分析方法晶體管低頻小信號放大器的分析方法 (對比對比

12、) 直流通路直流通路【規(guī)則規(guī)則】交流信號源為零，交流信號源為零，C 開路，開路，L 短路短路 得到靜態(tài)工作點：得到靜態(tài)工作點：IBQ 、ICQ 、VCEQ 、VBEQ 交流通路交流通路【規(guī)則規(guī)則】直流電源為零，直流電源為零，C 短路，短路，L 開路開路 微變等效微變等效 電路分析電路分析 26 1 b e CQ r I b b =+=+ / ocLCbL iRRi Rb b = = - -= = - -v 2021/3/10 講解：XX Page #12 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 v晶體管高頻小信號放大器晶體管高頻小信號放大器 直流通路：直流通路：得到靜態(tài)工作點得到靜態(tài)工作點

13、IBQ 、ICQ 、VCEQ 、VBEQ 交流通路：交流通路： 高頻高頻小信號等效電路：小信號等效電路：混合混合 型型 或或 Y 參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路 高頻窄帶選擇性問題：高頻窄帶選擇性問題： 放大放大 + 選頻選頻 放大放大 & 選頻選頻 分別實現(xiàn)分別實現(xiàn) 同時完成同時完成 2021/3/10 講解：XX Page #13 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 v一、單級單調(diào)諧回路諧振放大器一、單級單調(diào)諧回路諧振放大器 全部接入：全部接入： 抽頭接入：抽頭接入： 直流通路直流通路 2 1 Lpie Ygj Cy j L = +=+ 2 222 1 11 Lpie Ygj CP y P

14、j L = = + + + + 交流通路：交流通路： 大電感開路，大電容短路大電感開路，大電容短路 注意保留諧振回路注意保留諧振回路的的 LC L Y 2021/3/10 講解：XX Page #14 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 a b 1. 等效電路分析等效電路分析 內(nèi)部內(nèi)部 方程方程 外部外部 方程方程 2. 質(zhì)量指標質(zhì)量指標 ( Av 、Ap 、f0 、2 f0.7 等等) 1) 電壓增益：電壓增益： 由由 ： 抽頭關(guān)系：抽頭關(guān)系： 電壓增益：電壓增益： 2 1 o c VP P V = = 1cab VP V = = L Y 2 1 fe oeL y P PyY = =

15、- + + fe ci oeL y VV yY = -= - + + 2oab VP V = = o V i V A V = = oc ci VV VV = cfeioec Iy Vy V = =+ + bieirec Iy Vy V = =+ + cLc IYV = = - - 2021/3/10 講解：XX Page #15 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 2oab VP V = = 2 22 1 Lpie Ygj CP y j L =+=+ 12 2 1 o V i fe oeL P P A y Y V P y V = - - + + 12 1 fe P P y gj C j

16、L = -= - + 12 0V fe P P A y g - -= = 0 1 LC = = 222 oeoeoe ieieie ygj C ygj C =+=+ =+=+ 也也 可可 以以 換換 個個 角角 度度 分分 析析 a b a b 2 1 V fe oeL y Y A P Py - - + + = = YL 0 1 V A j + + = = 0 2 L Q 0 L C Q g = = 1 22 1 fei oeL P y V P P yY = -= - + + 22 122 22 122 oepie oeie gP ggP g CP CCP C =+=+ =+=+ 2021/3

17、/10 講解：XX Page #16 12 0V fe P P A y g - -= = 0 1 LC = = 0 2 L Q 0 L C Q g = = 22 122 22 122 oepie oeie gP ggP g CP CCP C =+=+ =+=+ 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 諧振時諧振時 電壓增益是頻率的函數(shù)。諧振時，電壓增益達到最大電壓增益是頻率的函數(shù)。諧振時，電壓增益達到最大 輸出電壓與輸入電壓相差輸出電壓與輸入電壓相差 180 + + fe ( yfe 是復(fù)數(shù)是復(fù)數(shù) ) 選擇正向傳輸導(dǎo)納選擇正向傳輸導(dǎo)納 yfe 較大的三極管較大的三極管 2) 諧振時功率增益諧

18、振時功率增益 Po/Pi 沒有回路損耗沒有回路損耗 (Rp ) 時時 匹配條件：匹配條件： 考慮插入損耗考慮插入損耗 (并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振)： 1212 022 122 fefe V oepie P P yP P y A gP ggP g = -= -= -= - + 22 0 2 0 2 2 ioie P ii e ee V i V g A V g g A g = 2 0max | 4 fe P ieoe y A g g = = 22 221ieoe P gP g= = 2 2 0max 0 | 1 4 fe L P ieoe y Q A g gQ = = - - a b 2021/3/10

19、講解：XX Page #17 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 3) 通頻帶通頻帶 諧振曲線同并聯(lián)諧振回路一樣諧振曲線同并聯(lián)諧振回路一樣 4) 選擇性選擇性 單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)遠大于單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)遠大于 1，選擇性比較差，選擇性比較差 采用耦合諧振回路采用耦合諧振回路 (雙調(diào)諧放大器雙調(diào)諧放大器) 可改善選擇性可改善選擇性 0 1 V V A A j = = + + 2 0 1 1V V A A = = + + 20.1 0.1 0.7 2 1019.951 2 r f K f =-=- 2 0 0 1 12 V V L A A Qff = = + + 2021/3/10 講解

20、：XX Page #18 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 5) 帶寬增益積帶寬增益積 電壓增益的另一種形式電壓增益的另一種形式 帶寬增益積為常數(shù)帶寬增益積為常數(shù) 討論：討論： 電路確定后，增加帶寬會導(dǎo)致電壓增益下降電路確定后，增加帶寬會導(dǎo)致電壓增益下降 設(shè)計電路時，為提高帶寬增益積，希望設(shè)計電路時，為提高帶寬增益積，希望 yfe 大、大、C 小小 但但 C 不能太小，否則不穩(wěn)定電容影響會增大不能太小，否則不穩(wěn)定電容影響會增大 00 0.7 2 L L C Q Qg = = = 0.7 2gC = = 12 0.7 2 fe P P y C = = - - 12 00.7 2 fe V

21、 P P y A C = - = - 12 0 fe V P P y A g = -= - 2021/3/10 講解：XX Page #19 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 例：例： 單調(diào)諧回路放大器如圖所示。設(shè)負載是與該放大器相同單調(diào)諧回路放大器如圖所示。設(shè)負載是與該放大器相同 的下一級放大器，的下一級放大器，L13 = 1.5 uH，C = 12 pF，Q0 = 100 N12 = 16 圈，圈，N13 = 20 圈，圈， N45 = 4 圈圈 BJT 的參數(shù)為：的參數(shù)為：gie = 1.110-3 S，goe = 1.110-4 S， |yfe| = 0.08 S，Cie =

22、25 pF，Coe = 6 pF 求：求：f0 ，AV0 ，2 f0.7 解：解： 抽頭系數(shù)抽頭系數(shù) 12 1 13 0.8 N P N = = = 45 2 13 0.2 N P N = 2021/3/10 講解：XX Page #20 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 22 , ieieieie ggCC= = = 0013 11 34 p p gS RQL = 00 013013 11 ,23 p LL p g QQQQ gLgLg = = 0 13 1 31.4 2 fMHz L C = 12 0 | 85 fe V P P y A g =倍倍 0 0.7 21.37 L f

23、fMHz Q = 調(diào)諧頻率調(diào)諧頻率 求增益求增益 求通頻帶求通頻帶 22 122 17 oeie CP CCP CF = =+ + += = 224 122 1.48 10 oepie gP ggP gS - - = =+ + += = 0 013 p R Q L = = 2021/3/10 講解：XX Page #21 3.3 晶體管諧振放大器晶體管諧振放大器 v二、多級單調(diào)諧回路諧振放大器二、多級單調(diào)諧回路諧振放大器 (如上例如上例) 1. 電壓增益電壓增益 2. 通頻帶通頻帶 3. 選擇性選擇性 矩形系數(shù)矩形系數(shù) 增益提高，通頻帶減小，選擇性改善增益提高，通頻帶減小，選擇性改善 ( m3

24、 后不明顯后不明顯) 12mVVVm AAAA= = m mV AA= = 2 2 0 12 m m Lo m A Qff A - - = =+ + 110 0.70.7 2121 mm m L f BB Q = =- - = =- - 10 0.1 1001 m m L f B Q =- =- 1 0.1 0.1 1 0.7 1001 21 m m r m m B K B - - = = = - - m Bm/B1Kr0.1 11.009.95 20.644.66 30.513.74 40.433.18 ；各級相同時；各級相同時 1 2 = = 2021/3/10 講解：XX Page #2

25、2 3.4 諧振放大器的穩(wěn)定性 v一、自激產(chǎn)生的原因一、自激產(chǎn)生的原因 放大器的輸入回路就是前級的輸出諧振回路放大器的輸入回路就是前級的輸出諧振回路 輸入導(dǎo)納輸入導(dǎo)納 bieirec Iy Vy V = =+ + fe ci oeL y VV yY = -= - + + refe b iie oeL i y y I Yy yY V =-=- + + refe FFF oeL y y Ygjb yY = -=+= -=+ + + ieF yY= =+ + YF 2021/3/10 講解：XX Page #23 3.4 諧振放大器的穩(wěn)定性 v一、自激產(chǎn)生的原因一、自激產(chǎn)生的原因 放大器的輸入回路就

26、是前級的輸出諧振回路放大器的輸入回路就是前級的輸出諧振回路 輸入導(dǎo)納輸入導(dǎo)納 bieirec Iy Vy V = =+ + fe ci oeL y VV yY = -= - + + refe b iie oeL i y y I Yy yY V =-=- + + refe FFF oeL y y Ygjb yY = -=+= -=+ + + ieF yY= =+ + YF yre 影響之一：影響之一： gF 改變回路的改變回路的 Q 值，值， bF 會引起回路失諧，會引起回路失諧， 多級放大器調(diào)整困難多級放大器調(diào)整困難 yre 影響之二：反向傳輸導(dǎo)納影響之二：反向傳輸導(dǎo)納 yre 的存在可能引起

27、自激。的存在可能引起自激。 gF 是頻率的函數(shù)，在某些頻率上可能為負值，即呈負電是頻率的函數(shù)，在某些頻率上可能為負值，即呈負電 導(dǎo)性，使回路的總電導(dǎo)減小，即負電導(dǎo)導(dǎo)性，使回路的總電導(dǎo)減小，即負電導(dǎo) gF 供給回路能量，供給回路能量， 出現(xiàn)正反饋。出現(xiàn)正反饋。 當當 gF 完全抵消掉回路原有電導(dǎo)時，放大器失去放大作用，完全抵消掉回路原有電導(dǎo)時，放大器失去放大作用， 處于自激振蕩工作狀態(tài)。處于自激振蕩工作狀態(tài)。 2021/3/10 講解：XX Page #24 3.4 諧振放大器的穩(wěn)定性諧振放大器的穩(wěn)定性 v二、放大器產(chǎn)生自激的條件二、放大器產(chǎn)生自激的條件 穩(wěn)定系數(shù)：穩(wěn)定系數(shù)： yre 反饋越強反

28、饋越強 S 接近甚至小于接近甚至小于 1 系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定 yre 反饋越弱反饋越弱 S 1 系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定。S 常取常取 5 10 v三、克服自激的方法三、克服自激的方法 解決思路：晶體管單向化，解決思路：晶體管單向化， 消除反向傳輸導(dǎo)納的影響消除反向傳輸導(dǎo)納的影響 常用方法常用方法：中和法、失配法：中和法、失配法 0 refe sie oeL y y Yy yY +-=+-= + + sieoeL refe YyyY S y y + + + = = 1 sieoeL refe YyyY y y + = = YF 2021/3/10 講解：XX Page #25 3.4 諧振放大器的

29、穩(wěn)定性諧振放大器的穩(wěn)定性 1. 中和法：中和法： 通過添加外部反饋支路來中和通過添加外部反饋支路來中和 (抵消抵消) 晶體管的內(nèi)部反晶體管的內(nèi)部反 饋，實現(xiàn)信號單向傳輸。饋，實現(xiàn)信號單向傳輸。 外加中和電容外加中和電容 CN ，電橋平衡時，電橋平衡時，CD 兩端的電壓兩端的電壓 Vo 不不 會反映到會反映到 AB 端，即對應(yīng)兩邊阻抗之比相等端，即對應(yīng)兩邊阻抗之比相等 L1 L2 CN 2 I 111 222 11 Nb cb c b cN LLN CCC CCLLN = = BA Vi CN Cb c C D L1 L2 + + - - Vo + + - - Vo i V Cb c 1 I 2021/3/10 講解：XX Page #26 3.4 諧振放大器的穩(wěn)定性諧振放大器的穩(wěn)定性 2. 失配法失配法 阻抗匹配時，負載得到最大功率，同時反饋量也增加阻抗匹配時，負載得到最大功率，同時反饋量也增加 失配法是使阻抗失配，降低增益來換取工作的穩(wěn)定性失配法是使阻抗失配，降低增益來換取工作的穩(wěn)定性 使負載導(dǎo)納使負載導(dǎo)納 YL 取得足夠大，滿足取得足夠大，滿足 yoe+YL yfe yre ， 則輸入導(dǎo)納則輸入導(dǎo)