高頻第2章 小信號放大器

1、第2章 高頻功率放大器第第2章章 高頻小信號放大器高頻小信號放大器 2.1 概述概述2.2 高頻電路的基礎(chǔ)知識高頻電路的基礎(chǔ)知識2.3 晶體管高頻小信號諧振放大器晶體管高頻小信號諧振放大器2.4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性小信號諧振放大器的穩(wěn)定性2.5 場效應(yīng)管高頻放大器場效應(yīng)管高頻放大器2.6 線性寬帶放大集成電路與集中濾波器線性寬帶放大集成電路與集中濾波器2.7 放大電路的噪聲放大電路的噪聲第2章 高頻功率放大器2.1 概述概述 一、高頻小信號放大器的功能 在通信系統(tǒng)中，收、發(fā)兩地相距甚遠(yuǎn)，信號經(jīng)過信道傳輸，受到很大衰減，到達(dá)接收端的高頻信號電平多在V。必須先將微弱信號進(jìn)行放大再解調(diào)。 高頻：

2、指被放大信號的頻率在幾百千赫至幾百兆赫。 小信號：指放大器輸入信號小。 第2章 高頻功率放大器 高頻小信號放大器的功能也可以從輸入信號與輸出信號所含頻譜來說明，即在放大器件工作于線性范圍的條件下，輸出信號的頻譜與輸入信號的頻譜完全相同。 二、分類 1、按使用的器件分為晶體管、場效應(yīng)管和集成電路放大器； 2、按放大信號的頻譜寬窄分為寬頻帶和窄頻帶放大器； 3、按所用負(fù)載的性質(zhì)分為諧振和非諧振放大器。第2章 高頻功率放大器 三、主要性能指標(biāo) (1)電壓增益與功率增益 Au(電壓增益)等于放大器輸出電壓與輸入電壓之比； AP(功率增益)等于放大器輸出給負(fù)載的功率與輸入功率之比。 (2)通頻帶 通頻帶

3、的定義是放大器的電壓增益下降到最大值的倍時，所對應(yīng)的頻帶寬度。常用2f0.7來表示。第2章 高頻功率放大器(3)矩形系數(shù) 矩形系數(shù)是表征放大器選擇性好壞的一個參量。矩形系數(shù)用來表示實際曲線形狀接近理想矩形的程度，通常用Kr0.1來表示。其定義為式中，2f0.7放大器的通頻帶； 2f0.1放大器的電壓增益下降至最大值的0.1倍時所對應(yīng)的頻帶寬度。7 . 01 . 01 . 022ffKr第2章 高頻功率放大器(4)噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)是用來表征放大器的噪聲性能好壞的一個參量。對于放大器來說，總是希望放大器本身產(chǎn)生的噪聲越小越好，即要求噪聲系數(shù)接近于1。 nosonisiFPPPPN/第2章 高頻功

4、率放大器2.2 高頻電路的基礎(chǔ)知識高頻電路的基礎(chǔ)知識一、LC諧振回路的作用 1、可以進(jìn)行選頻（即將LC回路調(diào)諧在需要選擇的頻率上）； 2、進(jìn)行信號的頻幅轉(zhuǎn)換和頻相轉(zhuǎn)換（在斜率鑒頻和相位鑒頻）；3、組成阻抗變換和匹配電路。第2章 高頻功率放大器二、LC串并聯(lián)諧振回路的特性（一）串聯(lián)諧振 L C r )/1(/1cLjrcjLjrZ（2）諧振頻率： LC10（1）回路阻抗 （3）諧振電流： rUjwIs)(0第2章 高頻功率放大器crrLQ001（4）回路的品質(zhì)因數(shù)：（5）阻抗的幅頻特性和相頻特性曲線表達(dá)式分別為：)1(CLjrZ其幅頻特性為：相頻特性為：22)1(|CLrZrCL1arctan第

5、2章 高頻功率放大器其幅頻特性曲線與相頻特性曲線如下圖所示： 0 Z() 幅頻特性曲線 0 /2 () /2 相頻特性曲線 v串聯(lián)諧振回路在諧振點的阻抗最小，相頻特性曲線斜率為正。v其在諧振時電流最大，因此適合與信號源以及負(fù)載串聯(lián)連接，使有用信號通過回路有效地傳送給負(fù)載。第2章 高頻功率放大器（二）并聯(lián)諧振 r L C (a) Re0 C L (b) (a)并聯(lián)諧振回路;（b）等效電路 第2章 高頻功率放大器（1）諧振頻率： LC10（2）諧振導(dǎo)納 ：20202)()(LrLrrgo（3）回路總導(dǎo)納 ：)1(0LCjgY（4）兩端諧振電壓： 00)(gIwUs（5）回路空載Q0值： 00000

6、1gCLgQ第2章 高頻功率放大器（6） 單位諧振曲線： f N(f) Q01 Q02 2f0.7 1 2/12f0.1 實際的幅頻特性 (c) f4 f1 f2 f3 0.1 f0 Q01Q02理想的幅頻特性理想的幅頻特性第2章 高頻功率放大器三、串并聯(lián)阻抗的等效互換 如圖是一個串聯(lián)電路與并聯(lián)電路的等效互換圖。設(shè)串聯(lián)電路是由X1與r1組成，等效后的并聯(lián)電路是由X2與R2組成。 R2 X2 Zp R1 X1Zs 第2章 高頻功率放大器122122)11 ()1 (XQXRQR轉(zhuǎn)換后電抗元件的性質(zhì)沒有改變：容性的仍為容性，感性的仍為感性。 若Q1時： 12122XXRQR轉(zhuǎn)換后品質(zhì)因數(shù)沒有改變；

7、第2章 高頻功率放大器 四、并聯(lián)諧振回路的耦合聯(lián)接與接入系數(shù) (一)變壓器耦合聯(lián)接的變比關(guān)系 LLRNNR221第2章 高頻功率放大器(二)自耦變壓器耦合聯(lián)接的變比關(guān)系LLRNNNR2221第2章 高頻功率放大器 (三)雙電容分壓耦合聯(lián)接的變比關(guān)系 首先將RL與C2組成的并聯(lián)支路等效為串聯(lián)支路 LLLLcLSRCRRCRQR222020221)(11LLSLSLSLScLRCCRCRCRRQR22222020211因為，C= C1 C2(C1+ C2)，所以LLRCCCR2121再將RLS、C1、C2組成的串聯(lián)支路等效為并聯(lián)支路第2章 高頻功率放大器(四)接入系數(shù))()(或容抗轉(zhuǎn)換后的圈數(shù)或容

8、抗轉(zhuǎn)換前的圈數(shù)p第2章 高頻功率放大器2.3 晶體管高頻小信號諧振放大器晶體管高頻小信號諧振放大器 晶體管在高頻線性運(yùn)用時，晶體管的內(nèi)部參數(shù)將隨工作頻率而變化。因而必須討論晶體管的高頻等效電路。在本課程所討論的頻率范圍內(nèi)，用得最多的是y參數(shù)等效電路。 第2章 高頻功率放大器 b e c bIcIbUcU則對于晶體管來講，其可以看作是如下圖所示的二端口網(wǎng)絡(luò)：則對于晶體管來講，其可以看作是如下圖所示的二端口網(wǎng)絡(luò)：coebfeccrebiebUyUyIUyUyI0cUbbieUIy輸入導(dǎo)納輸入導(dǎo)納 0bUcbreUIy反向傳輸導(dǎo)納反向傳輸導(dǎo)納 0cUbcfeUIy0bUccoeUIy正向傳輸導(dǎo)納正向

9、傳輸導(dǎo)納 輸出導(dǎo)納輸出導(dǎo)納 一、y y參數(shù)等效電路 第2章 高頻功率放大器 b b c yie e creUybfeUyyoe bIcIbU+ - cU+ - 晶體管的晶體管的Y參數(shù)等效電路：參數(shù)等效電路：第2章 高頻功率放大器ieieieCjgyoeoeoeCjgyfefefeyy|rerereyy|由于晶體管結(jié)電容的存在，Y參數(shù)一般是一個復(fù)數(shù)。因此Y參數(shù)的輸入導(dǎo)納以及輸出導(dǎo)納一般表示成直角坐標(biāo)的形式，而正向傳輸導(dǎo)納與反向傳輸導(dǎo)納通常寫成極坐標(biāo)的形式，即：第2章 高頻功率放大器 二、單調(diào)諧回路諧振放大器 Ce R3 R1 R2 C Cb CC L Vccb iUoU 直流偏置由R1、R2 、

10、R3來實現(xiàn)Cb 、 CC 為耦合電容，Ce為高頻旁路電容。選頻與阻選頻與阻抗匹配抗匹配第2章 高頻功率放大器 c ys L ifeUyyoe bIcIiU+ cU+ yie C pU+ g0 n1 n2 yie oU+ Is (一)放大器的等效電路及其簡化若信號源用Is和Ys等效，變壓器次級的負(fù)載為下一級相同型號的放大管（即具有相同的輸入導(dǎo)納Yie）。則其等效電路如下：第2章 高頻功率放大器 L ifeUyn1P12yoe C pU+ g0 P22yie oU+ 將輸入、輸出參數(shù)等效到LC回路：空載諧振電導(dǎo) g0=1/0LQ0 p1=N22N23，p2=N45N23第2章 高頻功率放大器(二)

11、放大器的技術(shù)指標(biāo)1.電壓增益uALCgyppUUAfeiouj1j21放大器諧振時， gyppAfeu210通常，在電路計算時，電壓增益用其模表示，即|Au0|可表示為gyppAfeu210根據(jù)定義，第2章 高頻功率放大器放大器的諧振特性2.諧振曲線 第2章 高頻功率放大器 放大器的諧振曲線是表示放大器的相對電壓增益與輸入信號頻率的關(guān)系。 對于諧振放大器來說，通常討論的f與f0相差不會很大，即可認(rèn)為f在f0附近變化，則002j11ffQAALuu式中，f=f-f0，稱為一般失諧。令=QL2f/f0，稱為廣義失諧。j110uuAA2011uuAA第2章 高頻功率放大器 3.放大器的通頻帶 根據(jù)通

12、頻帶的定義，Au/Au0=1/2時所對應(yīng)的2f為放大器的通頻帶。211120uuAA1207 . 0ffQL2f0.7=f0/QL第2章 高頻功率放大器 4.放大器的矩形系數(shù)根據(jù)矩形系數(shù)的定義其中，2f0.1是Au/Au0=0.1時所對應(yīng)的頻帶寬度，即則矩形系數(shù)為 單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1。也就是它的諧振曲線與矩形相差較遠(yuǎn)，選擇性差。 7 . 0221 . 01 . 0ffKr1011120uuAA991 . 0rK第2章 高頻功率放大器 三、多級單調(diào)諧回路諧振放大器 (一)多級單調(diào)諧諧振放大器的電壓增益 設(shè)放大器有m級，各級電壓增益分別為Au1，Au2，Aum,則總電壓增益Am是各

13、級電壓增益的乘積。 Am=Au1Au2Au3Aum 若多級放大器是由完全相同的單級放大器組成時，各級電壓增益相等，則m級放大器的總電壓增益Am=(Au1)m f0 f 第2章 高頻功率放大器(二)多級單調(diào)諧諧振放大器的諧振曲線 m級相同的放大器級聯(lián)時，它的諧振曲線等于各單級諧振曲線的乘積?？杀硎緸?200211mLmmffQAA第2章 高頻功率放大器(三)多級單調(diào)諧諧振放大器的通頻帶m級相同的放大器級聯(lián)時，根據(jù)定義總通頻帶應(yīng)滿足下式212112207 . 00mmLmmffQAALmmQff017.012)2(17 . 017 . 0)2(12)(2ffmm第2章 高頻功率放大器 (四)多級單

14、調(diào)諧諧振放大器的矩形系數(shù) m級單調(diào)諧諧振放大器的矩形系數(shù)為 121100)(111 . 0mmmrK說明：級數(shù)越多，矩形系數(shù)越小。第2章 高頻功率放大器2.4小信號諧振放大器的穩(wěn)定性小信號諧振放大器的穩(wěn)定性 一、諧振放大器存在不穩(wěn)定的原因 晶體管存在著反向傳輸導(dǎo)納yre，放大器的輸出電壓可通過晶體管的yre反向作用到輸入端，引起輸入電流的變化，這種反饋作用將可能引起放大器產(chǎn)生自激等不良后果。 第2章 高頻功率放大器 二、放大器的穩(wěn)定系數(shù)及穩(wěn)定增益 (一)放大器的穩(wěn)定系數(shù) 當(dāng)信號源提供輸入電壓后，通過晶體管得到LoeifeCYyUyUfereLoeSieiiyyYyYyUUS)(穩(wěn)定系數(shù)第2章

15、高頻功率放大器(二)單級調(diào)諧放大器的穩(wěn)定增益 穩(wěn)定增益，是指晶體管不加任何穩(wěn)定措施，而滿足穩(wěn)定系數(shù)S(例如S5)要求時，放大器工作于諧振頻率的最大電壓增益。)cos(1 20referefesuySyA第2章 高頻功率放大器三、提高諧振放大器穩(wěn)定性的措施 由于yre的反饋作用，晶體管是一個雙向器件。使晶體管yre的反饋作用消除的過程稱為單向化。單向化的目的就是提高放大器的穩(wěn)定性。 單向化的方法有中和法和失配法。第2章 高頻功率放大器(一)中和法 所謂中和，是在晶體管放大器的輸出與輸入之間引入一個附加的外部反饋電路，以抵消晶體管內(nèi)部yre的反饋作用。注意：嚴(yán)格的中和很難達(dá)到。因晶體管的注意：嚴(yán)格

16、的中和很難達(dá)到。因晶體管的 yre 是隨頻率變是隨頻率變化的?；?。 第2章 高頻功率放大器 (二)失配法 所謂失配是指信號源內(nèi)阻不與晶體管的輸入阻抗匹配，晶體管輸出端的負(fù)載不與本級晶體管的輸出阻抗匹配。 失配法的實質(zhì)是降低放大器的電壓增益，以確保滿足穩(wěn)定的要求。 第2章 高頻功率放大器 一、結(jié)型場效應(yīng)管高頻放大器 共源-共柵高頻放大器與共射-共基級聯(lián)放大器相似，可以把共源-共柵級聯(lián)的兩管等效為一個共源的場效應(yīng)管。其反向傳輸導(dǎo)納很小，內(nèi)部反饋很弱，放大器的穩(wěn)定性高。場效應(yīng)管共源-共柵高頻放大器由于具有電壓增益較高、工作穩(wěn)定、高頻特性好、動態(tài)范圍大、噪聲小、線性好等特點，在通信系統(tǒng)的高頻放大中應(yīng)

17、用較為廣泛。 2.5 場效應(yīng)管高頻放大器場效應(yīng)管高頻放大器 第2章 高頻功率放大器第2章 高頻功率放大器 二、雙柵場效應(yīng)管高頻放大器 雙柵場效應(yīng)管也稱為雙柵MOS管。它是一個管子中有兩個控制柵極。從結(jié)構(gòu)上來看可以認(rèn)為是兩個單柵場效應(yīng)管的串聯(lián)組成。從特性上來看，由于增加了第二柵級g2，它具有一定的屏蔽作用，使得漏極與第一柵極之間的反饋電容變得很小。用這樣的管子制做的放大器的工作穩(wěn)定性高。第2章 高頻功率放大器第2章 高頻功率放大器2.6 線性寬帶放大集成電路與集中濾波器線性寬帶放大集成電路與集中濾波器 一、線性寬頻帶集成放大電路 (一)共射-共基集成寬頻帶放大器 國產(chǎn)ER4803寬頻帶放大器。該

18、電路是由T1、T3(或T4)與T2、T6(或T5)組成共射-共基放大器，輸出電壓的特性由外電路控制。若外電路使ID2=0，而ID10時，D2和T4、T5截止。這時信號經(jīng)T1、T3與T2、T組成的共射-共基差分對放大后輸出。若外電路使ID1=0，而ID20時，D1和T3、T6截止。這時信號經(jīng)T1、T4與T2、T5組成的共射-共基差分對放大后輸出。輸出電壓極性與上相反。Ce是MOS電容，用來補(bǔ)償高頻，以展寬頻帶。這種集成電路常用于350MHz以上寬帶示波器中實現(xiàn)高、中、視頻放大。 第2章 高頻功率放大器第2章 高頻功率放大器 二、集中濾波器 集中選擇濾波器可以由多節(jié)電感、電容串并聯(lián)回路構(gòu)成的LC濾

19、波器，也可以由石英晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器構(gòu)成。由于這些濾波器可以根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行精確的設(shè)計，而且在與放大器聯(lián)接時可以設(shè)置良好的阻抗匹配電路，因此，選頻特性較好。目前應(yīng)用最普遍的集中選擇性濾波器是聲表面波濾波器。 第2章 高頻功率放大器 噪聲：是在放大電路或電子設(shè)備的輸出端與有用信號同時存在的一種隨機(jī)變化的電流或電壓，沒有有用信號時，它也存在。 2.7 放大電路的噪聲放大電路的噪聲 電阻熱噪聲功率譜密度為S(f)=4kTR 一、放大電路內(nèi)部噪聲的來源和特點 放大電路的內(nèi)部噪聲主要來源于包括輸入變換電路在內(nèi)的電阻熱噪聲和放大器件的噪聲。第2章 高頻功率放大器噪聲電壓的方均值nnfk

20、TRtu 4)(2nnfkTgti 4)(2噪聲電流的方均值fn為圖所示帶寬或電路的等效噪聲帶寬，單位為Hz。 第2章 高頻功率放大器 (二)晶體三極管的噪聲 晶體三極管的噪聲主要有四個來源。 1.熱噪聲 2.散粒噪聲 3.分配噪聲 4.閃爍噪聲 (三)場效應(yīng)管的噪聲 在場效應(yīng)管中，因為其工作原理不是少數(shù)載流子的運(yùn)動，所以散粒噪聲的影響很小，主要是溝道電阻產(chǎn)生的熱噪聲。溝道熱噪聲通過溝道和柵極間電容的耦合作用在柵極上感應(yīng)的噪聲，還存在閃爍噪聲。第2章 高頻功率放大器 二、噪聲電路的計算 (一)噪聲等效電壓源和等效電流源 在fn頻帶內(nèi)，溫度為T的一個電阻的熱噪聲可用如圖等效電路表示。可等效為電壓

21、源或等效電流源。第2章 高頻功率放大器 (二)串并聯(lián)電阻的噪聲計算 等效噪聲電路如圖所示，在T和fn相同的條件下，可得 nnnnfRRkTuuu)(421222121 兩個并聯(lián)電阻所輸出的總噪聲電壓方均值相當(dāng)于兩個電阻的并聯(lián)阻值所產(chǎn)生的熱噪聲nnnnfRRRkTuuu212222124第2章 高頻功率放大器 三、放大電路噪聲的表示方法及計算 (一)等效噪聲頻帶寬度 設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)為A(f)，輸入端的噪聲功率譜密度為Si(f)。把輸入端的噪聲功率譜密度乘以網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸系數(shù)A2(f)，即可得輸出端的噪聲功率譜密度 So(f)=A2(f)Si(f)第2章 高頻功率放大器 (二)噪聲系數(shù) 放大電路的噪聲系數(shù)是放大電路輸入端信號噪聲功率比Psi/Pni與輸出端信號噪聲功率比PsoPno的比值。 輸出信噪功率比輸入信噪功率比nosonisiFPPPPN/nosonisiFPPPPN/lg10)dB(用分貝數(shù)表示第2章 高頻功率放大器 放大電路的