Chapter3 高頻小信號放大器V1.0

1、西安郵電大學(xué)西安郵電大學(xué) 第三章第三章 高頻小信號放大器高頻小信號放大器第三章第三章 高頻小信號放大器高頻小信號放大器 主要內(nèi)容高頻小信號放大器的指標(biāo)（高頻小信號放大器的指標(biāo)（3.1）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)（3.2）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（3.3、3.4）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（3.6）本次課主要內(nèi)容本次課主要內(nèi)容 掌握高頻小信號放大器的掌握高頻小信號放大器的特點特點、指標(biāo)指標(biāo)（3.1） 掌握掌握Y參數(shù)參數(shù)等效模型、等效模型、y參數(shù)和參數(shù)和參數(shù)之間關(guān)系（參數(shù)之間關(guān)系（3.2） 掌握晶體管高頻參數(shù)

2、（掌握晶體管高頻參數(shù)（3.2） 了解了解參數(shù)模型（參數(shù)模型（3.2）音 頻 或視 頻 信 號音 頻 或視 頻 放 大調(diào) 制高 頻功 放高 頻放 大混 頻中 頻放 大解 調(diào)音 頻 或視 頻 功 放本 地振 蕩高 頻 放 大倍 頻高 頻振 蕩 高頻放大的必要性無線信號無線信號無線信道無線信道有衰減有衰減遠(yuǎn)距離傳輸遠(yuǎn)距離傳輸距離越遠(yuǎn)距離越遠(yuǎn)衰減越大衰減越大接收設(shè)備接收到的高頻電平接收設(shè)備接收到的高頻電平只有微伏級只有微伏級高頻小信號放大器主要應(yīng)用于接收設(shè)備中的高頻小信號放大器主要應(yīng)用于接收設(shè)備中的高頻高頻放大器和中頻放大器放大器和中頻放大器中中概 述小信號小信號放大放大 放大器工作在線性區(qū)，可以應(yīng)用

3、二端口網(wǎng)絡(luò)分析放大器工作在線性區(qū)，可以應(yīng)用二端口網(wǎng)絡(luò)分析 信號頻譜信號頻譜輸入與輸出完全相同輸入與輸出完全相同高頻小信號放大器的特點 高頻小信號放大器的特點有源放大元件選頻網(wǎng)絡(luò)晶體管、場效應(yīng)管、集成運放 LC諧振 晶體、陶瓷、聲表面波等固體濾波器B/f0小小-諧振回路作為負(fù)載諧振回路作為負(fù)載 信號頻譜寬度信號頻譜寬度有限有限 噪聲、干擾噪聲、干擾全頻范圍全頻范圍 目的：提取有用信號，抑制無用信號目的：提取有用信號，抑制無用信號高頻小信號放大器的指標(biāo)1 增益增益電壓增益電壓增益 (Au) ：放大器輸出電壓與輸入電壓之比：放大器輸出電壓與輸入電壓之比功率增益功率增益(AP) ：放大器輸出功率與輸入

4、功率之比：放大器輸出功率與輸入功率之比ouiuAu輸出電壓輸入電壓opiPAP輸出給負(fù)載的功率輸入功率有源放大元件選頻網(wǎng)絡(luò)晶體管、場效應(yīng)管、集成運放 LC諧振 晶體、陶瓷、聲表面波等固體濾波器高頻小信號放大器的指標(biāo)2 中心頻率中心頻率 F0調(diào)諧放大器的工作頻率調(diào)諧放大器的工作頻率一般為幾百一般為幾百KHz幾百幾百MHz 調(diào)諧放大器的主要指標(biāo)調(diào)諧放大器的主要指標(biāo) 選擇有源器件和計算諧振回路參數(shù)的依據(jù)選擇有源器件和計算諧振回路參數(shù)的依據(jù)有源放大元件選頻網(wǎng)絡(luò)晶體管、場效應(yīng)管、集成運放 LC諧振 晶體、陶瓷、聲表面波等固體濾波器高頻小信號放大器的指標(biāo)2 通頻帶通頻帶 B 放大器的電壓增益下降到最大值的

5、放大器的電壓增益下降到最大值的 倍時所對倍時所對應(yīng)的頻帶寬度。常用應(yīng)的頻帶寬度。常用 B 或者或者 2f0.7 表示。表示。 輸入信號的頻率在通頻帶內(nèi)的信號正常放大輸入信號的頻率在通頻帶內(nèi)的信號正常放大 通頻帶外的信號不能正常放大，即電壓增益小，通頻帶外的信號不能正常放大，即電壓增益小，可近似認(rèn)為不能通過放大器可近似認(rèn)為不能通過放大器123 矩形系數(shù)矩形系數(shù) Kr0.1 矩形系數(shù)表征放大器選擇性好壞的一個矩形系數(shù)表征放大器選擇性好壞的一個 選擇性：表示選取有用信號，抑制無用信號的能力選擇性：表示選取有用信號，抑制無用信號的能力 理想：理想：矩形矩形高頻小信號放大器的指標(biāo)7 . 01 . 01

6、. 022ffKr高頻小信號放大器的指標(biāo)4 工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性 指放大器的直流偏置、晶體管參數(shù)、電路元器件參指放大器的直流偏置、晶體管參數(shù)、電路元器件參數(shù)等發(fā)生變化時，放大器主要性能的穩(wěn)定程度數(shù)等發(fā)生變化時，放大器主要性能的穩(wěn)定程度 主要不穩(wěn)定現(xiàn)象：主要不穩(wěn)定現(xiàn)象： 增益變化增益變化 中心頻率偏移中心頻率偏移 通頻帶變化通頻帶變化 諧振曲線變形諧振曲線變形 自激自激最壞情況最壞情況5 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) NF 表征放大器性能好壞的一個參量表征放大器性能好壞的一個參量輸出信噪功率比輸入信噪功率比nosonisiFPPPPN/nosonisiFPPPPN/lg10)dB(晶體管高頻小信號等效電路

7、y參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路 適合于適合于窄頻帶、窄頻帶、小信號小信號放大器放大器 混合混合等效電路等效電路 適合于適合于寬頻帶、寬頻帶、小信號小信號放大器放大器 在分析高頻小信放大器時，采用參數(shù)等效電路進(jìn)行在分析高頻小信放大器時，采用參數(shù)等效電路進(jìn)行分析是比較方便的，分析是比較方便的，以以y y參數(shù)參數(shù)等效電路為主。等效電路為主。y y參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路 二端口網(wǎng)絡(luò)的y參數(shù)測量二端口二端口網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)u1u2i1i20|2111UUIY0|12112UUIY0|21221UUIY0|12222UUIY四個參數(shù)均具有導(dǎo)納量綱四個參數(shù)均具有導(dǎo)納量綱節(jié)點電流方程節(jié)點電流方程Y參數(shù)：參數(shù)：21211

8、11UyUyI2221212UyUyI 共發(fā)射極晶體管y參數(shù)y參數(shù)等效電路00cecebieUbecfeUbeIYUIYU00bebebreUcecoeUceIYUIYUYie是晶體管輸出端短路時的輸入導(dǎo)納，反映了輸入電壓對輸入是晶體管輸出端短路時的輸入導(dǎo)納，反映了輸入電壓對輸入電流的控制作用。電流的控制作用。 yie=gie+jCieYfe是晶體管輸出端短路時的正向傳輸導(dǎo)納，反映了輸入電壓對是晶體管輸出端短路時的正向傳輸導(dǎo)納，反映了輸入電壓對輸出電流的影響，即反映了晶體管的放大能力。輸出電流的影響，即反映了晶體管的放大能力。Yre是晶體管輸入端短路時的反向傳輸導(dǎo)納，反映了輸出電壓是晶體管輸入

9、端短路時的反向傳輸導(dǎo)納，反映了輸出電壓對輸入電流的影響，即晶體管內(nèi)部的反饋作用。對輸入電流的影響，即晶體管內(nèi)部的反饋作用。Yoe是晶體管輸入端短路時的輸出導(dǎo)納，反映了輸出電壓對輸是晶體管輸入端短路時的輸出導(dǎo)納，反映了輸出電壓對輸出電流的作用，其倒數(shù)是電路的輸出阻抗。出電流的作用，其倒數(shù)是電路的輸出阻抗。 yoe=goe+jCoeIb.Ube.becIc.Uce.V二端口二端口網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)u1u2i1i2 共發(fā)射極晶體管Ib.Ube.becIc.Uce.VbbeceierecbecefeoeIY UY UIY UY Uy參數(shù)等效電路二端口二端口網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)u1u2i1i2YieYreUce.YfeUbe

10、.Ib.Ube.Uce.bYoecIc.e(a)節(jié)點電流方程節(jié)點電流方程等效等效y參數(shù)模型參數(shù)模型 共發(fā)射極晶體管輸入、輸出阻抗y參數(shù)等效電路besbceLcoecebeccereiebebuYiuYiyuuyiuyyuifeLYYYyyuuAYyyyyYyyyyoefebecevsiefereoeoLoefereiei混合混合等效電路等效電路和和y參數(shù)等效電路關(guān)系參數(shù)等效電路關(guān)系CberbbCbcrbcrbeubercegm ubeeb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm ube 共發(fā)射極晶體管YieYreUce.YfeUbe.Ib.Ube.Uce.bYoecIc.e(

11、a)oeoeoeCjgy rererefefefeyyyy|其中：其中：ieieeCjgyi混合混合等效電路等效電路和和y參數(shù)等效電路關(guān)系參數(shù)等效電路關(guān)系CberbbCbcrbcrbeubercegm ube共射短路電流放大系數(shù)共射短路電流放大系數(shù)：是指混合是指混合型等效電路輸出交流短路型等效電路輸出交流短路時時, 集電極電流集電極電流Ic與基極電流與基極電流Ib的比值。當(dāng)輸出端短路后的比值。當(dāng)輸出端短路后, 若忽略若忽略rbc， rbe 、Cbe和和Cbc 三者并聯(lián)。三者并聯(lián)。 ffjCCrjrgIIcbebebebmUbcc1)(100其中 012()m b eb eb eb cg rfr

12、CCCberbbCbcrbcrbeubercegm ube1 截止頻率 f2 特征頻率Tf f0 2/0 Tf f1 ffj10 20)(1ff3 最高振蕩頻率maxf以以上上三三個個頻頻率率參參數(shù)數(shù)的的大大小小順順序序為為： fffT max?？傻每傻?f1ff002T 由定義：令由定義：令1)ff(12T045123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc高頻小信號調(diào)諧放大器高頻小信號調(diào)諧放大器一一、電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和工工作作原原理理下下圖圖為為一一個個典典型型的的共共射射極極高高頻頻調(diào)調(diào)諧諧放放大大器器的的實實際際電電路路 1 直直流流偏偏置置電電路路 Rb1、Rb2為為基基極

13、極分分壓壓式式偏偏置置電電阻阻，Re為為射射極極負(fù)負(fù)反反饋饋偏偏置置電電阻阻，穩(wěn)穩(wěn)定定靜靜態(tài)態(tài)工工作作點點，Cb、Ce為為旁旁路路電電容容。放放大大電電路路由由三三部部分分組組成成輸輸入入回回路路：輸輸入入變變壓壓器器次次級級繞繞阻阻 B1 晶晶體體管管：T輸出回路：輸出回路：LC 并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振回路，輸出變壓器輸出變壓器 B2,及負(fù)載及負(fù)載 YLRb1Rb2ReEc32154B1B2CLyLVT輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路晶體管晶體管32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-3 放放大大器器 Y 參參數(shù)數(shù)等等效效電電路路其其中中：ieieieCjgy oeo

14、eoeCjgy LLLCjgy另另外外，為為了了實實現(xiàn)現(xiàn)晶晶體體管管輸輸出出阻阻抗抗與與負(fù)負(fù)載載之之間間的的阻阻抗抗匹匹配配，減減少少晶晶體體管管輸輸出出電電阻阻與與負(fù)負(fù)載載對對品品質(zhì)質(zhì)因因素素的的影影響響：負(fù)負(fù)載載和和回回路路之之間間采采用用了了變變壓壓 器器 耦耦 合合 ， 接接 入入 系系 數(shù)數(shù) NNuup131542 +u31-+u21-32154B1B2CLyLVT32154yieyoe yreuce yfeubeCyLLieLoefereieiyYyyyyY二、放大器性能參數(shù)分析：二、放大器性能參數(shù)分析：1放放大大器器輸輸入入導(dǎo)導(dǎo)納納Yi bebiuiY 而而： ceLcoeceb

15、eccereiebebuYiyuuyiuyyuife ib+ube-iC+uce-LY 而而回回路路 3、1 端端之之間間總總電電導(dǎo)導(dǎo)為為：)Lj1Cjypg(YL220L 其其中中0g為為回回路路的的自自損損耗耗電電導(dǎo)導(dǎo) )1(112202121LjCjypgpYpYLLL beLoefeceuYyyu Yi0giC yfeubeyoeLY +uce-0gyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiS解解 法法 一一 ：+u54-+u31-+u21-利利 用用 上上 述述 求求 解解 輸輸 入入 導(dǎo)導(dǎo)納納 的的 方方 法法 ， 把把 振振 蕩蕩 回回路路 折折 合合 到到 晶晶 體體 管

16、管 集集 電電極極回回路路的的等等效效電電路路31254oupuu 31121ceupuu ce12ouppu 有如如右右圖圖所所示示：beLoefeceuYyyu 故故可可得得)Yy(pypuuALoe1fe2iou 而而beiuu +ube-LY iC yfeubeyoeLY +uce-yLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeYLyLyfeubeyoe解解 法法 二二 ：把晶體管集電極回路把晶體管集電極回路和負(fù)載和負(fù)載Ly折合到振蕩折合到振蕩回路兩端回路兩端 be312iouuupuuA 31254oupuu +u54-LjCjguypub

17、efe 1131 +u31-其其 中中 ：22122212ooeLoeLggp gp gCCp Cp C LLLoeoeoeCjgyCjgy )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-p1yfeubep1yfeube+u31-p1yfeubeyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u LggCQooL 1 為為調(diào)調(diào)諧諧回回路路的的有有載載品品質(zhì)質(zhì)因因素素。 另另外外（常常用用） ，當(dāng)當(dāng)諧諧振振時時，off ，0 f 則則有有： L22oe21ofe21fe21uo

18、gpgpgyppgyppA +u31-由由上上式式可可以以看看出出：一一般般情情況況下下，放放大大器器在在回回路路調(diào)調(diào)諧諧時時，輸輸出出電電壓壓與與輸輸入入電電壓壓之之間間的的相相位位差差并并不不是是180o。)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21v LoeofefeogpgpgyppgyppA22212121 歸歸一一化化電電壓壓增增益益為為： j11ff2jQ11AAoLo oLff2Q 為為廣廣義義失失諧諧因因子子。22oLo11)ff2Q(11AA 為為放放大大器器諧諧振振曲曲線線。 oAA 如如果果令令21112 oAA即即可可求求出出放放大大器器的的通通頻

19、頻帶帶為為：LoQffBW7.021B另另外外，電電壓壓增增益益oA 與與通通頻頻帶帶之之間間的的關(guān)關(guān)系系： gCQoL CfffCfQCgooLo7 .07 .0422 Cf4yppgyppA7 . 0fe21fe21uo 有有 C 7 . 0f oA Lo7.0Qff2B oAA 17 . 0f2 用用矩矩形形系系數(shù)數(shù)來來表表示示選選擇擇性性： 即即7.01.01.0f2f2k 如如果果令令1 . 02111 . 01 . 0 oLoffQAA 可可 得得 ：Lo21.0Qf110f2 有有195. 9110k21 . 0 說說明明諧諧振振曲曲線線與與矩矩形形相相差差較較遠(yuǎn)遠(yuǎn)，選選擇擇性性

20、較較差差，這這是是單單調(diào)調(diào)諧諧放放大大器器的的缺缺點點。1 .0f2 ogogggoggCCg2n22n20Ln0uun01u1u0nn11ff2Q11AAAAAA 若單級放大器的增益不能滿足要求，就要采用多級放大器若單級放大器的增益不能滿足要求，就要采用多級放大器設(shè)設(shè)放放大大器器有有 n 級級，各各級級的的電電壓壓增增益益分分別別為為un3u2u1uAA,A,A，則則總總電電壓壓增增益益nA為為：un3u2u1unAAAAA 而而諧諧振振時時的的電電壓壓總總增增益益為為：n0u03u02u01u0nAAAAA 如如果果各各級級放放大大器器的的參參數(shù)數(shù)及及增增益益勻勻相相同同， 即即n0u03

21、u02u01uAAAA ，且且通通頻頻帶帶勻勻相相同同， 即即LnQfBBBB013121 則則有有： nunnunAAAA0101 歸歸一一化化電電壓壓增增益益為為：Au1Au2Aun多級調(diào)諧放大器分析多級調(diào)諧放大器分析(1) n 級級放放大大器器的的通通頻頻帶帶令令nn1222212111 12n1 LonnnQffBW12217 . 0可可見見，n 級級放放大大器器級級聯(lián)聯(lián)后后，總總的的通通頻頻帶帶比比單單級級放放大大器器的的通通頻頻帶帶縮縮小小了了121 n倍倍，其其中中，121 n稱稱為為頻頻率率縮縮小小系系數(shù)數(shù)。由由矩矩形形系系數(shù)數(shù)的的定定義義：7 . 01 . 01 . 0f2f

22、2K 如如果果令令11001 . 011122 nn 1100Qff2n1L01.0 121100Kn1n11.0 (2) n級放大器的矩形系數(shù)級放大器的矩形系數(shù) 高頻調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性高頻調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性bcre,Cy.,.高放不穩(wěn)定的原因是管子內(nèi)部存在反饋 即有或的存在主要表現(xiàn)是頻率特性變壞 性能指標(biāo)變化 嚴(yán)重時會產(chǎn)生自激提高穩(wěn)定性的措施提高穩(wěn)定性的措施. 1化化從從而而實實現(xiàn)現(xiàn)放放大大器器的的單單向向施施抵抵消消內(nèi)內(nèi)部部反反饋饋在在放放大大器器的的外外部部采采用用措措中中和和法法中和法適用于：固定頻率的調(diào)諧放大器，中和法只能在中和法適用于：固定頻率的調(diào)諧放大器，中和法只能在某一頻率上抵

23、消某一頻率上抵消CbcV1L1L2CNoUUCCV2Uc(a)L1L2NIcbCCN1IcUoU(b)2.2.失配法：失配法：通過增大負(fù)載導(dǎo)納通過增大負(fù)載導(dǎo)納L, 使輸出電路嚴(yán)重使輸出電路嚴(yán)重失配失配, 回路總電導(dǎo)回路總電導(dǎo)g增大，輸出電壓相應(yīng)減小增大，輸出電壓相應(yīng)減小, 從而從而反饋到輸入端的電流減小反饋到輸入端的電流減小, 這樣對輸入端的影響也這樣對輸入端的影響也就減小了?？梢娋蜏p小了?？梢? 失配法是用犧牲增益來換取電路失配法是用犧牲增益來換取電路穩(wěn)定的。穩(wěn)定的。 用兩只晶體管按共發(fā)一共基方式連接成用兩只晶體管按共發(fā)一共基方式連接成一個復(fù)合管是經(jīng)常采用的一種失配法。一個復(fù)合管是經(jīng)常采用的

24、一種失配法。 VT1VT2由于共基電路的輸入導(dǎo)納較大，當(dāng)它和輸出導(dǎo)納較小的共發(fā)由于共基電路的輸入導(dǎo)納較大，當(dāng)它和輸出導(dǎo)納較小的共發(fā)電路連接時，相當(dāng)于增大共發(fā)電路的負(fù)載導(dǎo)納而使之失配，電路連接時，相當(dāng)于增大共發(fā)電路的負(fù)載導(dǎo)納而使之失配，從而使共發(fā)晶體管內(nèi)部反饋減弱，穩(wěn)定性大大提高。從而使共發(fā)晶體管內(nèi)部反饋減弱，穩(wěn)定性大大提高。 共發(fā)電路在負(fù)載導(dǎo)納很大的情況下，雖然電壓增益減小，但共發(fā)電路在負(fù)載導(dǎo)納很大的情況下，雖然電壓增益減小，但電流增益仍較大；而共基電路雖然電流增益接近電流增益仍較大；而共基電路雖然電流增益接近1，但電壓增，但電壓增益卻較大。所以二者級聯(lián)后，互相補償，電壓增益和電流增益卻較大。

25、所以二者級聯(lián)后，互相補償，電壓增益和電流增益都比較大，而且共發(fā)一共基電路的上限頻率很高。益都比較大，而且共發(fā)一共基電路的上限頻率很高。 小信號集中選頻放大器小信號集中選頻放大器由集中選擇濾波器及多級寬帶放大器組成。由集中選擇濾波器及多級寬帶放大器組成。特點：調(diào)整簡單，電路穩(wěn)定性較好特點：調(diào)整簡單，電路穩(wěn)定性較好1 壓電陶瓷濾波器壓電陶瓷濾波器壓電效應(yīng)：形變 電壓諧振2 聲表面波濾波器聲表面波濾波器SAWF特點：體積小，重量輕，帶寬較寬（30%）, K0.11工作頻率:1MHZ1GHZ采用專用集成電路采用專用集成電路小結(jié)小結(jié)1 諧振放大電路的作用：諧振放大電路的作用：2 電路組成：電路組成：諧振系統(tǒng)的形式：諧振系統(tǒng)的形式：諧振系統(tǒng)的作用：諧振系統(tǒng)的作用：3 主要技術(shù)指標(biāo)：主要技術(shù)指標(biāo)：（1） 諧振電壓增益：諧振電壓增益：（2） 通頻帶：通頻帶：（3） 矩形系數(shù)：矩形系數(shù)：4 提高穩(wěn)定性的措施：提高穩(wěn)定性的措施：選頻選頻+放大放大諧振系統(tǒng)諧振系統(tǒng)+放大器放大器LC諧振回路，集中型濾波器諧振回路，集中型濾波器選擇有用信號，抑制干擾選擇有用信號，抑制干擾中和法，中和法，失配法失配法1/1/012121nnnLfBWBWQ121100/1/11 . 01 . 0nnnnnBWBWK120|nnnfep pAyg5 分析方法（更重要）分析方法（更重要）（1）分析工具：）分析工具：