信息與通信高頻小信號放大器

2024/6/913.7諧振放大器的常用電路和集成電路諧振放大器

3.8場效應管高頻小信號放大器

3.9放大器中的噪聲

3.10噪聲的表示和計算方法3.6

諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施

3高頻小信號放大器2024/6/923.1概述高頻小信號放大器高頻放大器小信號放大器：諧振放大器非諧振放大器：調(diào)諧放大器（高頻放大器）頻帶放大器（中頻放大器）窄帶放大器寬帶放大器信號小，認為它工作在晶體管（或場效應管）的線性范圍內(nèi)。把晶體管看成線形元件，可用有源線性四段網(wǎng)絡來分析。阻容放大器+濾波器2024/6/933.1概述低頻放大器（音頻）高頻放大器中心頻率20~2000Hz幾百kHz~幾百MHz

頻帶寬度

很寬

很窄（幾kHz~幾十MHz）負載

無調(diào)諧：電阻、有鐵心變壓器

選頻網(wǎng)絡組成諧振和非諧振放大器1、高頻放大器與低頻放大器（音頻）的區(qū)別:2024/6/94

諧振放大器：采用諧振回路（串、并聯(lián)及耦合回路）作負載的放大器。不僅有放大作用，而且有著濾波或選頻的作用。

種類：調(diào)諧放大器（高頻放大器）：調(diào)諧回路頻帶放大器（中頻放大器）：諧振回路幾十μV～幾mV1V左右3.1概述2024/6/95高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標1)增益：（放大系數(shù)）

電壓增益：分貝表示：

功率增益：2)通頻帶：電壓增益Av下降到最大值Av0的1/時所對應的頻率范圍。也叫3dB帶寬3.1概述2024/6/96通頻帶：

1電壓增益下降到最大值的1/時所對應的頻率范圍，叫3dB帶寬，用表示。電壓增益下降到最大值的1/2時所對應的頻率范圍，叫6dB帶寬，用表示。2放大器通頻帶決定于負載回路的形式和回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL。放大器的總通頻帶隨著放大級數(shù)的增加而變窄。通頻帶越寬，放大器的增益就越小。兩者是互相矛盾的。

3在寬帶放大器中，常采用犧牲單級增益，保證帶寬，增加放大級數(shù)的方法。收音機中頻放大器通頻帶約為6~8kHz,電視機中頻放大器帶寬約為6MHz。2024/6/97①矩形系數(shù)：表示與理想濾波特性的接近程度。3)選擇性：從各種不同頻率信號的總和（有用的和有害的）中選出有用信號，抑制干擾信號的能力稱為放大器的選擇性。選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。2024/6/98②抑制比:

表示對某個干擾信號fn

的抑制能力，用dn表示?；蚍Q抗拒比，通常說明某些特定頻率的選擇性好壞，如中頻、象頻等。用分貝表示。

f0為信號頻率,fn為干擾信號頻率。Av0為信號諧振點的放大倍數(shù)。Av為干擾信號的放大倍數(shù)。3.1概述2024/6/994)工作穩(wěn)定性：指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。

基本共射極放大電路

穩(wěn)Q共射極放大電路

不穩(wěn)定狀態(tài)：增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變窄、諧振曲線變形等，極端情況是放大器自激（主要由晶體管內(nèi)反饋引起），使放大器完全不能工作。3.1概述2024/6/910End5)噪聲系數(shù)：

輸入端信號噪聲功率比與輸出端信號噪聲功率比的比值。

噪聲包括信號源噪聲和放大器自身產(chǎn)生的噪聲。力求內(nèi)部噪聲越小越好，即要求噪聲系數(shù)接近1?？刹捎玫驮肼暪埽_選擇工作點電流，選用合適的電路，等等。接收機的整機靈敏度、選擇性、通頻帶等主要取決于中放級，而噪聲則主要取決于高放或混頻級。因此，在考慮中放級時，應在滿足頻帶要求與保證工作穩(wěn)定的前提下，盡量提高增益；而在考慮高放級時，則增益成為次要矛盾，主要應盡量減少本級的內(nèi)部噪聲。3.1概述2024/6/9113.2晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)3.2.1形式等效電路（網(wǎng)絡參數(shù)等效電路）3.2.2混合π等效電路3.2.3混合π等效電路參數(shù)與 形式等效電路ｙ參數(shù)的轉(zhuǎn)換3.2.4晶體管的高頻參數(shù)2024/6/9123.2.1形式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，它的優(yōu)點在于通用，導出的表達式具有普遍意義，分析電路比較方便；缺點是網(wǎng)絡參數(shù)與頻率有關。

根據(jù)四段網(wǎng)絡的理論，需要有四個數(shù)來表示方框內(nèi)的晶體管的功能。即需要4個晶體管的參數(shù)（或參量）。最常用的有h、y、z三種參數(shù)系。如選：I1

、V2為自變量，V1、I2為參變量，則得到h參數(shù)系；

I1、I2V1、V2

z參數(shù)（阻抗參數(shù)）系；

V1、V2I1、I2

y參數(shù)系；2024/6/913圖4.2.1晶體管共發(fā)射極電路圖4.2.2ｙ參數(shù)等效電路式中：稱為輸出短路時的輸入導納；稱為輸入短路時的反向傳輸導納；稱為輸出短路時的正向傳輸導納；稱為輸入短路時的輸出導納。3.2.1形式等效電路2011.9.11zongxiao2024/6/914圖4.2.2ｙ參數(shù)等效電路放大器輸入導納Yi

上式說明，輸入導納Yi與負載導納YL有關，這反映了晶體管內(nèi)部有反饋，是由反向傳輸導納yre引起的。消去V2與I2，可得3.2.1形式等效電路2024/6/915圖3.2.3晶體管放大器及其ｙ參數(shù)等效電路放大器輸出導納Yo3.2.1形式等效電路2024/6/9163.2.2混合π等效電路圖3.2.4混合π等效電路優(yōu)點：各個元件在很寬的頻率范圍內(nèi)都保持常數(shù)。缺點：分析電路不夠方便。eb'rcerb'creeCb'eCb'crbb'rb'ecrccbgm

vb‘eEnd2024/6/917圖3.2.4混合π等效電路End

表示晶體管放大作用的等效電流發(fā)生器。rbb’是基極電阻是集-射極電阻是集電結電阻是集電結電容3.2.2混合π等效電路2011.3.152024/6/9183.2.3混合π等效電路參數(shù)與形式等效電路y參數(shù)的轉(zhuǎn)換由（b）圖用節(jié)點電流法，可得（3.2.13）（3.2.14）（3.2.15）其中：從3.2.13、3.2.14、3.2.15中消去，經(jīng)整理，并用代替Vbe，代替可得，見下頁。2024/6/9193.2.3混合π等效電路參數(shù)與形式等效電路y參數(shù)的轉(zhuǎn)換3.2.163.2.17與3.2.1、3.2.2式比較：并考慮下列條件通常是滿足的，所以可得3.2.183.2.193.2.203.2.212024/6/9203.2.3混合π等效電路參數(shù)與形式等效電路y參數(shù)的轉(zhuǎn)換

由上頁y參數(shù)公式可見，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。2024/6/9213.2.1-3.2.3復習

1、高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標

1)增益：（放大系數(shù)）2)通頻帶：電壓增益下降到最大值的1/時所對應的頻率范圍。叫3dB帶寬，用表示。3)選擇性：選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。2024/6/9224)工作穩(wěn)定性：指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。5)噪聲系數(shù)：輸入端信號噪聲功率比與輸出端信號噪聲功率比的比值。2、ｙ參數(shù)等效電路3、放大器輸入導納Yi2024/6/9234、放大器輸出導納Yo：5、放大器的增益：圖3.2.5混合π等效電路6、混合π等效電路2024/6/9241.截止頻率fβ12.特征頻率fT

當f>fT后，共發(fā)接法的晶體管將不再有電流放大能力，但仍可能有電壓增益，而功率增益還可能大于1。3.2.4晶體管的高頻參數(shù)2024/6/92512.特征頻率:圖3.2.6β截止頻率和特征頻率因此，知道了某晶體管的特征頻率fT（由手冊查得），就可以粗略計算在某工作頻率f>>fβ的電流放大系數(shù)。3.2.4晶體管的高頻參數(shù)2024/6/9263.最高振蕩頻率fmax

f≥fmax后，Gp<1，晶體管已經(jīng)不能得到功率放大,無論用什么辦法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩；最高振蕩頻率的名稱也由此而來。通常，為使電路工作穩(wěn)定，且有一定的功率增益，晶體管的實際工作頻率應等于最高振蕩頻率的1/3到1/4。End3.2.4晶體管的高頻參數(shù)2024/6/9274、電荷儲存效應：晶體管工作時，PN結正向工作時，N區(qū)向P區(qū)注入大量的電子，在擴散和與空穴復合的同時，在P區(qū)形成了一定的電子積累，建立起一定的濃度分布。當某一時刻，PN結突然由正向偏置轉(zhuǎn)為反向偏置時，這些積累的電子不能突然消失，再反向電場的作用下，大部分被拉回到N區(qū)，一部分在P區(qū)被復合掉，經(jīng)過一段時間后，反向電流才恢復到正常情況下的反向漏電流值。這種正向?qū)щ姇r的電子積累現(xiàn)象，就叫電荷儲存效應。電荷儲存效應使晶體管不能在從正向工作轉(zhuǎn)為反向工作的瞬間即獲得小的反向飽和電流，而是瞬間通過了大的電流，使高頻工作時出現(xiàn)輸入與輸出電流的相位差，引起電流放大系數(shù)下降。在乙類和丙類放大器中會引起波形失真，降低電源效率，甚至使放大器不能正常工作。因此，電荷儲存效應使晶體管的高頻性能變壞。3.2.4晶體管的高頻參數(shù)2024/6/9283.3單調(diào)諧回路諧振放大器3.3.1電壓增益3.3.2功率增益3.3.3通頻帶與選擇性3.3.4級間耦合網(wǎng)絡2024/6/929圖3.3.1單調(diào)諧回路諧振放大器的原理性電路與等效電路3.3單調(diào)諧回路諧振放大器2024/6/930

代表晶體管放大作用的等效電流源；

go1、Co1代表晶體管的輸出電導與輸出電容；代表回路本身的損耗；

YL=gi2+jωCi2代表負載導納，即下一級晶體管的輸入導納。3.3.1單調(diào)諧回路的電壓增益2024/6/9311、三級管的電壓增益：此處，為晶體管的輸出導納；為晶體管在輸出端1、2兩點之間看來的負載阻抗，即下一級晶體管輸入導納與LC諧振回路折算至1、2兩點間的等效導納。顯然，可以看成是1、2兩點間的總等效導納。yoe2024/6/9322、將所有元件參數(shù)都折算到LC回路兩端：yoe2024/6/933由LC回路兩端看來的總等效導納為：3、放大器的電壓增益：在諧振時：

為了獲得最大功率增益，應適當選取p1與p2的值，使負載導納YL能與晶體管電路的輸出導納相匹配。2024/6/934匹配條件：即：GP通常很小，與相比常忽略，因而上式變?yōu)椋河谑乔蟮脤Ъ{匹配時的接入系數(shù)值為：得匹配時的諧振回路放大器的電壓增益：2024/6/9353.3.2諧振功率增益AP1、諧振時的功率增益為:gi1為本級放大器的輸入端電導；gi2為下一級晶體管的輸入電導。若采用相同的晶體管，則gi1=gi2，因此得在忽略回路損耗GP時，由式（4.3.8）得匹配時的最大功率增益為：2024/6/9362、插入損耗①插入損耗定義②不考慮Gp損耗時，負載上所獲得的功率：③考慮Gp損耗后，負載上所獲得的功率：2024/6/937④回路的無載Q值和有載Q值：⑤插入損耗：用分貝表示：2024/6/938⑥考慮插入損耗后，負載匹配時功率增益：⑦考慮插入損耗后，諧振回路放大器的電壓增益：2011.3.212024/6/9393.3.3通頻帶與選擇性1、由（3.3.3）與（3.3.4）得放大器相對電壓增益及通頻帶①相對電壓增益：3.3.182024/6/940②放大器的通頻帶：

可見ＱＬ越高，則通頻帶越窄。③電壓增益與總電容、同頻帶的關系：因回路電導可表示為：諧振電壓增益為：

此式說明，晶體管選定以后（即yfe已經(jīng)確定），接入系數(shù)不變時，放大器的諧振電壓增益Av0只決定于回路的總電容CΣ和通頻帶2Δf0.7的乘積。電容CΣ越大，通頻帶2Δf0.7越寬，則增益越小。電容CΣ的最小值是回路不外接電容，回路電容由晶體管的輸出電容、下級晶體管的輸入電容、電感線圈的分布電容以及安裝電容等組成。這些電容屬于不穩(wěn)定電容。從諧振曲線穩(wěn)定的角度來看，希望外加電容大，即CΣ大，以使不穩(wěn)定電容的影響相對減弱。從提高增益的角度看應減小回路電容CΣ

。3.3.202011.9.272024/6/9412、放大器的選擇性（矩形系數(shù)）：

單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1。它的諧振曲線和理想矩形相差較遠，所以鄰道選擇性差。2024/6/9423.3.4級間耦合網(wǎng)絡圖3.3.4單調(diào)諧放大器的級間耦合網(wǎng)絡形式End2024/6/943

例3.3.3（留作本次作業(yè)）設計一個中頻放大器，指標如下：中心頻率f0=465kHz，帶寬2Δf0.7=8kHz。負載ZL為下級一個完全相同的晶體管的輸入阻抗，采用自耦變壓器-變壓器耦合網(wǎng)絡。解：選用晶體管的參數(shù)：當Vce=6V，IE=2mA時，它的y參數(shù)為

gie=1.2mS，Cie=12pF；goe=400μS，Coe=9.5pF;|yfe|=58.3mS,φfe=-22°;|yre|=310μS,φre=-88.8o設暫時不考慮yre的作用，則

Yi≈yie=gie+jωCie=[1.2×10-3+j2*3.14*465*103*(12×10-12)]S=（1.2+j0.035）mS輸出導納：Yo=yoe=goe+jωCoe=(0.4+j0.0278)mS2024/6/944

圖中R1、R2為偏置電阻，調(diào)整它們的值使IE=2mA。C1為旁路電容，它的阻抗在465kHz時應遠小于R2。例如，若R2=5kΩ，則C1可選為0.05~0.1μF。Re是為偏置穩(wěn)定而加設的射級電阻，一般典型數(shù)值約為500~1000Ω，旁路電容Ce仍可用0.05~0.1μF。Rc、Cc為去藕電路，用于消除各放大器間通過電源所引起的寄生耦合，一般取Rc=500Ω左右，Cc取0.05μF。設選取回路總電容CΣ=200pF，則回路電感為IE=2mA若回路的空載品質(zhì)因數(shù)Q0=100，則回路損耗電導為5kΩ0.05~0.1μF500~1000Ω0.05~0.1μF0.05μF500Ω586μH2024/6/945IE=2mA5kΩ0.05~0.1μF500~1000Ω0.05~0.1μF0.05μF500Ω586μH

由此求得并聯(lián)到LC回路上的總損耗電導：匹配時的初次級抽頭系數(shù)：2024/6/9463.4多級單調(diào)諧回路諧振放大器

若單級放大器的增益不能滿足要求，就要采用多級放大器。Av1Av2Avn如果各級放大器是由完全相同的單級放大器所組成，則1.增益2024/6/9472.通頻帶可求得m級放大器的通頻帶M級相同的放大器級聯(lián)時，它的諧振曲線可由3.3.18式求得:

3.3.18單級3.4多級單調(diào)諧回路諧振放大器稱為帶寬縮減因子，m越大，帶寬越窄。2024/6/9483.選擇性（矩形系數(shù)）通頻帶

當級數(shù)m增加時，放大器的矩形系數(shù)有所改善，但這種改善是有限度的。End3.4多級單調(diào)諧回路諧振放大器2024/6/9493.5雙調(diào)諧回路諧振放大器

單調(diào)諧回路放大器的選擇性較差，增益和通頻帶的矛盾比較突出，為此，可采用雙調(diào)諧回路放大器。2024/6/950

在實際應用中，初次級回路都調(diào)諧在同一頻率f0。為了分析方便，假設兩回路元件參數(shù)相同，即電感L1=L2=L；初次級回路總電容C1+p12Coe≈C2+p22Cie=C;折合到初次級回路的電導p12goe≈p22gie=g;回路諧振角頻率ω1=ω2=ω0=1/初次級回路有載品質(zhì)因數(shù)2011.9.162024/6/951由39頁2.4.17式，參考第50幀頁圖在諧振時，ξ=0，得

可見，雙調(diào)諧回路的電壓增益不僅與正向傳輸導納和回路的電導有關，而且與耦合參數(shù)η有關，根據(jù)η﹥1

，η﹤1，η=1三種情況可得到三個Av0的值，進而可求得三種對應的諧振曲線，見教材112-113頁。我們重點掌握臨界耦合時的情況。見教材4.5.3式和4.5.7式。3.5.22024/6/952

臨界耦合時，η=1，諧振曲線較平坦，在f0（ξ=0）處出現(xiàn)最大峰值，此時3.5.73.5.32024/6/953End圖3.5.2對應于不同的η雙調(diào)諧回路 放大器的諧振曲線=9.95臨界耦合時的通頻帶（令）；令Av/Av0=1/10，代入式（4.5.7），得矩形系數(shù)：m級（η=1）雙調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)為：2024/6/9543.6諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施3.6.1諧振放大器的穩(wěn)定性3.6.2單向化

2024/6/9553.6.1諧振放大器的穩(wěn)定性

以前的等效電路分析時，假定yre＝0，即輸出電路對輸入端沒有影響（見圖3.2.5和圖3.3.1），放大器工作于穩(wěn)定狀態(tài)。下面，討論內(nèi)反饋yre的影響。1.放大器的輸入導納和輸出導納引用§3.2結果（3.2.6式和3.2.9式），可知2024/6/956

如果放大電路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(假定耦合方式是全部接入)，2.自激振蕩的產(chǎn)生

(以輸入導納的影響為例)圖3.6.1放大器等效輸入端回路實際電路中，3.6.13.6.1諧振放大器的穩(wěn)定性2024/6/9573.自激產(chǎn)生的原因(以輸入導納的影響為例)圖3.6.2反饋電導ｇＦ隨頻率變化的關系曲線圖3.6.3反饋導納對放大器諧振曲線的影響2011.9.29OUMEI2024/6/958圖3.