通信電子線路 課件 第3章 高頻小信號諧振放大器

第3章高頻小信號諧振放大器3.1概述3.2晶體管高頻小信號等效電路3.3晶體管的頻率參數(shù)3.4小信號單調(diào)諧回路諧振放大器3.5小信號雙調(diào)諧回路諧振放大器3.6高頻小信號諧振放大器的穩(wěn)定性3.7小信號諧振放大器設計應用舉例

【應用背景】

小信號諧振放大器是無線電接收機的組成部分，圖3-1所示接收機中陰影框圖“高放”與“中放”均為小信號諧振放大器，其位于接收機的前級，用來放大來自接收天線的“小信號”，以提高接收機靈敏度。

圖3-1小信號諧振放大器應用示例

3.1概述3.1.1高頻小信號諧振放大器的特點將諧振系統(tǒng)插入放大管和輸出負載之間所組成的放大器稱為諧振放大器(調(diào)諧放大器)，如圖3-2所示。諧振放大器從不同的角度有不同的分類。按照諧振系統(tǒng)分類，可以分為單調(diào)諧回路諧振放大器、雙調(diào)諧回路諧振放大器；按照輸入信號大小分類，可以分為小信號諧振放大器和大信號諧振放大器；按放大器的通頻帶來分類，可分為窄頻帶諧振放大器和寬頻帶諧振放大器；按電路的級數(shù)分類，可分為單級諧振放大器和多級諧振放大器。

圖3-2諧振放大器的組成框圖

3.1.2小信號諧振放大器的主要技術(shù)指標

1.電壓增益

衡量小信號諧振放大器的放大能力，用Au表示。由于放大器輸入信號只有幾十微伏到幾毫伏，而放大輸出要求達到500mV以上，所以小信號諧振放大器需要有大約60~

100dB的電壓增益。

2.通頻帶

小信號諧振放大器通頻帶的定義與諧振回路通頻帶定義類似，即電壓增益下降到最大值的0.707倍時所對應的頻率范圍，稱為放大器通頻帶，用2Δf0.7或B0.7來表示，如圖3-3所示(實際諧振曲線)。例如，調(diào)幅收音機通頻帶約為9kHz，電視接收機通頻帶約為8MHz。

圖3-3

小信號諧振放大器的幅頻響應

3.選擇性

小信號諧振放大器在不失真放大輸入的有用信號時，還需要具有抑制通頻帶以外的干擾信號，因此對放大器提出選擇性的要求。

干擾的情況常常較復雜:有位于有用信號頻率附近的鄰近電臺的干擾，稱為鄰近波道干擾或鄰臺干擾；有某一特定頻率的干擾；還有通信設備本身電子器件非線性產(chǎn)生的交調(diào)干擾，等等。

在2.2節(jié)LC諧振回路曾經(jīng)提到，理想的諧振回路的選頻特性應該是矩形。同樣，理想的諧振放大器諧振曲線也應該是矩形，即對信號頻帶內(nèi)所有的頻率成分都有一樣的放大倍數(shù)，而對于信號頻帶外的無用信號均不予放大，如圖3-3中(理想矩形虛線)所示。而實際的諧振曲線與理想矩形諧振曲線有較大的差異。為了評定實際諧振曲線接近理想矩形的程度，引入放大器矩形系數(shù)，用Kr表示。

一般定義放大器的電壓器增益下降到最大值0.1時的頻帶寬度(記作2Δf0.1，如圖3-3所示)與放大器通頻帶2Δf0.7之比，記作Kr0.1，即

顯然式(3-1)總是大于1的數(shù)。Kr0.1愈接近1，實際的諧振曲線愈接近理想矩形，選擇性就愈好。

4.工作穩(wěn)定性

高頻放大器如果設計不當，會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至自激。小信號諧振放大器工作穩(wěn)定性是指當放大器的工作狀態(tài)、元器件參數(shù)由于環(huán)境的變化(如溫度的變化)時，放大器主要性能的穩(wěn)定程度，包括增益穩(wěn)定度、諧振頻率穩(wěn)定度、通頻帶穩(wěn)定度、輸出穩(wěn)定度等。

5.噪聲系數(shù)

放大器的噪聲系數(shù)是衡量諧振放大器本身產(chǎn)生噪聲大小程度的一個指標。它定義為放大器輸出端信噪功率比大于輸入端信噪功率比的倍數(shù)。若用PSI表示輸入信號功率，PNI表

示輸入噪聲功率，PSO表示輸出信號功率，PNO表示輸出噪聲功率，則放大器的輸入端信噪功率比為PSI/PNI，輸出端信噪功率比為PSO/PNO。放大器的噪聲系數(shù)若用NF表示，則

由式(3-2)可以得到NF的以下表示形式，即

式中，AP=PSO/PSI是放大器的功率增益；P'N是放大器本身產(chǎn)生的輸出端測量的噪聲功率，APPNI是將輸入噪聲放大后的輸出端噪聲功率。

放大器本身產(chǎn)生的噪聲的大小是關(guān)系到提高接收機靈敏度的關(guān)鍵問題，特別是接收機中第一級高頻放大器的噪聲系數(shù)，將基本上決定一臺接收機的靈敏度。因此，對第一級高頻放大級采用的電路和器件都要慎重對待。

可見，將小信號諧振放大器與過去學習的低頻放大器比較，它們之間的根本差別是小信號諧振放大器具有諧振的性質(zhì)，其頻率特性主要集中在諧振頻率附近，上、下限頻率的比值接近于1；而低頻放大器不存在諧振特性，其上、下限頻率的比值遠大于1。由于存在這個根本差別，它們在電路結(jié)構(gòu)、性能要求、分析方法等方面會有一系列的差異。

3.2晶體管高頻小信號等效電路

3.2.1Y參數(shù)等效電路(形式等效電路)晶體管總有一對輸入端和一對輸出端，共四個端子，故可將晶體管等效地看成是一個有源四端網(wǎng)絡。這樣就可以用一些網(wǎng)絡參數(shù)來組成等效電路。圖3-4所示的是一個晶體管共發(fā)射極電路。

圖3-4晶體管共發(fā)射極電路

圖3-5晶體管共發(fā)射極Y參數(shù)等效電路

3.2.2混合π型等效電路(物理模擬等效電路)

晶體管共射混合π型等效電路是分析晶體管高頻電路時較常用的一種等效電路，它是根據(jù)晶體管內(nèi)部物理過程直接模擬出的一種物理參數(shù)等效電路。即把晶體管內(nèi)部的復雜關(guān)

系，用集中元件R、L、C表示，每一個元件都對應于晶體管內(nèi)發(fā)生的某種物理過程，這是一種物理模擬的方法。

如圖3-6所示。

圖3-6晶體管共射混合π型等效電路

混合π型等效電路中的各參數(shù)物理意義與大概的數(shù)量級為:

(1)基區(qū)體電阻rbb':不同類型的晶體管rbb'的數(shù)值是不一樣的，低頻小功率管可達幾百歐姆，高頻小功率管一般在十幾歐姆到幾十歐姆之間。

(2)發(fā)射結(jié)參數(shù)rb'e和Cb'e:由于發(fā)射結(jié)處于正向偏置，rb'e數(shù)值一般為幾十歐姆，發(fā)射結(jié)結(jié)電容Cb'e以擴散電容為主，一般為幾十至幾百皮法。

(3)集電結(jié)參數(shù)rb'c和Cb'c:由于集電結(jié)處于反向偏置，rb'c的數(shù)值很大，約為一百千歐至十兆歐。Cb'c以勢壘電容為主，一般為2~10pF。

(4)晶體管輸出電阻rce:rce通常較大，一般在一百千歐左右。

(5)受控電流源gmUb'e:gm是晶體管跨導(也稱為互導)，是衡量發(fā)射結(jié)電壓Ube對集電極電流控制能力的參數(shù)，它反映了晶體管的放大能力。gm可以表示為

由于混合π型等效電路參數(shù)中既有電阻量綱(如rce等)，又有電導量綱(如gm)，因此稱之混合參數(shù)等效電路。

在實際應用混合π型等效電路時，為了使分析盡量簡單化，往往根據(jù)不同的工作頻段將完整的等效電路加以簡化，在簡化中所依據(jù)的是當電容C和電阻R并聯(lián)時，并聯(lián)阻抗的數(shù)值與頻率ω有關(guān)系。例如，頻率較高時，容抗1/(ωC)的數(shù)值較小，當其遠小于R時，并聯(lián)阻抗以電容C作用為主，R可忽略不計；頻率較低時，容抗1/(ωC)的數(shù)值較大，當其遠大于R時，并聯(lián)阻抗以R作用為主，C可忽略不計。根據(jù)這種情況，再結(jié)合各個電阻、電容值的大小，混合π型等效電路在不同的工作頻段，可以做出相應的簡化。例如，幾十千赫頻率以下的低頻混合π型等效電路如圖3-7所示。十幾兆赫頻率以下的視頻混合π型等效電路如圖3-8所示。

圖3-7低頻混合π型等效電路圖3-8視頻混合π型等效電路

幾十兆赫頻率以上的高頻混合π型等效電路如圖3-9所示。圖3-9高頻混合π型等效電路

經(jīng)過證明，Y參數(shù)可以通過混合π參數(shù)得到，如果rbb'可以忽略不計，兩者的關(guān)系近似為

這樣Y參數(shù)的物理概念也就清楚多了。

最后，需要說明的是，雖然等效電路是分析電子電路的有力工具，但它是一定假設條件下將晶體管用等效電路來替代的，即它是近似的，利用它進行計算時誤差是相當大的。而且等效電路應用是有局限性的，雖然已經(jīng)說明等效電路在小信號條件下可用，但小信號究竟小到什么程度，要看具體電路和要求的精確度，有時候還要考慮非線性問題。

3.3晶體管的頻率參數(shù)

1.β的截止頻率fβ在“低頻電路”課程中介紹了共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)β的含義。需要指出的是，β值隨著頻率的上升而下降，β是一個頻率函數(shù)。原因是由于基極電流Ib被發(fā)射結(jié)結(jié)電容Cb'e的分流而引起的，如圖3-10所示。圖3-10Cb'e分流作用示意圖

圖3-11β的頻率特性

2.特征頻率fT

當頻率增高，|β|值下降為1時所對應的頻率，稱為晶體管的特征頻率，用fT表示，如圖3-11所示。根據(jù)式(3-7)，當f=fT時，|β|=1，即

從而求得

在式(3-8)中，當β0?1時，近似有

特征頻率fT是晶體管高頻運用時的重要參數(shù)，有關(guān)fT的情況，需要注意以下幾點:

(1)特征頻率fT是晶體管在運用時能夠得到電流放大作用的最高極限頻率。當f>fT時，電流放大系數(shù)|β|<1。但必須注意的是，不等于說這時候的晶體管就沒有放大作用了，這是因為此時功率增益和電壓增益還有可能大于1(因為放大器的輸出負載阻抗往往大于輸入阻抗)。這一點不能混淆。

(2)特征頻率fT高于β截止頻率fβ，即fT>fβ。由式(3-9)可見，fT約比fβ高出β0倍。例如，設晶體管3DG32A的fT=500MHz，β0=50，則其這表明，當晶體管選定后，fT也基本確定，那么要獲得足夠大的電流放大系數(shù)β，其工作頻率就不能太高。如果要兩者兼得，就必須選擇fT更高的晶體管。

(3)特征頻率fT與高頻時的電流放大系數(shù)β還有一種簡單關(guān)系。當工作頻率f?fβ的時候，可以得到

由式(3-10)可知，當fT確定后，就能很快知道在某一工作頻率f時的電流放大系數(shù)|β|。

(4)特征頻率fT與晶體管的靜態(tài)工作點ICQ和UCEQ是有關(guān)的。電路手冊上給出的fT值都是在一定的靜態(tài)工作點上測出的。可以證明

由式(3-11)可見，fT與gm、Cb'e、Cb'c有關(guān)系，而gm、Cb'e、Cb'c都與靜態(tài)工作點ICQ和UCEQ有關(guān)，因此，fT與靜態(tài)工作點有關(guān)。一般情況下，當ICQ和UCEQ大時，fT值也升高一些。

4.最高振蕩頻率fmax

把晶體管的功率增益等于1時的工作頻率稱為最高振蕩頻率，用fmax表示?？梢宰C明

fmax表示一個晶體管所能運用的最高極限頻率，此時，晶體管已得不到功率放大，當f>fmax時，無論用什么辦法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩，故稱fmax為最高振蕩頻率。

3.4小信號單調(diào)諧回路諧振放大器

3.4.1單級單調(diào)諧回路放大器圖3-12為兩級小信號共射單調(diào)諧回路放大器。

圖3-12兩級小信號共射單調(diào)諧回路放大器

1.電路的工作原理

小信號諧振放大器的晶體管工作在“小信號”甲類工作狀態(tài)(即晶體管對輸入交流信號在整個周期均導通)，因此電路中同時存在著直流和交流信號。

1)靜態(tài)分析

直流工作情況是指放大器沒有外加信號時的工作情況，即所謂“靜態(tài)”工作情況。要分析靜態(tài)情況，可先畫出電路的直流通路，如圖3-13所示。

圖3-13-放大器直流通路

電路中各支路的直流電流方向如圖3-13中箭頭所示。工作點計算過程為

2)動態(tài)分析

當直流工作正常后，分析“動態(tài)”情況，即在輸入信號作用下，小信號諧振放大器交流工作情況。要分析動態(tài)情況，可畫出電路的交流通路，如圖3-14所示。其中，RB=RB1∥RB2，

yie2為后一級放大器的輸入導納，作為本級負載導納。圖3-14放大器的交流通路

3)工作過程

高頻小信號被放大的基本過程是:高頻小信號源作用在本級晶體管b、e之間，產(chǎn)生基極電流ib，通過晶體管放大作用產(chǎn)生集電極電流ic，當LC諧振回路調(diào)諧在輸入信號頻率上時(在忽略晶體管和負載電容影響的情況下)，在回路兩端出現(xiàn)較高的諧振電壓，再經(jīng)自耦變壓器耦合就在負載中產(chǎn)生電流iL，從而負載上將得到較大的、不失真的功率或電壓。如果LC諧振回路諧振頻率不等于輸入信號頻率，就不能實現(xiàn)放大作用。

當要分析放大器放大倍數(shù)、通頻帶等性能參數(shù)時，首先要畫出其Y參數(shù)等效電路。

2.小信號單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路及其簡化電路

圖3-14所示的小信號單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路如圖3-15所示。圖中虛線框里是晶體管的Y參數(shù)等效電路，RP是負載諧振回路等效并聯(lián)損耗電阻。圖3-15小信號單調(diào)諧放大器的Y參數(shù)等效電路

由于晶體管的Y參數(shù)等效電路與負載yie2是部分接入LC諧振回路的，因此下面對圖3-15進一步等效，即將虛線框里的晶體管Y參數(shù)等效電路以及負載導納yie2折合到諧振回路兩端，如圖3-16所示。圖3-16晶體管Y參數(shù)等效電路以及負載折合到諧振回路兩端的等效電路

由于yie=gie+jωCie，yoe=goe+jωCoe，則圖3-16中導納P21yoe和P22yie2可以分別等效為電導和電容的并聯(lián)電路，如圖3-17所示。圖3-17導納P21yoe和導納P22yie2的等效電路

為此，將圖3-16中所有電導合并為總電導gΣ，所有電容合并為總電容CΣ，則可以進一步簡化為如圖3-18所示電路。圖3-18小信號單調(diào)諧放大器Y參數(shù)等效電路的簡化電路

圖3-18中總電導gΣ為

式中，GP為線圈并聯(lián)損耗等效電導；goe為晶體管輸出電導；gie2為負載電導?？傠娙軨Σ為

式中，C為回路電容；Coe為晶體管輸出電容；Cie2為負載電容。

圖3-19yre≈0時的放大器Y參數(shù)等效電路

1)電壓增益一般表示式

其中，Δf=f-f0，將Δf稱為失諧量。代入式(3-17)后，可得單調(diào)諧回路放大器電壓增益的一般表示為

4.通頻帶

由式(3-18)和式(3-19)可知，把諧振放大器工作在任一頻率時電壓增益模值A(chǔ)u與諧振電壓增益模值A(chǔ)u0之比可表示為

式中，Δf=f-f0。當QL一定時，根據(jù)式(3-21)可以畫出諧振放大器的通用諧振曲線，如圖3-20所示。

圖3-20諧振放大器的通用諧振曲線

根據(jù)通頻帶的定義，將式(3-21)中的2Δf改寫為2Δf0.7，即有

得到單調(diào)諧放大器通頻帶的計算公式為

式(3-21)與諧振回路的通頻帶公式類似，不同的是，其中有載品質(zhì)因數(shù)QL要考慮總損耗電導gΣ，即QL可以表示為

其中，諧振頻率f0要考慮總電容CΣ，即f0可以表示為

在分析了放大器的通頻帶計算方法后，下面討論諧振電壓增益與通頻帶的關(guān)系。由式(3-19)和式(3-22)可得

5.選擇性

根據(jù)矩形系數(shù)定義式，首先求2Δf0.1，把式(3-21)中的2Δf改為2Δf0.1，則有

解上式，可得到失諧通頻帶為

因此單調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)為

可見，單調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)遠遠大于1，與理想值相差比較遠，顯然這樣的選擇性是不好的，其鄰近電臺的抑制能力差，這是單級單調(diào)諧回路放大器的缺點。

例3-1諧振放大器交流等效電路如圖3-21所示，已知諧振頻率f0=10.7MHz，B0.7=500kHz，Au0=100，Q0=60。晶體管的Y參數(shù)為:yie=(2+j0.5)mS，yoe=(20+j40)μS，yre≈0，yfe=(20-j5)mS。

(1)試畫出電路的Y參數(shù)等效電路；

(2)試計算諧振回路的L、C、R。圖3-21例3-1電路圖

解(1)放大器的Y參數(shù)等效電路如圖3-22所示。圖3-22例3-1電路的Y參數(shù)等效電路

例3-2小信號諧振放大器如圖3-23所示。設工作頻率f0=10.7MHz，回路電容C=56pF，回路電感L=4μH，空載品質(zhì)因數(shù)Q0=60，接入系數(shù)P1=P2=0.25，電阻R4=10kΩ。晶體管的Y參數(shù)為:yie=(0.96+j1.5)mS，yoe=(0.058+j0.72)mS，yre≈0，yfe=(37-j4.1)mS。

求:(1)畫出電路的Y參數(shù)等效電路；

(2)諧振放大倍數(shù)Au0；

(3)通頻帶B0.7。

圖3-23-例3-2電路圖

解(1)放大器的Y參數(shù)等效電路如圖3-24所示。圖3-24例3-2電路的Y參數(shù)等效電路

3.4.2多級單調(diào)諧回路放大器

1.總電壓增益

假設放大器共有m級，各級的電壓增益分別為Au1、Au2……Aum，則電壓總增益(Au)m為

即多級放大器電壓總增益為各級電壓增益的乘積。

如果多級調(diào)諧放大器是由m個相同參數(shù)(包括晶體管參數(shù)和回路參數(shù))的單級放大器所組成的，并且它們的中心頻率都調(diào)諧在同一頻率f0上，則有

式中，Au為每級放大器增益。

2.總通頻帶

當m級相同的放大器級聯(lián)時，總的諧振曲線為單級諧振曲線的乘積，即

根據(jù)式(3-30)可以畫出m級相同參數(shù)的多級放大器的諧振曲線。圖3-25所示為級數(shù)分別是m=1、m=2、m=3的諧振曲線。顯然，級數(shù)m愈多，諧振曲線愈尖銳，選擇性愈好，但是通頻帶變窄。

那么通頻帶變窄多少呢?為求出多級放大器的通頻帶，令式(3-30)中2Δf=2Δf0.7，則有

解上式，可得多級放大器的通頻帶為圖3-25m級放大器的諧振曲線

3.總選擇性

m級相同參數(shù)的多級放大器矩形系數(shù)的表達式為

故有

根據(jù)式(3-34)可以得到矩形系數(shù)Kr0.1與級數(shù)m的關(guān)系，如表3-1所示。

3.5小信號雙調(diào)諧回路諧振放大器

雙調(diào)諧回路諧振放大器是指負載采用雙耦合回路的晶體管放大器，其典型電路如圖3-26所示。雙調(diào)諧回路諧振放大器電路與單回路放大器相似，本級晶體管的集電極和下一級晶體管都是部分接入雙回路，接入系數(shù)分別為P1和P2。

圖3-26雙調(diào)諧回路諧振放大器的典型電路

3.5.1雙調(diào)諧回路放大器的Y參數(shù)等效電路

假設初、次級回路本身的損耗很小，可忽略不計，則可以畫出雙調(diào)諧放大器的高頻Y參數(shù)等效電路，如圖3-27所示。圖3-27雙調(diào)諧回路放大器的高頻等效電路

圖3-28折合到回路兩端的等效電路

圖3-29雙調(diào)諧回路放大器的簡化等效電路

3.5.2雙調(diào)諧放大器性能指標分析

1.電壓增益

參考第2章中所得到的雙回路次級輸出電壓表達式(242)，可得到如圖3-29所示的電路的次級輸出電壓為

則雙調(diào)諧放大器的電壓增益為

圖3-30雙回路放大器諧振曲線

2.通頻帶

由圖3-30可見，強耦合(曲線③和④)通頻帶最寬，臨界耦合(曲線②)次之，弱耦合(曲線①)最窄。下面僅討論臨界耦合通頻帶?？梢宰C明當η=1時的放大器的歸一化增益為

3.選擇性

上面只討論了臨界耦合的通頻帶和選擇性，這是因為這種情況應用最多。而弱耦合的諧振曲線與單回路放大器相似，通頻帶窄，選擇性差。強耦合時，雖然通頻帶變得更寬，矩形系數(shù)也更好，但諧振曲線頂部出現(xiàn)凹陷，回路的調(diào)整也麻煩，因此只有在要求更寬的頻帶時，其與臨界耦合級配合時才使用。

3.6高頻小信號諧振放大器的穩(wěn)定性

3.6.1放大器工作不穩(wěn)定的原因及其分析1.不穩(wěn)定的原因和現(xiàn)象在前幾節(jié)中，為了集中力量分析主要矛盾，是在假設晶體管反向傳輸導納yre≈0的條件下，分析放大器的增益、帶寬等問題。而實際上，在高頻工作時晶體管內(nèi)部反饋不能忽略，即存在反向傳輸導納yre或Cb'c。內(nèi)部反饋的存在一方面使放大器的增益、帶寬不會與理想情況相同；另一方面使放大器產(chǎn)生不穩(wěn)定。

晶體管內(nèi)部反饋造成放大器工作不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)有以下三種:

(1)使放大器的輸入、輸出回路之間以及多級放大器之間，互相影響，互相牽扯，給放大器的調(diào)整帶來很大麻煩。

(2)使放大器諧振曲線產(chǎn)生變形，致使放大器通頻帶、選擇性都發(fā)生變化，改變了原有指標。

(3)使放大器出現(xiàn)自激振蕩。放大器變成了振蕩器，無法正常進行放大工作。

2.用輸入導納的觀點分析不穩(wěn)定的原因

為了進一步理解晶體管內(nèi)部反饋對放大器工作的影響，下面還可用放大器輸入導納的觀點來進行分析，如圖3-31所示。圖3-31放大器輸入導納等效電路

由圖3-31可以求出單回路放大器的輸入導納表示式為

由式(3-41)可見，放大器的輸入導納Yi并不等于晶體管的輸入導納yie，而是包括兩部分:一部分是晶體管輸入導納yie；另一部分是輸出端通過反向傳輸導納yre的反饋作用在輸入端產(chǎn)生的等效導納，稱它為反饋導納，用YF表示，即

這樣就有

由式(3-42)可見，由于晶體管Y