通信电路ch03_1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,笫,3,章 高频放大器,本章主要内容：,3.1,高频放大器类型、特点、性能指标,3.2,晶体管的高频小信号等效电路和参数,3.3,高频小信号放大器,3.3.1,高频小信号调谐放大器,3.3.2,宽带放大器,双极型晶体管放大电路,场效应管高频小信号放大器,3.4,展宽频带的方法,3.5,高频小信号放大器的稳定问题,3.6,放大器的噪声,电阻的热噪声、器件噪声、噪声系数、级联网络的噪声、接收机的灵敏度与最小可检测信号、噪声温度、低噪声放大器,(*),1,3.1,高频放大器类型、特点、性能指标,1,、,高频放大器在通信系统中的位置,大信号放大器（用于发射机）：,发射机中间各级的宽带功率放大器。工作于,A,类或,AB,类状态。（*）,。,（大信号，负载是,传输线变压器,。）,发射机末级，当功率较大时一般工作于,C,类状态,。,（大信号非线性电路）,2,高频放大器分类和在通信系统中的位置（续）,高频放大器（低噪）,和,中频放大器,是高频小信号放大器,。,具有低通传输特性的负反馈控制系统（自动增益控制,AGC）。,小信号放大器（用于接收机）：,3,高频小信号放大器的特点,工作频率较,高。如,GSM,手机高放,900MHz,和1800,MHz,，,发中频,117MHz,，收一中,71MHz,，二中,6MHz,。,放大的,频带信号,。,电路,通常,以频率选择性电路作为输入回路和负载，频率选择,电路可以是简单的谐振回路，例如,调谐 放大器（窄带）,；,也可以是各种滤波器如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等，,放大器是,宽带低噪放大器，,应用于高速数据接收以,及射频测试仪器中。,特点：,4,高频小信号放大器的,性能要求,增益,符合指标要求,，多级级联时工作,稳定性好,。,线性动态范围大,(,超出线性动态范围会产生非线性失真）,通频带,够宽（满足系统要求）。,输出信号幅度,保持稳定,。用自动增益控制（,AGC）,电路。,放大器的,噪声系数,小,（下节讨论,）。,器件本身的参数和电路形式影响放大器的高频性能。,实现途径：,选用好器件。选用特征频率 高和 小 的晶体管。,采用频带较宽的电路。例如共基极放大电路，共发一共基放大电路。,采用负反馈的方法或根据系统传输函数零点、极点的原理，进行展宽频带的设计。,5,3.2,晶体管的高频小信号等效电路和参数,双极晶体管的混合,等效电路,基极体电阻 。在共基电路，会引起高频负反馈。,集电结势垒电容 约为几,PF,，内反馈,。可以忽略。,发射结扩散电容 ，,希望,(,影响稳定性和展宽带宽）和 （降低电流,放大 倍数）尽量小,。,跨导大。,发射结电阻,跨导,6,MOS,场效应管小信号等效电路,MOS,场效应管小信号等效电路,MOS,场效应管小信号等效电路,简化等效电路（源衬短接）,7,网络参数等效电路,Y,参数等效电路,晶体管等效为有源四端网络，用一些网络参数来组成等效电路，称为网络参数等效电路。,输入导纳,反向传输导纳,正向传输导纳，决定双极型晶体,管的放大能力,.,输出导纳,y,参数等效电路,8,Y,参数等效电路（续）,Y,参数是工作点的函数，它在某个工作点下测得的，例如,Y,参数的 越大，晶体管放大能力越强，是放大器不稳定（自激）的根源，越大，晶体管内部反馈越强，一般电路上采取措施减小它。,Y,参数可以转换为混合 型电路参数。见教材,p99.,Y,参数一般为复数，其输入导纳和输出导纳通常表示为：,9,晶体管的,高频参数,（1）,截止频率,：,（2）,特征频率,：,电流放大系数 ，但功率增益1,当 时，,是频率的函数，高频工作时 更关心,可查手册或由仪器测量得到。,与工作点,有关,10,晶体管的,高频参数（续）,（3）最高振荡频率 ：,晶体管的功率增益 时的工作频率称为最高振荡频率 。（实际应用时只能,1/3-1/4,）,（4）截止频率 ，及与 和 的关系：,晶体管的共基极电流放大系数是 ：其 中 是低频时共基极短路电流放大系数，是 下降到 时的频率。可推出：,因为 ，由上可得出三个频率参数 、和 的近似关系：,最高，次之，最低。,11,BJT,和,MOSFET,高频小信号特性,BJT,高频小信号特性,MOS FET,高频小信号特性,跨导,(,代表晶体管的放大能力，由直流工作点决定,),特征频率,电流放大倍数 时的频率,输出交流短路电流增益为,1,时的频率,最高振荡频率,（功率增益为,1,时的频率）,12,3.3,高频小信号放大器,1,、,放大管,LC,并联谐振回路，几级级联如图（,a,）。,2,、宽带放大器集中选择性滤波器，如图（,b,）,优点：放大器易集成，不需调整。,输入,输入,（,a,）,谐振放大器,（窄带）,(b),宽带,放大器构成形式,输出,输出,13,3.3.1,高频小信号调谐放大器,单,调谐放大器（窄带）,对于谐振回路，晶体管、负载均为部分接入。,以谐振回路为负载，回路谐振于工作频率。在谐振频率附近的频率分量最大，远离谐振点频率分量被衰减。该放大器既有放大作用，又有选频作用。,返回,14,一级调谐放大器,Y,参数等效电路,忽略,由集电极和发射极两端向右看,1.,电压增益,令 、分别为回路的总电导总电容,回路端,15,一级调谐放大器电压增益,谐振点,3,、功率增益,当忽略回路损耗，且输出端处于匹配状态时，有,得到最大功率放大倍数 只与管子本身,Y,参数有关。,谐振点,2,、放大器通频带,(3dB,带宽,),16,多级级联调谐放大器,多级级联调谐放大器增益,m,级相同调谐放大器级联,m,级相同调谐放大器级联带宽,多级级联后总增益变大，为各级增益乘积。而总带宽缩小。,带宽缩小系数,17,3.3.2,高频小信号宽带放大器频响由滤波器决定,双极型晶体管共射放大电路的高频特性,由密勒定理，将 用并接在输入和输出端的两个电容 和 代替。（忽略,的影响,）,返回,单向化,18,双极型晶体管共发射放大电路的高频特性（续1,),通 常 ,1，,上图,为：,由于 很小，其容抗,与 相比较，可忽略不计,。,等效输入电容为：,应用式 ，得到：,式中,D,称为密勒效应,D,因子。,可求得共射放大器源电压增益,的高频边界角频率为：,19,双极型晶体管共射放大电路的高频特性（续2）,共射放大器的增益带宽积,GBP：,由上式可以得出如下结论：,（1）.为获得较大的,GBP,和高频边界角频率 值，应选用,小、小而 高的晶体管。,（2）.增大 ，可以增大中频源电压增益 ，但由于,D,因子,增大，将减小，因而 的选择应兼顾 和 的要求。,（3）.管子选定后，为提高 值，信号源内阻 应尽可能,小，即放大器的输入信号尽量接近恒压源。,返回,20,双极型晶体管共基放大电路的高频特性,在图中，考虑到 的值较小，为了分析 简单，突出重点，暂时把 忽略。,和 并联，设 =+，得简化后的等效电路图。,返回,短路,21,共基放大电路的高频等效电路存在两个节点：输入节点和输出节点。每一个节点产生一个极点，电路的上限截止频率主要取决于哪个极点呢？,，,则有,若,达到了晶体管频率参数的极限值已很高。,成为限制,共基放大器的主要因素，故共基放大电路不宜带容性负载,。,当图,中的,=0,时，则有,很高，,阻性负载,的共基放大电路具有非常好的高频响应特性。,双极型晶体管共基放大电路的,高频特性,（,续,）,22,双极型晶体管共基放大电路的,高频特性,小结,共基放大器具有较好的高频响应特性,不存在密勒倍增效应，输入电容小,输入电阻小,共基放大器用于级联比较稳定,没有,C,bc,的内部反馈机制,共基放大器电流放大倍数恒小于1,如果负载阻抗很低，将导致电压放大倍数和功率放大倍数都小于1,后面接输入阻抗高的电路,在集电极多采用传输线变压器或其他阻抗变换网络进行阻抗变换,多,级级联时，常采用共射一共基组合电路。,23,共射-共基组合电路的高频特性,晶体管 、分别,构成共射、共基组态电路,。,共射共基组合,放大单元电路最,突出的特点是高频响应特性好，,频带宽，稳定性好。,牺牲增益,共基电路输入阻抗低,，作为共射电路的负载阻抗使得：,共射电路的,密勒效应因子,D,减小，,可有效地提高共射电路的,高频边界频率，也就是提高了组合电路的高频边界频率。,共射电路大输出阻抗与共基电路小输入阻抗,严重失配,，级联后的复合管，其反向传输只有单管的约,1,，提高了稳定性。,共发一共基放大器交流通路,组合放大电路的,上限截止频率主要取决于共射电路,。,24,场效应管高频小信号放大器,在高频应用时，场效应管特点：,（1）,有,较高的输入和输出阻抗,，对输入回路 和输出电路的值影响较小，,回路选择性高。,（,2）场效应管有,接近平方律的转移特性,，三阶以上的效应可忽略能减小交调、互调和组合频率干扰（在变频干扰中讨论）,（3）采用,自动增益控制时所需的功率很小,。,（4）场效应管是多数载流子导电器件，,对核辐射的抵抗能力强,（多数载流子在电场作用下作漂移运动，受核辐射影响小）。,（5）场效应管跨导小于双极型晶体管，作放大器时，,增益比较小,。,（6）放大电路形式有,MOS,管共源,、共栅组态基本放大电路，和,共源共栅,级联放大电路（与,共射一共基组合电路类似）,。,25,场效应管放大器,（分析见指导书,p77-79),共源放大器提供电压增益，输入阻抗较高,共源,26,场效应管放大器,共栅放大器,输入极点没有密勒等效电容项：宽带,共栅放大器不宜带容性负载,27,共源,-,共栅放大器,共源共栅放大器,T1,、,T2,共源共栅接法，,T3,为负载管。,特点：,高增益，高输出阻抗，频率特性比共源好。,牺牲了输出电压的摆幅（在满足线性度范围内所能达到的最大幅度）。,28,小信号放大器特性比较,*,为信源内阻，,MOS,管栅源电阻忽略。,29,3.4,展宽频带的措施,增加零点或零、极点抵消,对于实际的稳定工作的放大电路，极点位于,S,平面的左半平面。其传输函数表示为：,由上式可得幅频特性为：,可得：,增益幅值的分贝数等于常数项、各零点因子及极点因子幅值分贝数的代数和。,增加零点或零点、极点抵消都是展宽频带的方法。,30,1,、增加传输函数零点展宽频带,下图与普通的共源放大电路及其小信号等效电路比,多一个电感（展宽频带）,，,C,是等效电容，它表示负载和下一级放大器的影响；,R,是负载电阻；,其传输函数 恰是 网络的阻抗 。,增加一个电感,L,为什么能扩展频带？,返回,SHUNT_PEAKED(,并联建峰）电路,假设管子是理想,31,1,、增加传输函数零点以使频带展宽的设计（续）,放大器的增益为 ，而阻抗 的模是,式中的,分子项随着频率的增加而增加；在 的范围内，分母项中的 是随着频率的增加而减小；这两项都是起着展宽频带的作用,。,如何选择？定义系数：代入上式令 得展宽后,3dB,带宽，,归一化后,见,P108,表,3.3.2,带宽最大值对应的值是 ，则对应的带宽展宽为 ，但会出现 20%的过冲，这是不希望的。,取 ，则对应的带宽展宽为 ，但过冲减为3%。,上图,32,在有些情况下要求在有限的频谱范围内实现近似相同的,延时，可得到 ，则对应的带宽展宽为,。,若要求增益响应平坦，完全没有过冲，则可得到 对应的带宽展宽为,例：设计如上图所示的,用于相位调制通道的宽带共源放大器，要求带宽为 ，设 ，,解：,若假设放大器的带宽是只,取决于输出节点。则不用电感时,不满足带宽要求，需串电感。,可求得,带宽展宽为,因为用于相位调制通道，所以取,最大平坦延时响应特性,举例,33,左图是输入电阻 为 、,带宽为 、,衰减 示波器探头电路。,2、利用传输函数零点、极点抵消频带展宽的实例,电阻是示波器的输入电阻,是示波器的输入电容。,，,探头电路由 电阻 和并联的 可调电容组成。,在低频端由两个电阻分压，在高频端由两个电容分压。,只,要满足上下两个并联电路的,相等，则衰减量恒为,10,，,而与频率无关。,这是因为,零点、极点,恰好抵消,。,34,3.5,高频小信号放大器的稳定问题,不稳定原因,管子的内反馈 或,电路的寄生参数,稳定措施,1.,中和法：用中和电容抵消内反馈电容，使放大器单向化。,2.,失配法：共射,-,共基电路、共源,-,共栅电路，减小内反馈。,-,牺牲增益,3.,有损匹配,：如基极上加压振电阻，射极加负反馈电阻等,4.,注意布局、布线，减小寄生参数的影响。,35,中和法消除极间内反馈电容影响,加中和电容 使,注意相位应相反！,36,失配法,共射,-,共基级联,共基电路输入阻抗小，共射电路输出阻抗大，级联时增大了共射电路的负载导纳，,失配，使共射管内反馈减弱，稳定性提高。,共射电压增益减小，共射,-,共基两个管子的电压增益相当于单级共射电路增益，因此该电路是牺牲增益换取稳定。,37,有损匹配方法,牺牲增益换取稳定,晶体管的三个端口中的两个端口之间并联电阻。例如在共射放大器的集电极,-,发射极并一较大电阻。,这种方法对低频端增益影响较大，对高频端增益影响小,在晶体管的三个端口串联电阻，例如在基极上串一小的压振电阻。,这种方法将会同时降低低频增益和高频增益，高频端的增益下降远大于低频端的增益下降。,对低噪声放大器，有损匹配电阻应置于输出端口。,对功率放大器，有损匹配电阻应置于输入端口。,38,含有,声表面波,滤波器放大电路,返回,宽带放大器，频率特性由,声表面波,滤波器特性决定,39,下堂课内容：放大器的噪声,40,返回,41,并联建峰电路小结,返回,*,归一化带宽 ：加,L,后放大电路的带宽，原先（加,L,以前的）放大电路,3dB,带宽。,归一化带宽即带宽扩大倍数。,42,（,a,）未补偿 （,b,）加补偿电容 （,c,）阶跃响应,未补偿,探头补偿等效电路及对带宽的影响,补偿,零点抵消极点则,返回,43,