第2章高频小信号放大器x.ppt

第,2,章 高频小信号放大器,2.1,晶体管的频率参数和高频等效电路,2.1.1,晶体管的混合,型等效电路,2.1.2,晶体管的频率参数,2.1.3,晶体管的,Y,参数,2.2,单级调谐放大器,2.2.1,电压放大倍数,2.2.2,功率放大倍数,A,p,2.2.3,晶体管最高振荡频率,f,max,2.2.4,放大器的通频带,2.2.5,放大器的选择性,2.3,多级单调谐放大器的级联,2.3.1,多级放大器的电压放大倍数和通频带,2.3.2,多级放大器的矩形系数,小信号调谐放大器,是一种,窄带,的,选频,放大器，是无线电,接收设备,的主要部件。,通常是指接收机中混频前的高频放大器和混频后的中频放大器。,概述,窄带：通频带在几千赫到几十兆赫之间。,关于窄带的解释：,窄 带 放 大 器,高频放大器与低频（音频）放大器的主要区别,1,、工作频率范围和所需通过的频带宽度有所不同，所以采用的负载也不相同。低频放大器的工作频率低，但整个工作频带宽度很宽，例如,20,一,20 000 Hz,，高低频率的极限相差达,1 000,倍，所以它们都是采用无调谐负载，例如电阻、有铁心的变压器等。高频放大器的中心频率一般在几百千赫至几百兆赫，但所需通过的频率范围（频带）和中心频率相比往往是很小的，或者只工作于某一频率,2,、另外，在同一信道中，可能同时存在许多偏离有用信号频率的各种干扰信号，因此高频小信号放大器除有放大功能外，还必须具有选频的功能，因此，高频小信号放大器是集放大、选频于一体的电路，其电路模型必然由有源放大器件和无源选频网络所组成，因此高频放大器又叫做谐振放大器（,resonant amplifier,），即用谐振选频回路作负载的放大器。,resonant amplifier,gain,返回,passband,bandwidth,3,选择性：,selectivity,4,稳定性,电路稳定是放大器正常工作的必要条件。在后面章节中将会讨论。主要是温度变化引起的。,由上可见，高频小信号放大器的组成必须有两个核心：,放大和选频,。,stability,2.1,晶体管的频率参数和高频等效电路,高频小信号放大器可放大,中心频率,为几百千赫兹到几,百兆赫兹,频带,为几千赫兹到几千兆赫兹,几百毫伏以下的,输,入信号,它具有,选频,和,放大,功能。高频小信号放大器包括,高,频小信号调谐放大器,和,选频滤波式高频小信号放大器,。,下图,画出了晶体管共射极混合,等效电路。根据器,件材料和工艺不同，图中等效元件的参数也不一样。对于,高频管而言：,2.1.1,2.1.1,晶体管的混合,等效电路,2.1.1,晶体管的混合,等效电路,其中，表示晶体管放大作用的等效电流源。其中,G,m,为晶体管微变跨导，它也是发射极 的函数。,2.1.2,r,ce,反映了集电极电压 对电流 的影响。在放大状态,工作时这个影响很微弱,r,ce,值很大，一般在几十千欧以上。,三个附加电容,C,be,，,C,bc,，,C,ce,属引线和封装结构所形成,的电容，数量很小，其影响一般可以忽略。,频率较高时，,C,be,的容抗较小，可它并联的电阻,r,bc,较,大，相比之下,r,bc,可以忽略。简化后的等效电路,如图所示,。,混合,等效电路的简化,2.1.2,晶体管的频率参数,1.,短路电流放大系数 和 截止频率,f,如图所示,：,即 时，,C,be,，,bc,和,r,be,三者并联。因此,2.1.3,式中 是低频时的电流放大系数。,截止频率,f,的定义：当 的频率，即,2.1.4,2.1.5,将式,2.1.4,代入式,2.1.3,得,2.1.6,解上述方程得：,2.,特征频率,f,T,晶体管的放大性能有时还用特征频率,f,T,表示。特征频率,是,=1,时的频率。根据定义,:,解之得,:,当,0,远远大于,1,时,2.1.7,2.1.8,2.1.9,若工作频率 时,则,可用下式近似计算。,由于 ，代入上式得,：,上式说明，在,f f,的区域，工作频率每增加一倍，,减少一半（下降,6dB,），故此区域称为每倍频程下降,6dB,工作区。,2.1.11,2.1.10,根据 和 的关系式,:,3.,截止频率,f,及其与,f,和,f,T,的关系,当晶体管用作共基极联接时，其输出端交流短路的电流,放大倍数 也是随频率提高而降低的,当,下降到 时，所,对应的频率称为 截止频率。由于共基极短路电流放大系数,的近似表示式为,:,2.1.13,2.1.12,用近似公式 代入得,可以求出 截止频率,f,与,截止频率,f,的关系,:,2.1.16,2.1.15,2.1.14,故,f,，,f,T,，,f,三个频率的关系是,:,f,f,T,Y,bc,，,g,m,Y,bc,，,g,ce,Y,bc,，则对应的,Y,参数为,:,2.1.24,2.1.23,2.1.22,2.1.21,讨论：,Y,参数是工作频率的函数,，当工作频率不同时，即使是同一晶体管，其,Y,参数也是不一样的。,2.1.25,2.1.28,2.1.27,2.1.26,低频时：电容效应的影响可以不考虑时，,Y,参数认为近似不变，,则,2.2,单级调谐放大器,单级单谐振放大器是由晶体管和并联谐振回路组成的。,图,2.2-1,是一个典型的单回路谐振放大器组成的三级级联放大,电路。各级的形式相同，因此只分析其中一级的特性，其后,利用级联的方法研究其多级总特性。,自本级基极开始到下一级基极输入端的电路作为一级放,大电路，前一级设为信号源,用电流源 和输出导纳,Y,s,表示,后级作为本级的负载，用输入导纳,Y,ie,表示。,图,2.2-2,是一,个单级谐振放大器的高频特性电路，图中忽略了,Y,re,的影响,.,其中 。下面分析该放大器的主要技术指标。,图,2.2-1,多级单调谐放大器的部分电路,图,2.2-2,单调谐放大器的等效电路,2.2.1,电压放大倍数,根据电压放大倍数定义：,2.2.1,为求 ，先求 ，设由发射极,e,和集电极,c,两端向右看的,导纳为,Y,L,/,，则,2.2.2,于是通过集电极电流 为,2.2.3,2.2.4,2.2.5,于是,2.2.6,令,2.2.7,式,2.2.7,化为,2.2.8,式中，,f,0,谐振频率,f,频偏,Q,L,有载,Q,值,。,2.2.9,2.2.10,2.2.11,当,f=f,0,(f=0),时,2.2.12,上式说明,谐振时 与回路总电导,g,成反比,，与晶体管,正向传输导纳,Y,fe,成正比,。,|Y,fe,|,越大，,|,越大。负号表示输,出电压与输入电压有,180,的相位差,.,此外，,Y,fe,本身是一个复,数,也有一个相角,fe,因此 与 的相位差应为,fe,-180,。,只有频率较低时,fe,=0,与 相位差为,-180,。,功率放大倍数,A,p,对于小信号谐振放大器本身并无重要,意义，但是通过功率放大倍数的推导,可以获得晶体管,最高,振荡频率,和,最大电压放大倍数,的概念,。,当,放大器输入和输出电路均处于调谐状态,时,图,2.2-2,所,示电路的输入功率,P,i,和输出功率,P,o,可改写成,:,则,2.2.13,2.2.2,功率放大倍数,A,p,用式,2.2.12,代入得,:,2.2.14,在理想情况下，回路本身并无电抗电路，即,gp=0,且输,出端处于匹配状态。则,2.2.15,此时放大器有最大功率放大倍数,A,pm,。,2.2.16,上式说明小信号放大器的最大功率增益只与晶体管本,身的参数,Y,fe,，,g,oe,，,g,ie,有关，而与回路元件无关。为了用晶,体管内部的物理参数表示最大功率放大倍数，现将,Y,参数化,为等效,参数的形式，并设,f f,，即,C,be,g,be,，,C,be,1/r,bb,，,C,bc,g,bc,，则,：,式中,2.2.17,2.2.18,2.2.19,将式,2.2.17-2.2.19,代入式,2.2.16,得,:,2.2.20,上式表明，晶体管的最大功率增益与晶体管的阻容乘,积,r,bb,C,be,C,bc,成反比，与跨导,g,m,成正比，且随着工作频,率,f,的提高而显著下降（在,f f,的情况下）。,2.2.3,晶体管最高振荡频率,f,max,定义,:,当,A,pm,=1,时对应的频率为晶体管最高工作频率。,解此方程得：,2.2.23,故,f,max,也只与晶体管本身的参量,r,bb,C,bc,C,be,和,g,m,有关，而与放大器电路形式无关，为使晶体管具有更高的工作频率，应选用,r,bb,C,be,C,bc,乘积小而,g,m,大的管子。,如已知,f,max,可得（在,ff,范围内,),而电压放大倍数,2.2.24,2.2.25,2.2.4,放大器的通频带,放大器的谐振曲线,:,放大器,A,u,/A,uo,随频率,f,变化而变化的,曲线,。,根据上述定义得,:,2.2.26,习惯上,以,A,u,/A,uo,下降到 时的频率作为放大器的通频,带的界限，用符号,B,表示。于是,2.2.27,2.2.28,当,p,1,=p,2,=1,时,则,2.2.29,上式说明，,当晶体管选定后，,(,即,Y,fe,已经确定,),放大器的,谐振电压放大倍数,A,uo,只与回路总电容,C,和通频带,B,的乘积,有关，若,C,越大，,B,越宽，则 越小。,(,问题，对于一个复数,是否有大小之分,?),式,2.2.29,也可以写成,2.2.30,当,|Y,fe,|,和,C,为定值时，,A,uo,B,为常数，这是放大器一个很,重要的概念。它说明，通频带,B,越宽，则放大器的放大倍数,越小。反之亦然。这个矛盾在设计宽频带放大器时特别突,出。要想得到高的增益，又保证足够的带宽，除了选用,|Y,fe,|,较大的晶体管外，应尽量减小谐振回路的总电容量,C,，选,用,C,ie,，,C,oe,小的晶体管或减小回路的外接电容,C,。,f,0.7,1,f,0,f,2.2.5,放大器的选择性,放大器的选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数,K,r0.1,表示。即。,根据前面的推导可得,上式表明，,但调谐放大器的矩形系数远大于,1,，也就是,说，它的谐振曲线和矩形相差甚远，选择性差，这是但调,谐放大器的一大缺点。,2.3,多级单调谐放大器的级联,当单级放大器的增益不能满足要求时,即可采取多级放,大器。,其中每一级都调谐在同一个频率上，故多级级联单,调谐放大器也称为同步谐振放大器。,2.3.1,多级放大器的电压放大倍数和通频带,总增益,A,n,=A,u1,A,u2,A,u3,A,un,2.3.1,若各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成,则,2.3.2,谐振时电压放大倍数为,A,no,则,2.3.3,它的归一化谐振曲线为,2.3.4,令,f,0.7,代表,A,n,/A,n0,=0.707,时的频率偏移,即有,解上式得,2.3.5,因为,n,是大于,1,的正整数,故 必小于,1,。所以,称为缩小系数。具体数值见表,2.3.1,所示。,表,2.3.1,多谐调谐放大器缩小系数与级数的关系,级数,n,1,2,3,4,5,6,7,8,1.0,0.64,0.51,0.43,0.39,0.35,0.32,0.3,从上述分析可知，,通频带越宽，每级的增益就越小，,对于单级谐振放大器来说，增益和通频带的矛盾是一个严,重问题，特别是对高增益宽频带的放大器来说，这个问题,更为突出。,后面将讨论的参差调谐放大器就是为了解决这,个矛盾而提出的。,2.3.2,多级放大器的矩形系数,按矩形系数的定义，当,f=f,0.1,时,A,n,/A,no,=0.1,可得,于是,表,2.3.2,列出了,K,r0.1,与,n,的关系,表,2.3.2,单调谐放大器矩形系数与级数关系,从表上可以看出，当级数,n,增加时,矩形系数有所改善，,但这种改善是有限度的，级数越多，,K,r0.1,变化越缓慢。即当,n,趋于无穷时,K,r0.1,也只有,2.56,。和理想的矩形还有很大距,离。,级数,n,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,Kr0.1,9.95,4.90,3.74,3.40,3.20,3.10,3.00,2.93,2.89,2.85,2.56,本 章 小 节,1.,在分析高频小信号,谐振放大器,时,Y,参数等效电路,是描,述晶体管工作状况的重要模型，使用时必须注意,Y,参数不仅,与,静态工作,有关，而且是,工作频率,的函数。在分析小信号,宽频带放大器,时，,混合,等效电路,是描述晶体管工作状况,的重要模型，混合,型参数同样与静态工作点有关。,2.,单管单调谐放大电路,是谐振放大器的基本电路。为,了增大回路的,有载,Q,值，提高,电压增益,，减少对回路谐振,频率特性的影响，谐振回路与信号源和负载的连接大都采,用,部分接入,方式，即采用,LC,分压式,阻抗变换电路,。,3.,集中选频放大器,由集中滤波器和集成宽带放大器组,成，其性能指标优于分立元件组成的多级谐振放大器，且,调试简单。展宽放大器工作的主要方法有,组合法,与,反馈,法,。,