Ch高频小信号放大器.ppt

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,Ch04高频小信号放大器,4.7 谐振放大器的常用电路和,集成电路谐振放大器,4.8 场效应管高频小信号放大器,4.9 放大器中的噪声,4.10,噪声的表示和计算方法,4.6,谐振放大器的稳定性与稳定措施,4 高频小信号放大器,高频小信号放大器的特点：,放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,4.1 概述,几十V几mV,1V左右,普通调幅无线电广播所占带宽应为kHz，电视信号的带宽为Mz左右。,4.1 概述,高频小信号放大器的特点：,放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,音 频,射 频,微 波,单振荡回路,耦合振荡回路,高频小信号放大器,谐振放大器（窄带）,非谐振放大器（宽带）,LC,集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,（调谐与非调谐）,高频小信号放大器的分类,有源器件,谐振回路,窄带谐振放大器,宽带非谐振放大器,滤波器,高频小信号放大器,本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。,4.1 概述,高频小信号放大器的主要质量指标,1),增益,：,（放大系数）,电压增益,：,分贝表示,：,功率增益,：,2),通频带,：,4.1 概述,高频小信号放大器的主要质量指标,3),选择性,矩形系数,：,表示与理想滤波特性的接近程度。,：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用,矩形系数,和,抑制比,来表示。,4.1 概述,高频小信号放大器的主要质量指标,抑制比,：,表示对某个干扰信号,f,n,的抑制能力，用,d,n,表示。,4.1 概述,3),选择性,：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用,矩形系数,和,抑制比,来表示。,高频小信号放大器的主要质量指标,4),工作稳定性：,指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。,基本,共射极放大电路,稳,Q,共射极放大电路,不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。,4.1 概述,出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。,低频,小信号模型,高频,小信号模型,A,F,A,高频小信号放大器的主要质量指标,4.1 概述,4),工作稳定性：,指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。,高频小信号放大器的分析方法,晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。,4.1 概述,几十V几mV,1V左右,4.2 晶体管高频小信号等效电路与参数,4.2.1,形式等效电路,（网络参数等效电路）,4.2.2,混合等效电路,(物理模拟等效),4.2.3,混合等效电路参数与,形式等效电路参数的转换,4.2.4,晶体管的高频参数,4.2.1 形式等效电路,晶,体,管,V,1,V,2,I,1,I,2,有源线性四端网络,h,参数系,z,参数系,y,参数系,自变量,参变量,V,1,V,2,I,1,I,2,I,1,I,2,I,1,I,2,V,1,V,2,V,1,V,2,4.2.1 形式等效电路,因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的,y,（导纳）参数等效电路。,4,5,1,2,3,R,b1,R,b2,R,e,y,L,C,b,C,e,C,Tr,1,Tr,2,T,L,V,CC,3,2,1,5,4,Tr,1,Tr,2,C,L,y,L,T,输入回路,输出回路,晶体管,图 4.2.1 晶体管共发射极电路,图 4.2.2 参数等效电路,4.2.1 形式等效电路,式中：,称为输出短路时的输入导纳；,称为输入短路时的反向传输导纳；,称为输出短路时的正向传输导纳；,称为输入短路时的输出导纳。,图 4.2.2 参数等效电路,放大器输入导纳Y,i,4.2.1 形式等效电路,图 4.2.3 晶体管放大器及其,参数等效电路,放大器输出导纳Y,o,4.2.1 形式等效电路,4.2.2 混合等效电路,4.2.2 混合等效电路,晶体管物理等效电路,e,b,r,ce,r,bc,r,ee,C,be,C,bc,r,bb,r,be,c,r,cc,b,g,m,v,be,y,（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。,4.2.2 混合等效电路,图 4.2.4 混合等效电路,优点：各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。,缺点：分析电路不够方便。,e,b,r,ce,r,bc,r,ee,C,be,C,bc,r,bb,r,be,c,r,cc,b,g,m,v,be,图 4.2.4 混合等效电路,4.2.2 混合等效电路,图 4.2.5,参数及混合等效电路,4.2.3 等效电路参数的转换,y,ie,y,oe,y,re,u,ce,y,fe,u,be,C,ie,g,ie,g,oe,C,oe,4.2.3 等效电路参数的转换,End,4.2.3 等效电路参数的转换,4.2.4 晶体管的高频参数,1.截止频率,1,2.特征频率,当,f f,T,后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。,4.2.4 晶体管的高频参数,4.2.4 晶体管的高频参数,1,2.特征频率,图4.2.6 截止频率和,特征频率,可以粗略计算在某工作频率,f f,的电流放大系数。,3.最高振荡频率,f,max,f,f,max,后，,G,p,1,不论其,Q,值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。,4.3.3 通频带与选择性,End,4.3.4 级间耦合网络,图4.3.4 单调谐放大器的级间耦合网络形式,中频放大器设计实例：,例题4.3.3,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。,A,v,1,A,v,2,A,v,n,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,1.增益,2.通频带,可求得,n,级放大器的通频带,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,2.通频带,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,例：若f0=30MHz，所需通频带为4MHz，则：,单级实现所要求的品质因数为,2级实现所要求的品质因数为,3.选择性,（,矩形系数,）,通频带,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,Kr,3.选择性,（,矩形系数,）,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,当级数,n,增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。,Kr,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,4.6.1,谐振放大器的稳定性,4.6.2,单向化,4.6.1 谐振放大器的稳定性,1.放大器的输入导纳和输出导纳,如果放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的输出谐振回路)，那么输入导纳Y,i,并联在放大器输入端回路后(假定耦合方式是,全部接入,)，,2.自激振荡的产生,(以输入导纳的影响为例),图4.6.1 放大器等效输入端回路,实际电路中，,4.6.1 谐振放大器的稳定性,3.自激产生的原因,(以输入导纳的影响为例),图4.6.2 反馈电导,随频率变化的关系曲线,4.6.1 谐振放大器的稳定性,g,F,是频率的函数，可呈负电导性，使回路的总电导减小，,Q,L,增加，通频带减小，增益也因损耗的减少而增加，即负电导,g,F,供给回路能量，出现正反馈。当,g,F,=,g,s,+,g,ie,（回路原有电导）则回路总电导,g,=0，,Q,L,，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。,（自激振荡）,4.6.1 谐振放大器的稳定性,如果反馈电导为负值，那么g,=,g,s,+,g,ie1,+,g,F,=0 可能存在，即发生自激振荡现象。,4.自激产生的条件,(以输入导纳的影响为例),回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,=0,且：电纳也为0；,=0,分解为幅值和相位两个条件：,4.6.1 谐振放大器的稳定性,不发生自激的条件,：,4.6.1 谐振放大器的稳定性,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,=0,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,4.自激产生的条件,(以输入导纳的影响为例),稳定系数,如果,S,1，放大器可能产生自激振荡；如果,S,1，放大器不会产生自激。,S,越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,4.6.1 谐振放大器的稳定性,4.自激产生的条件,(以输入导纳的影响为例),5.稳定性分析,假设放大器输入与输出回路相同：,(包括谐振回路),4.6.1 谐振放大器的稳定性,5.稳定性分析,4.6.1 谐振放大器的稳定性,5.稳定性分析,增益和稳定性为一对矛盾。,考虑到全部接入，即p,1,=,p,2,=1,4.6.1 谐振放大器的稳定性,4.6.2 单向化,如前所述，由于晶体管内存在,y,re,的反馈，所以它是一个“双向元件”。作为放大器工作时，,y,re,的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。,消除,y,re,的反馈，变“双向元件”为“单向元件”。这个过程称为,单向化,。,A,F,C,be,r,bb,C,bc,r,bc,r,be,v,be,r,ce,g,m,v,be,A,F,避免自激的最简单做法是在回路两端并接电阻，即增加损耗。这就是“,失配法,”。,4.6.2 单向化,不发生自激的条件,，,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,同理，如果把信号源导纳,Y,s,取得比晶体管,y,ie,大得多，那么输出导纳,因此，所谓“失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,4.6.2 单向化,如果把负载导纳Y,L,取得比晶体管,y,oe,大得多，即Y,L,y,oe,，那么输入导纳,4.6.2 单向化,稳定系数,可知，当,Y,s,y,ie,和,Y,L,y,oe,，稳定系数,S,大大增加。,但同时，增益必须减小。实际上，增益随g,L,增加而减小。,典型电路 ：共发共基级联放大器,i,c1,y,oe,y,ie,End,4.6.2 单向化,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。,共发级负载导纳y,ie,很大时电压增益会减小，但电流增益仍较大；,共基级虽然电流增益为1，但电压增益却较大；,因此级联后功率增益较大，且稳定性较高。,下图表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中频放大器电路。,谐振放大器电路举例,作业,：,P151 4.9,P152 4.10,4.9 放大器中的噪声,4.9.2,电阻热噪声,4.9.3,天线热噪声,4.9.4,晶体管的噪声,4.9.5,场效应管的噪声,4.9.1,内部噪声的来源与特点,4.9 放大器中的噪声,自然干扰,人为干扰,干扰与噪声,外部干扰,内部噪声,天电干扰,宇宙干扰,大地干扰,工业干扰,无线电台,自然噪声,人为噪声,热噪声,散粒噪声,闪烁噪声,交流,噪,声,感应噪声,接触不良,4.9.1 内部噪声的来源与特点,这种无规则运动具有起伏噪声的性质，是一种随机过程，即在同一时间（,）内，这一次观察和下一次观察会得出不同的结果,放大器的内部噪声主要是由电路中的电阻、谐振回路和电子器件内部所具有的带电微粒无规则运动所产生的。,图4.9.1,随机过程示意图,随机过程的特征通常用它的平均值、均方值、频谱或功率谱来描述。,1.起伏噪声电压的平均值,图4.9.2,起伏噪声电压的平均值,4.9.1 内部噪声的来源与特点,2.起伏噪声电压的均方值,3.非周期噪声电压的频谱,起伏噪声电压是一种随机过程，其对应频谱也是随机过程，没有确定的描述。,4.起伏噪声的功率谱,式中，,(,f,)称为噪声功率谱密度，单位为/z。,End,4.9.1 内部噪声的来源与特点,4.9.2 电阻热噪声,电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下，受到热激发后，在导体内部作大小和方向都无规则的运动（热骚动）。,电阻的热噪声的功率谱密度,噪声电压均方值,噪声电流均方值,以上各式中，,为玻耳兹曼常数，,T,为电阻的绝对温度，,f,n,为电路的等效噪声带宽，,（或,）为,f,n,内的电阻（或电导）值。,图4.9.6,电阻的噪声等效电路,End,4.9.2 电阻热噪声,4.9.3 天线热噪声,热平衡状态下，噪声电压的均方值,天线等效电路由辐射电阻,和电抗,组成。,为天线等效噪声温度。,若天线无方向性，且处于绝对温度为,的无界限均匀介质中，则,End,4.9.4 晶体管的噪声,晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、分配噪声、1/f噪声等。,图4.9.10,包括噪声电流与电压源的型等效电路,散粒噪声,热,噪声,分配,噪声,图4.9.11,晶体管的噪声特性,4.9.4 晶体管的噪声,4.10 噪声的表示和计算方法,4.10.2,噪声温度,4.10.3,多级放大器的噪声系数,4.10.4,灵敏度,4.10.5,等效噪声频带宽度,4.10.1,噪声系数,4.10.6,减小噪声系数的措施,4.10.1 噪声系数,在电路某一指定点处的信号功率,s,与噪声功率,n,之比，称为信号噪声比，简称信噪比，以,s,n,（或,）表示。,放大器噪声系数,p,为放大器的功率增益。,P,no,为放大器本身产生的噪声在输出端上呈现的噪声功率。因此，,，,越大，表示放大器本身产生的噪声越大。,为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功率和额定功率增益的关系来定义。,4.10.1 噪声系数,图4.10.1,表示额定功率和噪声系数定义的电路,End,4.10.1 噪声系数,表示放大器（四端网络）内部噪声的另一种方法是将内部噪声折算到输入端，放大器本身则被认为是没有噪声的理想器件。,4.10.2 噪声温度,End,物理意义:放大器内部产生的噪声功率，可看作是由它的输入端接上一个温度为,的匹配电阻所产生的；或者看作与放大器匹配的噪声源内阻,在工作温度,上再加一温度,后，所增加的输出噪声功率。,4.10.5 等效噪声频带宽度,起伏噪声是功率谱密度均匀的白噪声。现在来研究它通过线性四端网络后的情况，并引出等效噪声频带宽度的概念。,设四端网络的电压传输系数为,(,f,)，输入端的噪声功率谱密度为,i,(,f,)，则输出端的噪声功率谱密度,o,(,f,)为,输出端的噪声电压均方值为,输出端的噪声电压均方值为,等效噪声带宽是按照噪声功率相等（几何意义即面积相等）来等效的。,图4.10.4,等效噪声带宽,示意图,4.10.5 等效噪声频带宽度,输出端的噪声电压均方值为,等效噪声带宽,End,4.10.5 等效噪声频带宽度,4.10.6 减小噪声系数的措施,选用低噪声元、器件,正确选择晶体管放大级的直流工作点,选择合适的信号源内阻,s,选择合适的工作带宽,选用合适的放大电路,降低放大器的工作温度,二、小信号谐振放大器的选频性能可由,通频带,和,选择性,两个质量指标来衡量。用,矩形系数,可以衡量实际幅频特性接近理想幅频特性的程度，矩形系数越接近于1，则谐振放大器的选择性愈好。,本章小结,一、高频小信号放大器是通常分为,谐振放大器,和,非谐振放大器,，谐振放大器的负载为,串、并联谐振回路或耦合回路,。,三、高频小信号放大器由于信号小，可以认为它工作在管子的线性范围内，常采用,有源线性四端网络,进行分析。,Y参数等效电路和混合,等效电路,是描述晶体管工作的重要模型。,Y参数与混合,参数有对应关系，Y参数不仅与静态工作点有关，而且是工作频率的函数。,四、单级单调谐放大器是小信号放大器的基本电路，其电压增益主要决定于管子的参数、信号源和负载，为了提高电压增益，谐振回路与信号源和负载的连接常采用,部分接入,方式。,五、由于晶体管内部存在反向传输导纳,Y,re，使晶体管成为双向器件，在一定频率下使回路的总电导为零，这时放大器会产生自激。,为了克服自激常采用“,中和法,”和“,失配法,”使晶体管单向化。保持放大器稳定工作所允许的电压增益称为,稳定电压增益,，用,(,A,vo)s,表示，(,A,vo)s只考虑了内部反馈，未考虑外部其他原因引起的反馈。,本章小结,实验一：单调谐回路谐振放大器及其通频带展宽,标准实验报告,