3高频小信号放大器解析.pptx

1高频小信号放大器的特点：高频小信号放大器的特点：放大高频小信号（中心频率在几百放大高频小信号（中心频率在几百kHz几百几百MHz，频谱宽度在几，频谱宽度在几kHz几十几十MHz的范围内）的的范围内）的放大器。放大器。几十几十V几几mV1V左右左右 高频放大 本地振荡 混频 f1=fo-fs 低频放大 检波 中频放大 FF fsfsf1f1fo2普通调幅无线电广播所占带宽应为普通调幅无线电广播所占带宽应为kHz、调频广播中每个、调频广播中每个电台所占频带宽宽为电台所占频带宽宽为 200 kHz（单声道为（单声道为 180 kHz，立体声，立体声为为 198 kHz）、）、电视信号的带宽为电视信号的带宽为8Mz(含伴音含伴音)。射射 频频微微 波波音音 频频3单振荡回路单振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路高频小信号放大器高频小信号放大器 谐振放大器谐振放大器非谐振放大器非谐振放大器LC集中滤波器集中滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器（调谐与非调谐）（调谐与非调谐）高频小信号放大器的分类有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器宽带非谐宽带非谐振放大器振放大器滤波器滤波器宽带非谐振放大器宽带非谐振放大器本章重点讨论晶体管窄带谐振放大器本章重点讨论晶体管窄带谐振放大器4高频小信号放大器的主要质量指标高频小信号放大器的主要质量指标1)增益：（放大系数）电压增益电压增益：分贝表示分贝表示：功率增益功率增益：2)通频带：53)选择性选择性 矩形系数矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。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）：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。选择性常采用性。选择性常采用矩形系数矩形系数和和抑制比抑制比来表示。来表示。f AV/AVo 2Df0.1 2Df0.7 理想 0.1 0.7 1 实际 抑制比抑制比：表示对某个干扰信号表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用的抑制能力，用dn表示。表示。64)工作稳定性：工作稳定性：指放大器的工作状态指放大器的工作状态(直流偏置直流偏置)、晶体管、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。性的稳定。不稳定状态的极端情况是放大器不稳定状态的极端情况是放大器自激自激（主要由晶体管内反馈（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。引起），使放大器完全不能工作。7 出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。低频低频小信号模型小信号模型高频高频小信号模型小信号模型A AF FA A4)工工作作稳稳定定性性：指指放放大大器器的的工工作作状状态态(直直流流偏偏置置)、晶晶体体管管参参数数、电电路路元元件件参参数数等等发发生生可可能能的的变变化化时时，放放大大器器的的主主要要特特性的稳定。性的稳定。8高频小高频小信号信号放大器的分析方法放大器的分析方法晶体管工作在线性区，可看成晶体管工作在线性区，可看成线性元件线性元件，可用有源，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。四端网络参数微变等效电路来分析。几十几十V几几mV1V左右左右 高频放大 本地振荡 混频 f1=fo-fs 低频放大 检波 中频放大 FF fsfsf1f1fo93.2.1 形式等效电路形式等效电路（网络参数等效电路）（网络参数等效电路）3.2.2 混合混合等效电路等效电路3.2.3 混合混合等效电路参数与形式等效等效电路参数与形式等效 电路电路参数的转换参数的转换3.2.4 晶体管的高频参数晶体管的高频参数10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，为此组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的引入晶体管的y（导纳）（导纳）参数等效电路。参数等效电路。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC32154Tr1Tr2CL yLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管晶体管工作在线性区，可看成线性元件，用晶体管工作在线性区，可看成线性元件，用有源线性有源线性四端网络四端网络参数微变等效电路来分析。参数微变等效电路来分析。11称为输入短路时的称为输入短路时的反向传输导纳反向传输导纳；称为输出短路时的称为输出短路时的正向传输导纳正向传输导纳；称为输入短路时的称为输入短路时的输出导纳输出导纳。称为输出短路时的称为输出短路时的输入导纳输入导纳；图图图图 3.2.1 3.2.1 晶体管共发射极电路晶体管共发射极电路晶体管共发射极电路晶体管共发射极电路图图图图 3.2.2 3.2.2 参数等效电路参数等效电路参数等效电路参数等效电路12图图 3.2.3 3.2.3 晶体管放大器及其参数等效电路晶体管放大器及其参数等效电路放大器输入导纳放大器输入导纳放大器输入导纳放大器输入导纳Y Yi i13放大器输出导纳放大器输出导纳放大器输出导纳放大器输出导纳Y Yo o图图 3.2.3 3.2.3 晶体管放大器及其参数等效电路晶体管放大器及其参数等效电路14re表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；fe表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。re越越大大表表示示晶晶体体管管的的内内部部反反馈馈越越强强；fe越越大大表表示示晶晶体体管管的的放大能力越强。放大能力越强。re的的存存在在,对对实实际际工工作作带带来来很很大大危危害害,是是谐谐振振放放大大器器自自激激的的根根源源,同同时时也也使使分分析析过过程程变变得得复复杂杂,因因此此应应尽尽可可能能使使其其减减小小或削弱它的影响。或削弱它的影响。15 y(导纳导纳)参数的优点：不涉及内部过程，适于任何四端（三端）器件参数的优点：不涉及内部过程，适于任何四端（三端）器件缺点：随频率变化；物理含义不明显。缺点：随频率变化；物理含义不明显。图图图图 3.2.4 3.2.4 混合混合混合混合等效电路等效电路等效电路等效电路优点：优点：优点：优点：各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。缺点：缺点：缺点：缺点：分析电路不够方便。分析电路不够方便。分析电路不够方便。分析电路不够方便。eb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm vbe16图图图图 3.2.4 3.2.4 混合混合混合混合等效电路等效电路等效电路等效电路是发射结电阻是发射结电阻是发射结电容是发射结电容是集电结电阻是集电结电阻是集电结电容是集电结电容是基极体电阻是基极体电阻代表晶体管的电流放大作用代表晶体管的电流放大作用集射极间电阻集射极间电阻集射极间电容集射极间电容17图图图图 3.2.5 3.2.5 参数及混合参数及混合参数及混合参数及混合等效电路等效电路等效电路等效电路191ebebbbebebieCjgrCjgy+=wwmfegy=1ebebbbCjgr+wcbreCjy-=w1ebebbbCjgr+webebmbboeCjggry+=w1ebebbbCjgr+wcbCjw+21yie=gie+jCie显显然然,在在高高频频工工作作时时由由于于晶晶体体管管结结电电容容不不可可忽忽略略,y参参数数是是一一个个复复数数。晶晶体体管管参参数数中中输输入入导导纳纳和和输输出出导导纳纳通通常常可可写写成成用用电电导导和和电电容容表表示示的的直直角角坐坐标形式标形式,而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式,即即:yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoeyoe=goe+jCoeyfe=|yfe|fe yre=|yre|re 221.截止频率截止频率12.特征频率特征频率当当f fT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益，而功率增益还可能大于1。下降到下降到0的的 时所对应的频率时所对应的频率短路电流放大倍数短路电流放大倍数=1时所对应的频率时所对应的频率2312.特征频率特征频率可以粗略计算在某工作频率可以粗略计算在某工作频率f f的电流放大系数。的电流放大系数。=1时所对应的频率243.最高振荡频率最高振荡频率fmaxf fmax后，后，Gp1不论其不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。44图图图图3.3.4 3.3.4 单调谐放大器的级间耦合网络形式单调谐放大器的级间耦合网络形式单调谐放大器的级间耦合网络形式单调谐放大器的级间耦合网络形式45电压增益电压增益45123Rb1Rb2ReYLCbCeCTr1Tr2TLVCC谐振时电压增益谐振时电压增益32154yieyoeyrevceyfevbeCYLL+v54-+v31-+v21-Rb1Rb2ReVCC46谐振时电压增益谐振时电压增益匹配条件匹配条件匹配时的电压增益匹配时的电压增益32154yieyoeyrevceyfevbeCYLL+v54-+v31-+v21-47可得最大功率增益为：可得最大功率增益为：i)如果如果谐振时功率增益谐振时功率增益i i)如果如果则可得最大功率增益为：则可得最大功率增益为：48通过分析放大器幅频特性通过分析放大器幅频特性1、通频带、通频带带宽和品质因数为一对矛盾。带宽和品质因数为一对矛盾。带宽增益积带宽增益积为一常数为一常数带宽和增益为另一对矛盾。带宽和增益为另一对矛盾。2、选择性（、选择性（矩形系数矩形系数）不论其不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。49p76p76 例例例例3.3.33.3.350 若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。Av1Av2Avn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51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521.增益增益2.通频带通频带n级放大器的通频带级放大器的通频带通频带一定时，通频带一定时，n越大，每级所需通频带越宽越大，每级所需通频带越宽每级所需每级所需Q值越小，值越小，单级增益越低。单级增益越低。533.选择性选择性（矩形系数矩形系数）通频带通频带当级数当级数n增加时，放大器的矩形系数有所改善，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。但这种改善是有限度的。543.6.1 谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性3.6.2 单向化单向化55以上分析时，假定以上分析时，假定y yre0 0，即输出电路对输入端没有影响，放大，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈y yrere的影响。的影响。1.1.放大器的输入导纳和输出导纳放大器的输入导纳和输出导纳引用引用引用引用3.2 3.2 3.2 3.2 结果，可知结果，可知结果，可知结果，可知56如果放大电路输入端也接有谐振回路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或前级放大器的输出谐振回路振回路)，那么输入导纳，那么输入导纳Y Yi i并联在放大器输入端回路后并联在放大器输入端回路后(假定假定耦合方式是耦合方式是全部接入全部接入)，2.2.自激振荡的产生自激振荡的产生 (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)图图图图3.6.1 3.6.1 放大器等效输入端回路放大器等效输入端回路放大器等效输入端回路放大器等效输入端回路实际电路中，实际电路中，实际电路中，实际电路中，57所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。此时，如果此时，如果g=gs+gie+gF 0，即整个回路的能量消耗为零，回即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激幅振荡得以维持，而不需外加激励。励。（自激振荡）（自激振荡）58如果反馈电导为负值，那么如果反馈电导为负值，那么g=gs+gie1+gF=0 可能存在，可能存在，即发生自激振荡现象。即发生自激振荡现象。3.3.自激产生的原因自激产生的原因(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)图图图图3.6.2 3.6.2 反馈电导反馈电导反馈电导反馈电导随频率变化的关系曲线随频率变化的关系曲线随频率变化的关系曲线随频率变化的关系曲线此时，如果此时，如果g=gs+gie+gF 0，即整个回，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。59为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等幅为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等幅自激振荡的条件。自激振荡的条件。4.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)回路谐振时，回路谐振时，g=gs+gie+gF=0=0分解为幅值和相位两个条件分解为幅值和相位两个条件634.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)假定644.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)65稳定系数稳定系数如果如果S1，放大器可能产生自激振荡；，放大器可能产生自激振荡；如果如果S 1，放大器不会产生自激。，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。越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。4.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)665.5.稳定性分析稳定性分析675.5.稳定性分析稳定性分析增益和稳定性为一对矛盾。增益和稳定性为一对矛盾。考虑到全部接入，即考虑到全部接入，即p p1 1=p p2 2=1=168由于晶体管内存在由于晶体管内存在yre的反馈，所以它是一个的反馈，所以它是一个“双向元件双向元件”。作为放大器工作时，作为放大器工作时，yre的反馈作用可能引起放大器工作不稳定。的反馈作用可能引起放大器工作不稳定。消除消除yre的反馈，变的反馈，变“双向元件双向元件”为为“单向元件单向元件”单向化。单向化。A AF FCberbbCbcrbcrbevbercegm vbeA AF F69 避免自激的做法有避免自激的做法有中和法和失配法。中和法和失配法。如果把负载导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多，即YL yoe，那，那么输入导纳么输入导纳不发生自激的条件：不发生自激的条件：回路谐振时，回路谐振时，g=gs+gie+gF 0所谓所谓“失配失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；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。晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。70同理，如果把信号源导纳同理，如果把信号源导纳Ys取得比晶体管取得比晶体管yie大得多，大得多，那么输出导纳那么输出导纳因此，因此，所谓所谓“失配失配”是指：是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；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。晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。71稳定系数稳定系数 可知，当可知，当Ys yie 和和YL yoe，稳定系数，稳定系数S大大增加。大大增加。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。72 典型电路典型电路ic1c1y yoeoey yieie 失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。73一、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。器的负载为串、并联谐振回路或耦合回路。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按近理想幅频特性的程度，矩形量。用矩形系数可以衡量实际幅频特性接按近理想幅频特性的程度，矩形系数越接近于系数越接近于1 1，则谐振放大器的选择性愈好。，则谐振放大器的选择性愈好。三、高频小信号放大器由于信号小，可认为它工作在管子的线性范围内，三、高频小信号放大器由于信号小，可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。常采用有源线性四端网络进行分析。Y Y参数等效电路和混合参数等效电路和混合 等效电路是描等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型。述晶体管工作状况的重要模型。Y Y参数与混合参数与混合 参数有对应关系，参数有对应关系，Y Y参数不参数不仅与静态工作点有关，而且是工作频率的函数。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。负载的连接常采用部分接入方式。本本 章章 小小 结结74五、由于晶体管内部存在反向传输导纳五、由于晶体管内部存在反向传输导纳Y Yrere，使晶体管成为双向器件，在一定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“中和法中和法”和和“失配法失配法”使晶体管单向化。保持放大器稳定工作所允许的电使晶体管单向化。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，用压增益称为稳定电压增益，用(A Avovo)s s表示，表示，(A Avovo)s s只考虑了内部反馈，未考虑只考虑了内部反馈，未考虑外部其他原因引起的反馈。外部其他原因引起的反馈。六、非调谐式放大器由各种滤波器和线性放大器组成，它的选择性主要决定六、非调谐式放大器由各种滤波器和线性放大器组成，它的选择性主要决定于滤波器，这类放大器的稳定性较好。于滤波器，这类放大器的稳定性较好。七、集成电路谐振放大器体积小、工作稳定可靠、调整方便，其有通用集成七、集成电路谐振放大器体积小、工作稳定可靠、调整方便，其有通用集成电路放大器和专用集成电路放大器，也可和其它功能电路集成在一起。电路放大器和专用集成电路放大器，也可和其它功能电路集成在一起。本本 章章 小小 结结