3高频小信号放大器资料.pptx

Charpter3 高频小信号放大器高频小信号放大器3.1概述概述3.2晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管高频小信号等效电路与参数3.3单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器3.4单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器3.5谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性3.6调谐放大器的常用电路与集成电路调谐放大器的常用电路与集成电路 谐振放大器谐振放大器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（窄带）谐振放大器（窄带）非谐振放大器（宽带）非谐振放大器（宽带）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高频小信号放大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。本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。窄带放大器窄带放大器:负载具有选频特性负载具有选频特性,高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器宽带放大器宽带放大器:负载为高频变压器负载为高频变压器 特点特点:(1)高频小信号高频小信号:输入信号幅度小输入信号幅度小,放大放大 器工作在线性区器工作在线性区;(2)Lc并联回路作为负载并联回路作为负载:具有选频、具有选频、阻抗变换作用。阻抗变换作用。要求要求:(1)放大器数要大放大器数要大,要达要达104105,靠多级放大实现靠多级放大实现;(2)频率选择性要好频率选择性要好(B0.707或或kr0.1),以抑制无用信号以抑制无用信号;(3)稳定性要高稳定性要高放大器的性能不受外界环境影响放大器的性能不受外界环境影响,内部噪声内部噪声 要小要小,不不 产生自激。产生自激。放大器放大器谐振回路谐振回路负载负载 高频小信号的特点：高频小信号的特点：高频小信号高频小信号(中心频率在中心频率在几百几百kHz到几百到几百MHz，频谱宽度在几，频谱宽度在几kHz到几十到几十MHz的范围内的范围内)几十几十VV几几mVmV1V1V左右左右小信号小信号 信号较小故工作在线性范围内信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器甲类放大器)3.1概述概述 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，电视，电视信号的带宽为信号的带宽为Mz左右。左右。音音 频频射射 频频微微 波波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：3)3)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。选择性常采用称为放大器的选择性。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。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。4)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(直流直流偏置偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可、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。能的变化时，放大器的主要特性的稳定。基本基本共射极放大电路共射极放大电路 稳稳Q共射极放大电路共射极放大电路 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。管内反馈引起），使放大器完全不能工作。一、一、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晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管高频小信号等效电路与参数图图图图 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式中：式中：称为输出短路时的输入导纳；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；称为输出短路时的正向传输导纳；称为输入短路时的输出导纳。称为输入短路时的输出导纳。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1、放大器输入导纳、放大器输入导纳Yi图图图图 3.2.3 3.2.3 晶体管放大器及其晶体管放大器及其晶体管放大器及其晶体管放大器及其参数等效电路参数等效电路参数等效电路参数等效电路2、放大器输出导纳、放大器输出导纳Yo注意注意:1.实际上四项实际上四项Y 参数都是复数参数都是复数 2.Y参数随工作点和工作频率变化而变化参数随工作点和工作频率变化而变化 正向传输导纳（反映放大作用）正向传输导纳（反映放大作用）反向传输导纳（逆向反馈作用，越反向传输导纳（逆向反馈作用，越小越好）小越好）输入、输出回路都由电阻、输入、输出回路都由电阻、电容并联构成电容并联构成 y（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含 义不明显。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 vbe二、混合二、混合等效电路等效电路 模拟电路中混合模拟电路中混合参数等效电路参数等效电路:UbeUcerbbrbecbecbcgmUberce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三、等效电路参数的转换三、等效电路参数的转换yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoe1.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可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。四、晶体管的高频参数四、晶体管的高频参数1图图图图3.2.6 3.2.6 截止频率和截止频率和截止频率和截止频率和特征频率特征频率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。3.最高振荡频率最高振荡频率fmaxf fmax后，后，Gp1，晶体管已经不能得到功率放大。晶体管已经不能得到功率放大。由于由于晶体管输出功率恰好等于其输入功率是保证它作为自晶体管输出功率恰好等于其输入功率是保证它作为自激振荡器的必要条件，所以激振荡器的必要条件，所以也不能使晶体管产生振荡。也不能使晶体管产生振荡。通常需要多级放大器来提供足够高的增益和足够好的选择通常需要多级放大器来提供足够高的增益和足够好的选择性，从而为下一级（例如混频和检波）提供性能良好的有用信性，从而为下一级（例如混频和检波）提供性能良好的有用信号。号。几十几十VV几几mVmV1V1V左右左右3.3单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器一、直流等效电路一、直流等效电路反应静态工作状态反应静态工作状态(静态工作点）静态工作点）电容开路电容开路电感短路电感短路 （电感、高频变压器线圈（电感、高频变压器线圈)二、交流等效电路二、交流等效电路（电路在交流（电路在交流信号源信号源作用下的响应）作用下的响应）直流电压源直流电压源视为短路视为短路大电容大电容短路短路（耦合电容、旁路电容）（耦合电容、旁路电容）大电感大电感开路开路（高频扼流圈等）（高频扼流圈等）大电阻大电阻忽略忽略（偏置电阻）（偏置电阻）晶体管晶体管保留保留确定公共端，按规范整理确定公共端，按规范整理交流等效电路、直流等效电路的画法交流等效电路、直流等效电路的画法其简化规则：交流输入信号为零；所有电容其简化规则：交流输入信号为零；所有电容开路；所有电感短路。开路；所有电感短路。1.静态分析静态分析画出直流等效电路，画出直流等效电路，ReRb1Rb2VCC 其简化规则：有交流输入信号，所有直流量为零；其简化规则：有交流输入信号，所有直流量为零；所有大电容短路；所有大电感开路。（所有大电容短路；所有大电感开路。（谐振回路谐振回路L、C保留保留）1)画出交流等效电路，画出交流等效电路，2.动态分析动态分析Re13Rb11Rb12Cb1Ce1Tr1Tr2VCC21L1Re2Ce2L2CRb21Rb22Cb2Vi2+-54+-N1N2Vi1Re13Rb11Rb12Cb1Ce1Tr1Tr2VCC21L1Re2Ce2L2CRb21Rb22Cb2Vi2+-54+-N1N2Vi1Re13Rb11Rb12Tr1Tr221L1Re2L2CRb21Rb22Vi2+-54+-N1N2Vi13Tr1Tr221L1L2CVi2+-54+-N1N2Vi13CTr1Tr22145L1L2N1N2+-Vi1Vi22)画出交流小信号等效电路画出交流小信号等效电路3CTr1Tr22145L1L2N1N2+-Vi1Vi2GP3C2145L1L2N1N2go1+-Co1Ysgi1Vi1yfeVi1+-V01Ci2gi2Ii+-V0Vi2+-Ci1一、电压增益一、电压增益一、电压增益一、电压增益32145L1L2N1N2+-V0Vi2+-1 1）L13C2145L2N1N2go1+-Co1Ysgi1Vi1yfeVi1+-V01Ci2gi2Ii+-V0Vi2+-GPCi12 2）32145L1L2N1N2+-V01Vi2+-+V03 3）L13C2145L2N1N2go1+-Co1Ysgi1Vi1yfeVi1+-V01Ci2gi2Ii+-V0Vi2+-GPCi1L13C2145L2N1N2go1+-Co1Ysgi1Vi1yfeVi1+-V01Ci2gi2Ii+-V0Vi2+-GPCi14 4）3C21N1Ci2gi2GP同理：同理：同理：同理：先把先把C Ci2i2和和g gi2i2折算到初级回路折算到初级回路3C21N1Ci2gi2GPL L1 1321N1Ci2gi2GPCL L1 1321N1Ci2gi2GPCL L1 1代入：代入：代入：代入：L13C2145L2N1N2go1+-Co1Ysgi1Vi1yfeVi1+-V01Ci2gi2Ii+-V0Vi2+-GPCi1L13C2145L2N1N2go1+-Co1Ysgi1Vi1yfeVi1+-V01Ci2gi2Ii+-V0Vi2+-GPCi1321GP+-CYsgi1Vi1p1p2yfeVi1IiCi1L1二、谐振时电压增益二、谐振时电压增益二、谐振时电压增益二、谐振时电压增益谐振时谐振时谐振时谐振时GP+-Ysgi1Vi1p1p2yfeVi1IiCi1p22gi2p12go1321GP+-CYsgi1Vi1p1p2yfeVi1IiCi1L1 为了获得最大的功率增益，应适当选取为了获得最大的功率增益，应适当选取为了获得最大的功率增益，应适当选取为了获得最大的功率增益，应适当选取p p1 1和和和和p p2 2的值，使负载导纳能的值，使负载导纳能的值，使负载导纳能的值，使负载导纳能与晶体管电路的输出导纳相匹配。与晶体管电路的输出导纳相匹配。与晶体管电路的输出导纳相匹配。与晶体管电路的输出导纳相匹配。即即即即解得：解得：解得：解得：把把把把p p1 1和和和和p p2 2代入代入代入代入A AV0V0得：得：得：得：通过分析放大器幅频特性来揭示其通频带与选择性。通过分析放大器幅频特性来揭示其通频带与选择性。321GP+-CYsgi1Vi1p1p2yfeVi1Ii1Ci1L11.通用的谐振曲线方程通用的谐振曲线方程可见可见越高，则通频带越窄。越高，则通频带越窄。2.通频带通频带带宽增益积为一常数带宽增益积为一常数带宽和增益为一对矛盾。带宽和增益为一对矛盾。3.增益带宽积增益带宽积3、对于宽带而言，要使对于宽带而言，要使 尽量大，因为频带很宽，谐尽量大，因为频带很宽，谐振曲线不稳定是次要的，对于窄带放大器，振曲线不稳定是次要的，对于窄带放大器，尽量大，使尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。2、为了获得高增益，宽频带，除了选用、为了获得高增益，宽频带，除了选用 较大的晶体较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容管外，应该尽量减小谐振回路的总电容 ，但是这样会导致，但是这样会导致系统的稳定性变差。系统的稳定性变差。1、当、当 确定，确定，p1和和p2不变时，不变时，只取决于只取决于 和和 的乘积，电容越大，通频带越宽，的乘积，电容越大，通频带越宽，变小。变小。讨论：讨论：4.选择性（矩形系数）选择性（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，其选择性差，这是单调谐回路谐振放大器的特点。其选择性差，这是单调谐回路谐振放大器的特点。谐振频率谐振频率小结小结回路有载值回路有载值谐振频率处放大器的电压增益谐振频率处放大器的电压增益带宽带宽矩形系数矩形系数单调谐放大器的增益带宽积为常数谐振频率处放大器电压增益谐振频率处放大器电压增益带宽带宽增益带宽积增益带宽积在晶体管确定，回路电容恒定的情况下，在晶体管确定，回路电容恒定的情况下，调谐放大器的增益带宽积为常数调谐放大器的增益带宽积为常数提高提高Q Q值，增益值，增益 ，但带宽，但带宽 ，降低降低Q Q值带宽值带宽 ，但增益，但增益 。提高提高变窄变窄变宽变宽降低降低关于谐振放大器的讨论v要有高的增益，应选择yfe大的晶体管v谐振回路的Q值越高，等效谐振电阻Reo越大，增益越高v放大器的带宽与谐振回路的Q值成反比v矩形系数不变，恒为9.95v晶体管的输出电阻、电容，下级负载电阻、电容都部分接入到谐振回路，它们的影响越小越好，因此接入系数越小越好，但太小增益也会同时减小谐谐振振放放大大器器如如图图，已已知知工工作作频频率率030MHz,cc,e2mA。晶晶体体管管采采用用3DG47型型高高频频管管。其其参参数数在在上上述述工工作作条条件件和和工工作作频频率率处处的的数数值值如如下下：gie=12mS,Cie=12pF；goe=400S,Coe=95pF；|yfe|=58.3mS,fe=-22；|yre|=310S,re=-88.8,回回路路电电感感14H,接接入入系系数数n10.1,n20.3,0100负负载载是是另另一一级级相相同同的的放放大大器器。求求谐谐振振电电压压增增益益振振幅幅u0和和通通频频带带BW0.7，并求回路电容是多少时，并求回路电容是多少时,才能使回路谐振？才能使回路谐振？例例30解：例3-1在图中，设工作频率f=30MHz，晶体管的正向传输导纳 y fe =58.3ms，gie=1.2ms,Cie=12PF,goe=400 s,Coe=9.5pF，回路电感L=1.4 H，接入系数P1=1，P2=0.3空载品质因数Q0=100（假设yre=0）求：1 1.单级放大器谐振时的电压增益2.通频带2 f 0.7，3.谐振时回路外接电容C4.若R4=10 k，试计算并比较在回路中并上R4前后的通频带和增益。分析：根据电压增益表达式分析：根据电压增益表达式 ，应先求出总电导，应先求出总电导g g 首先将图中的负载画出其等效电路如图所示，首先将图中的负载画出其等效电路如图所示，解：因为回路谐振电阻RP=QP0L=1006.28301061.410-626k 因此回路总电导g=Gp+若下级采用相同晶体管时，即gie1=gie2=1.2ms 则=0.038410-3+0.410-3+(0.3)21.210-3=0.5510-3S 回路总电容为 故外加电容C应为 通频带为电压增益为 若若R4=10kR4=10k，则，则 因此并上电阻因此并上电阻R4R4后增益降低，带宽加宽。后增益降低，带宽加宽。故故 而而 则则 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。Av1Av2Avm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1.增益增益2.谐振曲线方程谐振曲线方程单级单级:多级多级:单级单级:多级多级:1m=1m=2m=3带宽缩减因子带宽缩减因子带宽缩减因子带宽缩减因子3.通频带通频带单级单级:多级多级:4.品质因数品质因数单级单级:多级多级:5.选择性（矩形系数）选择性（矩形系数）单级单级:多级多级:3.5 高频谐振放大器的稳定性高频谐振放大器的稳定性 1.起因起因:Yre 0,即极间电容即极间电容cbc的反馈的反馈,影响影响:(1)轻者使放大器幅频特性变坏轻者使放大器幅频特性变坏,产生畸变产生畸变(不对称不对称,前沿变陡前沿变陡,后沿后沿 没变没变,如图所示如图所示)(2)重者产生自激振荡重者产生自激振荡,即使没有外加即使没有外加 输入输入,放大器也会有输出放大器也会有输出,带来了带来了 不稳定。不稳定。当当Ys+Yi=0 回路总电导回路总电导g=0 放大器产生自激。放大器产生自激。此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回路损耗的能量，且也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回路损耗的能量，且电纳部分也切好得到抵消。电纳部分也切好得到抵消。Uo=-YfeUi/(Yoe+YL)Yi=Yie+YreUo/Ui=Yie-YreYfe/(Yoe+YL)当当 Ys+Yi=0时时,电路自激振荡电路自激振荡 有有 Ys+Yie-YreYfe/(Yoe+YL)=0 即即 (Ys+Yie)(Yoe+YL)/YreYfe=1 由此导出最大稳定放大倍数由此导出最大稳定放大倍数Auy Auy=0.6|Yfe/Yre|当当 Au u A Auy,放大电路能稳定工作。放大电路能稳定工作。Ui+-Uo+-YsYieIbYreUoYfeUiYoeYL 如：一放大器如：一放大器|Yre|=50us，|Yfe|=50ms，Au u=60,=60,Auy=0.6|Yfe/Yre|=19 Auy Au u 所以放大器工作不稳定。所以放大器工作不稳定。2.提高放大器稳定性的措施提高放大器稳定性的措施 (1)减小减小Yre,即选即选Yre小的晶体管小的晶体管;电桥平衡时，电桥平衡时，CDCD两端的回路电压两端的回路电压 不会反映到不会反映到ABAB两端两端,即对应两边阻抗之比相等。即对应两边阻抗之比相等。(2)(2)中和法：中和法：在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。恰好和晶体管的内反馈互相抵消。具体线路：具体线路：使使Yi=yie，即使后项，即使后项0，则必须加大，则必须加大Y L晶体管实现单向比，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发一共基级联放大。晶体管实现单向比，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发一共基级联放大。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。本级晶体管的输出阻抗匹配。原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。使增益下降，提高稳定性。随之减小。使增益下降，提高稳定性。(3)失配法失配法 这时晶体管内部反馈的影响相应减弱了这时晶体管内部反馈的影响相应减弱了中和法与失配法比较中和法与失配法比较中和法：中和法：优点：简单，增益高优点：简单，增益高缺点：缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带（只能在一个频率上完全中和，不适合宽带（yre是频是频率的函数）率的函数）因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。产。采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。没有改善效果。失配法：失配法：优点：优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低（共发共基双管相当于一个管子的增益）。缺点：增益低（共发共基双管相当于一个管子的增益）。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。电路。谐振放大器电路举例 晶体管的高频的等效电路晶体管的高频的等效电路等效模型：等效模型：参数等效电路、参数等效电路、y参数等效电路参数等效电路高频参数：高频参数：电流放大系数与频率的关系：电流放大系数与频率的关系：三个特殊频率：三个特殊频率：单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器（假设（假设yre=0）输入输出等效导纳输入输出等效导纳:放大增益放大增益假设：假设：一般：谐振：一般：谐振：3-1 3-1 一单调谐回路放大器如图，一单调谐回路放大器如图，已知：已知：N N1212=5=5匝，匝，N N2323=5=5匝，匝，N N4545=5=5匝，晶体管的匝，晶体管的 =40mS=40mS，回路通频带为，回路通频带为12kHz12kHz，1)1)画出高频交流等效电路，并计算画出高频交流等效电路，并计算A Av0v0；2)2)若不并联若不并联R R4 4，求，求A Avovo，并说明，并说明R R4 4的作用；的作用；3)3)不采用不采用R R4 4，若采用中和法使其稳定工作，问中和电容应如何接入？，若采用中和法使其稳定工作，问中和电容应如何接入？接入系数接入系数求：求：(2)不并联R4，则并联R4后，使损耗增大，QL值降低，通频带加宽，放大器增益降低，但可使放大器工作稳定性提高。(3)假设中和电容为CN，应如图所示接入电路。