通信电路教(二章).doc

通信电路教案
高频小信号放大电路
主要内容：
２.１ 概述
２.２ 晶体管高频等效电路
２.３ 谐振放大器
２.４ 宽频带放大器
２.５ 集中选频放大器
２.６ 集成高频放大电路的选用与实例介绍
２.７章末小结
2.1  概述
一、高频小信号放大器的类型：
㈠ 窄频带放大电路。
1. 窄频带放大电路的作用：其对中心频率在几百千赫到几百兆赫, 频谱宽度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进行不失真的放大, 故不但需要有一定的电压增益, 而且需要有选频能力。
2.窄频带放大电路主要类型：由双极型晶体管(以下简称晶体管)、场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益, LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。它有两种主要类型：
①以分立元件为主的谐振放大器和
②以集成电路为主的集中选频放大器。
㈡ 宽频带放大电路
1.宽频带放大电路作用：对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大, 故要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流), 上限截止频率很高。
宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好, 而且在电路结构上采取了一些改进措施。 
二.高频小信号放大电路的分析工具：高频小信号放大电路是线性放大电路。
① Y参数等效电路（适合于窄频带放大电路）
② 混合π型等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具。（适合于宽频带放大电路）
2.2谐振放大电路：
一．谐振放大电路的主要性能指标：
电压增益，通频带，矩形系数，噪声系数。
二．晶体管高频Y参数等效电路
晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析, 一是混合π型等效电路, 一是Ｙ参数等效电路。 
Ｙ参数等效电路是从模拟晶体管的物理机构出发, 用集中参数元件Ｒ、 Ｃ和受控源来表示管内的复杂关系。优点是各元件参数物理意义明确, 在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随器件不同而有不少差别, 分析和测量不方便。因而混合π型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。
Ｙ参数法则是从测量和使用的角度出发, 把晶体管作为一个有源线性双口网络, 用一组网络参数构成其等效电路。优点是导出的表达式具有普遍意义, 分析和测量方便。 缺点是网络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器相对频带较窄, 一般仅需考虑谐振频率附近的特性, 因而采用这种分析方法较合适。
㈠．Y参数等效电路（网络参数模型）

网络参数的最大优点——可以测量；
晶体管采用Y参数等效电路——晶体管的等效参数模型与谐振回路之间常以并联方式出现，则对于晶体管来讲，其可以看作是如下图所示的二端口网络：

晶体管的Y参数等效电路：

输入导纳 反向传输导纳

正向传输导纳 输出导纳

反向传输导纳yre表示晶体管的内部反馈越强, yre的存在有很大危害，是自激的根源，同时使分析过程变的复杂。
正向传输导纳yfe表示晶体管的放大能力yfe，yfe越大，放大能力越强。
忽略反相传输导纳的Y参数等效电路yre

在手册中，若给出其Y参数，而且必须给出相应的的工作频率与静态工作点。由于晶体管结电容的存在，Y参数一般是一个复数。因此Y参数的输入导纳以及输出导纳一般表示成直角坐标的形式，而正向传输导纳与反向传输导纳通常写成极坐标的形式，即：

三、单调谐谐振回路放大器
1．电路原理图

1） 直流偏置由R1、R2 、R3来实现）
2） Cb 、 CC 为耦合电容，Ce为高频旁路电容
3） 负载（或下级放大器）与回路的耦合采用自耦变压器耦合和电容耦合方式, 这样, 既可减弱负载（或下级放大器）导纳对回路的影响, 又可使前、 后级的直流供电电路分开。另外, 采用上述耦合方式也比较容易实现前、 后级之间的阻抗匹配。
2.电路性能分析
为了分析单管单调谐放大器的电压增益, 图2．3．2给出了其等效电路。其中晶体管部分采用了Ｙ参数等效电路, 忽略了反向传输导纳ｙre的影响。输入信号源用电流源并联源导纳Ｙs表示, 负载假定为另一级相同的单调谐放大器, 所以用晶体管输入导纳ｙie表示。
1)．下图为高频小信号谐振放大器的高频等效电路：

2)．下图为高频小信号谐振放大器的Y参数等效电路：

若信号源用Is和Ys等效，变压器次级的负载为下一级相同型号的放大管（即具有相同的输入导纳Yie）。则其等效电路如下：

将输入、输出参数等效到LC回路：

我们先求 与 的关系式, 然后求出
与 的关系, 即可导出 与 之比, 即电压增益 。 .因为负载的接入系数为ｎ2, 晶体管的

接入系数为ｎ1, 所以负载等效到回路两端的导纳为n22yie。 
设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为Y’L, 则:

由于 是 上的电压, 且 与 相位相反, 所以

由Y参数方程(2.2.3)可知:

根据自耦变压器特性 
因此

放大器的技术指标
1.电压增益根据定义，

而

故：

电压增益可表达为：

其中，g∑与C∑分别为谐振回路总电导和总电容：

2．谐振频率

3．回路有载Q值

4． 谐振频率处的放大器的电压增益

5．放大器的通频带

由于ｙfe是复数, 有一个相角∠φfe, 所以一般来说, 图２．３．１所示放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差１８０°。 
另外, 由上述公式可知, 电压增益振幅与晶体管参数、 负载电导、回路谐振电导和接入系数有关： 
(1) 为了增大Ａu0, 应选取|yfe|大, ｇoe小的晶体管。
(2) 为了增大Ａu0, 要求负载电导小, 如果负载是下一级放大器, 则要求其ｇie小。 
(3) 回路谐振电导ｇe0越小, Ａu0越大。而ｇe0取决于回路空载Ｑ值Ｑ0, 与Ｑ0成反比。 
(4) Ａu0与接入系数ｎ1、ｎ2有关, 但不是单调递增或单调递减关系。由于ｎ1和ｎ2还会影响回路有载Ｑ值Ｑe, 而Ｑe又将影响通频带,所以ｎ1与ｎ2的选择应全面考虑, 选取最佳值。 
实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下, 尽可能提高电压增益。 
在单管单调谐放大器中, 选频功能由单个并联谐振回路完成, 所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同, 其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响, 比单个并联谐振回路加宽, 因为有载Q值小于空载Q值。 
例2．1在图2．3．1中, 已知工作频率ｆ0＝３０MHz, Ｖcc＝６Ｖ, Ｉe＝２mA。晶体管采用３ＤＧ４７型高频管。其Ｙ参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下
gie=12mS,Cie=12pF；goe=400μS,Coe=95pF；|yfe|=583mS, ∠φfe=-22°；|yre|=310μS, ∠φre=-88.8°,回路电感Ｌ＝1.4μH, 接入系数ｎ1＝１, ｎ2＝0.3, Ｑ0＝100。
负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增益振幅Ａu0和通频带ＢＷ07，并求回路电容Ｃ是多少时, 才能使回路谐振？
解：（忽略yre的作用）

geo=

gΣ=ge0+n21goe+n22gie
=37.9×10-6+400×10-6+0.32×1.2×10-3
=0.55×10-3S
从而
Au0=

因为

又

所以

由

可得
≈4.38MHz

从对单管单调谐放大器的分析可知, 其电压增益取决于晶体管参数、 回路与负载特性及接入系数等, 所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益, 可采用多级放大器。
三、多级多单调谐放大器
当单级调谐放大器的增益或者选择性不能满足要求时，则将几级放大器级联，构成多级调谐放大器。
1、多级单调谐放大器——多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上，则称为多级单调谐放大器。设放大器有ｎ级, 各级电压增益振幅分别为Ａu1, Ａu2, …, Ａun, 则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即
 Ａn＝Ａu1Ａu2…Ａun
如果每一级放大器的参数结构均相同, 根据式（2．3．15）, 则总电压增益振幅

谐振频率处电压增益振幅

单位谐振函数

通频带（前提是每级具有相同的通频带）

因此，级数越多，放大器的增益越高，但通频带却变窄了,增益和通频带的是一个矛盾关系！

例2.2 某中频放大器的通频带为６MHz, 现采用两级或三级相同的单调谐放大器, 两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？
解: 因为

所以,当n=2时,要求每一级带宽

同理, 当n=３时, 要求每一级带宽

例3: 三级相同的单调谐放大器，中心频率f0=465kHz，若要求总的带宽为8kHz，求每一级的带宽和品质因数。
解：由

则

矩形系数，根据定义, N(f)=An/An0=0.1, 可求得:

ｎ级单调谐放大器的矩形系数:

表2．3．1列出了Ｋn0.1与ｎ的关系。
表2.3.1 单调谐放大器矩形系数与级数的关系
级数n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
 ∞
矩形系数Kn01
9.95
4.90
3.74
3.40
3.20
3.10
3.00
2.93
2.89
2.85
2.56

从表中可以看出, 当级数ｎ增加时, 放大器矩形系数有所改善, 但这种改善是有一定限度的, 最小不会低于２.５.６。
2、参差调谐放大器—— 各级的调谐频率不同

特点：有较宽的通频带，且在带内频带特性平坦，带外又有较陡峭的特性。
二、双调谐回路谐振放大器

1)集电极负载为双调谐耦合回路
2）初、次级均采用了部分接入方式特点：
1）双调谐放大器在临界耦合的条件下谐振电压增益是单调谐的1/2倍。
2）双调谐的通频带和单调谐通频带的关系：频带较宽。

3）矩形系数小于单调谐，选择性好，即缺点是调试麻烦

四、谐振放大器的稳定性
㈠ 谐振放大器不稳定原因：前面分析电路曾假定晶体管的yre=0。但是，在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳yre，放大器的输出电压可通过晶体管的yre反向作用到输入端，引起输入电流的变化，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激等不良后果
㈡ 提高谐振放大器稳定性的措施
1．从晶体管本身想办法，减小yre的值。ｙre的大小主要取决于集电极与基极间的结电容Ｃb′c（由混合π型等效电路图可知, Ｃb′c跨接在输入、 输出端之间）, 所以制作晶体管时应尽量使其Ｃb′c减小, 使反馈容抗增大, 反馈作用减弱。
2．从电路上设法消除yre的反向作用，使它单向化。具体方法有中和法和失配法。
① 中和法：中和法是在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路（中和电路）, 以抵消晶体管内部参数ｙre的反馈作用。由于ｙre的实部（反馈电导）通常很小, 可以忽略, 所以常常只用一个电容ＣN来抵消yre的虚部（反馈电容）的影响, 就可达到中和的目的。为了使通过ＣN的外部电流和通过Ｃb′c的内部反馈电流相位相差１８０°,从而能互相抵消, 通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器。图2.3.3（ａ）所示为收音机常用的中和电路, （ｂ）是其交流等效电路。为了直观, 将晶体管内部电容Ｃb′c画在了晶体管外部。

注意：严格的中和很难达到。因晶体管的 yre 是随频率变化的。
②失配法:
所谓失配是指信号源内阻不与晶体管的输入阻抗匹配，晶体管输出端的负载不与本级晶体管的输出阻抗匹配。失配法的实质是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。在实际运用中，较多的是采用共射-共基级联放大器
输入回路与晶体管采用部分接入，而输出回路与晶体管直接接入，这是由于共基晶体管输出电阻很大，不用部分接入。

2.3 小信号宽频带放大器
宽频带放大器既要有较大的电压增益，又需有很宽的通频带，因此衡量其的指标为增益带宽的乘积：G.BW=Au.fH，由于宽频带放大器的下限截止频率很低，因此其频带宽度一般用上限截止频率fH表示。
2.2.1混合π型等效电路
图2．2．1是晶体管高频共发射极混合π型等效电路。
混合π型等效电路是从模拟晶体管的物理机构出发, 用集中参数元件Ｒ、Ｃ和受控源来表示管内的复杂关系。
图中各元件名称及典型值范围如下： 
ｒbb′： 基区体电阻, 约１５Ω～５０Ω。 
ｒb′e： 发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻, 约几十欧到几千欧。 
ｒb′c：集电结电阻, 约１０kΩ～１０MΩ。 
ｒce：集电极—发射极电阻, 几十千欧以上。

由于rb’c及rce阻值较大，一般将其开路。则忽略rb’c及rce后的简化电路为：

由密勒效应，可以将cb’c折合到输入端b’、e之间，与电容并联，其等效电容为：CM=(1+gmRL’)Cb’c CM称为密勒电容
简化的高频混合π型电路如图所示：

确定晶体管混合π型参数可查阅手册.
混合π等效电路参数与Y参数的转换

注意，各参数均与静态工作点有关。

二. 晶体管高频参数
1、共射晶体管截止频率fβ、
fβ是晶体管发射极电流放大系数，其幅值随频率的增高而下降。当下降到低频值β0的 时，对应的频率称为fβ。

2、特征频率 f T : 特征频率 f T 的定义是，当 |β下降到 1 时所对应的频率。

若 β0 >>1 时得 :
3、共基晶体管截止频率fα
共基短路电流放大系数是晶体管用作共基组态时的输出交流短路参数，即：

α的幅值也是随频率的增高而下降，fα定义为α的幅值下降到低频放大系数α0的 时的频率。
下图为 和频率f的关系。

三．展宽放大器频带的方法: 在实际宽频带放大电路中, 要展宽通频带, 也就是要提高上限截止频率, 主要有组合法和反馈法两种方法。
㈠ 组合电路法:
1．在集成宽频带放大器中广泛采用共射-共基组合电路, 如图2.4.4所示。

共射电路的电流增益和电压增益都较大, 是放大器最常用的一种组态。 但它的上限截止频率较低,
⑴共射一共基组合电路特点
① 上限截止频率由共射电路的上限截止频率决定，从而带宽受到限制, 这主要是由于密勒效应的缘故。
② 共基电路作为共射电路的负载，可以扩展上限截止频率。
③ 共基电路作为负载，使共射电路的电压增益降低；但用电压增益较大的共基电路进行补偿。而共射电路的电流增益不会减小，因此整个组合电路的电流增益和电压增益都较大。

该电路由V1、V3（或V4）与V2、V6(或V5)组成共射—共基差分对, 输出电压特性由外电路控制。 如外电路使Ｉb2＝０, Ｉb1≠０时, V8和V4 、V5截止, 信号电流由V1、V2流入V3、 V6后输出。 如外电路使Ｉb1＝０, Ｉb2≠０时, V7和V3、V6截止, 信号电流由V1、V2 流入V4、V5后输出, 输出极性与第一种情况相反。 如外电路使Ｉb1＝Ｉb2时, 通过负载的电流则互相抵消, 输出为零。Ｃe用于高频补偿, 因高频时容抗减小, 发射极反馈深度减小, 使频带展宽。这种集成电路常用作３５０ MHz以上宽带示波器中的高频、 中频和视频放大。
㈡.负反馈法
调节负反馈电路中的某些元件参数，可以改变反馈深度，从而调节负反馈放大器的增益和频带宽度。如果以牺牲增益为代价，可以扩展放大器的频带，其类型可以是单级负反馈，也可以是多级负反馈。其中电流串联负反馈电路的特点是输入、输出阻抗高, 所以适合与低内阻的信号电压源连接。电压并联负反馈电路的特点是输入、输出阻抗低, 所以适合与高内阻的信号电流源连接在集成电路里, 用差分电路代替单管电路, 将电流串联负反馈电路和电压并联负反馈电路级联, 可提高上限截止频率。图2.4.7所示Ｆ７３３集成宽带放大电路中, V1、 V2组成电流串联负反馈差分放大器, V3～V6组成电压并联负反馈差分放大器(其中V5和V6兼作输出级), V7～V11为恒流源电路。改变第一级差放的负反馈电阻, 可调节整个电路的电压增益。 将引出端⑨和④短接, 增益可达４００倍； 将引出端10和③短接, 增益可达１００倍。各引出端均不短接, 增益为１０倍。以上三种情况下的上限截止频率依次为４０MHz, ９０ MHz和１２０ MHz. 时的典型接法。图中电位器R是用于调节电压增益和带宽的。当R调到零时, ④与⑨短接, 片内V1与V2发射极短接, 增益最大, 上限截止频率最低；当R调到最大时, 片内V1与V2发射极之间共并联了5个电阻, 即片内R3, R4, R5, R6

和外接电位器R, 这时交流负反馈最强, 增益最小, 上限截止频率最高。可见, 这种接法使得电压增益和带宽连续可调.
图2.4.8给出了F733用作可调增益放大器

㈢补偿法:
1. 集电极回路补偿
①并联补偿,②串联补偿,③串、并联复合补偿
电感串并联补偿法。在晶体管集电极上接入电感， 和放大器输出端等效电容组成LC并联回路， 可以提高放大器的上限截止频率。

集电极电感并联补偿电路
Co是包括晶体管输出电容、负载电容等在内的总等效电容，LC是外加补偿电感。
2. 基极回路高频补偿:频率越高，CB容抗越小IB越大，放大倍数越大。
3. 发射极回路高频补偿：频率越高，CE容抗越小，负反馈越小，放大倍数越大。

2.5集中选频放大器
第2.3节介绍的谐振放大器可用于对窄带信号的选频放大。 为了提高增益, 一般常采用多级放大电路。对于多级放大电路, 要求每级均有LC谐振回路, 故不易获得较宽的通频带, 选择性也不够理想。随着电子技术的发展, 窄带信号的放大越来越多地采用集中选频放大器。 
在集中选频放大器里, 先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频, 然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大。前者以集中预选频代替了逐级选频, 减小了调试的难度, 后者可充分发挥线性集成电路的优势。 
集中选频放大器中宽频带放大电路部分已在上一节介绍了, 下面仅讨论集中滤波器。
 集中滤波器的任务是选频, 要求在满足通频带指标的同时, 矩形系数要好。其主要类型有集中ＬＣ滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。集中ＬＣ滤波器通常由一节或若干节ＬＣ网络组成, 根据网络理论, 按照带宽、 衰减特性等要求进行设计, 目前已得到了广泛应用。 图2.5.1给出了一种集中ＬＣ网络结构。
 陶瓷滤波器是由压电陶瓷材料做成的具有选频特性的器件。 它具有无需调谐、体积小、 加工方便等优点, 但工作频率不太高（几十兆赫兹以下）, 相对频宽较窄。

目前, 应用最普遍的集中滤波器是声表面波滤波器。 声表面波滤波器ＳＡＷＦ（Ｓurface Ａcoustic Ｗave Ｆilter）是利用某些晶体的压电效应和表面波传播的物理特性制成的一种新型电—声换能器件。所谓压电效应是指：当晶体受到应力作用时, 在它的某些特定表面上将出现电荷, 而且应力大小与电荷密度之间存在着线性关系, 这是正压电效应；当晶体受到电场作用时, 在它的某些特定方向上将出现应力变化, 而且电场强度与应力变化之间存在着线性关系, 这是逆压电效应。自20世纪60年代中期问世以来, 声表面波滤波器的发展非常迅速。它不仅不需要调整, 而且具有良好的幅频特性和相频特性, 其矩形系数接近１。
图2.5.2是声表面波滤波器基本结构、符号和等效电路声表面波滤波器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上, 用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极, 其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器, 与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时, 叉指间便会产生交变电场。
由于逆压电效应的作用, 基体材料将产生弹性变形, 从而产生声波振动。向基片内部传送的体波会很快衰减, 而表面波则向垂直于电极的左、右两个方向传播。向左传送的声表面波被涂于基片左端的吸声材料所吸收, 向右传送的声表面波由接收换能器接收, 由于正压电效应, 在叉指对间产生电信号, 并由此端输出。 

六．可控增益放大器
控制放大器增益的方法主要有两种：
㈠ 采用专用AGC管
㈡改变晶体管的某些参数
1．晶体管增益控制电路
晶体管放大器的增益取决于晶体管正向传输导纳|yfe| ，而|yfe|与晶体管工作点有关，所以，改变发射极平均电流IE就可以使|yfe|随之改变，从而达到控制放大器增益的目的。

优点：电路简单，在一些要求不太高的AGC电路中仍被广泛应用。
缺点：当工作电流IE变化时，晶体管输入输出电阻、电容也会发生变化，因此将影响放大器的幅频特性、相频特性和回路Q值。
2．差分放大器发射极负反馈增益控制电路
①信号从V1、V2的两个基极双端输入，从两个集电极双端输出，

②控制信号uc从V3管的基极注入
③ Re1=Re2= Re，Rc1=Rc2= Rc。

当控制电压uc增大时，二极管V4、V5导通，则电阻rd将随着导通电流ID的增加而减小。
利用这种电路进行增益控制时，控制电压uc随着输入信号增大而减小。控制过程：
us ↓→ →u0↑

控制电压uc应随着输入信号增大而减小
当控制电压uc很小时,在集成电路里, 可以采用共射—共基差分对电路。图2.4.5所示国产宽带放大器集成电路ＥＲ４８０３（与国外产品Ｕ２３５０, Ｕ２４５０相当）里采用了这种电路, 它的带宽可达到１ ＧＨz。 
小结
（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点有关，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π型等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型，混合π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）展宽宽频带放大器工作频带的主要方法有组合法、负反馈法以及电感串并联补偿法等。
展宽宽频带放大器工作频带的主要方法
组合法、负反馈法以及电感串并联补偿法等。
（4）调谐放大电路的稳定性不稳的原因；YRE反向导纳的影响。提高稳定性的措施：选YRE反向导纳的管子，和中和法，分配法。
⑸具有AGC功能的小信号放大电路是通信电路常见的一种电路形式，其中的关键部分是可控增益放大器。发射极负反馈增益控制电路和晶体管分流增益控制电路是集成电路中常见的可控增益放大器。

作业：2.2, 2.4， 2.6