高频小信号放大器(绝对有用)PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,几百,MHz,，频谱宽度在几,kHz,几十,MHz,的范围内）的放大器。,几十,V,几,mV,1V,左右,高频放大,本地振荡,混频,f,1,=f,o,-f,s,低频放大,检波,中频放大,F,F,f,s,f,s,f,1,f,1,f,o,普通调幅无线电广播所占带宽应为,kHz,、调频广播中每个电台所占频带宽宽为,200,kHz,（单声道为,180,kHz,，立体声为,198,kHz,）、,电视信号的带宽为,8M,z(,含伴音,),。,射 频,微 波,音 频,3.1,概述,单振荡回路,耦合振荡回路,高频小信号放大器,谐振放大器,非谐振放大器,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,宽带非谐振放大器,本章重点讨论晶体管窄带谐振放大器,3.1,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,：,3.1,概述,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。,3.1,概述,f,A,V,/,A,V,o,2,D,f,0.,1,2,D,f,0.7,理想,0.1,0.,7,1,实际,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),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。,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。,3.1,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,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。,3.1,概述,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。,3.1,概述,几十,V,几,mV,1V,左右,高频放大,本地振荡,混频,f,1,=f,o,-f,s,低频放大,检波,中频放大,F,F,f,s,f,s,f,1,f,1,f,o,3.2,晶体管高频小信号等效电路与参数,3.2.1,形式等效电路,（网络参数等效电路）,3.2.2,混合,等效电路,3.2.3,混合,等效电路参数与形式等效,电路,参数的转换,3.2.4,晶体管的高频参数,3.2.1,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,晶体管工作在线性区，可看成线性元件，用,有源线性,四端网络,参数微变等效电路来分析。,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,。,称为输出短路时的,输入导纳,；,3.2.1,形式等效电路,图,3.2.1,晶体管共发射极电路,图,3.2.2,参数等效电路,图,3.2.3,晶体管放大器及其参数等效电路,放大器输入导纳,Y,i,3.2.1,形式等效电路,放大器输出导纳,Y,o,3.2.1,形式等效电路,图,3.2.3,晶体管放大器及其参数等效电路,re,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）。,re,越大表示晶体管的内部反馈越强；,fe,越大表示晶体管的放大能力越强。,3.2.1,形式等效电路,re,的存在,对实际工作带来很大危害,是谐振放大器自激的根源,同时也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其减小或削弱它的影响。,3.2.2,混合,等效电路,y,(,导纳,),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。,图,3.2.4,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,3.2.4,混合,等效电路,是发射结电阻,是发射结电容,是集电结电阻,是集电结电容,是基极体电阻,代表晶体管的电流放大作用,集射极间电阻,集射极间电容,3.2.2,混合,等效电路,图,3.2.5,参数及混合,等效电路,3.2.3,等效电路参数的转换,两种思路,1.,定义法,2.,节点电流法,混合,等效电路参数与,Y,参数的转换,3.2.3,等效电路参数的转换,1,e,b,e,b,bb,e,b,e,b,ie,C,j,g,r,C,j,g,y,+,+,+,=,w,w,m,fe,g,y,=,1,e,b,e,b,bb,C,j,g,r,+,+,w,c,b,re,C,j,y,-,=,w,1,e,b,e,b,bb,C,j,g,r,+,+,w,e,b,e,b,m,bb,oe,C,j,g,g,r,y,+,+,=,w,1,e,b,e,b,bb,C,j,g,r,+,+,w,c,b,C,j,w,+,3.2.3,等效电路参数的转换,晶体管的,y,参数可以通过测量得到。根据,y,参数方程,分别使输出端或输入端交流短路,在另一端加上直流偏压和交流信号,然后测量其输入端或输出端的交流电压和交流电流,代入就可求得。,通过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管的,y,参数。,需要注意的是,y,参数不仅与静态工作点的电压值、电流值有关,而且是,工作频率的函数,。例如当发射极电流增加时,输入与输出电导都将加大。当工作频率较低时,电容效应的影响较弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册,都应注意,工作条件和工作频率,。,y,ie,=,g,ie,+j,C,ie,显然,在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略,y,参数是一个复数。晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和电容表示的直角坐标形式,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,:,3.2.3,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,y,oe,=,g,oe,+j,C,oe,y,fe,=|,y,fe,|,fe,y,re,=|,y,re,|,re,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,。,3.2.4,晶体管的高频参数,下降到,0,的 时所对应的频率,短路电流放大倍数,=1,时所对应的频率,1,2.,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。,3.2.4,晶体管的高频参数,=1,时所对应的频率,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。,3.3.3,通频带与选择性,图,3.3.4,单调谐放大器的级间耦合网络形式,3.3.4,级间耦合网络,电压增益,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,谐振时电压增益,3,2,1,5,4,y,ie,y,oe,y,re,v,ce,y,fe,v,be,C,Y,L,L,+,v,54,-,+,v,31,-,+,v,21,-,R,b1,R,b2,R,e,V,CC,谐振时电压增益,匹配条件,匹配时的电压增益,3,2,1,5,4,y,ie,y,oe,y,re,v,ce,y,fe,v,be,C,Y,L,L,+,v,54,-,+,v,31,-,+,v,21,-,可得最大功率增益为：,i),如果,谐振时功率增益,i,i,),如果,则可得最大功率增益为：,通过分析放大器幅频特性,1,、通频带,3.3.3,通频带与选择性,带宽和品质因数为一对矛盾。,带宽增益积,为一常数,带宽和增益为另一对矛盾。,2,、选择性（,矩形系数,）,不论其,Q,值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。,p76,例,3.3.3,3.3,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,3.4,多级单调谐回路谐振放大器,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,3.4,多级单调谐回路谐振放大器,1.,增益,2.,通频带,n,级放大器的通频带,3.4,多级单调谐回路谐振放大器,通频带一定时，,n,越大，每级所需通频带越宽,每级所需,Q,值越小，,单级增益越低。,3.,选择性,（,矩形系数,）,通频带,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。,3.4,多级单调谐回路谐振放大器,3.6.1,谐振放大器的稳定性,3.6.2,单向化,3.6,谐振放大器的稳定性与稳定措施,以上分析时，假定,y,re,0,，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,y,re,的影响。,1.,放大器的输入导纳和输出导纳,引用,3.2,结果，可知,3.6.1,谐振放大器的稳定性,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,3.6.1,放大器等效输入端回路,实际电路中，,3.6.1,谐振放大器的稳定性,所谓,“,谐振,”,，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；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。,此时，如果,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,，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。,（自激振荡）,3.6.1,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。,3.,自激产生的原因,(,以输入导纳的影响为例,),图,3.6.2,反馈电导,随频率变化的关系曲线,此时，如果,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,，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。,3.6.1,谐振放大器的稳定性,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。,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,=0,分解为幅值和相位两个条件,3.6.1,谐振放大器的稳定性,不发生自激的条件,:,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,),3.6.1,谐振放大器的稳定性,稳定系数,如果,S,1,，放大器可能产生自激振荡；,4.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),3.6.1,谐振放大器的稳定性,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。,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,),3.6.1,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,),假定,3.6.1,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,),3.6.1,谐振放大器的稳定性,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.,自激产生的条件,(,以输入导纳的影响为例,),3.6.1,谐振放大器的稳定性,5.,稳定性分析,3.6.1,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,=1,3.6.1,谐振放大器的稳定性,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不稳定。,消除,y,re,的反馈，变,“,双向元件,”,为,“,单向元件,”,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,3.6.2,单向化,避免自激的做法有,中和法和失配法。,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,不发生自激的条件：,回路谐振时，,g,=,g,s,+,g,ie,+,g,F,0,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。,3.6.2,单向化,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。,3.6.2,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。,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。,3.6.2,单向化,典型电路,i,c1,y,oe,y,ie,3.6.2,单向化,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。,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。,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，矩形系数越 接近于1，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状况的重要模型。,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。,本 章 小 结,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。,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。,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。,本 章 小 结,