第五讲-高频小信号放大器.ppt

第五讲 高频小信号放大器3.1 高频小信号放大器高频小信号放大器 一、概述一、概述 1.作用：放大信号、选择信号、抑制干扰作用：放大信号、选择信号、抑制干扰。2.特点：特点：(a).小信号工作状态、直流工作点确定以后，电路参数都是常数，小信号工作状态、直流工作点确定以后，电路参数都是常数，与外加信号无关，属线性电路的范畴。与外加信号无关，属线性电路的范畴。(b).以晶体管或集成电路作为放大元件，以调谐回路作为负载（滤以晶体管或集成电路作为放大元件，以调谐回路作为负载（滤波或阻抗变换）。波或阻抗变换）。3.分类：分类：(a).单级调谐放大器；单级调谐放大器；(b).单调谐回路放大器（低增益、窄频带的场合）；单调谐回路放大器（低增益、窄频带的场合）；(c).双耦合回路放大器（选择性好，用作中频放大器）；双耦合回路放大器（选择性好，用作中频放大器）；(d).多级调谐放大器；多级调谐放大器；(e).分散滤波谐振放大器；分散滤波谐振放大器；(f).集中参数滤波放大器。集中参数滤波放大器。2 4.性能指标：性能指标：(a)工作稳定：不仅不能自激，且要远离自激条件；工作稳定：不仅不能自激，且要远离自激条件；(b)谐振增益：天线上获得的信号几微伏至几十微伏，谐振增益：天线上获得的信号几微伏至几十微伏，到解调前要达到解调前要达0.11V左右，应有左右，应有80120dB其中中放应其中中放应有有6080dB。(c)通频带：通频带：双调谐回路时，双调谐回路时，A=1时，时，为了不失真放大已调信号，要求为了不失真放大已调信号，要求 B0.7Bs (d)矩形系数、选择性矩形系数、选择性:表征放大器对通频带以外各表征放大器对通频带以外各种干扰信号的滤除能力，或从各种干扰中选出有用信种干扰信号的滤除能力，或从各种干扰中选出有用信号的能力。号的能力。3在理想情况下，在理想情况下，K0.1=14 3.1.1 高频小信号谐振放大器的工作原理高频小信号谐振放大器的工作原理 典型的高频小信号谐振放大器的实际线路如图典型的高频小信号谐振放大器的实际线路如图3-1(a)所示。所示。（a）高频小信号谐振放大器的原理线路）高频小信号谐振放大器的原理线路5 图图 3-1 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器6 3.1.2 放大器性能分析放大器性能分析 1 晶体管的高频等效电路晶体管的高频等效电路 图图3-2是晶体管在高频运用时的混是晶体管在高频运用时的混等效等效电路电路,它反映了晶体管中的物理过程它反映了晶体管中的物理过程,也是分也是分析晶体管高频时的基本等效电路。析晶体管高频时的基本等效电路。7图图3-2 晶体管的混晶体管的混等效电路等效电路图中图中gmUbe表示了放大能力；表示了放大能力；C发射结扩散电容；发射结扩散电容；C集电结的势垒电容。通常直接用混集电结的势垒电容。通常直接用混等效电路分析高等效电路分析高频放大器的性能不方便。但据线性电路原理，可将混频放大器的性能不方便。但据线性电路原理，可将混等效电路转化为输入输出分离的等效电路转化为输入输出分离的Y参数等效电路，如图参数等效电路，如图3-3所示。所示。8大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点9晶体管的晶体管的Y参数等效电路参数等效电路（b）晶体管的）晶体管的Y参数等效电路参数等效电路（a）晶体管的共发射极电路）晶体管的共发射极电路图图3-3 晶体管的晶体管的Y参数等效电路参数等效电路10 在（在（b）图中）图中输出交流短路时的输入导纳输出交流短路时的输入导纳输入交流短路时的反向传输导纳输入交流短路时的反向传输导纳输出交流短路时的正向传输导纳输出交流短路时的正向传输导纳输入交流短路时的输出导纳输入交流短路时的输出导纳11 在在忽忽略略rbe及及满满足足CC的的条条件件下下,Y参参数数与与混混参参数之间的关系为数之间的关系为 使用使用Y参数比较方便，但参数比较方便，但Y参数不完整，所以还需要参数不完整，所以还需要引出混引出混参数，并给出两者间的换算关系如下。参数，并给出两者间的换算关系如下。12 由由图图3-2可可以以得得到到晶晶体体管管 Y 参参数数等等效效电电路路的的 Y 参参数数方程方程晶体管的晶体管的内部方程内部方程13图图 3-2 晶体三极管等效电路晶体三极管等效电路(a)混混等效电路等效电路;(b)Y参数等效电路参数等效电路142 放大器的性能参数放大器的性能参数 忽略管子内部的反馈忽略管子内部的反馈,即令即令Yre=0,由图由图3-3可得可得图图 3-3 图图3-1 高频小信号放大器的高频等效电路高频小信号放大器的高频等效电路 晶体管的晶体管的外部方程外部方程15(3)输出导纳输出导纳Yo(1)电压放大倍数电压放大倍数K(2)输入导纳输入导纳Yi由反向传输导纳由反向传输导纳引入的输入导纳引入的输入导纳由反向传输导纳由反向传输导纳引入的输出导纳引入的输出导纳163.1.3高频谐振放大器的稳定性高频谐振放大器的稳定性 1 放大器的稳定性放大器的稳定性反向传输导纳反向传输导纳Yre引入的输入导纳引入的输入导纳,记为记为Yir。忽略忽略 r bb的影响的影响,则由式则由式(3-3)、(3-4)有有 将将Yoe归入负载中归入负载中,并考虑谐振频率并考虑谐振频率0附近情况附近情况,有有 (4)通频带通频带B 0.707与矩形系数与矩形系数K 0.1 通频带通频带B 0.707为为(3-10)17将将Y Yoeoe归入负载中归入负载中,并考虑谐振频率并考虑谐振频率0 0附近情况附近情况,有有 则输入导纳为则输入导纳为 由式可知，当回路谐振时由式可知，当回路谐振时=0，Yir为一电容；当为一电容；当0时，时，Yir的电导为正，是正反馈；的电导为正，是正反馈；0时，时，Yir的电的电导为正，是负反馈，这将引起放大器的不稳定。导为正，是负反馈，这将引起放大器的不稳定。18图图3-4 放大器的频率特性放大器的频率特性考虑反馈时的放大器的频率特性如图考虑反馈时的放大器的频率特性如图3-4所示。所示。19 提高放大器稳定性可以从两方面入手。一是在式提高放大器稳定性可以从两方面入手。一是在式(3-9)中，中，尽量减小第二项的分子尽量减小第二项的分子，而减小，而减小 会使放大器的增益减小，会使放大器的增益减小，所以主要是减小反向传输导纳所以主要是减小反向传输导纳，即首先在挑选担当小信号放，即首先在挑选担当小信号放大器的晶体管时，应选择大器的晶体管时，应选择 小的晶体管。其次是在选定晶体管小的晶体管。其次是在选定晶体管后，借助于外加元件来抵消后，借助于外加元件来抵消 Yre的作用，这种方法称中和法；的作用，这种方法称中和法；另一方面增大分母另一方面增大分母，当晶体管选好后，晶体管的输出导纳，当晶体管选好后，晶体管的输出导纳Yoe被确定了，只能通过改变负载导纳被确定了，只能通过改变负载导纳YL，使放大器工作在失，使放大器工作在失配状态下，所有又称为失配法。可见，失配法是以牺牲增益配状态下，所有又称为失配法。可见，失配法是以牺牲增益为代价来换取稳定性的一种方法。中和法和失配法的原理电为代价来换取稳定性的一种方法。中和法和失配法的原理电路分别如图路分别如图3-5(a)和和(b)所示。所示。20 2.提高放大器稳定性的方法提高放大器稳定性的方法A.中和法中和法图图3-5是是利利用用中中和和电电容容Cn的的中中和和电电路路。为为了了抵抵消消Yre的的反反馈馈,从从集集电电极极回回路路取取一一与与 反反相相的的电电压压 ,通通过过Cn反馈到输入端。反馈到输入端。图图3-5 中和电路中和电路21则中和条件为则中和条件为 根据电桥平衡有根据电桥平衡有调节调节CN使得使得 即实现了中和。即实现了中和。22图图 3-6 共发共发-共基电路共基电路 B.失配法失配法 图图3-6是通过增大负载导纳，进而增大总回路导纳，是通过增大负载导纳，进而增大总回路导纳，使得输出电路失配，输出电压减小对输入端的影响也使得输出电路失配，输出电压减小对输入端的影响也就减小。是以增益为代价来换取稳定性的方法。就减小。是以增益为代价来换取稳定性的方法。共基极电路的输入导纳共基极电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较较大，当它和输出导纳较小的共发电路相连时，相小的共发电路相连时，相当于增大了共发电路的负当于增大了共发电路的负载导纳而使之失配，从而载导纳而使之失配，从而使共发电路内部的反馈减使共发电路内部的反馈减弱，提高了稳定性。弱，提高了稳定性。23 图图 3-7 双栅场效应管调谐放大器双栅场效应管调谐放大器 场效应管也有稳定性问题，这是因漏极的电容构成场效应管也有稳定性问题，这是因漏极的电容构成了输出和输入之间的反馈。采用双栅极场效应管作高频了输出和输入之间的反馈。采用双栅极场效应管作高频小信号放大器，则可获较高增益，噪声也较低。图小信号放大器，则可获较高增益，噪声也较低。图3-7是是双栅极场效应管调谐放大器的电路。双栅极场效应管调谐放大器的电路。24总电压放大倍数总电压放大倍数单回路归一化频率特性单回路归一化频率特性多级放大器级联归一化频率特性多级放大器级联归一化频率特性3.1.4 多级谐振放大器级联多级谐振放大器级联 1多级单调谐放大器级联多级单调谐放大器级联多级单调谐放大器的谐振频率相同多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中均为信号的中心频率。心频率。25表表3-2 多级双调谐放大器的带宽和矩形系数多级双调谐放大器的带宽和矩形系数表表3-1 多级单调谐放大器的带宽和矩形系数多级单调谐放大器的带宽和矩形系数级数增大，曲线变窄，等效噪声带宽下降，矩形系数改善级数增大，曲线变窄，等效噪声带宽下降，矩形系数改善a.带宽随级数而下降的程度比单调谐回路要小；带宽随级数而下降的程度比单调谐回路要小；b.矩形系数改善。矩形系数改善。262.多级双调谐放大器多级双调谐放大器结论：结论：1.优点：双调谐级联与单调谐级联相比较，优点：双调谐级联与单调谐级联相比较，双调谐能解决带宽与选择性之间的矛盾；双调谐能解决带宽与选择性之间的矛盾；2.缺点：级数相同时，双调谐级联比单调谐缺点：级数相同时，双调谐级联比单调谐级联所用的原件数目多，调谐复杂。级联所用的原件数目多，调谐复杂。273.参差调谐放大器参差调谐放大器 图图3-8是是采采用用单单调调谐谐回回路路和和双双调调谐谐回回路路组组成的参差调谐放大器的频率特性。成的参差调谐放大器的频率特性。特特点点：多多级级参参差差放放大大器器中中各各级级调调谐谐回回路路所调谐的频率彼此不同。所调谐的频率彼此不同。目目的的：增增加加放放大大器器总总的的带带宽宽，使使频频率率特特性性的边沿陡峭。的边沿陡峭。28 图图3-8 参差调谐放大器的频率特性参差调谐放大器的频率特性 a 单、双回路特性；单、双回路特性；b总特性总特性29 3.1.5 高频集成放大器高频集成放大器 前面介绍的调谐放大器有三大缺点：前面介绍的调谐放大器有三大缺点：1.增益和稳定性有矛盾；增益和稳定性有矛盾；2.多级放大器级联回路多，调谐起来不方便；多级放大器级联回路多，调谐起来不方便；3.回回路路直直接接与与有有源源器器件件相相连连，其其频频率率特特性性易易受受晶体管的参数及工作点变化的影响。晶体管的参数及工作点变化的影响。30 高频集成放大器分为两种类型，一种是非选频的高高频集成放大器分为两种类型，一种是非选频的高频集成放大器。它的主要应用场合是某些不需要选频功频集成放大器。它的主要应用场合是某些不需要选频功能的设备，通常其负载是电阻或高频变压器；另一种是能的设备，通常其负载是电阻或高频变压器；另一种是选频集成放大器，应用场合是需要有选频功能的设备，选频集成放大器，应用场合是需要有选频功能的设备，如接收机的中频放大器就是它的典型应用。为满足高增如接收机的中频放大器就是它的典型应用。为满足高增益放大器的选频要求，集成放大器一般采用集中滤波器益放大器的选频要求，集成放大器一般采用集中滤波器来做它的选频电路。如第二章介绍的晶体滤波器、陶瓷来做它的选频电路。如第二章介绍的晶体滤波器、陶瓷滤波器、声表面滤波器等都可以和高频集成放大器搭配滤波器、声表面滤波器等都可以和高频集成放大器搭配使用。集中选频放大器的组成如图使用。集中选频放大器的组成如图3-10所示。所示。31图图3-10 集中选频放大器组成框图集中选频放大器组成框图32 高频集成放大器的优点：高频集成放大器的优点：1.线路简单、性能稳定、调整方便；线路简单、性能稳定、调整方便；2.频率特性好，有专门的滤波器来保障频率特性好，有专门的滤波器来保障(窄带时用晶窄带时用晶体；宽带情况下用体；宽带情况下用SAV)。3.可高度集成，减小电路的体积、重量。可高度集成，减小电路的体积、重量。集中选频放大器以集中预选频代替了逐级选频，可以集中选频放大器以集中预选频代替了逐级选频，可以减小晶体管参数不稳定对选频回路的影响，保证调谐放大减小晶体管参数不稳定对选频回路的影响，保证调谐放大器指标的稳定、减小调试的难度，而且有利于充分发挥线器指标的稳定、减小调试的难度，而且有利于充分发挥线性集成电路的优势。性集成电路的优势。33 图图3-11给出了一种集中给出了一种集中LC网络的结构。网络的结构。集中集中LC网络通常有一节和若干节网络通常有一节和若干节LC网络组成。网络组成。要根据网络理论、频带宽度、衰减特性等要要根据网络理论、频带宽度、衰减特性等要求来综合设计。在求来综合设计。在LC网络的前后级都接有宽网络的前后级都接有宽频带运算放大器频带运算放大器A733。它是集成宽带放大器，。它是集成宽带放大器，可以放大直流至可以放大直流至120MHz的信号电压，无需进的信号电压，无需进行外部的补偿元件。行外部的补偿元件。34图图3-11 LC集中滤波网络集中滤波网络35 图图3-12是声表面滤波器与放大器连接的示是声表面滤波器与放大器连接的示意图。由第二章所介绍的集中参数滤波器知识，意图。由第二章所介绍的集中参数滤波器知识，为了保证对信号选择性的要求，可采用声表面为了保证对信号选择性的要求，可采用声表面滤波器集中选频。滤波器集中选频。图图3-12 声表面滤波器与放大器连接声表面滤波器与放大器连接36