第二章高频小信号放大器

1、第二章高频小信号放大器2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 高频电路的基础知识高频电路的基础知识2.3 2.3 晶体管高频小信号等效电路晶体管高频小信号等效电路2.4 2.4 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器2.5 2.5 小信号谐振放大器的稳定性小信号谐振放大器的稳定性2.6 2.6 场效应管高频放大器场效应管高频放大器 2.7 2.7 线性宽频带放大集成电路与集中滤波器线性宽频带放大集成电路与集中滤波器2.8 2.8 放大电路的噪声放大电路的噪声 第第2 2章章 高频小信号放大器高频小信号放大器 主要内容主要内容第二章高频小信号放大器高频高频 是指放大器的工作频率在几百KHz几百MHz，

2、必须考虑放大器件的极间电容. 小信号小信号 指的是放大器输入信号小，放大器件是在线性范围内工作 高频小信号放大器的功能高频小信号放大器的功能 是实现对微弱高频信号进行不失真放大 2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 高频小信号放大器的功能高频小信号放大器的功能第二章高频小信号放大器分类：分类：1、按所放大信号的频谱宽窄分为、按所放大信号的频谱宽窄分为：宽带放大器和窄带放大器 2、按所用负载的性质可分为、按所用负载的性质可分为：谐振放大器和非谐振放大器。用途：接收机的前置高频放大器和中频放大器用途：接收机的前置高频放大器和中频放大器ouiuAu输出电压输入电压opiPAP输出给负载的功

3、率输入功率2.1.2 2.1.2 高频小信号放大器的分类和用途高频小信号放大器的分类和用途2.1.3 2.1.3 高频小信号放大器的主要技术指标高频小信号放大器的主要技术指标1 1、电压增益与功率增益、电压增益与功率增益 功率增益(Ap)等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。电压增益(Au)等于放大器输出电压与输入电压之比；第二章高频小信号放大器定义：放大器的电压增益下降到最大值的 倍时所 对应的频带宽度。常用 表示。120.72 f2 2、通频带、通频带 第二章高频小信号放大器3、矩形系数（选择性）、矩形系数（选择性）矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。选择性是表示选取有用信号，抑

4、制无信号的能力。其定义是：0.10.10.722rfKf第二章高频小信号放大器 4、噪声系数、噪声系数 输出信噪功率比输入信噪功率比nosonisiFPPPPN/nosonisiFPPPPN/lg10)dB(定义定义:用分贝表示:第二章高频小信号放大器1. 电感线圈的高频特性电感线圈的高频特性电感在高频电路中不是理想无损电感，它的损耗电阻是不能忽略的。一个实际的电感元件，可以用一个理想无损电感L和一个串联的损耗电阻r0 来等效。损耗电阻随频率增高而增大。一个电感线圈的损耗可以用空载品质因数空载品质因数Q0表示，而Q0的大小反映损耗的大小。一般情况下，线圈Q0的值通常在几十到三百左右。2.2.1

5、 LC串并联谐振回路的特性串并联谐振回路的特性LC串并联谐振回路的作用串并联谐振回路的作用：选频和选频和阻抗变换阻抗变换2.2 高频电路的基础知识第二章高频小信号放大器一个实际电感可用串联电路等效。一个实际电感可用串联电路等效。如图（如图（b） 一个实际电感可用并联等效。一个实际电感可用并联等效。如图如图 (c)01Q 001gLQ 一个实际的电容元件也是有损耗的，但在高频电路中损一个实际的电容元件也是有损耗的，但在高频电路中损耗很小耗很小,一般认为是无损元件。一般认为是无损元件。2. 电容元件的高频特性电容元件的高频特性当 时：00LrQ第二章高频小信号放大器阻抗：阻抗：3. LC串联谐振回

6、路串联谐振回路0011ZrjLrj LCj C阻抗特性阻抗特性： 时，呈容性。 时，纯电阻。 时，呈感性000SUIr01LC电流特性电流特性:谐振时流过回路的电流的最大谐振频率：谐振频率：第二章高频小信号放大器 电压特性电压特性：谐振时电感线圈和电容两端的电压模值相等(方向相反) 且等于外加电压的 倍。即SLCLUQUULQ品质因数品质因数LLrrCrrLQL00001当当 时，流过电路的电流最大，称为谐振电流0 2020011LIIQ 00arctanLQ 第二章高频小信号放大器幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性0)0()(II2LQ1LQ QL1QL2幅频特性幅频特性相频特性相频特性1

7、2LLQQ第二章高频小信号放大器 阻抗特性阻抗特性： 时，呈感性。 时，纯电阻。 时，呈容性01pLC0004. LC并联谐振回路并联谐振回路谐振频率：谐振频率： 电压特性电压特性：谐振时流过电感线圈和电容的电流模值相等(方向相反) 且等于外加电流源的 倍。即电压特性电压特性:谐振时回路的输出电压最大LQ品质因数: 其中 为特性阻抗PSORIU01Q SLCLIQIIRQLCL001LOLRRRRR0第二章高频小信号放大器 阻抗特性和相频特性 相频特性阻抗特性第二章高频小信号放大器串联回路并联回路电路形式阻抗或导纳谐振频率品质因数Q谐振电阻阻抗ff0感性容性)1(CLjrZ)1(0LCGYLC

8、/10LC/10CLrCrrL1100LCGCRLR00001CLQr1CLQR 0串并联回路的特征串并联回路的特征第二章高频小信号放大器2.2.2 2.2.2 串并联阻抗的等效互换串并联阻抗的等效互换 1 1、“等效等效”的概念的概念 在工作频率 相同的条件下，AB两端的阻抗相等阻抗相等。 、互换关系、互换关系 串并联电路等效互换2211RQr21211XXQ1Q 221RQ r21XXu串联电路转换为等效并联电路后， 为 的 倍，而 与 相同。2R1r2Q2X1X、结论、结论u串联转换为等效并联后Q值不变。1 1、“等效等效”的概念的概念 第二章高频小信号放大器2.2.3 2.2.3 并联

9、谐振回路的耦合连接与阻抗变换并联谐振回路的耦合连接与阻抗变换 并联谐振回路的作用并联谐振回路的作用: :选频滤波、阻抗交换 、变压器耦合联接的阻抗变换、变压器耦合联接的阻抗变换 2211222LLLUNRRRUN 三极管直接并联在三极管直接并联在LC回路中存在的问题回路中存在的问题：谐振回路Q值下降，通频带增宽，选择性变差。影响中心频率 ，且稳定性变差。阻抗不匹配0f第二章高频小信号放大器2 2、自耦变压器耦合联接的阻抗变换、自耦变压器耦合联接的阻抗变换阻抗变比关系：u 自耦变压器耦合联接方式适用于与晶体管的联接，它除了能实自耦变压器耦合联接方式适用于与晶体管的联接，它除了能实现阻抗变换外，还

10、能为晶体管的集电极提供直流通路。现阻抗变换外，还能为晶体管的集电极提供直流通路。LLRNNNR2221第二章高频小信号放大器2121LLCCRRC 上面变比关系推导的近似条件是Qc21，Qc1。3、电容分压式耦合联接与阻抗变换、电容分压式耦合联接与阻抗变换 第二章高频小信号放大器2.2.4 2.2.4 等效变换的接入系数与阻抗变换关系等效变换的接入系数与阻抗变换关系 接入系数p的定义：P 转换前的圈数 容抗转换后的圈数 容抗变比关系的通式:21LLRRp 2LLgp g 2Cp C ggIpI 1ggUUp 利用以上的变比关系可以很方便地进行各种变换。这对分析电路利用以上的变比关系可以很方便地

11、进行各种变换。这对分析电路 将是非常简便的。将是非常简便的。21LLXXp 第二章高频小信号放大器例：电路如图所示，已知 ， ， ， ， 。忽略回路本身的固有损耗。求（1）回路的谐振角频率 （2）有载品质因数 （3）电压HL10pFC20001pFC20002 500R)(10cos)(7mAtti0LQ)(tu第二章高频小信号放大器R等效到回路两端的电阻 )(10002121pFCCCCC)/(1010100010101171260sradLC21211CCCp)(2000/2pRR201010102000670LRQL)(10cos)()(7VtpRtitu第二章高频小信号放大器2.3 2

12、.3 晶体管高频小信号等效电路晶体管高频小信号等效电路 y y参数等效电路参数等效电路 1111122Iy Uy U2211222Iy Uy U，根据二端口网络理论，得到y参数系的方程：2.3.1 晶体管参数等效电路晶体管参数等效电路第二章高频小信号放大器011112/UiUIyy 输出短路时的输入导纳；输出短路时的输入导纳；021121/UrUIyy 输入短路时的反向传输导纳；输入短路时的反向传输导纳；012212/UfUIyy输出短路时的正向传输导纳；输出短路时的正向传输导纳；022221/UoUIyy 输入短路时的输出导纳。输入短路时的输出导纳。这四个参量具有导纳的量纲，故称为导纳参 数

13、，也叫y参数。y参数说明参数说明第二章高频小信号放大器*对于共射接法对于共射接法,y参数用 表示,则:biebereceIy Uy UcfebeoeceIy Uy U*对于共基接法对于共基接法，y参数用 表示,则:eibebrbcbIy Uy UcfbebobcbIy Uy U*对于共集接法对于共集接法，y参数用 表示,则:bicbcrcecIy Uy UefcbcocecIy Uy Uierefeyyyoe、yibrbfbobyyyy、icrcfcocyyyy、第二章高频小信号放大器2.2.3 2.2.3 混合混合 等效电路等效电路 各参数的物理意义。 :基区扩展电阻。几十几十 100 bb

14、:发射结电阻。较小几十几十几百几百,b e026b eeI:发射结结电容,较大,100pf500pf。 b eC:集电结结电阻，很大。100K 100 Mb c:集电结结电容，很小。 2pf10pfb cC:受控电流源，而 ，称为跨导，单位为S。 mb eg U/26mvmegI:集电极电阻，很大。几十几十K ce:集电极与发射集极间电容，很小。 ceC发射结正偏集电结反偏第二章高频小信号放大器22.3.3 高频参数高频参数定义：当 下降到低频电流放大系数0的 1 倍时，所对应的频率称为的截止频率f。ffj1j100201ff可用来计算任意频率时晶体管的|。根据f的定义，可得取其模截止频率截止

15、频率f.第二章高频小信号放大器 特征频率特征频率fT定义定义：当|下降到1时所对应的频率称为特征频率fT。 fT 是晶体管共发射极运用时能得到电流增益的最高频率的极限。当ffT时，1。但这并不意味着晶体管已经没有放大作用，这时放大器电压增益还有可能大于1。 最高振荡频率最高振荡频率定义定义：晶体管的功率增益Ap=1 时所对应的频率称为最高振荡频率 表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。晶体管的实际工作频率约为 的1/31/4。u 总结总结：以上三个频率大小的顺序是：maxTfffm axfm axfm axf0Tffm axf第二章高频小信号放大器2.4 2.4 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大

16、器2.4.1 2.4.1 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器 1 1、放大器的等效电路及其简化、放大器的等效电路及其简化 b第二章高频小信号放大器放大器的等效电路如下图所示放大器的等效电路如下图所示前级等效为电流源和内导纳第二章高频小信号放大器多级放大器之间相互影响,为简化分析,令 则放大器的简化等效电路 为:0rey第二章高频小信号放大器2 2、放大器的技术指标、放大器的技术指标 电压增益电压增益 uA121feouiPP yUAUgj Cj L 12feu oP P yAg 结论结论： * *谐振时电压增益 与晶体管正向传输导纳 成正比，与回路两端总电导成反比； uoAfey* *

17、放大器输出电压与输入电压的相位差是180 。“-”表示180 fe12feuoP PyAg任意频率的电压增益谐振时的电压增益第二章高频小信号放大器对于窄带谐振放大器，通常讨论的 与 相差不会太大，即可认为 在 附近变化，则 0121uuoLAfAjQf20121uuoLAAfQf式中， ，称为一般失谐。 0fff 令 ，称为广义失谐。则可得 :02LfQf11uuoAAj取其模 211uuoAAff0f0f取其模谐振曲线谐振曲线 第二章高频小信号放大器下图是分别用 、 和 表示的放大器的谐振特性曲线。 ff用频率表示用一般失谐表示用广义失谐表示第二章高频小信号放大器放大器的通频带放大器的通频带

18、 定义定义: 时对应的 为放大器的通频带.用 或B表示12uuoAA2 f00.72LffQ 通频带与谐振电压增益的关系:7 . 02 fCyBAfeu20电路参数一定时 BAu 0常数常数u通频带越宽,谐振电压增益越小.在宽带放大器的设计中这种矛盾特别突出.第二章高频小信号放大器放大器的矩形系数0.10.10.722rfKf0.12 f0.1uuoAA根据矩形系数的定义 其中， 是 时所对应的频带宽度。 00.1299LffQ0.199rK单级单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，说明它的选择性差。这是它的一大缺点.00.72LffQ矩形系数矩形系数:第二章高频小信号放大器2.4.2 2.4.

19、2 多级单调谐回路谐振放大器多级单调谐回路谐振放大器 1 1、多级单调谐谐振放大器的总电压增益、多级单调谐谐振放大器的总电压增益 假如，放大器有m级，各级电压增益分别为 ，则总电压增益 是各级电压增益的乘积。即 12,uuunAAAmA123muuuunAAAAA 若多级放大器是由完全相同的单级放大器组成时，各级电压增益相等，则m级放大器的总电压增益为 1()mmuAA2 2、多级单调谐谐振放大器的谐振曲线、多级单调谐谐振放大器的谐振曲线 m级相同放大器级联时，它的谐振曲线等于各单级谐振曲线的乘积，总谐振曲线为 220121mmmoLAAfQfm越大曲线越尖锐第二章高频小信号放大器3 3、多级

20、单调谐谐振放大器的通频带、多级单调谐谐振放大器的通频带 m级相同的放大器级联时，根据定义总通频带应满足 220.7011221mmmomLAAfQf可得 1100.70.7122121 2mmmLfffQu总通频带比单级放大器通频带要小。级数越多，总通频带越小。级数越多，总通频带越小。 4 4、多级单调谐谐振放大器的矩形系数、多级单调谐谐振放大器的矩形系数 根据矩形系数的定义 0.10.10.722mrmmfKf其中， 可由 求得 0.12mf0.1mmoAA100.121001mmLffQ故m级单调谐谐振放大器的矩形系数 10.11100121mrmmK可见，级数越多，矩形系数越小级数越多，

21、矩形系数越小。 第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器2.5.22.5.2放大器的稳定系数及稳定电压增益放大器的稳定系数及稳定电压增益 1 1、放大器的稳定系数、放大器的稳定系数 调谐放大器等效电路调谐放大器等效电路 2.5 2.5 小信号谐振放大器的稳定性小信号谐振放大器的稳定性2.5.1 2.5.1 谐振放大器存在不稳定的原因谐振放大器存在不稳定的原因 0rey由于 有可能构成正反馈，引起放大器产生自激振荡. 调谐放大器等效电路调谐放大器等效电路 第二章高频小信号放大器稳定系

22、数稳定系数S S的定义的定义 iiUSUu S越大，放大器越稳定.对于一般放大器来说， 就可以认为是稳定的。 5S 稳定系数与电路参数的关系稳定系数与电路参数的关系 21 cosiesoeLferefereggggSyyiU将输入电压 与正反馈电压 的比值定义为稳定系数.iU第二章高频小信号放大器2 2、单调谐放大器的稳定电压增益、单调谐放大器的稳定电压增益 什么是稳定电压增益？什么是稳定电压增益？ 不加任何稳定措施，并满足稳定系数S（例如 ）要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压增益。 5S 稳定电压增益与电路参数的关系稳定电压增益与电路参数的关系 放大器的等效电路放大器的等效电路 第二章高

23、频小信号放大器2212oeLieSPyYPyY21oeLieSyYPPyY则 feuoeLieSyAyYyY当回路谐振时，谐振电压增益为 feuooeLiesyAgggg将稳定系数S式中的 代入上式oeLiesgggg21cofeouicoeLiUUyUPAUUyYPU第二章高频小信号放大器 21cosfeuosrefereyAS yu稳定电压增益稳定电压增益结论结论:根据稳定系数的要求( )确定 这是没有稳定措施 的情况下，允许的最高电压增益。实际的电压增益 ， 则放大器稳定5S uosASuuAA00第二章高频小信号放大器例例2-2 2-2 放大器放大器稳定的判断稳定的判断 （例题）例如，

24、已知某晶体管在工作频率为 时， ； 。用其做放大器，若 认为是稳定的。可以计算 10.7MHz26.436.4feyjms0.080.3reyjms5S 2226.436.445.0feyms36.45426.4fearctg 220.080.30.31reyms0.3750.08rearctg 3321 cos2 45 1012.525 0.31 101 cos5475feuosrefereyAS y这说明用这个晶体管设计制作放大器，只要放大器电压增益不大于这说明用这个晶体管设计制作放大器，只要放大器电压增益不大于12.5212.52，在没有任何稳定措施条件下，放大器是稳定的。即满足在没有任

25、何稳定措施条件下，放大器是稳定的。即满足 的要求。的要求。 5S 第二章高频小信号放大器2.5.3 2.5.3 提高谐振放大器稳定性的措施提高谐振放大器稳定性的措施 由于 的反馈作用，晶体管是一个双向器件。使 的反馈作用清除的过程称为单向化。reyrey1 1、中和法、中和法 什么是中和法？什么是中和法？ rey中和电路的原理中和电路的原理 具有中和电路的放大器具有中和电路的放大器单向化的方法中和法失配法 在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部 的反馈作用。 第二章高频小信号放大器 12124532NbcbcUNCCCUN 中和电路的两种形式中和电路的两种形

26、式 电容 的数值为：NC12124545Nb cb cUNCCCUN中和电路只能对一个频率点实现完全中和。因晶体管是随频率变化中和电路只能对一个频率点实现完全中和。因晶体管是随频率变化 的，而的，而 不随频率变化。不随频率变化。NCcbCcbC第二章高频小信号放大器2 2、失配法、失配法 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。 共射共射共基级联放大器共基级联放大器 失配失配：是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗相匹配；输出端负载阻抗 不与本级晶体管的输出阻抗相匹配第二章高频小信号放大器由于后级共基晶体管的输入导纳较大，它是前级共射晶体管的负载。由于后级共基晶体管的输入导纳较大，它是前级共射晶体管的负载。大的负载导纳使共射放大电压增益低，但电流增益较大。后级共基电流增益小、电压增益大，组合后的放大器的总电压增益和功率增益都和单管共射放大电路差不多，但稳定性高。 共射共射共基级联晶体管可以等效为一个共射晶体管共基级联晶体管可以等效为一个共射晶体管。在 ； ； 的条件下，等效晶体管的参数为 iereyyfeieyyfeoeyy iieyy rerreoefeyyyyy ffeyy oreyy 可见，复合管的输入导纳可见，复合管的输入导纳 和正向传输导纳和正