通信电子线路-第-03-章-高频小信号放大器

1、LOGO 2021/3/10 讲解：XX Page #1 第 3 章 高频小信号放大器 v3.1 概述概述 v3.2 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 v3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 v3.4 谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性 v3.5 非调谐式放大器与集成电路放大器非调谐式放大器与集成电路放大器 2021/3/10 讲解：XX Page #2 3.1 概述 v主要用途：主要用途： 接收机中混频接收机中混频前前的的射频射频放大器放大器 接收机中混频接收机中混频后后的的中频中频放大器放大器 v工作频率：工作频率： 中心频率很高（几百中心频率很高（几百K

2、Hz 几百几百MHz） 频谱宽度相对较窄（几频谱宽度相对较窄（几KHz 数十数十MHz） AM: 5351605K, 9KHz; FM: 88108M, 350KHz v工作状态：工作状态： 信号较小，故工作在信号较小，故工作在线性放大状态线性放大状态（甲类状态）（甲类状态） 2021/3/10 讲解：XX Page #3 3.1 概述概述 分类分类 v1. 高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类 按所用器件：按所用器件： 晶体管晶体管 (BJT)、场效应管、场效应管 (FET)、集电电路、集电电路 (IC) 按频谱宽度：按频谱宽度：窄带放大器、宽带放大器窄带放大器、宽带放大器 按电路形

3、式：按电路形式：单级放大器、级联放大器单级放大器、级联放大器 按负载性质：按负载性质：谐振放大器、非谐振放大器谐振放大器、非谐振放大器 谐振放大器：采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、谐振放大器：采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、 滤波和选频的作用。滤波和选频的作用。 非谐振放大器：由阻容放大器和各种滤波器组成，其结非谐振放大器：由阻容放大器和各种滤波器组成，其结 构简单，便于集成。构简单，便于集成。 本章主要学习：本章主要学习：单级、窄带、谐振放大器单级、窄带、谐振放大器 2021/3/10 讲解：XX Page #4 3.1 概述概述 指标指标 v2. 高频小信号放大器的质量指标高频

4、小信号放大器的质量指标 1) 增益增益 (放大系数放大系数) 电压增益电压增益 功率增益功率增益 2) 通频带通频带 3dB 带宽带宽：B0.7 = = 2 f0.7 3) 选择性：选择性： 矩形系数矩形系数 o V i V A V = =20lg() o V i V AdB V = = o P i P A P = =10lg() o P i P AdB P = = 0.1 0.1 0.7 2 2 r f K f = = 0.01 0.01 0.7 2 2 r f K f = = 2021/3/10 讲解：XX Page #5 3.1 概述概述 指标指标 抑制比抑制比：对某个干扰信号：对某个干

5、扰信号 fn 的抑制能力的抑制能力 4) 工作稳定性工作稳定性 电源电压及器件参数的变化会导致不稳定现象：电源电压及器件参数的变化会导致不稳定现象： 增益改变、中心频率漂移、通频带变窄等增益改变、中心频率漂移、通频带变窄等 极端情况下，在高频工作时，晶体管内反馈和寄生反馈极端情况下，在高频工作时，晶体管内反馈和寄生反馈 较强，因此高频放大器很容易自激，放大器不能工作。较强，因此高频放大器很容易自激，放大器不能工作。 5) 噪声系数噪声系数 多级放大器中多级放大器中关键关键在于减小在于减小前级电路前级电路的内部噪声。的内部噪声。 0V n n A d A = = () () sini F son

6、o PP N PP = = 输输入入信信噪噪比比 输输出出信信噪噪比比 0 20lg() V n n A ddB A = = 2021/3/10 讲解：XX Page #6 3.2 晶体管高频小信号等效电路与参数 v1. 物理模拟等效电路物理模拟等效电路 低频小信号微变等效电路低频小信号微变等效电路 混合混合 型等效电路型等效电路 简化：简化： 高频时：高频时： 结电容的结电容的 影响更大影响更大 Cce rce rbc Cbc Cbe gmVbe b bIb b e bmb e b e V Ig V r b bb b = = = rbe + + - - Vce + + - - Vbe Ib

7、Ic bc e rbb b m b e g r b b = = 2021/3/10 讲解：XX Page #7 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 v2. 形式等效电路形式等效电路 双端口网络、四端网络双端口网络、四端网络 可取任意两个作为自变量可取任意两个作为自变量 H 参数等效电路参数等效电路 Hybrid Parameter Model I1、V2 做自变量，常用于低频小信号分析做自变量，常用于低频小信号分析 112 212 ir fo Vh Ih V Ih Ih V =+=+ =+=+ biebrec cfeboec Vh Ih V IhIh V =+

8、=+ =+=+ hie = = rbehfe = = b b . hreV2 + + - - hoe 1 hie hfeI1 . Ib . + + - - Vb . Vc . b + + - - cIc . e V1 V2 I1 I2 + + + - - - 2021/3/10 讲解：XX Page #8 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 v2. 形式等效电路形式等效电路 双端口网络、四端网络双端口网络、四端网络 可取任意两个作为自变量可取任意两个作为自变量 Y 参数等效电路参数等效电路 Y-Parameter Model V1、V2 做自变量，常用于高频小

9、信号分析做自变量，常用于高频小信号分析 V1 V2 I1 I2 + + + - - - 112 212 ir fo Iy Vy V Iy Vy V = =+ + = =+ + 11 22 ir fo yyIV yy IV = = 2021/3/10 讲解：XX Page #9 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 yi 输出短路时的输入导纳：输出短路时的输入导纳： yr 输入短路时的反向传输导纳：输入短路时的反向传输导纳： yo 输入短路时的输出导纳：输入短路时的输出导纳： yf 输出短路时的正向传输导纳：输出短路时的正向传输导纳： 1 2 0 2 o V I

10、y V = = = = 2 1 0 1 i V I y V = = = = 1 1 0 2 r V I y V = = = = 2 2 0 1 f V I y V = = = = 112 212 ir fo Iy Vy V Iy Vy V = =+ + = =+ + 11 22 ir fo yyIV yy IV = = 2021/3/10 讲解：XX Page #10 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 v3. Y 参数与混合参数与混合 型等效电路参数的转换型等效电路参数的转换 2 1 0 1 ie V I y V = = = = 2 2 0 1 1 m fe

11、 V b bb e gI y Vr Y = = = = = + + 1 1 0 2 1 b c re V b bb e j CI y Vr Y = = = = = - - + + 1 2 0 2 oe V I y V = = = = b eb eb c YjCC = =+ + b eb e Yj C = = 1 b e b bb e Y r Y = = + + 1 1 m bb b c b bb e g r j C r Y =+=+ + + 2021/3/10 讲解：XX Page #11 3.3 晶体管谐振放大器 v晶体管低频小信号放大器的分析方法晶体管低频小信号放大器的分析方法 (对比对比

12、) 直流通路直流通路【规则规则】交流信号源为零，交流信号源为零，C 开路，开路，L 短路短路 得到静态工作点：得到静态工作点：IBQ 、ICQ 、VCEQ 、VBEQ 交流通路交流通路【规则规则】直流电源为零，直流电源为零，C 短路，短路，L 开路开路 微变等效微变等效 电路分析电路分析 26 1 b e CQ r I b b =+=+ / ocLCbL iRRi Rb b = = - -= = - -v 2021/3/10 讲解：XX Page #12 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 v晶体管高频小信号放大器晶体管高频小信号放大器 直流通路：直流通路：得到静态工作点得到静态工作点

13、IBQ 、ICQ 、VCEQ 、VBEQ 交流通路：交流通路： 高频高频小信号等效电路：小信号等效电路：混合混合 型型 或或 Y 参数等效电路参数等效电路 高频窄带选择性问题：高频窄带选择性问题： 放大放大 + 选频选频 放大放大 & 选频选频 分别实现分别实现 同时完成同时完成 2021/3/10 讲解：XX Page #13 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 v一、单级单调谐回路谐振放大器一、单级单调谐回路谐振放大器 全部接入：全部接入： 抽头接入：抽头接入： 直流通路直流通路 2 1 Lpie Ygj Cy j L = +=+ 2 222 1 11 Lpie Ygj CP y P

14、j L = = + + + + 交流通路：交流通路： 大电感开路，大电容短路大电感开路，大电容短路 注意保留谐振回路注意保留谐振回路的的 LC L Y 2021/3/10 讲解：XX Page #14 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 a b 1. 等效电路分析等效电路分析 内部内部 方程方程 外部外部 方程方程 2. 质量指标质量指标 ( Av 、Ap 、f0 、2 f0.7 等等) 1) 电压增益：电压增益： 由由 ： 抽头关系：抽头关系： 电压增益：电压增益： 2 1 o c VP P V = = 1cab VP V = = L Y 2 1 fe oeL y P PyY = =

15、- + + fe ci oeL y VV yY = -= - + + 2oab VP V = = o V i V A V = = oc ci VV VV = cfeioec Iy Vy V = =+ + bieirec Iy Vy V = =+ + cLc IYV = = - - 2021/3/10 讲解：XX Page #15 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 2oab VP V = = 2 22 1 Lpie Ygj CP y j L =+=+ 12 2 1 o V i fe oeL P P A y Y V P y V = - - + + 12 1 fe P P y gj C j

16、L = -= - + 12 0V fe P P A y g - -= = 0 1 LC = = 222 oeoeoe ieieie ygj C ygj C =+=+ =+=+ 也也 可可 以以 换换 个个 角角 度度 分分 析析 a b a b 2 1 V fe oeL y Y A P Py - - + + = = YL 0 1 V A j + + = = 0 2 L Q 0 L C Q g = = 1 22 1 fei oeL P y V P P yY = -= - + + 22 122 22 122 oepie oeie gP ggP g CP CCP C =+=+ =+=+ 2021/3

17、/10 讲解：XX Page #16 12 0V fe P P A y g - -= = 0 1 LC = = 0 2 L Q 0 L C Q g = = 22 122 22 122 oepie oeie gP ggP g CP CCP C =+=+ =+=+ 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 谐振时谐振时 电压增益是频率的函数。谐振时，电压增益达到最大电压增益是频率的函数。谐振时，电压增益达到最大 输出电压与输入电压相差输出电压与输入电压相差 180 + + fe ( yfe 是复数是复数 ) 选择正向传输导纳选择正向传输导纳 yfe 较大的三极管较大的三极管 2) 谐振时功率增益谐

18、振时功率增益 Po/Pi 没有回路损耗没有回路损耗 (Rp ) 时时 匹配条件：匹配条件： 考虑插入损耗考虑插入损耗 (并联谐振并联谐振)： 1212 022 122 fefe V oepie P P yP P y A gP ggP g = -= -= -= - + 22 0 2 0 2 2 ioie P ii e ee V i V g A V g g A g = 2 0max | 4 fe P ieoe y A g g = = 22 221ieoe P gP g= = 2 2 0max 0 | 1 4 fe L P ieoe y Q A g gQ = = - - a b 2021/3/10

19、讲解：XX Page #17 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 3) 通频带通频带 谐振曲线同并联谐振回路一样谐振曲线同并联谐振回路一样 4) 选择性选择性 单调谐放大器矩形系数远大于单调谐放大器矩形系数远大于 1，选择性比较差，选择性比较差 采用耦合谐振回路采用耦合谐振回路 (双调谐放大器双调谐放大器) 可改善选择性可改善选择性 0 1 V V A A j = = + + 2 0 1 1V V A A = = + + 20.1 0.1 0.7 2 1019.951 2 r f K f =-=- 2 0 0 1 12 V V L A A Qff = = + + 2021/3/10 讲解

20、：XX Page #18 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 5) 带宽增益积带宽增益积 电压增益的另一种形式电压增益的另一种形式 带宽增益积为常数带宽增益积为常数 讨论：讨论： 电路确定后，增加带宽会导致电压增益下降电路确定后，增加带宽会导致电压增益下降 设计电路时，为提高带宽增益积，希望设计电路时，为提高带宽增益积，希望 yfe 大、大、C 小小 但但 C 不能太小，否则不稳定电容影响会增大不能太小，否则不稳定电容影响会增大 00 0.7 2 L L C Q Qg = = = 0.7 2gC = = 12 0.7 2 fe P P y C = = - - 12 00.7 2 fe V

21、 P P y A C = - = - 12 0 fe V P P y A g = -= - 2021/3/10 讲解：XX Page #19 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 例：例： 单调谐回路放大器如图所示。设负载是与该放大器相同单调谐回路放大器如图所示。设负载是与该放大器相同 的下一级放大器，的下一级放大器，L13 = 1.5 uH，C = 12 pF，Q0 = 100 N12 = 16 圈，圈，N13 = 20 圈，圈， N45 = 4 圈圈 BJT 的参数为：的参数为：gie = 1.110-3 S，goe = 1.110-4 S， |yfe| = 0.08 S，Cie =

22、25 pF，Coe = 6 pF 求：求：f0 ，AV0 ，2 f0.7 解：解： 抽头系数抽头系数 12 1 13 0.8 N P N = = = 45 2 13 0.2 N P N = 2021/3/10 讲解：XX Page #20 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 22 , ieieieie ggCC= = = 0013 11 34 p p gS RQL = 00 013013 11 ,23 p LL p g QQQQ gLgLg = = 0 13 1 31.4 2 fMHz L C = 12 0 | 85 fe V P P y A g =倍倍 0 0.7 21.37 L f

23、fMHz Q = 调谐频率调谐频率 求增益求增益 求通频带求通频带 22 122 17 oeie CP CCP CF = =+ + += = 224 122 1.48 10 oepie gP ggP gS - - = =+ + += = 0 013 p R Q L = = 2021/3/10 讲解：XX Page #21 3.3 晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器 v二、多级单调谐回路谐振放大器二、多级单调谐回路谐振放大器 (如上例如上例) 1. 电压增益电压增益 2. 通频带通频带 3. 选择性选择性 矩形系数矩形系数 增益提高，通频带减小，选择性改善增益提高，通频带减小，选择性改善 ( m3

24、 后不明显后不明显) 12mVVVm AAAA= = m mV AA= = 2 2 0 12 m m Lo m A Qff A - - = =+ + 110 0.70.7 2121 mm m L f BB Q = =- - = =- - 10 0.1 1001 m m L f B Q =- =- 1 0.1 0.1 1 0.7 1001 21 m m r m m B K B - - = = = - - m Bm/B1Kr0.1 11.009.95 20.644.66 30.513.74 40.433.18 ；各级相同时；各级相同时 1 2 = = 2021/3/10 讲解：XX Page #2

25、2 3.4 谐振放大器的稳定性 v一、自激产生的原因一、自激产生的原因 放大器的输入回路就是前级的输出谐振回路放大器的输入回路就是前级的输出谐振回路 输入导纳输入导纳 bieirec Iy Vy V = =+ + fe ci oeL y VV yY = -= - + + refe b iie oeL i y y I Yy yY V =-=- + + refe FFF oeL y y Ygjb yY = -=+= -=+ + + ieF yY= =+ + YF 2021/3/10 讲解：XX Page #23 3.4 谐振放大器的稳定性 v一、自激产生的原因一、自激产生的原因 放大器的输入回路就

26、是前级的输出谐振回路放大器的输入回路就是前级的输出谐振回路 输入导纳输入导纳 bieirec Iy Vy V = =+ + fe ci oeL y VV yY = -= - + + refe b iie oeL i y y I Yy yY V =-=- + + refe FFF oeL y y Ygjb yY = -=+= -=+ + + ieF yY= =+ + YF yre 影响之一：影响之一： gF 改变回路的改变回路的 Q 值，值， bF 会引起回路失谐，会引起回路失谐， 多级放大器调整困难多级放大器调整困难 yre 影响之二：反向传输导纳影响之二：反向传输导纳 yre 的存在可能引起

27、自激。的存在可能引起自激。 gF 是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电 导性，使回路的总电导减小，即负电导导性，使回路的总电导减小，即负电导 gF 供给回路能量，供给回路能量， 出现正反馈。出现正反馈。 当当 gF 完全抵消掉回路原有电导时，放大器失去放大作用，完全抵消掉回路原有电导时，放大器失去放大作用， 处于自激振荡工作状态。处于自激振荡工作状态。 2021/3/10 讲解：XX Page #24 3.4 谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性 v二、放大器产生自激的条件二、放大器产生自激的条件 稳定系数：稳定系数： yre 反馈越强反

28、馈越强 S 接近甚至小于接近甚至小于 1 系统不稳定系统不稳定 yre 反馈越弱反馈越弱 S 1 系统稳定。系统稳定。S 常取常取 5 10 v三、克服自激的方法三、克服自激的方法 解决思路：晶体管单向化，解决思路：晶体管单向化， 消除反向传输导纳的影响消除反向传输导纳的影响 常用方法常用方法：中和法、失配法：中和法、失配法 0 refe sie oeL y y Yy yY +-=+-= + + sieoeL refe YyyY S y y + + + = = 1 sieoeL refe YyyY y y + = = YF 2021/3/10 讲解：XX Page #25 3.4 谐振放大器的

29、稳定性谐振放大器的稳定性 1. 中和法：中和法： 通过添加外部反馈支路来中和通过添加外部反馈支路来中和 (抵消抵消) 晶体管的内部反晶体管的内部反 馈，实现信号单向传输。馈，实现信号单向传输。 外加中和电容外加中和电容 CN ，电桥平衡时，电桥平衡时，CD 两端的电压两端的电压 Vo 不不 会反映到会反映到 AB 端，即对应两边阻抗之比相等端，即对应两边阻抗之比相等 L1 L2 CN 2 I 111 222 11 Nb cb c b cN LLN CCC CCLLN = = BA Vi CN Cb c C D L1 L2 + + - - Vo + + - - Vo i V Cb c 1 I 2021/3/10 讲解：XX Page #26 3.4 谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性 2. 失配法失配法 阻抗匹配时，负载得到最大功率，同时反馈量也增加阻抗匹配时，负载得到最大功率，同时反馈量也增加 失配法是使阻抗失配，降低增益来换取工作的稳定性失配法是使阻抗失配，降低增益来换取工作的稳定性 使负载导纳使负载导纳 YL 取得足够大，满足取得足够大，满足 yoe+YL yfe yre ， 则输入导纳则输入导