高频电子线路(2)ppt课件

1、3.1 概述概述3.2 晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路3.3 谐振放大器谐振放大器3.4 宽频带放大器宽频带放大器3.5 集中选频放大器集中选频放大器3.6 电噪声电噪声3.7 集成高频放大电路的选用与实例引见集成高频放大电路的选用与实例引见3.8 章末小结章末小结 第第3章章 高频小信号放大电路高频小信号放大电路第3章 高频小信号放大电路 3.1 概述什么是高频小信号放大器？ 放大高频小信号中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围的放大器，称为高频小信号放大器。按照所用器件，可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器；按照经过的频谱宽度，可分为窄带放大器、宽带

2、放大器；按照电路方式，可分为单级和级联放大器；按照所用负载性质，可分为谐振放大器和非谐振放大器。 谐振放大器：采用谐振回路串并联及谐振放大器：采用谐振回路串并联及耦合回路作负载的放大器。耦合回路作负载的放大器。 谐振放大器不仅有放大作用，也有滤波谐振放大器不仅有放大作用，也有滤波或选频作用。或选频作用。 高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。前者对中心频率在几百千赫到几带放大电路两大类。前者对中心频率在几百千赫到几百兆赫百兆赫, 频谱宽度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进频谱宽度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进展不失真的放大展不失真

3、的放大, 故不但需求有一定的电压增益故不但需求有一定的电压增益, 而且而且需求有选频才干。后者对几兆赫至几百兆赫较宽频带需求有选频才干。后者对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进展不失真的放大内的微弱信号进展不失真的放大, 故要求放大电路的下故要求放大电路的下限截止频率很低限截止频率很低(有些要求到零频即直流有些要求到零频即直流), 上限截止频上限截止频率很高。率很高。 窄频带放大电路由双极型晶体管(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外表波滤波器等器件实现选频功能。它有两种主要类型：以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路

4、为主的集中选频放大器。 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。为了展宽任务频带,不但要求有源器件的高频性能好, 而且在电路构造上采取了一些改良措施。 衡量高频小信号放大器的主要性能目的：1电压增益与功率增益电压增益等于输出电压与输入电压之比；功率增益等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。2通频带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，也称-3dB带宽，常用 表示，也有用BW表示的。3矩形系数表征放大器选择性好坏的一个参量。理想的频带放大器应该对通频带内的频谱分量有同样的放大才干，而对通频带以外的频谱分量要完全抑制。所以理想的频带放大器的频响曲线应是矩形

5、。但实践的频响曲线与矩形有较大的差别。2/17 . 02 f矩形系数用来表示实践呼应曲线接近理想矩形的程度，用矩形系数用来表示实践呼应曲线接近理想矩形的程度，用 表示。表示。 是放大器的电压增益下降到最大值的是放大器的电压增益下降到最大值的0.1倍时所对应的倍时所对应的频带宽度。频带宽度。4任务稳定性任务稳定性指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等发生能够指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等发生能够变化时，放大器的主要性能的稳定程度。普通的不稳定景象是变化时，放大器的主要性能的稳定程度。普通的不稳定景象是增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形等，极增益变化、中心频率

6、偏移、通频带变化、谐振曲线变形等，极端情况是自激。端情况是自激。5噪声系数噪声系数表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。希望噪声越小越好，表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。希望噪声越小越好，噪声系数接近于噪声系数接近于1。7 . 01 . 01 . 022ffKr1 . 0rK1 . 02 f 高频小信号放大电路是线性放大电路。Y参数等效电路和混合型等效电路是分析高频晶体管电道路性任务的重要工具, 晶体管、场效应管和电阻引起的电噪声将直接影响放大器和整个电子系统的性能。本章将讨论这两部分内容，他们是高频电路的根底。 3.2 晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路 晶体管在高频线性运用时常采用两种

7、等效电路进展分析, 一是混合型等效电路, 一是参数等效电路。 前者是从模拟晶体管的物理机构出发, 用集中参数元件、 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根本上与频率无关。缺陷是随器件不同而有不少差别, 分析和丈量不方便。因此混合型等效电路法较适宜于分析宽频带小信号放大器。 参数法那么是从丈量和运用的角度出发, 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, 分析和丈量方便。 缺陷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, 普通仅需思索谐振频率附近的特性, 因此采用这种分析方法较适

8、宜。 3.2.1 混合型等效电路 图321是晶体管高频共发射极混合型等效电路。 图中各元件称号及典型值范围如下： bb： 基区体电阻, 约。 be： 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。 bc：集电结电阻, 约kM。 ce：集电极发射极电阻, 几十千欧以上。 Cbe：发射结电容, 约 皮法到几百皮法。 Cbc：集电结电容, 约几个皮法。 m：晶体管跨导, 几十毫西门子以下。 由于集电结电容C bc跨接在输入输出端之间, 是双向传输元件, 使电路的分析复杂化。为了简化电路, 可以把C bc折合到输入端b、 e之间, 与电容C be并联, 其等效电容为： CM=(1+gmR

9、L)Cbc (3.2.1) 即把Cbc的作用等效到输入端, 这就是密勒效应。其中gm是晶体管跨导, RL是思索负载后的输出端总电阻, CM称为密勒电容。 另外另外, 由于由于rce和和rbc较大较大, 普通可以将其开路。这样普通可以将其开路。这样, 利利用密勒效应后的简化高频混合用密勒效应后的简化高频混合型等效电路如图型等效电路如图3.2.2所示。所示。 emrg1 re= )()()(26mAImvqIkTEQEQrbe=(1+0)reCbe+Cbc = erf21与各参数有关的公式如下：与各参数有关的公式如下：(3.2.2) 其中k为波尔兹曼常数, T是电阻温度(以绝对温度K计量), IE

10、Q是发射极静态电流, 0是晶体管低频短路电流放大系数, fT是晶体管特征频率。 确定晶体管混合型参数可以先查阅手册。 晶体管手册中普通给出r bb、Cbc、0和fT等参数, 然后根据式(3.2.2)可以计算出其它参数。 留意各参数均与静态任务点有关。 3.2.2参数等效电路 图3.2.3是双口网络表示图。 双口网络即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端钮, 流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。 而四端网络虽然其外部构造与双口网络一样, 但对流入流出电流没有类似的规定, 这是两者的区别。 对于双口网络, 在其每一个端口都只需一个电流变量和一个电压变量, 因此共有四个端口变量。如

11、设其中恣意两个为自变量, 其他两个为应变量, 那么共有六种组合方式, 也就是有六组能够的方程用以阐明双口网络端口变量之间的相互关系。 参数方程就是其中的一组, 它是选取各端口的电压为自变量, 电流为应变量, 其方程如下： 2121111UyUyI2221212UyUyI 其中11、12、21、22四个参数均具有导纳量纲, 且:0|2111UUIY0|12112UUIY0|21221UUIY0|12222UUIY 所以参数又称为短路导纳参数, 即确定这四个参数时必需使某一个端口电压为零, 也就是使该端口交流短路。 现以共发射极接法的晶体管为例, 将其看作一个双口网络, 如图324所示, 相应的参

12、数方程为：crebiebUyUyIcoebfecUyUyI(3.2.3)正向传输导纳0|bcbreUUIy 反向传输导纳 0|cbcfeUUIy输出导纳 0|bccoeUUIy0|cbbieUUIy其中, 输入导纳3.2.4)(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7) 图中受控电流源 表示输出电压对输入电流的控制造用反向控制； 表示输入电压对输出电流的控制造用正向控制。正向传输导纳fe越大, 表示晶体管的放大才干越强；反向传输导纳re越大, 表示晶体管的内部反响越强。re的存在, 对实践任务带来很大危害, 是谐振放大器自激的根源, 同时也使分析过程变得复杂, 因此应尽能够使其减小, 或减弱它的

13、影响。 晶体管的参数可以经过丈量得到。根据参数方程, 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, 然后丈量其输入端或输出端的交流电压和交流电流, 代入式(3.2.3)-(3.2.6)中就可求得。经过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管的参数。 CreUybfeUy 需求留意的是, 参数不仅与静态任务点的电压值、电流值有关, 而且是任务频率的函数。例如当发射极电流添加时, 输入与输出电导都将加大。 当任务频率较低时, 电容效应的影响逐渐减弱。所以无论是丈量还是查阅晶体管手册, 都应留意任务条件和任务频率。 显然, 在高频任务时由于晶体管结电容不可忽略, 参数是一个复数。晶体

14、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方式, 而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标方式, 即:eIyie=gie+jCie yoe=goe+jCoeyfe=|yfe|fe yre=|yre|re 3.2.3 晶体管的高频参数 思索电容效应后, 晶体管的电流增益是任务频率的函数。 下面引见三个与电流增益有关的晶体管高频参数。 1. 共射晶体管截止频率 共射短路电流放大系数 是指混合型等效电路输出交流短路时, 集电极电流 与基极电流 的比值。从图3.2.1可以看到, 当输出端短路后, r be、Cbe和Cbc三者并联。 CIbIffjccebjwrrgUIIcbeb

15、cbmCbC1)(1|0 取其模，得其中 0= gmr be f= )(21ebebebccr 由式(3.2.8)可知, 的幅值随频率的增高而下降。 当下降到0的 时, 对应的频率定义为共射晶体管截止频率f。 21(3.2.8)20)(1ff2. 特征频率特征频率fT 当当 | 的幅值下降到的幅值下降到1时时, 对应的频率定义为特征频率对应的频率定义为特征频率fT。 根据定义，有根据定义，有 那么那么 普通地，普通地， 所以所以1120ffT12ffT10ffT0 3 . 共基晶体管截止频率f 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0|CUeCIIa 的幅值也是随

16、频率的增高而下降, f定义为 的幅值下降到低频放大系数0的 时的频率。 a21 三个高频参数之间的关系满足以下各式：三个高频参数之间的关系满足以下各式： fT0f=g m rbe f fT0f ffTf (3.2.9)3.3 谐谐 振振 放放 大大 器器 由晶体管、场效应管或集成电路与并联谐振回路组成的高频小信号谐振放大器广泛用于广播、电视、通讯、雷达等接纳设备中, 其作用是将微弱的有用信号进展线性放大并滤除不需求的噪声和干扰信号。 谐振放大器的主要性能目的是电压增益, 通频带和矩形系数。 本节仅分析由晶体管和LC回路组成的谐振放大器。 3.3.1 单管单调谐放大器 电路组成及特点 图3.3.

17、1是一个典型的单管单调谐放大器。b与c分别是和信号源或前级放大器与负载或后级放大器的耦合电容, e是旁路电容。 电容与电感组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载, 其谐振频率应调谐在输入有用信号的中心频率上。回路与本级晶体管的耦合采用自耦变压器耦合方式, 这样可减弱晶体管输出导纳对回路的影响。图 2.3.1 单管单调谐放大电路 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。 电路性能分析 为了分析单管单调谐放大器的电压增益,

18、 图3.3.2给出了其等效电路。其中晶体管部分采用了参数等效电路, 忽略了反向传输导纳re的影响。输入信号源用电流源 并联源导纳s表示, 负载假定为另一级一样的单调谐放大器, 所以用晶体管输入导纳ie表示。 SI单管单调谐放大器的电压增益为：单管单调谐放大器的电压增益为：iUUA0 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 。由于负载的接入系数为2, 晶体管的接入系数为1, 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YL, 那么:CUiU0UcU0UiUuAieeLynLjcjgnY22021)1(1(3.3

19、.2)(3.3.1) 由于 是 上的电压, 且 与 相位相反, 所以CULYCUCILCCYUI 由Y参数方程(3.2.3)可知:coeifeCUyUyI代入式代入式(3.3.3)可得可得:CfeLoeiUyYyU 根据自耦变压器特性 因此, 201/,/nUUnUUppc(3.3.3)(3.3.4)(3.3.5)CUnnU120 将式(3.3.5)与(3.3.6)代入(3.3.1), 可得 LoefeiuYynynnUUA2121.0 其中, YL=n21YL是YL等效到谐振回路两端的导纳, 它包括回路本身元件、e0和负载导纳总的等效值, 即 YL=(ge0+jC+ +n22yie )1Lj

20、(3.3.6)(3.3.7)(3.3.8) 根据式3.2.7, 将式3.3.8代入3.3.7中, 那么:LjcjgynnAie1210 其中与分别为谐振回路总电导和总电容: g=n21goe+n22gie+ge0 C=n21Coe+n22Cie+C谐振频率LCf210LC10或(3.3.9)(3.3.11)(3.3.10)回路有载L值 QL= LggCX001 以上几个公式阐明, 思索了晶体管和负载的影响之后, 放大器谐振频率和值均有变化。 放大器谐振时， ， 谐振频率处放大器的电压增益gynnUUAfeiu21000其电压增益振幅 |Au0 |=gynnUUfei2100(3.3.14)(3

21、.3.13)(3.3.12)0100LC根据N(f)定义, 可写出放大器电压增益振幅的另一种表达式 Au=由式3.3.15可知, 单管单调谐放大器的单位谐振函数N(f)与其并联谐振回路的单位谐振函数一样, 且都可以写成： 202100000021)( ffQgynnAfNUUUUUUCfeuoii2000000211)( ffQAAAUAUUUfNCuuuiui(3.3.15)(3.3.16) 由于fe是复数, 有一个相角fe, 所以普通来说, 图3.3.1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

22、接入系数有关： (1) 为了增大u0, 应选取|yfe|大, oe小的晶体管。 (2) 为了增大u0, 要求负载电导小, 假设负载是下一级放大器, 那么要求其ie小。 (3) 回路谐振电导e0越小, u0越大。而e0取决于回路空载值0, 与0成反比。 (4) u0与接入系数1、2有关, 但不是单调递增或单调递减关系。由于1和2还会影响回路有载值e, 而e又将影响通频带,所以1与2的选择应全面思索, 选取最正确值。 实践放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下, 尽能够提高电压增益。 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

23、矩形系数一样, 其通频带那么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, 由于有载Q值小于空载Q值。 例3.1 在图3.3.1中, 知任务频率0MHz, cc, e mA。晶体管采用型高频管。其参数在上述任务条件和任务频率处的数值如下： gie=12mS,Cie=12pF；goe=400S,Coe=95pF；|yfe|=583mS, fe=-22；|yre|=310S, re=-888,回路电感H, 接入系数1, 2, 0。 负载是另一级一样的放大器。 求谐振电压增益振幅u0和通频带0.7，并求回路电容是多少时, 才干使回路谐振？sLQYL66600109 .37104 . 1

24、1030210011所以 g=ge0+n21goe+n22gie=37.910-6+40010-6+0.321210-3=0.5510-3S从而 Au0=321055. 0103 .583 . 03321gynnef由于PFLc20104 . 1)10302(1162620又所以ieoecncnCC2221pFCncnCCieoe4 . 9123 . 05 . 92022221 由 Qe= eQc2012307 . 0102014. 321055. 022cgQBWe可得 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, 所以遭到一定的限制。假设要进

25、一步增大电压增益, 可采用多级放大器。 3.3.2 多级单调谐放大器 假设多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上, 那么称为多级单调谐放大器。 设放大器有级, 各级电压增益振幅分别为u1, u2, , un, 那么总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即 nu1u2un (3.3.17) 假设每一级放大器的参数构造均一样, 根据式3.3.15, 那么总电压增益振幅 An=(Au1)n= (n1n2)n|yfe|n (3.3.18) 谐振频率处电压增益振幅nfennuygnnA)()(210 单位谐振函数 Nf= 2200)2(11nennffQAA级放大器通频带BWn=2f 0.7= 7

26、. 010011212BWQfnn 由上述公式可知, 级一样的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了, 而通频带比单级放大器的通频带减少了, 且级数越多, 频带越窄。 (3.3.19)(3.3.20)(3.3.21) 换句话说, 如多级放大器的频带确定以后, 级数越多, 那么要求其中每一级放大器的频带越宽。所以, 增益和通频带的矛盾是一个严重的问题, 特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说, 这个问题更为突出。这一特性与低频多级放大器一样。 例3.2 某中频放大器的通频带为MHz, 现采用两级或三级一样的单调谐放大器, 两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？ 解: 根据式3.3.

27、21, 当n=2时, 由于HzBWBW67 . 021210612所以, 要求每一级带宽ZHBW62167 . 01032. 912106同理, 当时, 要求每一级带宽HzBW77.11121063167 . 0 根据矩形系数定义, 当0.1时, nn001, 由式3.3.20)可求得:ennQffBW011 . 01 . 011002所以, 级单调谐放大器的矩形系数121100111 . 01 . 0nnnnnBWBWK 表3.3.1列出了n0.1与的关系。 表表3.3.1 单调谐放大器矩形系数与级数的关系单调谐放大器矩形系数与级数的关系 级数n12345678910矩形系数Kn01 9.9

28、54.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56 从表中可以看出, 当级数添加时, 放大器矩形系数有所改善, 但这种改善是有一定限制的, 最小不会低于2.56。 3.3.3 谐振放大器的稳定性 共射电路由于电压增益和电流增益都较大, 所以是谐振放大器的常用方式。 以上我们在讨论谐振放大器时, 都假定了反向传输导纳re, 即晶体管单向任务, 输入电压可以控制输出电流, 而输出电压不影响输入。实践上re0, 即输出电压可以反响到输入端, 引起输入电流的变化, 从而能够引起放大器任务不稳定。假设这个反响足够大, 且在相位上满足正反响条件, 那么会出现自激振荡。 为了

29、提高放大器的稳定性, 通常从两个方面着手。一是从晶体管本身想方法, 减小其反向传输导纳re值。 re的大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc由混合型等效电路图可知, bc跨接在输入、 输出端之间, 所以制造晶体管时应尽量使其bc减小, 使反响容抗增大, 反响作用减弱。二是从电路上设法消除晶体管的反向作用, 使它单向化。 详细方法有中和法与失配法。 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响电路中和电路, 以抵消晶体管内部参数re的反响作用。由于re的实部反响电导通常很小, 可以忽略, 所以经常只用一个电容N来抵消re的虚部反响电容的影响, 就可到达中和的目的。 为了使经过N的

30、外部电流和经过bc的内部反响电流相位相差,从而能相互抵消, 通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器。图3.3.3所示为收音机常用的中和电路, 是其交流等效电路。 为了直观, 将晶体管内部电容bc画在了晶体管外部。 由于re是随频率而变化的, 所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用, 对其它频率只能有部分中和作用, 又由于re是一个复数, 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路, 但这给调试添加了困难。另外, 假设再思索到分布参数的作用和温度变化等要素的影响, 中和电路的效果很有限。 失配法经过增大负载电导L, 进而增大总回路电导, 使输出电路严重失配, 输出电压相应减小

31、, 从而反响到输入端的电流减小, 对输入端的影响也就减小。可见, 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。 用两只晶体管按共射共基方式衔接成一个复合管是经常采用的一种失配法。 图3.3.4是其构造原理图。 由于共基电路的输入导纳较大, 当它和输出导纳较小的共射电路衔接时, 相当于使共射电路的负载导纳增大而失配, 从而使共射晶体管内部反响减弱, 稳定性大大提高。 由于re是随频率而变化的, 所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用, 对其它频率只能有部分中和作用, 又由于re是一个复数, 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路, 但这给调试添加了困难。 另外, 假设再思索到分布参数

32、的作用和温度变化等要素的影响, 中和电路的效果很有限。 失配法经过增大负载电导L, 进而增大总回路电导, 使输出电路严重失配, 输出电压相应减小, 从而反响到输入端的电流减小, 对输入端的影响也就减小。可见, 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。 3.4 宽频带放大器宽频带放大器 宽频带放大器既要有较大的电压增益, 又要有很宽的通频带, 所以常用电压增益Au和通频带BW的乘积作为衡量其性能的重要目的, 称为增益带宽积, 写成GBW=AufH。此处的通频带用上限截止频率fH表示, 由于宽频带放大器的下限截止频率fL普通很低或为零频。Au是电压增益幅值。增益带宽积越大的宽频带放大器的性能越好。 宽

33、频带放大器既可以由晶体管和场效应管组成, 也可以由集成电路组成。 本节以单级差分放大器为例进展分析, 可以推行到由差分电路组成的单级或多级集成电路宽频带放. 3.4.1 单级差分宽频带放大器 集成宽频带放大器常采用单级或多级差分电路方式。 由于单级共射电路可看成是单级差分电路的差模半电路, 所以先分析单级共射电路的电压增益和通频带(用上限截止频率fH表示)。 宽频带放大器中的晶体管特性适宜采用混合型等效电路。图3.4.1(a)、 (b)分别是共射电路的交流通路和高频等效电路。 设RL是交流负载，且 Z be= rbe = ijwc1iebjwcr1Ct=Cbe+CM=Cbe+(1+gmRL)

34、bec Rt=r ber bb= (3.4.3)那么 (3.4.4)bbebbbebrrrrittbbtiebbbebebUcRjrRUzrzU1/LebmRUgU0HbbLtmujrRRgUUA1110 其中H= , 即上限截止频率 fH= (3.4.7) 下面继续推导差分电路的差分电压增益和上限截止频率。 图3.4.2是一个双端输入双端输出的差分放大电路。 它的差模电压增益与单管共射电路的电压增益 一样。 ttCR1ttCR21HbbLtmudjrRRgA11udAudA 此处RL=Rc 。上限截止频率fH与式(3.4.7)一样。 增益带宽积 2LR GBW= tbbLHudcrRgmfA

35、2 例3.3 在图3.4.2所示差分放大器中, V1管和V2管的参数一样, 在IEQ=1mA时，均为0=100, rbb=50, Cbc=2pF, fT=200MHz。RC=2 k，RL=10 k。计算此差分放大器的差模电压增益、 上限截止频率和增益带宽积。 解: 先求晶体管混合型参数。根据式(3.2.2)和式(3.2.1)可以得出： re= 2612626EQIgm sre04. 02611 R be=(1+o)r e=(1+100)26=2.6 k RL=Rc RL=2k5k1.43k 21 CM=(1+gmRL)Cbc=(1+0.041.43103)210-12116pF C be= 然

36、后求差模电压增益、上限截止频率和增益带宽积。 由式(3.4.2)和式(3.4.3)可以求得： 261020021216cbeTCrfHHHbbymudjjjrRg 14904. 011346.22106 tHCRf GBW=AudfH=5622.46106=1.26109 假设在图3.4.2所示差分放大器中, 两个晶体管的基极上各外接一个电阻Rb, 这时的电路如图3.4.3所示。容易看出, 与图3.4.1(b)比较, 在图3.4.3对应的差模半电路的交流等效电路中, Rb与rbb串联, 定义 Rb=Rb+rbb (3.4.10)那么相应的 R

37、t=r beRb (3.4.11)HbLtudjRRRgmA11ttHcRf21 对于差分放大器的其它三种组态, 即双端输入单端输出、 单端输入双端输出和单端输入单端输出, 读者可以根据课程中的知识, 分别推导出相应的差模电压增益和上限截止频率公式。 3.4.2 展宽放大器频带的方法 在实践宽频带放大电路中, 要展宽通频带, 也就是要提高上限截止频率, 主要有组合法和反响法两种方法。 1 组合电路法 在集成宽频带放大器中广泛采用共射-共基组合电路, 如图3.4.4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, 从而带宽遭到限制, 这主要是由于

38、密勒效应的缘故。 图 2.4.4 集成宽带放大器中的共射共基电路 CM=(1+gmRL)Cbc (3.2.1) 从式(3.2.1)可以看到, 集电结电容C bc等效到输入端以后, 电容值添加为原来的(1+gmRL)倍。 虽然Cbc数值很小, 普通仅几个皮法, 但M普通却很大。 密勒效应使共射电路输入电容增大、容抗减小, 且随频率的增大容抗更加减小, 因此高频性能降低。 在共基电路和共集电路中, bc或者处于输出端, 或者处于输入端, 无密勒效应, 所以上限截止频率远高于共射电路。 在图3.4.4所示共射共基组合电路中, 上限频率由共射电路的上限截止频率决议。 利用共基电路输入阻抗小的特点, 将

39、它作为共射电路的负载, 使共射电路输出总电阻L大大减小, 进而使密勒电容M大大减小, 高频性能有所改善, 从而有效地扩展了共射电路亦即整个组合电路的上限截止频率。由于共射电路负载减小, 所以电压增益减小。但这可以由电压增益较大的共基电路进展补偿。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。 在集成电路里, 可以采用共射共基差分对电路。图3.4.5所示国产宽带放大器集成电路与国外产品, 相当里采用了这种电路, 它的带宽可到达 z。 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b2, b1时, V8和V4

40、 、V5截止, 信号电流由V1、V2流入V3、 V6后输出。 如外电路使b1, b2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b1b2时, 经过负载的电流那么相互抵消, 输出为零。e用于高频补偿, 因高频时容抗减小, 发射极反响深度减小, 使频带展宽。这种集成电路常用作 MHz以上宽带示波器中的高频、 中频和视频放大。 采用共集共基, 共集共射等组合电路也可以提高上限截止频率。 例3.4 知晶体管混合型参数与例2.3中一样, 分别求出图例 2.4(a)、 (b)所示共射共基电路和单管共射电路的电压增益和上限截止频率。交流负

41、载L=15k。 解: 先求共射共基电路的电压增益和上限截止频率。共射共基电路的交流等效电路如图例3.4(c)所示, 其中虚线框内是共基电路混合型等效电路。 在共射电路中， 由式(2.4.5)可以写出:ittbbtebUcjwRrRU1/ 其中cbmebbbebbbebtcregcctrrrrR)1 (, 留意此时共射电路的输出端负载电阻是re。 由于 ebebeemtebeebeebebUCjwrrgjwcrjwcrUgmU111 01010111UcRjwRgmjwcRjwcRUgmUebLLebLebL 其中 是共射电路输出电压或共基电路输入电压，所以01UiebebiuUUUUUUUUA

42、0101003212111111jjjrRrRgbbLetm其中,11ttcR,12beecr,13ebLcR 代入知各参数, 可求得： 612 bbLetmurRrRgAZttMHCRf6 .99211ZebeMHCrf1345212ZebLMHCRf333213由于f1f2, f1f3ZHMHff6 .9931 由于gm , 所以共射共基电路的电压增益幅值与单级共射电路大致一样, 上限截止频率提高为单级共射电路的4倍多。 负反响法 调理负反响电路中的某些元件参数, 可以改动反响深度, 从而调理负反响放大器的增益和频带宽度。假设以牺牲增益为代价, 可以扩展放大器的频带, 其类型可以是单级负反

43、响, 也可以是多级负反响。 单管负反响放大器可以采用电流串联和电压并联两种反响电路, 其交流等效电路分别如图3.4.6、所示。er1 其中电流串联负反响电路的特点是输入、输出阻抗高, 所以适宜与低内阻的信号电压源衔接。电压并联负反响电路的特点是输入、输出阻抗低, 所以适宜与高内阻的信号电流源衔接在集成电路里, 用差分电路替代单管电路, 将电流串联负反响电路和电压并联负反响电路级联, 可提高上限截止频率。图3.4.7所示集成宽带放大电路中, V1、 V2组成电流串联负反响差分放大器, V3V6组成电压并联负反响差分放大器(其中V5和V6兼作输出级), V7V11为恒流源电路。改动第一级差放的负反

44、响电阻, 可调理整个电路的电压增益。 将引出端和短接, 增益可达倍； 将引出端10和短接, 增益可达倍。各引出端均不短接, 增益为倍。以上三种情况下的上限截止频率依次为MHz, MHz和 MHz。 图3.4.8给出了F733用作可调增益放大器时的典型接法。图中电位器R是用于调理电压增益和带宽的。当R调到零时, 与短接, 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, 这时交流负反响最强, 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延续可调。 3.5

45、集中选频放大器集中选频放大器 第3.3.3节引见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, 普通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。且安装调试费事，不适宜批量消费。随着电子技术的开展, 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展选频, 然后利用单级或多级集成宽带放大电路进展信号放大。前者以集中预选频替代了逐级选频, 减小了调试的难度, 后者可充分发扬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引见了, 下面仅讨论集中滤波器。

46、 集中滤波器的义务是选频, 要求在满足通频带目的的同时, 矩形系数要好。其主要类型有集中滤波器、陶瓷滤波器和声外表波滤波器等。集中滤波器通常由一节或假设干节网络组成, 根据网络实际, 按照带宽、 衰减特性等要求进展设计, 目前已得到了广泛运用。 图3.5.1给出了一种集中网络构造。 陶瓷滤波器是由压电陶瓷资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, 但任务频率不太高几十兆赫兹以下, 相对频宽较窄。 目前, 运用最普遍的集中滤波器是声外表波滤波器。 声外表波滤波器urface coustic ave ilter是利用某些晶体的压电效应和外表波传播的物理特性制成的一种

47、新型电声换能器件。所谓压电效应是指：当晶体遭到应力作用时, 在它的某些特定外表上将出现电荷, 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；当晶体遭到电场作用时, 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, 声外表波滤波器的开展非常迅速。它不仅不需求调整, 而且具有良好的幅频特性和相频特性, 其矩形系数接近。 图3.5.2是声外表波滤波器根本构造、符号和等效电路。 声外表波滤波器是在经过研磨抛光的极薄的压电资料基片上, 用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极, 其中与信号源衔接的一组称为发

48、送叉指换能器, 与负载衔接的一组称为接纳叉指换能器。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, 基体资料将产生弹性变形, 从而产生声波振动。向基片内部传送的体波会很快衰减, 而外表波那么向垂直于电极的左、右两个方向传播。向左传送的声外表波被涂于基片左端的吸声资料所吸收, 向右传送的声外表波由接纳换能器接纳, 由于正压电效应, 在叉指对间产生电信号, 并由此端输出。 声外表波滤波器的滤波特性,如中心频率、频带宽度、频响特性等普通由叉指换能器的几何外形和尺寸决议。这些几何尺寸包括叉指对数、 指条宽度a、 指条间隔b、 指条有效长度和周期长度等。 目前声外表

49、波滤波器的中心频率可在MHzHz之间, 相对带宽为%, 插入损耗最低仅几个分贝, 矩形系数可达。 为了保证对信号的选择性要求, 声外表波滤波器在接入实践电路时必需实现良好的匹配。图2.5.3所示为一接有声外表波滤波器的预中放电路, 滤波器输出端与一宽带放大器相接。 3.6 电噪声电噪声 人们收听广播时, 经常会听到“沙沙声； 观看电视时, 经常会看到“雪花似的背景或波纹线, 这些都是接纳机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果。 噪声对有用信号的接纳产生了干扰, 特别是当有用信号较弱时, 噪声的影响就更为突出, 严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接纳。 噪声的种类很多。 有的是从器件外部窜扰

50、进来的, 称为外部噪声；有的是器件内部产生的, 称为内部噪声。本书只引见内部噪声。 内部噪声源主要有电阻热噪声、 晶体管噪声和场效应管噪声三种。 3.6.1 电阻热噪声 电阻热噪声是由于电阻内部自在电子的热运动产生的。 在运动中自在电子经常相互碰撞, 因此其运动速度的大小和方向都是不规那么的。 温度越高, 运动越猛烈。只需当温度下降到绝对零度时, 运动才会停顿。自在电子这种热运动在导体内构成非常微弱的电流, 这种电流呈杂乱起伏的形状, 称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。 由于起伏噪声电压的变化是不规那么的, 其瞬时振幅和瞬时相位是随机的, 所以无法计算其瞬

51、时值。起伏噪声电压的平均值为零, 噪声电压正是不规那么地偏离此平均值而起伏变化。 但是, 起伏噪声的均方值是确定的, 可以用功率计丈量出来。实验发现, 在整个无线电频段内, 当温度一定时, 单位电阻上所耗费的平均功率在单位频带内几乎是一个常数, 即其功率频谱密度是一个常数。对照白光内包含了一切可见光波长这一景象, 人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。 阻值为的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为： RkTfsI4)(kTRfsU4)( k=1.3810-23JK (3.6.3)其中k是波尔兹曼常数, 是电阻温度, 以绝对温度计量。 在频带宽度为内

52、产生的热噪声均方值电流和均方值电压分别为： I2n=SI(f)BW =4kTG BW (3.6.4) U2n=SU(f)BW=4kTR BW (3.6.5)所以, 一个实践电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示, 如图3.6.1所示。 理想电抗元件是不会产生噪声的, 但实践电抗元件是有损耗电阻的, 这些损耗电阻会产生噪声。对于实践电感的损耗电阻普通不能忽略, 而对于实践电容的损耗电阻普通可以忽略。 例2.5 试计算k电阻的噪声均方值电压和均方值电流各是多少？设K, k。 解: U2n=4kTRBW=41.3810-23290510103105 8.1610-102 I2n=4kTBWR=41

53、.3810-23290105510103) 3.1410-212 3.6.2 晶体管噪声 晶体管噪声主要包括以下四部分。 热噪声 构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声, 其中以基区体电阻rbb的影响为主。 散弹噪声 散弹噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内经过结的载流子数目随机起伏而呵斥的。人们将这种景象比较为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离, 故称为散弹噪声。在本质上它与电阻热噪声类似, 属于均匀频谱的白噪声, 其电流功率频谱密度为: I0 (3.6.6) 其中0是经过结的平均电流值, 是每个载流子所载的电荷量。-19库仑。 留意, 在0时, 散弹噪声为

54、零, 但是只需不是绝对零度, 热噪声总是存在。这是二者的区别。 分配噪声 在晶体管中, 经过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结, 构成集电极电流, 而小部分在基区内复合, 构成基极电流。 这两部分电流的分配比例是随机的, 从而呵斥集电极电流在静态值上下起伏变化, 产生噪声, 这就是分配噪声。 分配噪声实践上也是一种散弹噪声, 但它的功率频谱密度是随频率变化的, 频率越高, 噪声越大。其功率频谱密度也可近似按式3.6.6计算。 闪烁噪声 产生这种噪声的机理目前还不甚明了, 普通以为是由于晶体管外表清洁处置不好或有缺陷呵斥的, 其特点是频谱集中在约k以下的低频范围, 且功率频谱密度随频率降低而增

55、大。在高频任务时, 可以忽略闪烁噪声。 3.6.3 场效应管噪声 场效应管是依托多子在沟道中的漂移运动而任务的, 沟道中多子的不规那么热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声, 称为沟道热噪声, 这是场效应管的主要噪声源。 其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。 沟道热噪声和栅极漏电流散弹噪声的电流功率频谱密度分别是： SI(f)=4kT (3.6.7) SI(f)=2qIg (3.6.8) 其中m是场效应管跨导, g是栅极漏电流。 mg32 3.6.4 额定功率和额定功率增益 在分析和计算噪声问题时, 用额定功率和额定功率增益概念可以使问题简化,

56、 物理意义更加明确。 信号额定功率是指电压信号源 能够输出的最大功率。 当负载阻抗L与信号源阻抗s匹配时, 信号源输出功率最大。 所以, 其额定功率为： PA= (3.6.9) 可见, 额定功率是表征信号源的一个参量, 与其实践负载值无关。 SU4422SSSIRU 如今用额定功率来表示电阻的热噪声功率。 电阻R的噪声额定功率为:PnA= (3.6.10)BWTKRBWfSRUUn4)(42 由上式可见, 电阻的噪声额定功率只与温度及通频带有关, 而与本身阻值和负载无关留意, 实践功率是与负载有关的。 这一结论可以推行到任何无源二端网络。 额定功率增益PA是指一个线性四端网络的输出额定功率Ao

57、与输入额定功率Ai的比值。即:AiApAPPG03.6.11 可见, 额定功率增益是表征线性四端网络的一个参量。 只需网络与其信号源电路确定, 那么额定功率增益就是一个定值, 而与该网络输入、输出电路能否匹配无关。 例3.6 求图例2.6所示四端网络的额定功率增益。 解: 图示四端网络输入端额定功率Ai也就是输入信号源 的额定功率, 即:SUSSAiRUP42 从四端网络输出端往左看, 其戴维南等效电路是由信号源 与电阻s串联组成, 所以输出端额定功率为:SU PAo=所以, 额定功率增益 GPA= 可见, 图示四端网络的额定功率增益仅与网络电阻和信号源内阻有关, 与负载无关, 且无论网络输入

58、、输出端能否匹配均为一固定值。 )(42RRUSSRRRPPSsAiA0 3.6.5 线性四端网络的噪声系数 为了使放大器可以正常任务, 除了要满足增益、 通频带、 选择性等要求之外, 还应对放大器的内部噪声给以限制, 普通是对放大器的输出端提出满足一定信噪比的要求。对于其它线性四端网络也有同样的要求。 所谓信噪比是指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。 信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)通常用分贝数表示, 写作： SNR= (3.6.12)其中s、n分别为信号功率与噪声功率。下面以放大器为例来推导线性四端网络的噪声系数。 dBppnslg10 噪声系数定义 假设

59、放大器内部不产生噪声, 当输入信号与噪声经过它时, 二者都得到同样的放大, 那么放大器的输出信噪比与输入信噪比相等。而实践放大器是由晶体管和电阻等元器件组成,热噪声和散弹噪声构成其内部噪声, 所以输出信噪比总是小于输入信噪比。为了衡量放大器噪声性能的好坏, 提出了噪声系数这一性能目的。 放大器的噪声系数NF(Noise Figure)定义为输入信噪比与输出信噪比的比值, 即:00/nsnisiPPPPNF 3.6.13上述定义可推行到一切线性四端网络。上述定义可推行到一切线性四端网络。 假设用分贝数表示假设用分贝数表示, 那么写作那么写作: NF=10lg (3.6.14) 从式从式3.6.1

60、3可以看出可以看出, 是一个大于或等于的数。是一个大于或等于的数。 其值越接近于其值越接近于, 那么表示该放大器的内部噪声性能越好。那么表示该放大器的内部噪声性能越好。 式式3.6.13中的中的ni是随信号一同进入放大器的噪声功率是随信号一同进入放大器的噪声功率, 其大小是随机的其大小是随机的, 而噪声系数应是表征放大器内部噪声确实定而噪声系数应是表征放大器内部噪声确实定值值, 所以有必要对所以有必要对ni规范化。规范化。dBPPPPnosonisi/ 通常规定ni是输入信号源内阻s的热噪声产生在放大器输入端的噪声功率, 而s的温度规定为, 称为规范噪声温度, 用表示。相应的噪声系数称为“规范