第3章高频小信号放大器

1、第第3 3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：3.1 概述概述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3.3 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器3.4 多级单调谐回路谐振放大器多级单调谐回路谐振放大器3.5 双调谐回路谐振放大器双调谐回路谐振放大器3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施谐振放大器的稳定性与稳定措施 3.1 概述概述 直直流流放放大大器器 小小信信号号低低频频放放大大器器：低低频频宽宽带带放放大大器器 小小信信号号放放大大器器： 交交流流放放大大器器 小小信信号号高高频频放放大大器器： 高高频频窄窄带带放放大大器器： 中中心心

2、频频率率(几几百百kHz几几百百MHz) 特特点点： 工工作作频频率率高高，中中心心频频率率几几百百 kHz几几百百 MHz 具具有有选选频频特特性性，一一般般负负载载采采用用谐谐振振回回路路 晶晶体体管管工工作作在在线线性性区区，可可看看成成线线性性元元件件，可可 用用有有源源四四端端网网络络参参数数微微变变等等效效电电路路来来分分析析。高频小信号放大器主要性能指标高频小信号放大器主要性能指标1)1)谐振增益谐振增益2)2)通频带通频带3)3)选择性选择性4)4)工作稳定性工作稳定性 5)5)噪声系数噪声系数N NF F 放大器的放大器的谐振增益谐振增益是指放大器在谐振频率上的电压增益，是指

3、放大器在谐振频率上的电压增益，记为记为A Auouo，其值可用分贝，其值可用分贝(dB)(dB)表示。表示。A Au u/A/Auouo表示表示相对电压增益相对电压增益。1、谐振增益、谐振增益 Auo一般调幅广播收音机的通频带约为一般调幅广播收音机的通频带约为8kHz;8kHz;调频广播收音调频广播收音机的通频带约为机的通频带约为200kHz200kHz，电视接收机的通频带则为，电视接收机的通频带则为6 68MHz8MHz。2 通频带通频带0vvAA3 3、选择性、选择性 放大器从含有不同频率的信号总和（有用的和有害放大器从含有不同频率的信号总和（有用的和有害的）中选出有用信号，排除有害（干扰

4、）信号的能力，的）中选出有用信号，排除有害（干扰）信号的能力，称为放大器的选择性。称为放大器的选择性。 衡量选择性的基本指标：衡量选择性的基本指标：矩形系数和抑制比矩形系数和抑制比1）矩形系数）矩形系数7 . 001. 001. 07 . 01 . 01 . 02222ffKffKrr理想的频率特性曲线应为矩形，矩形系数为理想的频率特性曲线应为矩形，矩形系数为1。放大器。放大器的矩形系数越小越好。的矩形系数越小越好。2）抑制比抑制比（或称抗拒比，通常说明某些特定频率如（或称抗拒比，通常说明某些特定频率如中频、象频等选择性的好坏）中频、象频等选择性的好坏）vnvvnvAAdBd orAAd00l

5、g20)( 越大说明选择性越好越大说明选择性越好稳稳定定性性：指指放放大大器器的的工工作作点点，晶晶体体管管参参数数，电电路路元元件件参参数数变变化化时时，放放大大器器的的稳稳定定程程度度。即即当当 IC，UCE Au ,rbe f 元元件件参参数数变变化化 B 4工作稳定性工作稳定性5 5噪声系数噪声系数N NF F 是指放大器输入端的信噪比与输出端信噪比的比值是指放大器输入端的信噪比与输出端信噪比的比值。理想情况应为理想情况应为1 /10lg()/iniFonoiniFonoP PNPPP PNdBPP输入端的信噪比输出端的信噪比以以上上这这些些要要求求相相互互之之间间即即有有联联系系又又

6、有有矛矛盾盾，例例如如增增益益和和稳稳定定性性，通通频频带带和和选选择择性性等等。3.23.2 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 在分析高频小信号放大器时，由于高频小信号调谐放在分析高频小信号放大器时，由于高频小信号调谐放大器的调谐回路以及下一级负载，大都与晶体管并联，因大器的调谐回路以及下一级负载，大都与晶体管并联，因此采用此采用Y Y参数等效电路参数等效电路进行分析是比较方便的。可将晶体进行分析是比较方便的。可将晶体管等效成一个管等效成一个Y Y参数等效电路。参数等效电路。3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）形式等效电路（网络参数等效电路）bcbeceU

7、UII 取电压和为自变量， 和作为因变量。 根据四端网络的理论，可以得晶体管的Y参数的 网络方程：bbeceierecbecefeoeIy Uy UIy Uy U+0000cebecebebiebeUbreceUcfebeUcoeceUIyUIyUIyUIyU称为输出短路时的输入导纳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如短路时的输出导纳fer ejfefejr er eyyeyyeieieieygj Coeoeoeygj C其其中中ieg和和oeg称称为为输输入入，输输出出电电导导；ieC和和oeC为为输输入入，输输出出电电容容；fey和和rey为为正正向向，反反向向

8、传传输输幅幅频频特特性性；fe 和和re 为为相相频频特特性性注注意意：以以上上短短路路参参数数为为晶晶体体管管本本身身的的参参数数，只只与与晶晶体体管管的的特特征征有有关关，与与外外电电路路无无关关，又又称称为为内内参参数数。晶体管晶体管Y Y参数等效电路参数等效电路晶体管放大器及其等效电路晶体管放大器及其等效电路siefereoeoLoefereieisiefereoeLoefereieLoefereieYyyyyVIYYyyyyVIYVYyyyyIVYyyyyIVYIVyVyIVyVyI? )( )( 2211221122212211输入导纳输入导纳输出导纳输出导纳21fevoeLyVA

9、yYV 3.2.2CberbbCbcrbcrbeubercegm ube注注意意：C bc和和 rbb的的存存在在对对晶晶体体管管的的高高频频运运用用的的十十分分不不利利的的。 Cbc将将输输出出交交流流电电流流反反馈馈到到输输入入端端，可可能能会会引引起起放放大大器器自自激激。 rbb在在共共基基电电路路中中会会引引起起高高频频负负载载反反馈馈，降降低低晶晶体体管管的的电电流流放放大大系系数数。 bbebebbbebebierCj)gr1(Cjgy bbebebbbcbcbrerCj)gr1(Cjgy bbebebbbmferCj)gr1(gy bbebebbbebcbmbbcbceoerC

10、j)gr1(CjggrCjgy 3.2.3CberbbCbcrbcrbeubercegm ube一一般般的的晶晶体体管管通通常常满满足足ebmgg ，cbebgg ，cbcegg ，对对共共射射极极电电路路可可以以推推算算出出：ieieieoeoeoefefefeoefeoeygj Cygj Cyyyy由上式可见，四个参数都是复数，为以后方便，可表示为由上式可见，四个参数都是复数，为以后方便，可表示为其其中中ieg和和oeg称称为为输输入入，输输出出电电导导；ieC和和oeC为为输输入入，输输出出电电容容；fey和和rey为为正正向向，反反向向传传输输幅幅频频特特性性；fe 和和re 为为相相

11、频频特特性性2222222222221;arctan;(arctan)2bbb eb e bbb eb eb eieieb c bbb cm bbb coeceb cb cmfefeb crerear gbC ragb CCgCababb C raC g rbgggagCoeCababgbyaabCbyaab 令010125070 ,3,5010CEETbbb cVVImAfMHzrCpFfMHzy例：某晶体管在，时的，又。求该管在频率时的共发电路的 参数。mSj.j.jbajbagrCjbajbaCjggrCjgymSj.jbajbagymSj.j.jbajbaCjgymS.j.j.jbaj

12、baCjgy.rCb.grapF.fgCmS.rgmS.IgmbbcbcbcbmbbcbceoemfecbcbreebebiebbebebbbTmebebmEeb68. 0049. 01011 . 01107 .377011031014321733. 3327.371011 . 01107 .37187. 00187. 01011 . 0110310143241189501011 . 01102410143210754. 010701024101432110754070112410250143210737273710754050754015026112674223127222222322221

13、272222127322127363300解：2 特特 征征 频频 率率Tf f0 2/0 Tf f1由由于于晶晶体体管管的的 与与频频率率之之间间的的关关系系为为： ffj10 20)ff(1 有有 由定义：令由定义：令1)ff(12T0可得可得 f1ff002T 3.2.4）1 截止频率截止频率 定义：当定义：当 下降到低频值下降到低频值0 的的21时对应的频率为时对应的频率为 ff定定义义：晶晶体体管管的的功功率率增增益益1 pG时时的的工工作作频频率率为为maxf maxf表表示示一一个个晶晶体体管管所所能能适适用用的的最最高高极极限限频频率率。在在此此频频率率工工作作时时，晶晶体体管

14、管已已得得不不到到功功率率放放大大。一一般般当当maxff 时时，无无论论用用什什么么方方法法都都不不能能使使晶晶体体管管产产生生振振荡荡。可可以以证证明明：cbebbbmmaxCCr4g21f 以以上上三三个个频频率率参参数数的的大大小小顺顺序序为为： fffT max。3 最最高高振振荡荡频频率率maxf）3.3 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器一、基本电路与工作原理一、基本电路与工作原理1 直直流流偏偏置置电电路路 Rb1、Rb2为为基基极极分分压压式式偏偏置置电电阻阻，Re为为射射极极负负反反馈馈偏偏置置电电阻阻，稳稳定定静静态态工工作作点点，Cb、Ce为为旁旁路路电电容容。输

15、输入入回回路路：输输入入变变压压器器次次级级绕绕阻阻 B1 晶晶体体管管：T输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管3 放放大大器器 Y 参参数数等等效效电电路路其其中中：ieieieCjgy oeoeoeCjgy LLLCjgy 另外，为了实现晶体管输出阻抗与负载之间的阻抗匹配，减少晶体管输另外，为了实现晶体管输出阻抗与负载之间的阻抗匹配，减少晶体管输出电阻与负载对品质因数的影响：出电阻与负载对品质因数的影响： 32154yieyoe yreuce yfeubeCyLLieLoefereieiyYyyyyY 二、放大器性能参数分析：二、放大器性能参数分析：1放放大大器器输输入入导导纳纳Y

16、i bebiuiY 而而： ceLcoecebeccereiebebuYiyuuyiuyyuife ib+ube-iC+uce-LY 而而回回路路 3、1 端端之之间间总总电电导导为为：)Lj1Cjypg(YL220L 其其中中0g为为回回路路的的自自损损耗耗电电导导 把把LY折折合合到到 2、1 端端可可得得： )1(112202121LjCjypgpYpYLLL 由由上上两两式式可可求求出出：beLoefeceuYyyu Yi0giC yfeubeyoeLY +uce-yoeyfeubeyreuceyieYSyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSyfeubeyoeyreucey

17、ieYS2放放大大器器输输出出导导纳纳+ ceu Yo0icecosuiY Yo )yY(uuyguuyiiesbecereoecebefec由由（2）式可得：）式可得：ceiesrebeuyyyu iC代代入入（1）式式得得：iesfereoeoyYyyyY 可可 见见 上上 式式 中中 第第 一一 项项oey为为 晶晶 体体 管管 的的 短短 路路 输输 出出 导导 纳纳 ， 第第 二二 项项 是是 由由rey引引 起起 的的 输输 出出 导导 纳纳 ， 且且 与与 信信 号号 源源 的的 内内 导导 纳纳sY有有 关关 。 一一 般般 在在 忽忽 略略rey的的 作作 用用 时时 ，oe

18、oyY + beu 0gyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiS3 电电压压放放大大倍倍数数解解 法法 一一 ：+u54-+u31-+u21-利利 用用 上上 述述 求求 解解 输输 入入 导导纳纳 的的 方方 法法 ， 把把 振振 荡荡 回回路路 折折 合合 到到 晶晶 体体 管管 集集 电电极极回回路路的的等等效效电电路路31254oupuu 31121ceupuu ce12ouppu 有如如右右图图所所示示：beLoefeceuYyyu 故故可可得得)Yy(pypuuALoe1fe2iou 而而beiuu +ube-LY iC yfeubeyoeLY +uce-yLYSyiey

19、reuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeYLyLyfeubeyoe3 电电压压放放大大倍倍数数解解 法法 二二 ：把晶体管集电极回路把晶体管集电极回路和负载和负载Ly折合到振荡折合到振荡回路两端回路两端 be312iouuupuuA 31254oupuu +u54-LjCjguypubefe 1131 +u31-其其 中中 ： L22oe21L22oe21oCpCpCCgpgpgg LLLoeoeoeCjgyCjgy )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-p1yfeubep1yfeube+u31-p1yfeubeyLYS

20、yieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego3 电电压压放放大大倍倍数数)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u 其其中中： LCfo 21为为调调谐谐放放大大器器的的谐谐振振频频率率。另另外外（常常用用） ，当当谐谐振振时时，off ，0 f 则则有有： L22oe21ofe21fe21uogpgpgyppgyppA +u31-由由上上式式可可以以看看出出：一一般般情情况况下下，放放大大器器在在回回路路调调谐谐时时，输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之间间的的相相位位差差并并不不是是180o。)21 (12121oLfefevffjQgypp

21、LjCjgyppA4 放放 大大 器器 的的 通通 频频 带带归归一一化化电电压压增增益益为为： oAA 如如果果令令21112 oAA即即可可求求出出放放大大器器的的通通频频带带为为：Lo7.0Qff2B 可可见见：QL B1B22oLo11)ff2Q(11AA 为放大器谐振曲线。为放大器谐振曲线。 j11ff2jQ11AAoLo oLff2Q 为广义失谐因子。为广义失谐因子。LoeofefeogpgpgyppgyppA22212121 另另外外，电电压压增增益益oA 与与通通频频带带之之间间的的关关系系： gCQoL CfffCfQCgooLo7 .07 .0422 Cf4yppgyppA

22、7 . 0fe21fe21uo 有有 C 7 . 0f oA LoQffB7.02 oAA 15单单调调谐谐放放大大器器的的选选择择性性：7 . 0f2 可可 得得 ：Lo21.0Qf110f2 有有195. 9110k21 . 0 说说明明谐谐振振曲曲线线与与矩矩形形相相差差较较远远，选选择择性性较较差差，这这是是单单调调谐谐放放大大器器的的缺缺点点。1 .0f2 gobefeuyp1oegp21Lgp226功率增益功率增益式式中中iP为为放放大大器器的的输输入入功功率率，oP为为输输出出端端负负载载Lg上上获获得得的的功功率率。 右右图图给给出出了了谐谐振振时时的的简简化化等等效效电电路路

23、。 有：有：2beieiugP LbefeLogpguypgpuP222122231 ieLuoieLfepoggAgggyppG2222221 讨讨论论： i)如如果果设设 LC 调调谐谐回回路路自自身身元元件件无无损损耗耗，且且输输出出回回路路传传输输匹匹配配。 即即 ： 222oe21ogpgp0g则则可可得得最最大大功功率率增增益益为为： oeie2feL22oe21ieL2fe2221ieL2L22oe212fe2221maxpogg4ygpgpg4gyppgggpgpyppG +u31-讨讨论论：i)如如果果设设 LC 调调谐谐回回路路自自身身元元件件无无损损耗耗，且且输输出出回回

24、路路传传输输匹匹配配。即即 ： 222oe21ogpgp0g则则 可可 得得 最最 大大 功功 率率 增增 益益 为为 ： oeie2feL22oe21ieL2fe2221ieL2L22oe212fe2221maxpogg4ygpgpg4gyppgggpgpyppG 上上式式中中的的 maxpoG是是放放大大器器输输出出端端达达到到共共轭轭匹匹配配时时，在在给给定定工工作作频频率率时时放放大大能能力力的的极极限限值值。但但在在实实际际应应用用中中，因因放放大大倍倍数数太太大大，工工作作反反而而不不稳稳定定，线线路路调调节节也也较较麻麻烦烦。ii)考考虑虑到到og的的存存在在，即即 Loeogp

25、gpg22210可可得得最最大大功功率率增增益益为为： maxpo20L20Loeie2femaxpoG)QQ1()QQ1(gg4yG 式式中中：20L)QQ1( 称称为为回回路路的的插插入入损损耗耗而而 值值空空载载值值有有载载QLgQQLggCQoooooL 11gobefeuyp1oegp21Lgp22+u31-2n22n20Ln0uun01u1u0nn11ff2Q11AAAAAA 3.4 多级单调谐回路谐振放大器多级单调谐回路谐振放大器设设放放大大器器有有 n 级级，各各级级的的电电压压增增益益分分别别为为un3u2u1uAA,A,A，则则总总电电压压增增益益nA为为：un3u2u1u

26、nAAAAA 而而谐谐振振时时的的电电压压总总增增益益为为：n0u03u02u01u0nAAAAA 归归一一化化电电压压增增益益为为：(1) n 级级放放大大器器的的通通频频带带令令nn1222212111 12n1 LonnnQffB12217 . 0 可可见见，n 级级放放大大器器级级联联后后，总总的的通通频频带带比比单单级级放放大大器器的的通通频频带带缩缩小小了了121 n倍倍，其其中中，121 n称称为为频频率率缩缩小小系系数数。由由矩矩形形系系数数的的定定义义：7 . 01 . 01 . 0f2f2K 如如果果令令11001 . 011122 nn 1100Qff2n1L01.0 1

27、21100Kn1n11.0 可可见见当当级级数数 n 增增加加时时，放放大大器器的的矩矩形形系系数数有有所所改改善善，但但这这种种改改善善是是有有限限度度的的，一一般般级级数数越越多多，1 . 0K的的改改善善越越缓缓慢慢。当当 n时时，1 . 0K也也只只有有 2.56，与与理理想想矩矩形形仍仍有有一一定定距距离离。 （2）n级放大器的矩形系数级放大器的矩形系数两级单调谐放大器电路图两级单调谐放大器电路图3.5 双调谐回路谐振放大器双调谐回路谐振放大器 双调谐回路放大器具有较好的选择性、较宽的通频带，双调谐回路放大器具有较好的选择性、较宽的通频带，并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，因而它

28、被广泛地并能较好地解决增益与通频带之间的矛盾，因而它被广泛地用于高增益、宽频带、选择性要求高的场合。但双调谐回路用于高增益、宽频带、选择性要求高的场合。但双调谐回路放大器的调整较为困难。放大器的调整较为困难。一、电路形式一、电路形式二、性能指标二、性能指标1.1.电压增益（临界耦合的电压增益、强耦合及弱电压增益（临界耦合的电压增益、强耦合及弱耦合时电压增益）耦合时电压增益）2.2.通频带通频带（临界耦合）（临界耦合）3.3.选择性选择性（临界耦合）（临界耦合） 矩形系数矩形系数00.72LfBWQ40.10.10.10.70.72100 13.362fBWKfBW 这说明双调谐放大器在临界耦合

29、时，选择性比单调谐放大器选择性好。这说明双调谐放大器在临界耦合时，选择性比单调谐放大器选择性好。参差调谐放大器参差调谐放大器参差调谐放大器，是由若干级单调谐放大器组参差调谐放大器，是由若干级单调谐放大器组成，每级回路的谐振频率参差错开成，每级回路的谐振频率参差错开。常用的有常用的有双参差双参差和和三参差调谐放大器三参差调谐放大器。双参差与双调谐频率特性相似，但增益比双调谐双参差与双调谐频率特性相似，但增益比双调谐大些，且调节也较简单。大些，且调节也较简单。参差调谐放大器的特性参差调谐放大器的特性3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施谐振放大器的稳定性与稳定措施 以上我们分析调谐放大器的工作时，认

30、为以上我们分析调谐放大器的工作时，认为晶体管是单晶体管是单向化放大器件，即假定了反向传输导纳向化放大器件，即假定了反向传输导纳y yrere0 0，输出电压不输出电压不影响输入，这是理想情况。影响输入，这是理想情况。实际上实际上y yrere 0 0，晶体管是存在着晶体管是存在着内部反馈通路的，即输出电压可以反馈到输入端，引起输内部反馈通路的，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。若这个反入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。若这个反馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡。荡。 为提高放大

31、器的稳定性为提高放大器的稳定性，通常从两方面着手。，通常从两方面着手。 一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳y yrere值。值。y yrere的大小主要取决于集电极与基极间的结电容的大小主要取决于集电极与基极间的结电容C Cbcbc（共射放（共射放大器中，跨接在输入、输出端之间的晶体管内部电容大器中，跨接在输入、输出端之间的晶体管内部电容C Cbcbc构构成输出、输入间反馈电容），成输出、输入间反馈电容），所以制造晶体管时应尽量使其所以制造晶体管时应尽量使其C Cbcbc减小，减小，使反馈容抗增大，反馈作用减弱（因为高频时使反馈容抗增大，反馈作

32、用减弱（因为高频时y yrere jwjwC Cbcbc ）。 二是二是从电路上设法消除晶体管的反向作用，使它单向化。从电路上设法消除晶体管的反向作用，使它单向化。具体方法有中和法和失配法。具体方法有中和法和失配法。yieyreuceyfeubeyoeYSyL1. 共发射极放大器的最大稳定增益共发射极放大器的最大稳定增益 由于内反馈的存在，在放大器的输由于内反馈的存在，在放大器的输入端将产生一个反馈电压入端将产生一个反馈电压ube，定义稳定，定义稳定系数系数S:Sube(j)ube(j) ube(j)= - - yreuce/ (YS+ yie)= - - yreuce/ y1uce(j)=

33、- - yfeube/ (yL+ yoe)= - - yfeube/ y2Sube(j)ube(j)= y1 y2/ yfeyre 当当S为正实数时，表明为正实数时，表明ube(j)ube(j)同相，满足自激振荡的相位条件。同相，满足自激振荡的相位条件。 当当|S |1时，时，|ube(j)| ube(j)|，不满足振幅条件，放大器不会自激；，不满足振幅条件，放大器不会自激；当当| |S S |1 |1时，放大器不稳定。时，放大器不稳定。 为使放大器远离自激状态而稳定地工作，单级放大器通常选为使放大器远离自激状态而稳定地工作，单级放大器通常选|S |510。 当晶体管的工作频率远低于特征频率当

34、晶体管的工作频率远低于特征频率fT时时: : yfe|yfe|gm ,yrejCbc，re90o 经推导得放大器的电压增益与稳定系数经推导得放大器的电压增益与稳定系数S的平方根成反比的平方根成反比: cbomuo2 CSgA 当取当取S=1时，称为临界稳定，其电压增益称为临界稳定电压增益。时，称为临界稳定，其电压增益称为临界稳定电压增益。 实际中常取实际中常取S=5，此时电压增益称为最大稳定增益。即为，此时电压增益称为最大稳定增益。即为 cbommaxuo5 . 2 CgA 2. 提高放大器的稳定性的方法提高放大器的稳定性的方法 一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳yre的值。的值。 二是从电路上设法消除晶体管的反向作用，使它单向化，具