第二章 高频小信号放大电路

1、第二章第二章 高频小信号放大电路高频小信号放大电路第一节第一节 概述概述高频小信号放大电路分：高频小信号放大电路分：1 1、窄频带放大电路：、窄频带放大电路：2 2、宽频带放大电路：、宽频带放大电路：几几kHzkHz几几MHzMHz；电压增益，选频；分两电压增益，选频；分两类：类：1 1）以分立元件为主的谐振放大器；）以分立元件为主的谐振放大器；2 2）以集成电路为主的集中选频放大器。）以集成电路为主的集中选频放大器。几几MHz-MHz-几几GHz;GHz;不失真放大。不失真放大。第二节第二节 谐振放大器谐振放大器 高频小信号放大电路是高频小信号放大电路是线性线性放大电路。放大电路。Y Y参数

2、等效电路参数等效电路和和混混合合型等效电路型等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具。是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具。1 1、混合、混合型等效电路：模拟晶体管物理机构，型等效电路：模拟晶体管物理机构，R R、C C和受控源；和受控源；优点：物理意义明确，在较宽频带内元件值与频率无关；优点：物理意义明确，在较宽频带内元件值与频率无关；缺点：分析和测量不方便。缺点：分析和测量不方便。适用于分析宽频带小信号放大器适用于分析宽频带小信号放大器。2 2、Y Y参数等效电路：测量和使用，有源线性双口网络，网络参参数等效电路：测量和使用，有源线性双口网络，网络参数；数；优点：分析和测量方便；优

3、点：分析和测量方便；缺点：网络参数与频率有关。缺点：网络参数与频率有关。适用于高频小信号放大电路。适用于高频小信号放大电路。一、Y参数等效电路参数等效电路 双口网络即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端钮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。其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。 而四端网络而四端网络虽然其外部结构与双口网络相同虽然其外部结构与双口网络相同, 但对流入流出电流没有类似的规定但对流入流出电流没有类似的规定, 这是两者的区别。这是两者的区别。 参数方程是选取各端口的电压为自参数方程是选取各端口的电压

4、为自变量变量, 电流为应变量电流为应变量, 其方程如下其方程如下：2121111UyUyI2221212UyUyI其中其中11、12、21、22四个参数均四个参数均具有导纳量纲具有导纳量纲, 且且:021121|UUIY012212|UUIY022221|UUIY011112|UUIYcrebiebUyUyIcoebfecUyUyIfe越大越大, 表示晶体管的放大能力越强；表示晶体管的放大能力越强；re越大越大, 表示晶体管的内部反馈越强。表示晶体管的内部反馈越强。re是谐振放大器自激的根源是谐振放大器自激的根源, 同时也使分析过程变得复杂同时也使分析过程变得复杂, 因此应尽可能使其因此应尽可

5、能使其减小减小, 或削弱它的影响。或削弱它的影响。注意：注意： 参数不仅与参数不仅与静态工作点静态工作点的电压值、电流值有关的电压值、电流值有关, 而且是而且是工作频率工作频率的函数。的函数。0|cUbbieUIy0|bUcbreUIy0|cUbcfeUIy0|bUccoeUIyyie=gie+jCie yoe=goe+jCoeyfe=|yfe|fe yre=|yre|re 二、单管单调谐放大器二、单管单调谐放大器作用：将微弱的有用信号进行线性放大并滤除不需要的噪声和干扰信号作用：将微弱的有用信号进行线性放大并滤除不需要的噪声和干扰信号主要性能指标：主要性能指标：电压增益、通频带、矩形系电压增

6、益、通频带、矩形系数和噪声系数数和噪声系数。 1、电路组成及特点、电路组成及特点 电路性能分析电路性能分析iUUA0负载的接入系数为负载的接入系数为2, 晶体管的接入系数为晶体管的接入系数为1）ieeLynjwLjwcgnY220211(1LCCYUIcoeifeCUyUyICfeLoeiUyYyUCUnnU120, 201/,/nUUnUUppCLoefeiuYynynnUUA2121.0其中其中, YL=n21YL，是是YL等效到谐振回路两端的导纳等效到谐振回路两端的导纳g=n21goe+n22gie+ge0 C=n21Coe+n22Cie+CLCf210LgwgCwQe001CgQfBW

7、eo2LCw10ieeoLynjwLjwCgY22)1 （jwLjwCgynnAfeu121谐振频率处放大器的电压增益谐振频率处放大器的电压增益gynnUUAfeiu21000gynnUUAfeiuo2100202100000021)( ffQgynnAfNUUUUUUAefeuoiiu 单管单调谐放大器的单位谐振函数（）与其并联谐振回路的单位单管单调谐放大器的单位谐振函数（）与其并联谐振回路的单位谐振函数相同谐振函数相同, 且都可以写成：且都可以写成：2000000211)( ffQAAAUAUUUfNeuuuiui由上述公式可知由上述公式可知, 电压增益振幅与晶体管参数、电压增益振幅与晶体

8、管参数、 负载电导、回路谐振电导和负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：接入系数有关： (1) 为了增大为了增大u0, 应选取应选取|yfe|大大, oe小的晶体管。小的晶体管。 (2) 为了增大为了增大u0, 要求负载电导小要求负载电导小, 如果负载是下一级放大器如果负载是下一级放大器, 则要求其则要求其ie小。小。 (3) 回路谐振电导回路谐振电导e0越小越小, u0越大。而越大。而e0取决于回路空载值取决于回路空载值0, 与与0成反比。成反比。202100000021)( ffQgynnAfNUUUUUUAefeuoiiu矩形系数？矩形系数？ 与单个并联谐振回路的相同与单个并联谐振回路的

9、相同 (4) u0与接入系数与接入系数1、2有关有关, 但不是单调递增或单调递减关系。但不是单调递增或单调递减关系。1与与2的选择应全面考虑的选择应全面考虑, 选取最佳值。选取最佳值。例例2.1 在图在图2.2.2中中, 已知工作频率已知工作频率0MHz, cc, e mA。晶晶体管采用型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数体管采用型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：值如下： gie=1.2mS,Cie=12pF；goe=400S,Coe=9.5pF；|yfe|=58.3mS, fe=-22；|yre|=310S, re=-88.8,回路电感回路电感1.4H, 接入系

10、数接入系数10.5, 20.3, 0。负载是另一级相同的放大器。负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增益振求谐振电压增益振幅幅u0和通频带，并求回路电容是多少时和通频带，并求回路电容是多少时, 才能使回路谐振？才能使回路谐振？解：忽略解：忽略yre的作用。的作用。PFLwC20104 . 1)10302(1162620ieoeCnCnCC2221pFCnCnCCieoe5 .16123 . 05 . 95 . 020222221LC10MHzcgQwBWe91. 1102014. 321024. 02212307 . 0 分析可知分析可知, 其电压增益取决于晶体管参数、其电压增益取决于晶体管

11、参数、 回路与负载特性及接入回路与负载特性及接入系数等系数等, 所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益, 可采用多可采用多级放大器。级放大器。361024. 0103 .583 . 05 . 03321gynnAefuo g=ge0+n21goe+n22gie=34.310-6+0.5240010-6+0.321210-3 0.2410-3SsLCQLwQgeo6000103 .3411三、多级单调谐放大器三、多级单调谐放大器 如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上, , 则则称为多级单调谐放大器。

12、称为多级单调谐放大器。 设放大器有级设放大器有级, , 各级电压增益振幅分别为各级电压增益振幅分别为u1u1, , u2u2, , , , unun, , 则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, , 即即 n nu1u1u2u2unun 如果每一级放大器的参数结构均相同如果每一级放大器的参数结构均相同, , 则总电压增益振幅则总电压增益振幅nenfennunffQgynnAA)2(1|)()(20211nfennunygnnAA)()(21007 . 01017 . 012122BWQffBWnenn2200)2(11)(nennffQAAfN 由上

13、述公式可知由上述公式可知, , 级相同的单调谐放大器的级相同的单调谐放大器的总增总增益益比单级放大器的增益比单级放大器的增益提高提高了了, , 而而通频带通频带比单级放大器比单级放大器的通频带的通频带缩小缩小了了, , 且级数越多且级数越多, , 频带越窄。频带越窄。增益和通频增益和通频带的矛盾带的矛盾是一个严重的问题。是一个严重的问题。例例2.2 2.2 某中频放大器的通频带为某中频放大器的通频带为MHz, MHz, 现采用两级或三级相同的现采用两级或三级相同的单调谐放大器单调谐放大器, , 两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？解解:

14、根据式（根据式（2224）, 当当n=2时时, 因为因为HzBWBW67 . 021210612所以所以, 要求每一级带宽要求每一级带宽ZHBW62167 . 0103 . 912106同理同理, 当时当时, 要求每一级带宽要求每一级带宽ZHBW63167 . 0108 .1112106根据矩形系数定义根据矩形系数定义, 当当0.1时时, n/n00.1, 由式（由式（2.2.23)可求得可求得:ennQffBW011 . 01 . 011002所以所以, 级单调谐放大器的矩形系数级单调谐放大器的矩形系数121100111 . 01 . 0nnnnnBWBWK表表221列出了列出了n0.1与的

15、关系与的关系表表2.2.1 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 9.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56 从表中可以看出从表中可以看出, 当级数增加时当级数增加时, 放大器矩形系数有所改善放大器矩形系数有所改善, 但但这种改善是有一定限度的这种改善是有一定限度的, 最小不会低于最小不会低于.6。四、谐振放大器的稳定性四、谐振放大器的稳定性 在讨论谐振放大器时在讨论谐振放大器时, 都假定了反向传输导纳都假定了反向传输导纳re, 实际上实际上re0, 即输出电压可以反馈到输入端

16、即输出电压可以反馈到输入端, 引起输入电流的变化引起输入电流的变化, 从而从而可能引起放大器工作不稳定。如果这个可能引起放大器工作不稳定。如果这个反馈反馈足够大足够大, 且在相位上满且在相位上满足正反馈条件足正反馈条件, 则会出现则会出现自激振荡自激振荡。 为了提高放大器的稳定性为了提高放大器的稳定性, 从两个方面着手：从两个方面着手：1、从晶体管本身想办法、从晶体管本身想办法, 减小减小其反向传输导纳其反向传输导纳re值。值。re的大小主要取决的大小主要取决于集电极与基极间的结电容于集电极与基极间的结电容bc, 所以制作晶体管时应尽量使其所以制作晶体管时应尽量使其bc减小减小, 使使反馈容抗

17、增大反馈容抗增大, 反馈作用减弱。反馈作用减弱。2、从电路上设法消除晶体管的反向作用、从电路上设法消除晶体管的反向作用, 使它使它单向化单向化。 具体方法有具体方法有中和法中和法与失配法。与失配法。 A、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馈电路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馈电路（中和电路）（中和电路）, 以抵消晶体管内部参数以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。的反馈作用。B B、失配法通过增大负载电导失配法通过增大负载电导L L, , 进而增大总回路电导进而增大总回路电导, , 使使输出电路严重失配输出电路严重失配, , 输出电压相应减小输出电

18、压相应减小, , 从而反馈到输入端从而反馈到输入端的电流减小的电流减小, , 对输入端的影响也就减小。可见对输入端的影响也就减小。可见, , 失配法是用失配法是用牺牲增益牺牲增益而换取电路的稳定。而换取电路的稳定。 用两只晶体管按共射用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是经常共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。采用的一种失配法。 图图2.2.52.2.5是其结构原理图。是其结构原理图。第三节第三节 宽频带放大器宽频带放大器一、混合一、混合型等效电路型等效电路bb： 基区体电阻基区体电阻, 约约be： 发射结电阻发射结电阻re折合到折合到基极回路的等效电阻基极回路的等效电阻,

19、约几约几十欧到几千欧十欧到几千欧bc：集电结电阻集电结电阻, 约约kMce：集电极集电极发射极电发射极电阻阻, 几十千欧以上几十千欧以上be：发射结电容发射结电容, 约约 皮法到几百皮法皮法到几百皮法bC：集电结电容集电结电容, 约几皮法约几皮法m：晶体管跨导晶体管跨导, 几十毫西门子以下几十毫西门子以下CM=(1+gmRL)Cbc即把即把Cbc的作用等效到输入端的作用等效到输入端, 这就是密勒效应。其中这就是密勒效应。其中gm是晶体管跨导是晶体管跨导, RL是考虑负载后的输出端总电阻是考虑负载后的输出端总电阻, CM称为密勒电容。称为密勒电容。 emrg1)()()(26mAImvqIkTr

20、EQEQerbe=(1+0)reeTcbebrfCC21其中其中,k:波尔兹曼常数波尔兹曼常数, T:电阻温度电阻温度(以绝对温度以绝对温度K计量计量), IEQ：发射极静态电流发射极静态电流, 0：晶体管低频短路电流放大系数晶体管低频短路电流放大系数, fT：晶体管特征频率。晶体管特征频率。注意：各参数均与注意：各参数均与静态工作点静态工作点有关有关二、晶体管高频参数二、晶体管高频参数考虑电容效应后考虑电容效应后, 晶体管的电流增益是工作频率的函数。晶体管的电流增益是工作频率的函数。1 共射晶体管截止频率共射晶体管截止频率 共射短路电流放大系数是指混合共射短路电流放大系数是指混合型等效电路输

21、出交流短路时型等效电路输出交流短路时, 集电极电流与基极电流集电极电流与基极电流 的比值。的比值。ffjccjwrrgIIcbebebebmUbCC1)(1|00ebmrg0)(21cbebebccrf当当下降到下降到0的的 时时, 对应的频率定义为共射晶体管截止频率对应的频率定义为共射晶体管截止频率f。 212 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。3 共基晶体管截止频率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, 即即

22、0|CUeCIIa其幅值也是随频率的增高而下降其幅值也是随频率的增高而下降, f定义为定义为 的幅值下降到低频放大系数的幅值下降到低频放大系数0的的 时的频率。时的频率。 a21三个高频参数之间的关系满足下列各式：三个高频参数之间的关系满足下列各式： fffffTT,0三、展宽放大器频带的方法三、展宽放大器频带的方法1 组合电路法组合电路法利用共基电路输入阻抗小的特点利用共基电路输入阻抗小的特点, 将它作为共射电路的负载将它作为共射电路的负载, 使共射使共射电路输出总电阻电路输出总电阻L大大减小大大减小, 进进而使密勒电容而使密勒电容M大大减小大大减小, 高频高频性能有所改善性能有所改善, 从

23、而有效地扩展了从而有效地扩展了共射电路亦即整个组合电路的上共射电路亦即整个组合电路的上限截止频率。由于共射电路负载限截止频率。由于共射电路负载减小减小, 所以电压增益减小。但这可所以电压增益减小。但这可以由电压增益较大的共基电路进以由电压增益较大的共基电路进行补偿。而共射电路的电流增益行补偿。而共射电路的电流增益不会减小不会减小, 因此整个组合电路的电因此整个组合电路的电流增益和电压增益都较大。流增益和电压增益都较大。负反馈法负反馈法 调节负反馈电路中的某些元件参数调节负反馈电路中的某些元件参数, 可以改变反馈深度可以改变反馈深度, 从而调节负反馈放大从而调节负反馈放大器的增益和频带宽度。如果

24、以牺牲增益为器的增益和频带宽度。如果以牺牲增益为代价代价, 可以扩展放大器的频带可以扩展放大器的频带, 其类型可以其类型可以是单级负反馈是单级负反馈, 也可以是多级负反馈。也可以是多级负反馈。 单管负反馈放大器可以采用电流串联单管负反馈放大器可以采用电流串联和电压并联两种反馈电路和电压并联两种反馈电路, 其交流等效电其交流等效电路分别如图所示。路分别如图所示。3 电感串并联补偿法电感串并联补偿法 在晶体管集电极上接入电感，和放大器输出端等效在晶体管集电极上接入电感，和放大器输出端等效电容组成电容组成LC并联回路，可以提高放大器的上限截止频率。并联回路，可以提高放大器的上限截止频率。也可以采用多

25、个电感串联或并联接入方式进行补偿，展也可以采用多个电感串联或并联接入方式进行补偿，展宽频带。宽频带。四、可控增益放大器四、可控增益放大器 在通信、导航、遥测遥控系统中在通信、导航、遥测遥控系统中, , 由于受发射功率大小、由于受发射功率大小、 收收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响, , 接收机所接收的接收机所接收的信号强弱变化范围很大信号强弱变化范围很大, , 信号最强时与最弱时可相差几十分贝。信号最强时与最弱时可相差几十分贝。如果接收机增益不变如果接收机增益不变, , 则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞, ,

26、而信号太弱时又可能被丢失。因此而信号太弱时又可能被丢失。因此, , 必须采用可控增益控制电路必须采用可控增益控制电路, , 使接收机的增益随输入信号强弱而变化。使接收机的增益随输入信号强弱而变化。 这是接收机中几乎不可这是接收机中几乎不可缺少的辅助电路。在发射机或其它电子设备中缺少的辅助电路。在发射机或其它电子设备中, , 可控增益控制电可控增益控制电路也有广泛的应用。路也有广泛的应用。控制放大器增益的方法：控制放大器增益的方法：1 1、通过改变放大器本身的某些参数；、通过改变放大器本身的某些参数；2 2、插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。、插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。小结小结1 1、主要性能指标：电压增益、通频带、矩形系数和噪声系数。、主要性能指标：电压增益、通频带、矩形系数和噪声系数。2 2、分析方法：等效电路（、分析方法：等效电路（Y Y参数等效电路）参数等效电路）3 3、单管单调谐放大器：电路性能分析与技术（、单管单调谐放大器：电路性能分析与技术（P3234P3234）4 4、多级单调谐放大器（、多级单调谐放大器（P3536P3536）如图所示的小信号谐振放大器的交流通路，设工作频率为如图所示的小信号谐振放大器的交流通路