第2章 高频小信号放大器

1、高频电子线路高频电子线路首页上页下页退出2 第二章第二章 高频小信号放大器高频小信号放大器 第一节 概述第二节 高频电路的基础知识第三节 高频小信号调谐放大器第四节 小信号谐振放大器的稳定性本章教学主要内容本章教学主要内容高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 超外差式接收机方框图 无源滤波器无源滤波器有源放大器有源放大器高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 第一节第一节 概述概述一、高频小信号放大器的功能、用途一、高频小信号放大器的功能、用途1. “高频”是指放大器的工作频率在几百KHz几百MHz，必须考虑放大器的极间电容；2. “小信号”指的是放大器输

2、入信号小，放大器件是在线性范围内工作，分析电路时可将其等效为四端口网络；3. “功能”是实现对微弱高频信号进行不失真放大；4. 高频小信号放大器功能的表示形式：高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 5. 主要用途是在接收机中做高频放大器和中频放大器。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 1.按放大信号的频带宽窄分为宽带放大器和窄带放大器；2.按放大器的负载性质分为谐振式放大器和非谐振式放大器；3.按器件分为晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器；u 本章重点研究窄带、晶体管、谐振小信号放大器。二、高频小信号放大器的分类二、高频小信号放大器的分类高频

3、电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 三、高频小信号放大器的主要技术指标三、高频小信号放大器的主要技术指标ouiuAu输出电压输入电压pAopiPAP输出给负载的功率输入功率uA电压增益功率增益1.1.电压增益与功率增益电压增益与功率增益2.2.通频带通频带 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 f高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 放大器的通频带高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 3.3.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，而选择性是表示选取

4、有用信号，抑制无信号的能力。放大器理想的频率响应曲线应是矩形，矩形系数用来表示实际曲线形状接近理想矩形的程度，通常用Kr0.1来表示： 0.10.10.722rfKf高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 4.4.噪声系数噪声系数 5.5.工作稳定性工作稳定性 由于晶体管的反向传输导纳不为0（yre0），内部反馈会造成放大器工作不稳，常用稳定系数来表示放大器的稳定性能。总结:技术指标之间既有联系又有矛盾，增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。 表征信号经放大后，信噪比变坏的程度。噪声系数的定义是放大器的输入信噪比（输入端的信号

5、功率与噪声功率之比）与输出信噪比之比，即siniFsonoppNpp高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 第二节第二节 高频电路的基础知识高频电路的基础知识一、滤波器（选频回路）的功能及分类一、滤波器（选频回路）的功能及分类1.功能:根据某一特定的性能要求实现对信号的频谱进行处理的电路；本课中用的较多的是低通和带通滤波器。按频率特性分：低通、高通、带通和带阻滤波器。2.分类：高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 滤波器的理想幅频特性按所用器件可分为无源和有源滤波器；按处理的信号形式可分为模拟滤波器、数字滤 波器和抽样数字滤波器。高频电子线路高频电子线路退

6、出下页上页首页济宁学院济宁学院 1.1.电感线圈的高频特性电感线圈的高频特性二、二、LC谐振回路的特性谐振回路的特性 LC谐振回路是高频电路中应用很广的无源网络，特别是并联谐振回路是构成高频放大器、振荡器和频率变换器的主要部件，具有信号耦合传输、选频、阻抗变换、滤波以及负载等的作用。 电感元件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； 一个有损耗的电感线圈在工作频率w0下通过Q表可测得电感线圈的电感值和空载品质因数Q0，而Q0的大小就反映损耗的大小，即Q0= w0L/r0 ，一般情况下，线圈的Q0值通常

7、在几十到三百左右；高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 当Q01时，一个实际的电感也可以用一个无损电感L和一个并联电导g0来等效，此时Q0=1/w0Lg0；带载情况下的有载品质因数QL的计算。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 2.电容元件的高频特性电容元件的高频特性 在高频电路所讨论的频率范围内，电容元件损耗很小，因而认为它是理想的无损元件。3.LC串联谐振回路串联谐振回路a) 一个无负载电阻rL的串联LC电路，由于电感L有损耗，可等效为LCr0的串联电路。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 01ZjLc01LC000001LQ

8、C 串联回路的阻抗Z： 谐振频率w0： 空载品质因数Q0：高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 b) 若接入负载电阻rL后，可等效为如下图所示的LCr串联电路。 串联回路的阻抗Z： 谐振频率w0： 有载品质因数QL：01()()LZjLC01LC00001LLLLQC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 c) LCR串联谐振回路的频率特性1UUIjZjLC0()UI j000()1()1LI jI jjQ 电流 ： ()I j 谐振电流 ： 0()I j 相对电流 / ： 0()I j()I jL高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院

9、20200()1()1LI jI jQ00( )LarctanQ 相对幅频特性与相频特性 其相对电流值的模及相角为：高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 结论：1. 当w=w0时，相对电流值的模为1；2. 当w偏离w0时，相对电流值的模减小，其减小的速度随Q值的增大而增大；3. 当ww0时， 0，回路呈感抗特性；4. 当w0，回路呈容抗特性。00( )LarctanQ 00( )LarctanQ 4.LC并联谐振回路（并联谐振回路（与串联为对偶关系与串联为对偶关系）高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 LR01Q oRLRoLoLR RRRR若接入负载电

10、阻 ，则在 的条件下回路两端等效电阻为 与 并联，即 。111YjCRLgjCL 并联回路其导纳为： 谐振频率：01pLC 有载品质因数QL：0001LCRQLLgg高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 并联谐振回路的导纳 0011LYgjCgjQL22001( )1LRZyQ00( )LarctanQ 由图可以看出， 时，回路谐振，回路等效为纯电阻，其阻值最大为R。随着 偏离 ，阻抗值越来越小。 回路呈容抗特性， 回路呈感抗特性。0000并联回路的阻抗特性 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 表表2-1 2-1 串并联回路的特性串并联回路的特性高频电

11、子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 三、串并联阻抗的等效互换三、串并联阻抗的等效互换 “等效”的概念：在工作频率相同的条件下，AB两端的阻抗相等。 1Q 221RQ21XX结论：结论：当 时， 串并联电路等效互换高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 并联谐振回路作为放大器的负载时，其连接方式直接影响放大器的性能。并联谐振回路耦合连接方式可分为变变压器耦合压器耦合、自耦变压器耦合自耦变压器耦合和双电容分压耦合双电容分压耦合。并联谐振回路除了具有选频功能外，还要完成阻抗交换，因此通常采用部分接入部分接入方式实现阻抗变换。 四、并联谐振回路的耦合联接与阻抗变换四、

12、并联谐振回路的耦合联接与阻抗变换 三极管ce直接接入谐振回路的缺点：1.Q值下降，通频带变大，导致选择性变差；2.影响中心频率f0，稳定性变差；3.阻抗不匹配。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 1.1.变压器耦合联接的阻抗变换变压器耦合联接的阻抗变换 变压器耦合联接的变换2211222LLLUNRRRUN 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 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2122LLNNRRN 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

13、能实现阻抗变换外，还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。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 3.3.双电容分压耦合连接的变比关系双电容分压耦合连接的变比关系2121LLCCRRC其其中中2121CCCCC 222220202111（）LSLLcLLRRRQC RC R22222220011()LcLSLSLLSLSCRQ RRRCRC RC高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 1.1.接入系数接入系数P的定义：的定义：P 转换前的圈数 容抗转换后的圈数 容抗21LLRRp 2.2.变比关系的通式变比关系的通式

14、: :2LLgp g 2Cp C ggIpI 1ggUUp 五、接入系数与变换关系五、接入系数与变换关系 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 例例1如图，如图，L=0.8H, Q0=100, C=5pF, C1=20pF, C2=20pF, R=10k,RL=5k,试计算回路的谐振频试计算回路的谐振频率，谐振电阻。率，谐振电阻。C2C1RLLCRQ0C2C1gLLCg0g高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 谐振频率为 电阻RL的接入系数1120.5CpCC等效到回路两端的电导为 121215C CCCpFCC0145.972fMHzLC解：解： 由图

15、可知由图可知, 回路电容为回路电容为2515 10LLgpsR 电感的损耗电导为 6000143.3 10LgsQ电阻R等效电导为 43111010 10gsRC2C1gLLCg0g高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 回路总电导为 465031043.3 105 100.1933 10Lggggs 回路谐振电阻为 15.17pRkgC2C1gLLCg0g高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 例例 某接收机输入回路的简化电路如图例1.2所示。已知1=5pF，2=15pF，s=75 ，L=300 。为了使电路匹配，即负载L等效到回路输入端的电阻Ls，线圈初

16、、次级匝数比12应该是多少？ 解解：由图可见，这是自耦变压器电路与电容分压式电路的级联。 LLLLRRCCCRnR161212122L等效到两端的电阻为 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 图例 1.2 RsLRN1N2LR C2C1RLL高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 L等效到输入端的电阻LLLLRNNRNNRnR2212212116 如要求Ls，则 。 所以sLRRNN22116125. 01621LsRRNN 在以上介绍的四种常用阻抗变换电路中，所导出的接入系数均是近似值，但对于实际电路来说，其近似条件容易满足， 所以可以容许引入的近似误差

17、。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 2-5 电路如下图所示，给定参数如下：f0=30MHz，C=20PF，线圈L13的Q0=60, N12=6，N23=4，N45=3。R1=10k，Rg=2.5k，RL=830，Cg=9PF，CL=12PF。求L13、QL Ig高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 第三节第三节 晶体管高频小信号谐振放大器晶体管高频小信号谐振放大器 （一）（一）y参数等效电路参数等效电路 根据二端口网络理论，得到y参数系的方程：1111122Iy Uy U2211222Iy Uy U一、晶体管高频小信号等效电路一、晶体管高频小信号等

18、效电路y参数等效电路是网络参数模型，y参数与f有关，适合小信号窄带放大器的分析。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 011112/UiUIyy输出短路时的输入导纳；021121/UrUIyy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；022221/UoUIyy 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，也叫y参数。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 cfebeoeceIy Uy U*对于共射接法对于共射接法,y参数用 表示,则:biebereceIy Uy Uierefeyyyoe、y说明:1.

19、 表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；biebereceIy Uy U2. 表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）； cfebeoeceIy Uy U3. 越大表示晶体管的放大能力越强。cfebeoeceIy Uy U高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 对于共基接法，y参数用 表示,则:eibebrbcbIy Uy UcfbebobcbIy Uy Uibrbfbobyyyy、对于共集接法，y参数用 表示,则:bicbcrcecIy Uy UefcbcocecIy Uy Uicrcfcocyyyy、 晶体管是RC参数的元件，y参数表示晶体管内部极间电阻和电容

20、的组合方式，它随工作频率f变化而变化，因而y参数等效率电路不能充分说明晶体管内部的物理过程。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 （二）混合（二）混合参数等效电路参数等效电路 混合参数等效电路用集中参数元件RC表示，物理过程明显，在分析电路时用的较多。1.rbb是基区扩展电阻。其值几十欧姆到几百欧姆。 2.rbe是发射结电阻。发射结正偏时数值较小。3.Cbe是发射结电容。其值较大，100pf500pf。4.rbc是集电结结电阻。由于集电结处于反向偏置，rbc的数值很大。 5.Cbc是集电结结电容。其数值较小。 6.gmUbe表示晶体管放大作用的电流源，而gm=Ie/26mv

21、，称为跨导。 7.rce是集电极与发射极之间的电阻，数值一般很大。 8.Cce是集电极与发射极之间的电容，数值一般很小。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 混合等效电路中，电容、电阻并联，在较高的工作f下：rbc与Cbc的容抗相比，可视为开路； rbe与Cbe的容抗相比，可视为开路；rce与回路负载相比，可视为开路。 b rbb gmVbe b Cbc Cbe c e （三）（三）y参数等效电路与混合参数等效电路与混合等效电路参数的转换等效电路参数的转换举例：求yie，令V2 = 0，简化混合等效电路，如图所示。 b rbb gmVbe b Cbc Cbe c e I

22、I2 I1 yie V1 V2 =0 )(11cbebbb011ie2CCjrVIyVieieCjg高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 二、单调谐回路谐振放大器二、单调谐回路谐振放大器 1.1.电路形式电路形式b高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 2.2.电路分析电路分析 由共射组态的晶体管和并联谐振回路组成；R1、R2、Re为偏置电阻，确定三级管的静态工作点；Cb、Ce为高频旁路电容，输入信号Ui相当于加在T1的b、e之间； 两级放大器的信号传输是利用高频变压器来实现的，输出信号电压Uo是由变压器次级4、5两端取出，它也是相当于加在T2的b、e之间

23、。 晶体管ce与谐振回路采用自耦变压器耦合。3.3.直流直流/ /交流等效通路交流等效通路高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 45123R1R2ReyLCbCeCB1B2TLEc下下图图为为一一个个典典型型的的共共射射极极高高频频调调谐谐放放大大器器的的实实际际电电路路 1 直直流流偏偏置置电电路路 2 高高频频交交流流等等效效电电路路放放大大电电路路由由三三部部分分组组成成输入回路：输入变压器次级绕阻输入回路：输入变压器次级绕阻 B1 晶晶体体管管：T输出回路：输出回路：LC 并联谐振回路，并联谐振回路，输出变压器输出变压器 B2,及负载及负载 YLR1R2ReEc32

24、145B1B2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管电路图电路图高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 放大器的等效电路的画法放大器的等效电路的画法a) 首先画晶体管T1的y等效电路，标明电流Ib、Ic与电压Ui、Uo的参考方向；b) 画并联谐振回路及负载；c) 前级信号源Ui用Is和Ys来等效；d) 确定并联回路的交流接地点及负载，1和5端接地，负载为下一级输入导纳Yie2。4.放大器的等效电路及简化放大器的等效电路及简化高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 计算放大器的输入导纳计算放大器的输入导纳Yi和输出导纳和输出导纳Yo计算过程如下

25、：晶体管的内部特性： bieirecIy Uy UcfeioecIy Uy U（1）（2）LY接入 后的外部特性：cLcIY U （3）由式（2）和（3）得iLoefecUYyyU（4）把式（4）代入式（1）得ferebieiioeLy yIy UUyY 放大器的输入导纳Yi为：ferebiieioeLy yIYyUyY（5）高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 式（5）表明由于yre的存在，使得放大器的输入导纳Yi不仅与晶体管的输入导纳yie有关，而且还与放大器的负载导纳 有关。LY同理，由式（1）、（2）和式（3），可得放大器的输出导纳Yoferecooeciesy y

26、IYyUyY由于yre的存在，使得放大器的输出导纳Yo不仅与晶体管的输出导纳yoe有关，而且还与放大器输入端的信号源内导纳Ys有关。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 =0=0时的放大器简化等效电路时的放大器简化等效电路rey高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 三、放大器的主要技术指标三、放大器的主要技术指标1.1.电压增益电压增益 uA任意频率的电压增益LCgyppUUAfeiouj1j21谐振时的电压增益gyppAfeu210结论结论： 1. 谐振时电压增益 与晶体管正向传输导纳yfe成正比，与回路两端总电导g成反比；2. 负号表示输出电压与输

27、入电压相位差180，由于yfe为复数，因此放大器输出电压与输入电压的相位差是180+fe。 0uA高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 对于窄带谐振放大器，通常讨论的f与f0相差不会太大，即可认为f在f0附近变化，则 0121uuoLAfAjQf式中， ，称为一般失谐。 0fff 令 ，称为广义失谐。则可得 :02LfQf11uuoAAj取其模 211uuoAA取其模20121uuoLAAfQf2.2.谐振曲线谐振曲线 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 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高频

28、电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 3.3.放大器的通频带放大器的通频带 通频带与谐振电压增益的关系:定义定义: 时对应的 为放大器的通频带。12uuoAA00.72LffQ7 . 02 fCyBAfeu20电路参数一定时，BAu0常数常数通频带越宽,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。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 4.4.放大器的矩形系数放大器的矩形系数0.10.10.722rfKf根据矩形系数的定义： 0.12 f0.1uuoAA其中， 是 时所对应的频带宽度。 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

29、它的一大缺点。00.1299LffQ0.199rK00.72LffQ矩形系数:高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 四、多级单调谐回路谐振放大器四、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 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()mmuAA 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,uuunAAAmA123muuuunAAAAA2.2.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

30、，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越大曲线越尖锐高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 3.3.多级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 0.10.10.722mrmmfKf根据矩形系数的定义 其中， 可由 求

31、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，矩形系数越小。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 第四节第四节 小信号谐振放大器的稳定性小信号谐振放大器的稳定性一、引起放大器不稳定的原因一、引起放大器不稳定的原因 前面分析电路曾假定晶体管的yre=0。但是，在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳yre，放大器的输出电压可通过晶体管的yre反向作用到输入端，引起输入电流的变化，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激等不良后果。 二、放大器的稳定系数二、放大

32、器的稳定系数高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 cfeioeLUy UyY （1）refereciiieSieSoeLy yy UUUyYyYyY （2）稳定系数S的定义： iiUSUS越大，放大器越稳定；S=1为维持自激振荡的条件；对于一般的放大器来说，S5就可以认为是稳定的。高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页济宁学院济宁学院 三、提高谐振放大器稳定性的措施三、提高谐振放大器稳定性的措施 由于yre的反馈作用，晶体管是一个双向器件。使晶体管yre的反馈作用消除的过程称为单向化。单向化的目的就是提高放大器的稳定性。单向化的方法有中和法中和法和失配法失配法。 （一）中和法（一）中和