第三章 高频小信号放大器

1、对高频小信号放大器的要求信号幅度小放大器工作在线性区，可以应用二端口网络分析信号频谱输入与输出完全相同选频（滤波）作用 信号频谱宽度有限 噪声、干扰全频范围 目的：提取有用信号，抑制无用信号晶体管、场效应管、集成运放 LC谐振，晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器按按频带宽度频带宽度分分:窄带放大器：窄带放大器：以各种选频电路作负载，例如并联以各种选频电路作负载，例如并联谐振回路、耦合谐振回路、各种滤波器等谐振回路、耦合谐振回路、各种滤波器等宽带放大器：宽带放大器：采用无选频作用的电路作负载，例采用无选频作用的电路作负载，例如高频变压器、

2、传输线变压器等如高频变压器、传输线变压器等按按负载负载分分:调谐放大器调谐放大器集中选频放大器集中选频放大器：以石英晶体、陶瓷、声表面波滤波器为负载：以石英晶体、陶瓷、声表面波滤波器为负载单调谐放大器单调谐放大器双调谐放大器双调谐放大器参差调谐放大器参差调谐放大器 小信号放大电路的分类小信号放大电路的分类: 常见的基本指标如下： 一增益 增益增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用A加下标（类似于低频放大器的增益）来表示。 图为一典型增益的幅频特性曲线。 iVVAoV电压增益：电压增益：ioPPPA功率增益：功率增益：ioVlg20VVAioplg10PPA 分贝表示：分贝表示：

3、二通频带 放大器的电压增益下降到最大值的放大器的电压增益下降到最大值的0.707（即（即1/ )倍时，所对应的频率范围称为放大器的通倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用频带，用 表示。表示。2 f0.7也称为也称为3dB带宽带宽。27 . 02 fB三三. 选择性选择性 从各种不同频率信号的总和中选出有用信号，抑制干从各种不同频率信号的总和中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。扰信号的能力称为放大器的选择性。 选择性常采用选择性常采用矩形系数矩形系数和和抑制比抑制比来表示。来表示。 矩形系数矩形系数表示与理想滤波特性的接近程度。表示与理想滤波特性的接近程度。 f AV/

4、AVo 2f0.1 2f0.7 理想 0.1 0.7 1 实际 7.01.01.022ffKr7 . 001. 0r0.0122ffK2 f0.1, 2 f0.01分别为放大倍数下分别为放大倍数下降至降至0.1和和0.01处的带宽，处的带宽，Kr愈接愈接近于近于1越好。越好。单谐振回路单谐振回路0.10.10299LBWffQ 0.10.10.79910rBWKBW单谐振回路的选择性较差单谐振回路的选择性较差20121mIIfQf（）=D+例：求解任意一单谐振回路的矩形系数例：求解任意一单谐振回路的矩形系数Kr0.10.10.10.10.70.722rfBWKfBW解：解：vnv0nAAd f

5、 AV0 f0 A AVn fn 表示对某个干扰信号表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用的抑制能力，用dn表示。表示。例：例：Av0=100 =100 ，Avn=1=1，用分贝表示，用分贝表示dn(dB) = 20 lgdndB40dB1001100nn)(dd 抑制比抑制比( (抗拒比抗拒比) )Avn ：为干扰信号的放大倍数，：为干扰信号的放大倍数，Av0 ：为谐振点：为谐振点f0的放大倍数。的放大倍数。)(/)(/nosonisiF输输出出信信噪噪比比输输入入信信噪噪比比PPPPN 为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选

6、择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。 指当放大电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化指当放大电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时，放大器主要性能的稳定程度。时，放大器主要性能的稳定程度。4 工作稳定性：工作稳定性： 5 噪声系数：噪声系数：放大器的噪声性能可用噪声系数表示：放大器的噪声性能可用噪声系数表示：NF越接近越接近1越好越好 在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。(1)直流偏置电路： 将

7、所有所有电容电容开路、电感电感短路，可得放大器的直流通道。 （2）交流偏置电路： 将旁路电容旁路电容（大电容）短路，直流电源直流电源对地短路，高频扼流圈高频扼流圈开路，可得交流通道。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc一一、电电路路结结构构和和工工作作原原理理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 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。2 高高频频交交流流

8、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输输出出回回路路：LC 并并联联谐谐振振回回路路，输输出出变变压压器器 B2,及及负负载载 YLRb1Rb2ReEc32154B1B2CLyLVT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管直流偏置电路：R1,R2为基极分压电阻，Re为发射级负反馈电阻，C1,Ce为旁路电容。目的：确定静态工作点，给三极管放大器供电，使其可以工作。高频等效通路：交流信号实际流过的电路。1、混合、混合 型等效电路型等效电路 从模拟晶体管的物理机构出发，用集中参数元件从模拟晶体管的物

9、理机构出发，用集中参数元件R、C和受控源来表示管内的复杂关系和受控源来表示管内的复杂关系 。 优点：优点：各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内元件值各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内元件值基本上与频率无关；基本上与频率无关；缺点：缺点：随器件不同而有不少差别，分析和测量不方便。随器件不同而有不少差别，分析和测量不方便。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。混合混合型等效电路型等效电路 二端口网络二端口网络Y参数网络方程参数网络方程112ir212foIY UY UIY UY UY参数等效电路电路参数等效电路电路 ceoeb

10、efeccerebeiebofriuyuyiuyuyiuyuyiuyuyi212211cecfebe0UIYUbebrece0UIYU正向传输导纳正向传输导纳反应输入电压对输出电流的控制。反应输入电压对输出电流的控制。体现晶体管放大能力体现晶体管放大能力反向传输导纳反向传输导纳反应输出电压对输入电流影响。反应输出电压对输入电流影响。即晶体管内部的反馈作用即晶体管内部的反馈作用 ceoebefeccerebeiebofriuyuyiuyuyiuyuyiuyuyi212211cebiebe0UIYUbecoece0UIYUYoe=goe+jCoe，输出导纳，输出导纳goe、Coe分别称为输出电导分

11、别称为输出电导和输出电容和输出电容Yie =gie+jCie，输入导纳，输入导纳gie、Cie分别称为输入电导和分别称为输入电导和输入电容输入电容晶体管的晶体管的Y参数等效电路参数等效电路LoefereieiYyyyyYsiefereoeoYyyyyYLoefe YyyVVA12v高频调谐放大器及其等效电路高频调谐放大器及其等效电路12113NpN45213NpN取取Yre=0高频调谐放大器及其等效电路高频调谐放大器及其等效电路gp表示电感线圈的等效并联损耗电导表示电感线圈的等效并联损耗电导222oeoeoe1oe1oe1oejjYgCp Yp gp C222LLL2L2L2LjjYgCp Y

12、p gp C22poeLp1oe2LGggggp gp g22poeLp1oe2LCCCCCp Cp C放大器输出电压放大器输出电压12febe12febeo2o12febe12febe00011j1j()j2(1j)1j()p p Y Up p Y UUp UGCGCGLLp p Y Up p Y UfGQGQf001CQGLG0221oe2L1122()fLCL Cp Cp C1电压增益电压增益 与谐振电压增益与谐振电压增益uA0uAoo12feibe02(1j)uUUp p YAfUUGQf谐振电压增益谐振电压增益12fe012fe00uuup p YAGp p YAAG负号表示放大器的

13、输出电压与输入电压之间负号表示放大器的输出电压与输入电压之间反相，但由于反相，但由于Yfe是复数，有一个相角是复数，有一个相角fe，因此，一般来说，放大器输出电压与输入电压因此，一般来说，放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差之间的相位并非正好相差1802放大器的选择性与通频带放大器的选择性与通频带相对电压增益相对电压增益00121juuAfAQf220011211()uuAAfQf通频带通频带00.70.72fBWfQ7.01.01022ffKr7.01.02211021通常的，放大器采用级联形式搭建。通常的，放大器采用级联形式搭建。即，本级的放大器负载，为下一级的晶体管输入端即，本

14、级的放大器负载，为下一级的晶体管输入端3. 负载分析和阻抗匹配负载分析和阻抗匹配匹配条件匹配条件2ie22oe121pgpgpG22ie22oe121pGgpgp22112,2ipopgGpgGp匹配时的电压增益匹配时的电压增益21max2)(iofevoggyA【例】【例】 单调谐放大器如图所示，下级采用与本级相同的电路，放单调谐放大器如图所示，下级采用与本级相同的电路，放大器的中心频率大器的中心频率f0=465kHz，通频带，通频带BW0.7=15kHz。已知晶体管。已知晶体管在中心频率及工作点上的在中心频率及工作点上的Y参数为：参数为：gie=0.4mS，Cie=142pF，goe=55

15、S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS，略去，略去Yre的影响；调谐回路的影响；调谐回路的电感线圈的电感线圈N13=120匝，匝，L13=586 H，Q0=150。试在放大器输出。试在放大器输出功率尽量高的情况下（阻抗匹配），确定回路品质因数，等效元功率尽量高的情况下（阻抗匹配），确定回路品质因数，等效元件值，变压器匝数，回路电容件值，变压器匝数，回路电容C，并计算放大器的增益。，并计算放大器的增益。解：解：1) 确定回路参数确定回路参数(1) 确定回路有载品质因数、总电导值和电感损耗等效并联电导值。确定回路有载品质因数、总电导值和电感损耗等效并联电导值。3030.746510311510

16、fQBW3601118.9( S)312465 1058610GQL 2326011200(pF)(2)(2465 10 )586 10CfL(2) 确定接入系数确定接入系数p1和和p2为了使输出功率尽量高，则要求电路满足匹配条件为了使输出功率尽量高，则要求电路满足匹配条件221oep2iep ggp g则有则有112131oe245132ie-20.411200.414920.121200.12142pGgpNN pgGpNN pgp3600113.9( S)15024651058610gQL 22oeiep1oep2ie2()2Ggggp ggp g(3) 确定回路电容确定回路电容C222

17、2oe1oeie2ieoeie0.41183(pF)0.151423(pF)200 3 3 194(pF)Cp CCp CCCCC 因为，所以2) 计算放大器的增益计算放大器的增益312fe060.410.1236.8109618.910up pYAG例例 f=30MHz,晶体管为晶体管为3DG47型型NPN高频管高频管.当当Vce=6V, Ie=2mA时时,gie=1.3mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF; |Yfe|=58.3mS,fe=-2.2; |Yre|=310 S, re=-88.8; L=1.4 H; p1=1,p2=0.3, Q0=100.求单级放大器

18、的求单级放大器的AV0; 2f0.7; 回路电容回路电容C=?才能使回路才能使回路谐振谐振?单极放大器的单极放大器的Y参数微变等效电路参数微变等效电路折合后的微变等效电路折合后的微变等效电路例例 f=30MHz,晶体管为晶体管为3DG47型型NPN高频管高频管.当当Vce=6V, Ie=2mA时时,gie=1.3mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF; |Yfe|=58.3mS,fe=-2.2; |Yre|=310 S, re=-88.8; L=1.4 H; p1=1,p2=0.3, Q0=100.求单级放大器的求单级放大器的AV0; 2f0.7; 回路电容回路电容C=?

19、才能使回路才能使回路谐振谐振?解解:pieoeGgpgp22221g 设暂不考虑设暂不考虑Yre的作用的作用.LQRp00k26ppRG/1S1084. 35S1055. 03例例解解:gYppA|fe21Vo)(22221ieoeCpCpCC32LfC20)2(1pF20pF4 . 9LgfQffL0007 . 02MHz35. 4例例 f=30MHz,晶体管为晶体管为3DG47型型NPN高频管高频管.当当Vce=6V, Ie=2mA时时,gie=1.3mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF; |Yfe|=58.3mS,fe=-2.2; |Yre|=310 S, re=

20、-88.8; L=1.4 H; p1=1,p2=0.3, Q0=100.求单级放大器的求单级放大器的AV0; 2f0.7; 回路电容回路电容C=?才能使回路才能使回路谐振谐振?gobefeuyp1oegp21Lgp22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。 有有：2beieiugP LbefeLogpguypgpuP222122231 2222122feLLpovoieiep pyggAAggg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

21、无无损损耗耗，且且输输出出回回路路传传输输匹匹配配。 则则 可可 得得 最最 大大 功功 率率 增增 益益 为为 ：2222122max22124fefeLpoieoeLoeLp pyygAgggp gp g+u31-采用相同的晶体管采用相同的晶体管可可得得最最大大功功率率增增益益为为：222maxmax00(1)(1)4feLLpopoieoeyQQAAg gQQ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+u31-1电压增益电压增益12mvvvmAAAA每一级放

22、大器的参数结构均相同每一级放大器的参数结构均相同12fe120() |()21mmmmvmp pYAAfQGf谐振时总的电压增益谐振时总的电压增益120fe|mmmp pAYG2通频带通频带11012121mmmfBWBWQ 级数m1234510.640.510.430.39121m频带缩减因子频带缩减因子3矩形系数矩形系数1/0.101001mmBWfQ1/0.10.11/0.7100121mmmmmBWKBW级数m1234569.954.663.743.383.193.072.560.1mK 例 有一个三级同步调谐的单回路谐振放大器，其中心频率为465kHz，每个回路的品质因数QL=40,

23、 （1）试求该放大电路的总通频带为多少？ （2）若要求该电路级联前后通频带不改变，则此时的QL 为多少？谐振增益变为原来的多少倍？ （3）若要求该放大电路总通频带为10kHz，则允许的最大QL为多少？110346521215.9240mmLfkBWkHzQ 1103465212123.710mnfkQBWk 0012fe0LuuQAAp p YC1000.7L21mmLffBWBWQQ 1132121 4020.4mLLQQ o 即，单级谐振增益约为之前的0.5倍。三级总增益为之前的0.125倍。1.2.3. m变大时，BW0.7、BW0.1降低，选择性增强，矩形系数减小(其减小不是线性的，上

24、限值约2.56) 为保持多级级联后通频带不变，总增益将急剧下降 以双参差调谐为例：将2级单调谐放大器调谐在信号中心频点附近两个不同频点上，组成参差调谐电路。该电路中两个单调谐放大器幅频特性互相补偿，虽然降低了增益，但是展宽了通频带o f1= f2 = f0/2QL时，幅频特性具有最平坦特性。图图 三参差调谐放大器的三参差调谐放大器的谐振曲线谐振曲线 晶体管内部存在着反向输入导纳，考虑晶体管内部存在着反向输入导纳，考虑 yre 后，放后，放大器输入导纳和输出导纳的数值会对放大器的调试大器输入导纳和输出导纳的数值会对放大器的调试及对放大器的工作稳定性有很大的影响。及对放大器的工作稳定性有很大的影响

25、。 一、晶体管内部反馈的有害影响一、晶体管内部反馈的有害影响 1 1放大器调试困难放大器调试困难 放大器的输入导纳放大器的输入导纳 放大器的输出导纳放大器的输出导纳 由于由于 yre 的存在，放大器的输入和输出导纳，分的存在，放大器的输入和输出导纳，分别与负载及信号源有关。别与负载及信号源有关。 bfereiieboeLIy yYyUyYfereooeiesy yYyyY 因为放大后的输出电压因为放大后的输出电压Uo 通过反向传输通过反向传输导纳导纳 yre ，把一部分信号反馈到输入端，由，把一部分信号反馈到输入端，由晶体管加以放大，再通过晶体管加以放大，再通过 yre 反馈到输入端，反馈到输

26、入端，如此循环不止。如此循环不止。在条件合适时，放大器甚至在条件合适时，放大器甚至不需要外加信号，也能够产生正弦或其它波不需要外加信号，也能够产生正弦或其它波形的振荡，使放大器工作不稳定。形的振荡，使放大器工作不稳定。FieLoerefeieiYyYyyyyY一、自激产生的原因一、自激产生的原因FjbgYFF：其其中中gF改变了回路的改变了回路的QL值值, , bF引起回路失谐。引起回路失谐。yre的存在会导致自激的产生的存在会导致自激的产生, ,是不稳定的原因。是不稳定的原因。 gF呈负电导性时，呈负电导性时，g,QL ,通频带通频带,增益也因损耗的减少增益也因损耗的减少而增加，即负电导而增

27、加，即负电导gF供给回路能量，出现正反馈。当供给回路能量，出现正反馈。当gF = gs + gie（回路原有电导）则（回路原有电导）则g = 0，QL ，放大器失去放，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。大性能，处于自激振荡工作状态。二、放大器产生自激的条件二、放大器产生自激的条件当当Ys + Yi = 0 时时, 回路总电导回路总电导g = 0, 放大器产生自激。放大器产生自激。0LoerefeiesYyyyyY1)(refeLoeiesyyYyyY即即假定输入回路和输出回路相同假定输入回路和输出回路相同产生自激的条件产生自激的条件1122refejrefejLoeieseyyeGgg

28、g112refeoeLiesyygGgg：幅幅值值条条件件)(2121,refe2：相相位位条条件件refearctg22refetg即即为为稳稳定定系系数数定定义义：fereLoeiesyyGgggS21当当S=1S=1时产生自激；时产生自激；当当S1S1时，放大器稳定工作。时，放大器稳定工作。一般要求一般要求S=5S=51010。 2021refeCygg三、三、Av0与与S的关系的关系 实际上实际上:由于由于ffT,fe0,因此因此yfe =|yfe |，且，且yre中中,电纳起主电纳起主要作用，即要作用，即900re，reCjy代入相位条件代入相位条件,得得:= 1当当f在低于在低于f

29、0的某一点的某一点 (= 1)时时, ,可能产生自激可能产生自激. .re0feV021CSy2Agg，：则则有有若若如果令如果令gs+gie=g1，goe+GL=g2，代入稳定系数，代入稳定系数S20 gyAfeV当当S=5时，时，re0feV02.5)(CyASfereLoeiesyyGgggS)1)()(2稳定电压增益稳定电压增益用晶体管用晶体管CG30做一个做一个30MHz的中频放大器，当工的中频放大器，当工作电压作电压Vce=8V，Ie=2mA时，其时，其Y参数是：参数是： Yie=(2.86+j3.4)mS; Yre=(0.08-j0.3)mS; Yfe=(26.4-j36.4)m

30、S;Yoe=(0.2+j1.3)mS。求此放大器的稳定电压增益求此放大器的稳定电压增益Av0，要求稳定系数，要求稳定系数S5。例例3.2解：解：依题意，取依题意，取S=5;re0feV02.5)(CyAS97.444 .364 .2622fey3 .0reC75.7 由于由于yre的存在，晶体管是一个双向的器件，增强的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。单向化的方法有：单向化的方法有：中和法中和法 消除消除yre的反馈的反馈失配法失配法 增大增大GL或或gs的数值，使输入和输的数值，使输入和输 出回路与晶体管失配。出回路

31、与晶体管失配。二、克服不稳定的方法二、克服不稳定的方法 单向化 1 1中和法中和法 在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵消内部反馈的影响，称为中和。消内部反馈的影响，称为中和。这相当减小了晶体管这相当减小了晶体管的的 yre ，放大器可以稳定地工作。，放大器可以稳定地工作。 中和法对增益没有影响，中和法对增益没有影响，该方法的主要优点是增该方法的主要优点是增益高，益高，因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。但中和因为它不是靠牺牲增益来获取稳定性的。但中和法的缺点也是突出的，它不能在一个频段满足实际需要，法的缺点也是突出的，它不能在一个频段满足实际需要，实际电路中实际电路中只能在一个频率点起到中和作用。只能在一个频率点起到中和作用。此外，此外，由由于晶体管集电极至基极的内部反馈电路并不是一个纯电于晶体管集电极至基极的内部反馈电路并不是一个纯电容，容，而是具有一定的电阻分量，所以中和电路也应是电而是具有一定的电阻分量，所以中和电路也应是电阻和电容构成的网络，这使设计和调整都比较麻烦。阻和电容构成的网络，这使设计和调整都比较麻烦。目目前，仅在收音机中采用这种办法，前，仅在收音机中采用这种办法，而一些要求较高的通而一些要求较高的通信设备大多不再用中和电路