通信电子线路：第3章 高频小信号放大器

1、第 3 章 高频小信号放大器 3.0 small-signal RF amplifier design3.1 概述3.2 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 3.4 多级单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3.7 场效应管高频小信号放大器3.8 放大器中的噪声4.0 design4.0.1 conditionFigure Maximum power transfer at 10MHz Bandwidth of 500kHzTransistor has a collector dynamic impedance of 10kohmsCbe = 15p

2、F; Cbc = 1pF; and dc = 50.Maximum output power will be 5.4mW in 50ohmsPower supply voltage is 12V;Collector stray capacitance is 3pF.4.0 design4.0.2 analysis_dcRE voltage drop at about 1V,or approximately 10% of the supply voltage. (rule of thumb) VE = 1VRE = VE / IEVB = 1.61.7VR1 = VB/I1I1 10IB (ru

3、le of thumb)R2 = (VCC - VB)/(1.1 I1)Pdc = 0.9VCCIC10% of Vcc is used up for VE and the collector saturation voltage.Pdc = PO/ = (A class amplifier)4.0 design4.0.2 analysis_acRdn and Cdn decoupling networkRdn typical resistor about 100 ohmsXCdn = 1:10 Rdnif at 10MHz and Rdn = 100ohms then Cdn = 0.002

4、FCEbypass RE and provides a low impedance for the transistor emitter re.XCE = 1/10 rere = 26mV/IE /10(rule of thumb)CCcoupling capacitor or dc-blockXCC = (1:10)Zi Zi is the amplifier input impedance.Collector circuit component values: based on a circuit gain requirementimpedance match for maximum po

5、wer transferf0BW - QRP (rc)-XLXC- CL4.1 概述4.1.1 高频小信号放大器的特点频率较高：中心频率一般在几百kHz到几百MHz；频带宽度在 几khz到几十MHz，相比中心频率较小。小信号：信号较小，故晶体管工作在线性范围内(甲类放大器)比较：高频放大器低频放大器中心频率高低频带宽度小大负载选频网络无调谐负载（电阻、有铁心的变压器）4.1.2 高频小信号放大器的分类4.1 概述按所用的材料分：晶体管（BJT)场效应管（FET)集成电路（IC)按频谱宽度分：窄带放大器宽带放大器按电路形式分：单级放大器多级放大器按负载性质分：谐振放大器非谐振放大器谐振放大器：采

6、用谐振回路（串、并联及耦合回路）作负载的放大器，具有放大、滤波或选频的作用。非谐振放大器：由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，性能良好，便于集成。调谐放大器：调谐回路需对外来不同的信号频率进行调谐。（高频放大器）频带放大器：调谐回路的谐振频率固定不变。（中频放大器）4.1 概述1） 增益：（gain） 电压增益： 功率增益：分贝表示： 2）通频带：(passband) 放大器的电压增益下降到最大值的0.7（即1/ ）倍时， 所对应 的频率范围称为放大器的通频带，亦称3分贝带宽。4.1 概述4.1.3 高频小信号放大器的主要质量指标信号大小的表示：dB(相对电平)dBm(绝对电平) dB（

7、绝对电平）fAVAVof02Df0.70.71fAPAPo2Df0.70.521f0 为什么要求通频带？ 4.1 概述 放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号频谱分量通过放大器。 （1）回路的形式和回路的等效品质因数QL （2）总通频带和级数有关。通频带愈宽，放大器的增 益愈小。 影响通频带的因素？ 4.1 概述从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）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，选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。3）选择性： 矩形系数： 按理想情况，谐振曲线应为一矩形。为了表示实际曲线接近理想曲

8、线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。用Kr表示，其数学定义：或 2f0.1, 2f0.01分别为放大倍数（电压增益）下降至最大值的0.1和0.01处的带宽。说明： Kr愈接近于1越好。理想情况： Kr=14.1 概述 抑制比：表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用dn表示。 An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。 4.1 概述或 dn(dB) = 20 lgdn限制每级增益；选择内反馈小的晶体管；应用中和或失配方法等稳定措施。 4）工作稳定性： 4.1 概述放大器不稳定的现象有哪些？增益变化； 通频带变窄；中心频率漂移； 谐振曲线变形等。常用的放大器稳定措

9、施有哪些？指在电源电压变化或器件参数变化时，其主要特性的稳定程度。 5） 噪声系数：总结：上述各项性能指标之间即有联系又有矛盾：（1）增益和稳定性是一对矛盾；（2）通频带和选择性是一对矛盾。 因此应根据设计需要决定主次，进行分析和讨论。4.1 概述在多级放大器中，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。 NF越接近1越好噪声性能用噪声系数表示4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数晶体管在高频小信号运用时，等效电路有两种主要形式：形式等效电路：将晶体管等效为有源线性四端网络。优点：分析电路方便、不涉及晶体管内部的物理过程 ，导出的表达式具有普遍意义。缺点：网络参数

10、与频率有关优点：元件参数在很宽的频率范围内都是常数。缺点：分析电路不方便。混合等效电路：晶体管内部的复杂关系用集中元件LCR表示，每一元件与晶体管内发生的某种物理过程具有明显关系。这样模拟出来的等效电路称为4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数4.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）晶体管共射极连接常用的三种参数系：h参数：z参数：y参数：式中：本章采用y参数系：4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数bV1I1V2yiyocI2yrV2yfV1eY参数等效电路说明：4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数1）上述y参数可能是实数或复数2）短路导纳参数是晶体管本身的参数，只与晶体管的特性有关，

11、与外电路无关。又称内参数。I 1 YLIsYs2信号源I1V2V1bV1I1V2yieyoecI2yreV2yfeV1eYLIsYs晶体管接入外电路，例如，下图构成放大器，这时相应的y参数，不仅与晶体管有关，而且与外电路有关，此时称为外参数。4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数1. 混合参数等效电路：把晶体管内部的物理过程用集中参 数元器件RLC表示。混合参数等效电路4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数4.2.2 混合参数等效电路 混合等效电路中，电容，电阻并联，在一定的频率下。 rbc与Cbc引起的容抗相比rbc可视为开路。 rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可以忽略（视为开路） rc

12、e与回路负载比较，可视为开路。 简化后的等效电路如图：注意：（1）简化电路对工作频率较高时适用；，（2）工作频率范围不同时等效电路可进行不同的简化。（3）频率低时可忽略电容的作用。4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数2. 混合等效电路的简化：混合参数等效电路4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数4.2.3 Y参数等效电路与混合等效电路参数的转换e r b rbb gmVbe b Cbc Cbe c I Ic Ib yie Vb Vc rbebcrce+-+-bV1I1V2yiyocI2yrV2yfV1eY参数等效电路将上式与比较得：求解上述方程得：4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数考虑到

13、如下条件：将结论进一步简化为：4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数结论： 四个y参数都是复数，可表示成：晶体管在高频运用时，四个y参数都是频率的函数。输入输出导纳比低频运用时大，而正向传输导纳比低频时小。工作频率越高，这种差别越大。4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数1）截止频率：由于0比1大的多,在频率为f时,|虽然下降到原来的0.707但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。2）特征频率4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数4.2.3 晶体管的高频参数电流放大系数与f的关系:故可以粗略计算在某工作频率下的电流放大系数。3）最高振荡频率fm

14、axfmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当ffmax时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。4.2 晶体管高频小信号等效电路和参数3.3 单调谐回路谐振放大器具体包括： R1、R2、R3为偏置电阻，决定工作点； LF、CF为滤波电路 C4、L组成L、C谐振回路，作为负载R4用以加宽回路通频带 Rp是并联回路本身的损耗3.3.0 电路结构（以共射极连接电路为例） 整个放大电路正常工作，应包括两大部分： 直流偏置电路+高频交流通路C4R3LFCFC3R2R1C2P1R4P2abL-+vcc1、直流偏置电路将电路中的线圈看成对直流短路；将电路中的

15、电容看成对直流断路；直流分析的目的？确定静态工作点即计算出VCE，IE等计算出rbe等 参数求y参数系得出晶体管的y等效电路注意：一般情况下，对这种放大器的计算问题，更多地是关注放大器的质量指标的计算，因此y参数都会在题中作为已知条件给出。见书p152的4.9,4.10,4.11等。3.3 单调谐回路谐振放大器 如何画出直流通路？R3R2R1vcc2、高频交流通路 如何画出交流通路？该短路就短路；（高频旁路电容/滤波电容/耦合电容）该断路就断路；（高频扼流圈）该接地就接地；（直流电源）C4R2R1P1R4P2abL3.3 单调谐回路谐振放大器CP1gP2abLIsYsVi+-IbyieyreV

16、cyfeViyoeyieVo+-cIc3.3 单调谐回路谐振放大器3、等效电路分析YL代表由集电极C向右看的回路导纳。放大器的输入导纳为：1）求放大器输入导纳：考虑有负载时，输入端口电流ib与电压ube(Vi)的比。2）求放大器输出导纳：CP1gP2abLYsVi+-IbyieyreVcyfeViyoeyieVo+-cIc考虑到信号源导纳Ys时，晶体管输出端口电流ic与电压uce (Vc)的比值。即:3.3 单调谐回路谐振放大器解得上述方程得：3.3 单调谐回路谐振放大器3.3 单调谐回路谐振放大器3.3.1 电压增益CP1gP2abLIsYsVi+-IbyieyreVcyfeViyoeyie

17、2Vo+-cIc1）电压增益根据电压变比关系：YL代表由集电极C向右看的回路导纳。其中：CP1gP2abLIsYsVi+-IbyieyreVcyfeViyoeyie2Vo+-cIc3.3 单调谐回路谐振放大器电压增益的相关结论：3.3 单调谐回路谐振放大器3.3 单调谐回路谐振放大器3.3.2 功率增益3.3 单调谐回路谐振放大器3.3 单调谐回路谐振放大器3.3.3 通频带与选择性结论：3.3 单调谐回路谐振放大器带宽增益乘积为一常数当yfe和C为定值时（电路定了，其值也定了。带宽增益乘积 = const），决定于C与yfe 。因此选择管子时应选取yfe大的，应减少C。讨论：单调谐放大器的选

18、择性3.3 单调谐回路谐振放大器所以单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。3.3 单调谐回路谐振放大器3.4多级单调谐回路谐振放大器3.4.1 概述 若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。3.4.2 多级放大器的参数指标变化1、增益2、通频带根据通频带的定义可以求m级放大器的通频带(2f0.7)m3.4多级单调谐回路谐振放大器 为了使总的通频带不变,每级的带宽都要增加为原来的 X倍。 当每级通频带加宽X倍时,每级的增益都会降低为原来的1/X。3.4多级单调谐回路谐振放大器由此得：m

19、级放大器的通频带为：其中，等于单级放大器的通频带所以：m级和单级放大器的通频带的关系为：结论： m级级联后通频带变窄，3、选择性(以矩形系数为例)结论:单调谐回路特点是电路简单,调试容易,但选择性差,增 益和通频带的矛盾比较突出。3.4多级单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3.6.1 概述 实际上，由于反向传输导纳yre的存在，晶体管内部存在反馈，即输出信号会反馈到输入端，从而对放大器的工作产生影响，引起放大器的工作不稳定。在前面我们分析放大器性能时，都认为晶体管单向工作，即假设反向传输导纳yre=0这样就是认为只有信号从输入端传向输出端，而没有输出信号对输入端的反向传输

20、。3.6.2 晶体管内部反馈的有害影响1、放大器的输入导纳为：是输出端短路时晶体管（共射连接）本身的输入导纳由于yre的反馈引起的输入导纳；结论：放大器的输入导纳不仅与晶体管的输入导纳有关，还与晶体管的负载 有关。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施CP1gP2abLIsYsVi+-IbyieyreVcyfeViyoeyie2Vo+-cIc2、放大器的输出导纳为：结论：放大器的输出导纳不仅与晶体管的输出导纳有关，还与信号源的内导纳 有关。3、总结：晶体管内部反馈对放大器的影响1）由于yre的影响，使Yi与YL有关，Yo和Ys有关，即输入端与输出端相互影响，从而使放大器的调整（主要指调谐）变得困

21、难。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施2）一旦频率发生变化，会引起YL和Ys变化，从而使得Yo和Yi的变化，导致回路的QL和fo等发生变化，从而使谐振曲线变形，性能指标发生变化。3）使放大器工作不稳定，在极端的情况下，产生自激振荡。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6.3 自激产生的原因如果放大器输入端也接有谐振回路（或前级放大器的输出谐振回路），则输入导纳Yi并联在放大器输入端回路后如图：3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施1）如果没有YF，则放大器的等效输入回路：可将输入端回路调整到谐振状态。2）如果YF存在，则放大器的输入回路的情况如下：gFffogF可能为正或负3.6 谐振放大

22、器的稳定性与稳定措施gF改变了回路的QL值, bF引起回路失谐。这些因素影响放大器的增益、通频带和选择性，并使谐振曲线产生畸变。3）在某些频率情况下，gF为负值，即负电导（负电阻），使输入回路总电导减小， QL增大，通频带减小，增益因损耗的减小而增加。可理解为负电导给输入回路供给能量，即正反馈。这时放大器的工作是不稳定的，称为潜在不稳定。4）极端情况：gF的负值恰好抵消gs+gie，此时输入回路总电导为0（ g = 0 ）， QL ，反馈能量正好补偿了回路的损耗能量，放大器处于自激振荡工作状态，此时放大器失去放大性能。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施Affo3.6.4 放大器产生自激的条件

23、 当Ys + Yi = 0。回路总电导g = 0。放大器产生自激。 此放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消 。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施还可推导稳定系数 3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6.5 Avo与 S的关系： 讨论： (Avo)s与f有关，f(Avo)s，f yre内反馈厉害。 选管应选 大些的为好 (Avo)s只考虑内部反馈，未考虑外部反馈。 当S = 5时， (Avo)s是保持放大器稳定工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作，Avo不允许超过(Avo)s

24、。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施 由于yre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。单向化的方法有：中和法 消除yre的反馈失配法 使GL或gs的数值增大，因而使输入和输出回路与晶体管匹配。中和法：外加一个电容抵消正反馈电容的作用失配法：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配； 晶体管输出端负载不与晶体管的输出阻抗匹配。 即以牺牲电压增益来换取放大器的稳定性 3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6.6 克服自激的方法3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施1、 中和法：在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。电桥平衡时，C

25、D两端的回路电压 不会反映到AB两端,即对应两边阻抗之比相等。 2、 失配法：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。使增益下降，提高稳定性。要使Yi = yie，即使后项0，则必须加大YL yL yoe若则晶体管实现单向化，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发一共基级联放 大. 3. 中和法与失配法比较：3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施中和法：优点：简单，增益高缺点： 只能在一个频率上完全中和，不适合宽带 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。 采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。失配法：优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响； 频带宽，适合宽带放大，适于波段工作； 生产过程中无需调整，适于大量生产。 缺点：增益低。思考题：1、高频小信号放大器不稳定的内在因素是什么？2、高