第2章高频小信号放大器工业

哈尔滨工业大学2009.10

高频电子线路第二章高频小信号放大器第二章高频小信号放大器主要内容概述高频小信号放大器的指标高频电路的基本知识晶体管高频小信号谐振放大器小信号谐振放大器的稳定性第一节概述高频放大的必要性无线信号——无线信道——有衰减远距离传输——距离越远——衰减越大接收设备接收到的高频电平——只有微伏级高频小信号放大器主要应用于接收设备中的高频放大器和中频放大器中第一节概述对高频小信号放大器的要求信号不失真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，抑制无用信号有源放大元件选频网络晶体管、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第一节概述高频小信号放大器的分类按器件：晶体管、场效应管、集成运放按负载性质：谐振、非谐振按信号频谱：宽频带、窄频带低频中——没有窄带放大器的概念通信中——应用窄带放大器本章主要以窄带高频小信号放大器为主第二节高频小信号放大器的指标1中心频率F0调谐放大器的工作频率一般为几百KHz~几百MHz

调谐放大器的主要指标

选择有源器件和计算谐振回路参数的依据第二节高频小信号放大器的指标2增益电压增益

(Au)：放大器输出电压与输入电压之比功率增益(AP)

：放大器输出功率与输入功率之比第二节高频小信号放大器的指标3通频带B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B或者2△f0.7表示。输入信号的频率在通频带内的信号正常放大通频带外的信号不能正常放大，即电压增益小，可近似认为不能通过放大器4矩形系数Kr0.1矩形系数表征放大器选择性好坏的一个选择性：表示选取有用信号，抑制无用信号的能力理想：——矩形第二节高频小信号放大器的指标第二节高频小信号放大器的指标5工作稳定性指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元器件参数等发生变化时，放大器主要性能的稳定程度主要不稳定现象：增益变化中心频率偏移通频带变化谐振曲线变形自激——最坏情况第二节高频小信号放大器的指标6噪声系数NF表征放大器性能好坏的一个参量第三节高频电路的基本知识3.1高频电路中的无源器件3.2高频电路中的有源器件3.3高频电路中的组件3.1高频电路中的无源器件3.1.1电阻实际的电阻器低频——主要表现为电阻特性高频——不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电抗特性——反映其高频特性电阻R的高频等效电路：3.1高频电路中的无源器件3.1.2电容

理想电容器的阻抗1/(j2πfC)，——虚线通常在高频电路分析时，认为是理想的。3.1高频电路中的无源器件

3.1.3电感在高频电路中——不理想——损耗电阻不能忽略。实际电感——用理想无损电感L和串联的损耗电阻r0

来等效。损耗电阻随频率增高而增大。空载品质因数（Q0）——表示电感线圈的损耗Q0——反映损耗的大小，越大越好通常，线圈的Q0值：几十~三百。3.1高频电路中的无源器件电感的等效电路串联等效电路并联等效电路3.2高频电路中的有源器件3.2.1二极管半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。3.2.2集成电路用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多，主要分为通用型和专用型两种。3.2高频电路中的有源器件3.2.3晶体管与场效应管在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好，在外形结构方面也有所不同。高频晶体管有两大类型一类是作小信号放大的高频小功率管，对它们的主要要求是高增益和低噪声另一类为高频功率放大管，除了增益外，要求其在高频有较大的输出功率。3.3高频电路中的组件高频电路中主要的无源组件或无源网络：高频振荡（谐振）回路高频变压器谐振器与滤波器功能：信号传输频率选择阻抗变换3.3.1高频振荡回路高频电路中应用最广的无源网络是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件在电路中完成阻抗变换、信号选择等任务可直接作为负载使用振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。只有一个回路的振荡电路称为简单振荡回路或单振荡回路一、LC串联谐振回路①谐振频率：②阻抗特性：

③电流特性:谐振时流过回路的电流的最大④电压特性：谐振时电感线圈和电容两端的电压模值相等(方向相反)且等于外加电压的QL倍。即⑤品质因数特性阻抗——纯电阻——容性——感性⑥幅频特性和相频特性幅频特性相频特性二、LC并联谐振回路①谐振频率：②阻抗特性：

③电压特性:谐振时流过回路的电压的最大④电流特性：谐振时流过电感线圈和电容的电流模值相等(方向相反)且等于外加电流的QL倍。即⑤品质因数特性阻抗——纯电阻——感性——容性

⑥阻抗特性3.3.2高频振荡回路相关知识一、串并联阻抗的等效互换“等效”的概念：在相同工作频率ω

下，阻抗相等（Z1=Z2）。串联：并联：Q值：

Q1=X1/r1=X2/R2=Q2ABX1r1ABX2R2互换关系：

结论:串联转换为等效并联后Q值不变串联电路转换为等效并联电路后，R2为r1的Q2

倍，而X2与X1相同二、并联谐振回路的耦合联接与接入系数并联谐振回路的作用:选频滤波阻抗交换信号源内阻或负载并联在回路两端存在的问题：直接影响回路的Ｑ值，Ｑ值下降，通频带增宽，选择性变差；影响回路的谐振频率f0，且稳定性变差；影响负载上的功率输出；阻抗不匹配。为解决此问题，采用阻抗变换电路，将它们折算到回路两端，以改善对回路的影响。（1）、变压器耦合联接的阻抗变换

并联谐振回路的耦合联接p=N2/N1为接入系数并联谐振回路的耦合联接（2）、自耦变压器耦合联接的阻抗变换自耦变压器耦合联接方式适用于与晶体管的联接，它除了能实现阻抗变换外，还能为晶体管的集电极提供直流通路。

p=N23/N13为接入系数并联谐振回路的耦合联接（3）、变压器自耦变压器耦合联接的阻抗变换并联谐振回路的耦合联接（4）、电容分压式耦合联接与阻抗变换LRLaC1C2bQc2>>»1，Qc>>1LR’LaC1C2b并联谐振回路的耦合联接（5）、接入系数与阻抗变换关系接入系数p的定义变比关系的通式几种常见抽头振荡回路第四节晶体管高频小信号谐振放大器4.1晶体管高频小信号等效电路4.2单调谐回路谐振放大器4.3多级单调谐回路谐振放大器4.1晶体管高频小信号等效电路y参数等效电路适合于窄频带小信号放大器混合π等效电路适合于宽频带小信号放大器在分析高频小信放大器时，采用Ｙ参数等效电路进行分析是比较方便的，——以y参数等效电路为主。y参数等效电路一个晶体管可以看成二端口网络二端口网络u1u2i1i2四个参数均具有导纳量纲共发射极晶体管实际应用Y参数等效电路晶体管Y参数等效电路Yie是晶体管输出端短路时的输入导纳，反映了晶体管放大器输入电压对输入电流的控制作用，其倒数是电路的输入阻抗。yie=gie+jωCieYfe是晶体管输出端短路时的正向传输导纳，反映了晶体管输入电压对输出电流的影响，即反映了晶体管的放大能力。Yre是晶体管输入端短路时的反向传输导纳，反映了晶体管输出电压对输入电流的影响，即晶体管内部的反馈作用。简化时，=0。Yoe是晶体管输入端短路时的输出导纳，反映了晶体管输出电压对输出电流的作用，其倒数是电路的输出阻抗。yoe=goe+jωCoe4.2单调谐回路谐振放大器一、放大器等效电路极其简化单调谐放大器的等效电路考虑到为保证实用的单调谐放大器稳定地工作，都采取了一定的措施，使内部反馈很小，即Yre=0单调谐放大器的等效电路单调谐放大器的等效电路单调谐放大器的等效电路导纳输出电压4.2单调谐回路谐振放大器二、放大器技术指标分析（1）电压增益谐振时：结论：谐振时电压增益与晶体管正向传输导纳成正比，与回路两端总电导成反比；放大器输出电压与输入电压的相位差是180°

（2）谐振曲线一般失谐：广义失谐：下图是分别用、和表示的放大器的谐振特性曲线。用频率表示用一般失谐表示用广义失谐表示（2）放大器的通频带由可得：通频带：当f0确定时，ＱL越低，通频带愈宽。（2）放大器的矩形系数由可得：矩形系数：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。这是它的一大缺点。4.3多级单调谐回路谐振放大器双级单调谐放大器一、多级单调谐谐振放大器的总电压增益假如，放大器有m级，各级电压增益分别为Au1,Au2,Au3

,…,Aum则总电压增益Am是各级电压增益的乘积。即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二、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，它的谐振曲线等于各单级谐振曲线的乘积，总谐振曲线为m越大曲线越尖锐级联放大器谐振曲线Au

/Au010.7070f0fm1m2m3三、多级单调谐谐振放大器的通频带m级相同放大器级联时，根据定义总通频带应满足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。m12345…10.640.510.430.39…四、多级单调谐谐振放大器的矩形系数根据矩形系数的定义，可得级数越大，矩形系数越接近１n123456K0.19.954.663.753.43.23.1第五节小信号谐振放大器的稳定性5.1放大器不稳定的原因5.2放大器的稳定系数及稳定电压增益5.3提高谐振放大器稳定性的措施由于有可能构成正反馈，引起放大器产生自激振荡.5.1放大器不稳定的原因5.2放大器的稳定系数及稳定电压增益一、放大器的稳定系数

调谐放大器等效电路稳定系数S的定义输入电压与正反馈电压的比值定义为稳定系数S越大，放大器越稳定.对于一般放大器来说，S≥5就可以认为是稳定的。稳定系数与电路参数的关系二、单调谐放大器的稳定电压增益稳定电压增益：不加任何稳定措施，并满足稳定系数S（例如S≥5）要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压增益。稳定电压增益与电路参数的关系放大器的等效电路

则

当回路谐振时，谐振电压增益为

将稳定系数S式中的代入上式稳定电压增益结论:根据稳定系数的要求(S≥5)确定这是没有稳定措施的情况下，允许的最高电压增益。实际的电压增益，则放大器稳定放大器稳定的判断（例题）已知某晶体管在工作频率为10.7MHz时，yfe=(26.4-j36.4)mS；yre=(0.08-j0.3)mS。是否稳定?计算：这说明用这个晶体管设计制作放大器，只要放大器电压增益不大于12.52，在没有任何稳定措施条件下，放大器是稳定的。即满足S≥5的要求。5.3提高谐振放大器稳定性的措施消除yre反馈作用的过程称为单向化。单向化的方法：中和法、失配法一、中和法在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路，以抵消晶体管内部yre的反馈作用。

中和电路的两种形式中和电路只能对一个频率点实现完全中和。因晶体管的yre是随频率变化的，而CN不随频率变化。二、失配法失配：是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗相匹配；输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗相匹配失配法的实质：是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。共射—共基级联放大器失配法特点：

由于后级共基晶体管的输入导纳较大，它是前级共射晶体管的负载。大的负载导纳使共射放大电压增益低，但电流增益较大。后级共基电流增益小、电压增益大，组合后的放大器的总电压增益和功率增益都和单管共射放大电路差不多，但稳定性高。共射—共基级联晶体管可