信息与通信高频小信号放大器

2024/6/913.7谐振放大器的常用电路和集成电路谐振放大器

3.8场效应管高频小信号放大器

3.9放大器中的噪声

3.10噪声的表示和计算方法3.6

谐振放大器的稳定性与稳定措施

3高频小信号放大器2024/6/923.1概述高频小信号放大器高频放大器小信号放大器：谐振放大器非谐振放大器：调谐放大器（高频放大器）频带放大器（中频放大器）窄带放大器宽带放大器信号小，认为它工作在晶体管（或场效应管）的线性范围内。把晶体管看成线形元件，可用有源线性四段网络来分析。阻容放大器+滤波器2024/6/933.1概述低频放大器（音频）高频放大器中心频率20~2000Hz几百kHz~几百MHz

频带宽度

很宽

很窄（几kHz~几十MHz）负载

无调谐：电阻、有铁心变压器

选频网络组成谐振和非谐振放大器1、高频放大器与低频放大器（音频）的区别:2024/6/94

谐振放大器：采用谐振回路（串、并联及耦合回路）作负载的放大器。不仅有放大作用，而且有着滤波或选频的作用。

种类：调谐放大器（高频放大器）：调谐回路频带放大器（中频放大器）：谐振回路几十μV～几mV1V左右3.1概述2024/6/95高频小信号放大器的主要质量指标1)增益：（放大系数）

电压增益：分贝表示：

功率增益：2)通频带：电压增益Av下降到最大值Av0的1/时所对应的频率范围。也叫3dB带宽3.1概述2024/6/96通频带：

1电压增益下降到最大值的1/时所对应的频率范围，叫3dB带宽，用表示。电压增益下降到最大值的1/2时所对应的频率范围，叫6dB带宽，用表示。2放大器通频带决定于负载回路的形式和回路的等效品质因数QL。放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄。通频带越宽，放大器的增益就越小。两者是互相矛盾的。

3在宽带放大器中，常采用牺牲单级增益，保证带宽，增加放大级数的方法。收音机中频放大器通频带约为6~8kHz,电视机中频放大器带宽约为6MHz。2024/6/97①矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。3)选择性：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。2024/6/98②抑制比:

表示对某个干扰信号fn

的抑制能力，用dn表示。或称抗拒比，通常说明某些特定频率的选择性好坏，如中频、象频等。用分贝表示。

f0为信号频率,fn为干扰信号频率。Av0为信号谐振点的放大倍数。Av为干扰信号的放大倍数。3.1概述2024/6/994)工作稳定性：指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。

基本共射极放大电路

稳Q共射极放大电路

不稳定状态：增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等，极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。3.1概述2024/6/910End5)噪声系数：

输入端信号噪声功率比与输出端信号噪声功率比的比值。

噪声包括信号源噪声和放大器自身产生的噪声。力求内部噪声越小越好，即要求噪声系数接近1。可采用低噪声管，正确选择工作点电流，选用合适的电路，等等。接收机的整机灵敏度、选择性、通频带等主要取决于中放级，而噪声则主要取决于高放或混频级。因此，在考虑中放级时，应在满足频带要求与保证工作稳定的前提下，尽量提高增益；而在考虑高放级时，则增益成为次要矛盾，主要应尽量减少本级的内部噪声。3.1概述2024/6/9113.2晶体管高频小信号等效电路与参数3.2.1形式等效电路（网络参数等效电路）3.2.2混合π等效电路3.2.3混合π等效电路参数与 形式等效电路ｙ参数的转换3.2.4晶体管的高频参数2024/6/9123.2.1形式等效电路形式等效电路：是将晶体管等效为有源线性四端网络，它的优点在于通用，导出的表达式具有普遍意义，分析电路比较方便；缺点是网络参数与频率有关。

根据四段网络的理论，需要有四个数来表示方框内的晶体管的功能。即需要4个晶体管的参数（或参量）。最常用的有h、y、z三种参数系。如选：I1

、V2为自变量，V1、I2为参变量，则得到h参数系；

I1、I2V1、V2

z参数（阻抗参数）系；

V1、V2I1、I2

y参数系；2024/6/913图4.2.1晶体管共发射极电路图4.2.2ｙ参数等效电路式中：称为输出短路时的输入导纳；称为输入短路时的反向传输导纳；称为输出短路时的正向传输导纳；称为输入短路时的输出导纳。3.2.1形式等效电路2011.9.11zongxiao2024/6/914图4.2.2ｙ参数等效电路放大器输入导纳Yi

上式说明，输入导纳Yi与负载导纳YL有关，这反映了晶体管内部有反馈，是由反向传输导纳yre引起的。消去V2与I2，可得3.2.1形式等效电路2024/6/915图3.2.3晶体管放大器及其ｙ参数等效电路放大器输出导纳Yo3.2.1形式等效电路2024/6/9163.2.2混合π等效电路图3.2.4混合π等效电路优点：各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。缺点：分析电路不够方便。eb'rcerb'creeCb'eCb'crbb'rb'ecrccbgm

vb‘eEnd2024/6/917图3.2.4混合π等效电路End

表示晶体管放大作用的等效电流发生器。rbb’是基极电阻是集-射极电阻是集电结电阻是集电结电容3.2.2混合π等效电路2011.3.152024/6/9183.2.3混合π等效电路参数与形式等效电路y参数的转换由（b）图用节点电流法，可得（3.2.13）（3.2.14）（3.2.15）其中：从3.2.13、3.2.14、3.2.15中消去，经整理，并用代替Vbe，代替可得，见下页。2024/6/9193.2.3混合π等效电路参数与形式等效电路y参数的转换3.2.163.2.17与3.2.1、3.2.2式比较：并考虑下列条件通常是满足的，所以可得3.2.183.2.193.2.203.2.212024/6/9203.2.3混合π等效电路参数与形式等效电路y参数的转换

由上页y参数公式可见，四个参数都是复数，为以后计算方便，可表示为：式中，gie、goe分别称为输入、输出电导；Cie、Coe分别称为输入、输出电容。2024/6/9213.2.1-3.2.3复习

1、高频小信号放大器的主要质量指标

1)增益：（放大系数）2)通频带：电压增益下降到最大值的1/时所对应的频率范围。叫3dB带宽，用表示。3)选择性：选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。2024/6/9224)工作稳定性：指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。5)噪声系数：输入端信号噪声功率比与输出端信号噪声功率比的比值。2、ｙ参数等效电路3、放大器输入导纳Yi2024/6/9234、放大器输出导纳Yo：5、放大器的增益：图3.2.5混合π等效电路6、混合π等效电路2024/6/9241.截止频率fβ12.特征频率fT

当f>fT后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。3.2.4晶体管的高频参数2024/6/92512.特征频率:图3.2.6β截止频率和特征频率因此，知道了某晶体管的特征频率fT（由手册查得），就可以粗略计算在某工作频率f>>fβ的电流放大系数。3.2.4晶体管的高频参数2024/6/9263.最高振荡频率fmax

f≥fmax后，Gp<1，晶体管已经不能得到功率放大,无论用什么办法都不能使晶体管产生振荡；最高振荡频率的名称也由此而来。通常，为使电路工作稳定，且有一定的功率增益，晶体管的实际工作频率应等于最高振荡频率的1/3到1/4。End3.2.4晶体管的高频参数2024/6/9274、电荷储存效应：晶体管工作时，PN结正向工作时，N区向P区注入大量的电子，在扩散和与空穴复合的同时，在P区形成了一定的电子积累，建立起一定的浓度分布。当某一时刻，PN结突然由正向偏置转为反向偏置时，这些积累的电子不能突然消失，再反向电场的作用下，大部分被拉回到N区，一部分在P区被复合掉，经过一段时间后，反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值。这种正向导电时的电子积累现象，就叫电荷储存效应。电荷储存效应使晶体管不能在从正向工作转为反向工作的瞬间即获得小的反向饱和电流，而是瞬间通过了大的电流，使高频工作时出现输入与输出电流的相位差，引起电流放大系数下降。在乙类和丙类放大器中会引起波形失真，降低电源效率，甚至使放大器不能正常工作。因此，电荷储存效应使晶体管的高频性能变坏。3.2.4晶体管的高频参数2024/6/9283.3单调谐回路谐振放大器3.3.1电压增益3.3.2功率增益3.3.3通频带与选择性3.3.4级间耦合网络2024/6/929图3.3.1单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路3.3单调谐回路谐振放大器2024/6/930

代表晶体管放大作用的等效电流源；

go1、Co1代表晶体管的输出电导与输出电容；代表回路本身的损耗；

YL=gi2+jωCi2代表负载导纳，即下一级晶体管的输入导纳。3.3.1单调谐回路的电压增益2024/6/9311、三级管的电压增益：此处，为晶体管的输出导纳；为晶体管在输出端1、2两点之间看来的负载阻抗，即下一级晶体管输入导纳与LC谐振回路折算至1、2两点间的等效导纳。显然，可以看成是1、2两点间的总等效导纳。yoe2024/6/9322、将所有元件参数都折算到LC回路两端：yoe2024/6/933由LC回路两端看来的总等效导纳为：3、放大器的电压增益：在谐振时：

为了获得最大功率增益，应适当选取p1与p2的值，使负载导纳YL能与晶体管电路的输出导纳相匹配。2024/6/934匹配条件：即：GP通常很小，与相比常忽略，因而上式变为：于是求得导纳匹配时的接入系数值为：得匹配时的谐振回路放大器的电压增益：2024/6/9353.3.2谐振功率增益AP1、谐振时的功率增益为:gi1为本级放大器的输入端电导；gi2为下一级晶体管的输入电导。若采用相同的晶体管，则gi1=gi2，因此得在忽略回路损耗GP时，由式（4.3.8）得匹配时的最大功率增益为：2024/6/9362、插入损耗①插入损耗定义②不考虑Gp损耗时，负载上所获得的功率：③考虑Gp损耗后，负载上所获得的功率：2024/6/937④回路的无载Q值和有载Q值：⑤插入损耗：用分贝表示：2024/6/938⑥考虑插入损耗后，负载匹配时功率增益：⑦考虑插入损耗后，谐振回路放大器的电压增益：2011.3.212024/6/9393.3.3通频带与选择性1、由（3.3.3）与（3.3.4）得放大器相对电压增益及通频带①相对电压增益：3.3.182024/6/940②放大器的通频带：

可见ＱＬ越高，则通频带越窄。③电压增益与总电容、同频带的关系：因回路电导可表示为：谐振电压增益为：

此式说明，晶体管选定以后（即yfe已经确定），接入系数不变时，放大器的谐振电压增益Av0只决定于回路的总电容CΣ和通频带2Δf0.7的乘积。电容CΣ越大，通频带2Δf0.7越宽，则增益越小。电容CΣ的最小值是回路不外接电容，回路电容由晶体管的输出电容、下级晶体管的输入电容、电感线圈的分布电容以及安装电容等组成。这些电容属于不稳定电容。从谐振曲线稳定的角度来看，希望外加电容大，即CΣ大，以使不稳定电容的影响相对减弱。从提高增益的角度看应减小回路电容CΣ

。3.3.202011.9.272024/6/9412、放大器的选择性（矩形系数）：

单调谐回路放大器的矩形系数远大于1。它的谐振曲线和理想矩形相差较远，所以邻道选择性差。2024/6/9423.3.4级间耦合网络图3.3.4单调谐放大器的级间耦合网络形式End2024/6/943

例3.3.3（留作本次作业）设计一个中频放大器，指标如下：中心频率f0=465kHz，带宽2Δf0.7=8kHz。负载ZL为下级一个完全相同的晶体管的输入阻抗，采用自耦变压器-变压器耦合网络。解：选用晶体管的参数：当Vce=6V，IE=2mA时，它的y参数为

gie=1.2mS，Cie=12pF；goe=400µS，Coe=9.5pF;|yfe|=58.3mS,φfe=-22°;|yre|=310µS,φre=-88.8º设暂时不考虑yre的作用，则

Yi≈yie=gie+jωCie=[1.2×10-3+j2*3.14*465*103*(12×10-12)]S=（1.2+j0.035）mS输出导纳：Yo=yoe=goe+jωCoe=(0.4+j0.0278)mS2024/6/944

图中R1、R2为偏置电阻，调整它们的值使IE=2mA。C1为旁路电容，它的阻抗在465kHz时应远小于R2。例如，若R2=5kΩ，则C1可选为0.05~0.1µF。Re是为偏置稳定而加设的射级电阻，一般典型数值约为500~1000Ω，旁路电容Ce仍可用0.05~0.1µF。Rc、Cc为去藕电路，用于消除各放大器间通过电源所引起的寄生耦合，一般取Rc=500Ω左右，Cc取0.05µF。设选取回路总电容CΣ=200pF，则回路电感为IE=2mA若回路的空载品质因数Q0=100，则回路损耗电导为5kΩ0.05~0.1µF500~1000Ω0.05~0.1µF0.05µF500Ω586µH2024/6/945IE=2mA5kΩ0.05~0.1µF500~1000Ω0.05~0.1µF0.05µF500Ω586µH

由此求得并联到LC回路上的总损耗电导：匹配时的初次级抽头系数：2024/6/9463.4多级单调谐回路谐振放大器

若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器。Av1Av2Avn如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则1.增益2024/6/9472.通频带可求得m级放大器的通频带M级相同的放大器级联时，它的谐振曲线可由3.3.18式求得:

3.3.18单级3.4多级单调谐回路谐振放大器称为带宽缩减因子，m越大，带宽越窄。2024/6/9483.选择性（矩形系数）通频带

当级数m增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。End3.4多级单调谐回路谐振放大器2024/6/9493.5双调谐回路谐振放大器

单调谐回路放大器的选择性较差，增益和通频带的矛盾比较突出，为此，可采用双调谐回路放大器。2024/6/950

在实际应用中，初次级回路都调谐在同一频率f0。为了分析方便，假设两回路元件参数相同，即电感L1=L2=L；初次级回路总电容C1+p12Coe≈C2+p22Cie=C;折合到初次级回路的电导p12goe≈p22gie=g;回路谐振角频率ω1=ω2=ω0=1/初次级回路有载品质因数2011.9.162024/6/951由39页2.4.17式，参考第50帧页图在谐振时，ξ=0，得

可见，双调谐回路的电压增益不仅与正向传输导纳和回路的电导有关，而且与耦合参数η有关，根据η﹥1

，η﹤1，η=1三种情况可得到三个Av0的值，进而可求得三种对应的谐振曲线，见教材112-113页。我们重点掌握临界耦合时的情况。见教材4.5.3式和4.5.7式。3.5.22024/6/952

临界耦合时，η=1，谐振曲线较平坦，在f0（ξ=0）处出现最大峰值，此时3.5.73.5.32024/6/953End图3.5.2对应于不同的η双调谐回路 放大器的谐振曲线=9.95临界耦合时的通频带（令）；令Av/Av0=1/10，代入式（4.5.7），得矩形系数：m级（η=1）双调谐放大器的矩形系数为：2024/6/9543.6谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6.1谐振放大器的稳定性3.6.2单向化

2024/6/9553.6.1谐振放大器的稳定性

以前的等效电路分析时，假定yre＝0，即输出电路对输入端没有影响（见图3.2.5和图3.3.1），放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈yre的影响。1.放大器的输入导纳和输出导纳引用§3.2结果（3.2.6式和3.2.9式），可知2024/6/956

如果放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的输出谐振回路)，那么输入导纳Yi并联在放大器输入端回路后(假定耦合方式是全部接入)，2.自激振荡的产生

(以输入导纳的影响为例)图3.6.1放大器等效输入端回路实际电路中，3.6.13.6.1谐振放大器的稳定性2024/6/9573.自激产生的原因(以输入导纳的影响为例)图3.6.2反馈电导ｇＦ随频率变化的关系曲线图3.6.3反馈导纳对放大器谐振曲线的影响2011.9.29OUMEI2024/6/958图3.