《高频电子电路》课件-第2

2.2晶体管高频小信号谐振放大电路的分析方法-------小信号分析法分析步骤1：认识电路，包括认清电路的组态、各元件的作用；步骤2：分析电路的直流通路和交流通路，了解电路的实际功能；步骤3：由放大器的直流通路决定晶体管的静态工作点，确定晶体管的高频小信号时的模型参数；步骤4：将交流通路中的晶体管用线性电路等效，建立放大器的高频小信号等效电路，依据电路理论，分析放大器的电路特性及技术性能，估算放大电路的技术指标等。2.3.1晶体管的高频小信号混合π型等效电路模型rbb’是基区扩展电阻，其值为几十到几百欧姆；rb’e是发射结电阻，

rb’e=26β0/Ie；

β0是晶体管的低频电流放大系数，Ie是发射极静态电流(mA)；

Cb’e是发射结电容；rb’c是集电结电阻，其值很大；

Cb’c是集电结结电容，数值较小；

gmUb’e表示晶体管的放大作用，其中gm=Ie/26(mV)，称为跨导；

rce是集电极与发射极之间的电阻，数值一般很大；Cce是集电极与发射极之间的电容，数值一般很小。注：在本课所讨论的频率范围内，rb’c的值比Cb’c的容抗值大得多，故视作断路。2.3晶体管高频小信号模型电流放大系数为即时的工作频率晶体管的静态工作点不同，其频率参数值略有不同。通常，为使电路工作稳定、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1/3~1/4。即时的工作频率3）最高振荡频率频率参数即晶体管的功率增益等于1时的工作频率频率参数大小关系：1）截止频率

2）特征频率2.3.2晶体管高频小信号Y参数模型

用混合π等效电路能充分表达晶体管内部的物理过程，但在电路分析时不够简单，因而常将晶体管视作二端口网络，并用Y

参数来描述。共发射极工作时的Y参数等效电路如图所示。也就是说，在电路分析时将共发射极工作的三极管用它来等效。

Y参数可以通过实验方法测定，也可由混合π等效电路计算获得，且它的值是随工作频率变化的。

Y参数的特点：①晶体管在高频运用时，参数yie、yfe、yre、yoe均是频率的复函数，且频率越高yie和yoe的值越大、yfe的值越小。只有在工作频率低时，Y参数可认为是实常数，并且晶体管手册无法给出所有频率点上的Y参数值。②|yfe|越大，晶体管的放大能力越强；|yre|越大，晶体管的内部反馈作用越强。为计算方便，可表示

③yie和yoe均是容性的，因而可以表达为由共射组态的Y参数等效电路获得共基组态的Y参数1）高频小信号谐振放大器的功能实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，即有用信号的频谱不变。2）高频小信号谐振放大器的主要技术指标

电压增益、3dB通频带、矩形系数、工作稳定性等。3）晶体管高频小信号谐振放大器的分析方法为小信号分析法，即a）由放大器的直流通路决定晶体管的工作点，进而确定晶体管的交流小信号时的模型参数（物理结构模型中的等效电阻、电容、受控源的参数值，进而确定Y参数）；b）由放大器的交流通路决定放大器对交流小信号的放大能力，这时晶体管用高频小信号条件下的线性模型等效（常用Y参数等效电路）。2.4单调谐晶体管高频小信号放大电路2.4.1原理电路为晶体管提供直流偏置放大器件---晶体管

高频旁路电容选频回路作负载输入回路在只考虑直流激励的作用时，所有的电容相当于断路，而所有的电感相当于短路。1.直流通路图：由直流通路可确定晶体管的静态工作点，进而获得晶体管的交流小信号时的物理模型参数并获得等效电路的Y参数值。断路

短路断路断路短路2.4.2工作原理2.交流通路在只考虑交流激励的作用时，耦合电容和旁路电容均相当于短路，而大电感（例高频扼流圈）相当于断路，工作电容和工作电感应保留。共发射极组态放大环节由输入回路、放大器件和输出回路三部分组成。3.放大器的工作原理依据交流通路，可以获得系统对交流成分的放大能力，选频能力等。有效输入信号ui加在共射组态晶体管的基、射极之间；由于晶体管为甲类工作方式且ui为小信号，则在ui的控制下得到不失真的集电极电流ic；由于高频输出变压器原边电感线圈L13与集总电容C组成的并联谐振回路调谐在ui的频率上，故负载获得与ui同频的信号，即实现对ui的放大。2.4.3性能分析高频小信号谐振放大器的交流通路图

高频小信号条件下的等效电路：

gL是放大器的负载（gL=1/RL）线圈损耗电导1.放大器的输入导纳Yi解得说明放大器的输入导纳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Y’L有关，导致负载变时放大器的有效信号变，工作不稳定。若yre=0，则Yi=yie2.放大器的输出导纳Yo解得说明放大器的输入导纳Yo，不仅与晶体管的输出导纳yoe有关，而且还与放大器输入信号源的导纳Ys有关，导致Ys变时放大器的输出信号变，工作不稳定。若yre=0，则Yo=yoe3.理想高频小信号谐振放大器的等效电路理想条件：1）yre=0

Yi=yie

，Yo=yoe2)

yie=gie+jωCie

，yoe=goe+jωCoe理想条件下放大器的等效电路负载端接入系数信号源端接入系数将电源、负载折算到LC回路的两端合并同类元件显然，这是一个LCR并联谐振回路，且回路的有载品质因数为放大器的理想最简等效电路2.4.4技术指标估算1.中心频率调谐放大器在正常工作时应调谐在输入信号的中心频率f0处，即或表达为2.电压增益由图知：

谐振于输入信号的中心频率时

当工作频率f0较低时，yfe可视作实数，这时，输出电压与输入电压反相。谐振电压增益解得：①式中的负号表示180

的相位差。在工作频率较低时，yfe可以看作实数，输出电压和输入电压可看做反相；②由于ui是高频窄带信号，且放大器工作于谐振状态，故电压增益指标指的是谐振电压增益的大小，即|Au0|；③|Au0|的大小与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关。若欲增大|Au0|，应选用|yfe|大、goe小的晶体管，负载电导gL要小，线圈损耗并联电导g0尽可能小（即Q0要大）。④接入系数p1和p2的值会影响回路谐振电导的值，且与电压增益幅值的关系不是单调的。归一化电压增益为

|Au/Au0|随频率变化的关系为放大器的谐振曲线3.通频带由LC并联回路特性知放大器的3dB通频带宽度为小信号调谐放大器的增益带宽积为此式说明，①在晶体管选定、电路元件参数确定后，放大器的增益带宽积就是一个常量。②在保证足够带宽的条件下欲得到高增益，需尽可能选择|yfe|大、Coe和Cie小的晶体管，并减小回路总电容C。4.矩形系数①表示选取有用信号，抑制无用信号的能力；②理想的频带放大器的频率响应曲线是矩形，即通带内的频谱分量有同样的放大倍数，而通带以外的频谱分量被完全抑制；③实际放大器的频率响应曲线越接近矩形越好；④定义矩形系数为因为显然，Kr0.1≈9.95>>1，说明放大器的频率选择性较差。

理想值为1【例2.1】在图示电路中，晶体管直流工作点是VCE=8V，IE=2mA，工作频率为f0=10.7MHz，此时，gie=2860μS；Cie=18pF；goe=200μS；Coe=7pF；|yfe|=45mS；φfe=-54º；yre=0；调谐回路采用中频变压器，L13=4μH；Q0=100；N13=20；N23=5；N45=5。并且，下一级采用与本级相同的电路。1）画出其高频小信号等效电路；2）计算谐振电压增益；

3）计算3dB通频带宽度。解：（1）高频小信号等效电路如图示:由于yre=0，电路可变为由于下一级电路与本级相同，故本级电路的负载为下一级电路的输入导纳Yi。由于yre=0，Yi=yie

g0=1/（2πf0L13Q0）=37.2μS。（2）计算谐振电压增益p1=N2~3/N1~3=0.25；|Au0|=12.3g∑=p12goe+p22gie+g0=228.45μSp2=N4~5/N1~3=0.25；3）计算3dB通频带3dB通频带：2Δf0.7=f0/

QL=0.66kHz

【例2.2】高频放大电路如图所示。其中，各级电路的参数相同。画出单级放大电路的小信号等效电路图。在yre=0时，写出计算电压增益、中心频率及3dB通频带的表达式。解：单级放大电路的交流通路图：故，单级放大电路的高频小信号等效电路为理想最简等效电路2.4.5工作稳定性1.影响放大电路不稳定的因素

反向传输导纳yre≠0，使得放大器的输出电压被反向作用到输入端，表现为放大器的输入导纳将随负载导纳的变化而变化，回路的品质因数因此改变而使电路中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形、增益变化等。使输入电流变化，有可能引起放大器产生自激振荡等不良后果。

如前分析，放大器的输入导纳2.放大电路的稳定条件放大电路离自激条件愈远愈稳定。

由前面讨论所得放大器的等效电路如图所示Uc通过yre反向传输得到

如果反馈电压U’i在相位上与Ui相同，且U’i≥Ui

，这意味着放大器的有效输入信号增大，要产生自激振荡。因此定义稳定系数为

由图知，在信号源提供Ui后，通过正向传输得到显然，S=1是维持自激振荡的条件，只有S>1时放大器才可能稳定，且S越大越稳定。对于一般放大器，S≥5就可以认为是稳定的。可以证明，在对晶体管不加任何稳定措施的情况下，满足稳定系数S要求时，谐振放大器工作于谐振频率的最大电压增益（称为稳定电压增益）可以表达为：由此可见，放大器的稳定与增益的提高是相互矛盾的。实际中，取|S|=5时的电压增益为最大稳定增益|Au0|max，只要放大器的电压增益|Au0|不超过|Au0|max就一定可以稳定工作了。【例2.3】一单调谐回路放大器如图所示，工作频率465kHz，晶体管抽头接入负载回路之接入系数p1=1/3，负载回路电容C∑=510pF，现测出放大器的谐振电压增益|Au0|=50，通频带10kHz。

若放大器的稳定电压增益|Au0|S=23，欲使其稳定工作，应在负载回路上并联多大的电阻？并将它画在电路图上。分析：原电路的总电导为g

。则并联电阻R后总电导变为解：由即R≤27

kΩ又再由解得解得3.提高放大电路稳定性的方法

提高稳定性，就是要消除晶体管yre的反馈作用，使其单向化。通常采用的方法是：中和法：在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个无源网络，使它产生的反馈作用抵消晶体管内部yre的反馈作用。方法一：改善晶体管的制作工艺，尽量使集电极与基极之间的结电容Cb’c减小，使反向传输系数yre减小。方法二：从电路结构上设法消除晶体管的反向传输作用，使晶体管单向化。具体方法有中和法和失配法。即：若YN选电容元件，则

如图所示为具有中和电路的放大器的交流等效电路。2端与5端为同名端因而与反相

放大器的输入电压经晶体管放大在谐振回路得到电压通过yre的内部反馈，产生反馈电流

，而中和电路采用取自于的YN，其电流为

。从抵消yre的反馈来说，这两个电流应是大小相等。如图，为中和电路的实际电路形式。内部反馈外部反馈通过变压器耦合的同名端选取确保取得的内、外反馈电压反相。交流‘地’2端与5端为同名端，则如图，为又一较常用的中和电路形式。为交流‘地’，确保内、外反馈电压反相。内部反馈外部反馈【例2.4】图示电路中，CN为中和电容。确定输出变压器Tr2初、次级线圈的同名端,并写出CN与晶体管内部参数之间的关系式。

中和法的优点是电路简单，增益不受影响；其缺点是只能在一个频率点上完全中和，且不适于批量生产（晶体管参数的离散性较大）。失配法

其实质是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。

降低电压增益的常用方法：选用合适的接入系数或在谐振回路两端并联阻尼电阻。在实际运用中，较多采用复合管的方法。如图为共射—共基形式。共基：输入导纳较大，输出电阻很大。复合管：输入导纳和正向传输导纳大致和单管参数相等，反向传输导纳y'r远小于单管，输出导纳只是单管的几分之一。高频小信号谐振放大电路交流通路图：复合管

失配法的优点是性能稳定，频带宽，适于批量生产，且能改变由于温度等原因引起的各种参数变化的影响。其缺点是增益较低。【例2.5】图示电路中，已知工作频率为f0=10.7MHz，回路电容C=50pF，中频变压器接入系数为p1=N12/N13=0.35、p2=N45/N13=0.03，线圈品质因数为Q0=100。晶体管在工作频率上的Y参数为gie=1.0mS，Cie=41pF，goe=45

S，Coe=4.3pF，yre=-j180

S，yfe=40mS。设后级输入电导为gie。求：1）回路的有载品质因数、3dB通频带、电压增益和中和电容CN的值；2）若电路不接中和电容CN，则放大器稳定工作所需的负载电导及稳定电压增益。分析：电路的交流通路为中和电容CN的作用是抵消晶体管内部参数yre的影响，故可等效为yre=0时的交流等效电路【例2.5】f0=10.7MHz，C=50pF，p1=N12/N13=0.35、p2=N45/N13=0.03，Q0=100，gie=1.0mS，Cie=41pF，goe=45

S，Coe=4.3pF，yre=-j180

S，yfe=40mS。求：1）回路的有载品质因数、3dB通频带、电压增益和中和电容CN的值；解：回路的总电容为总电导有载品质因数3dB通频带电压增益中和电容【例2.5】f0=10.7MHz，C=50pF，p1=N12/N13=0.35、p2=N45/N13=0.03，Q0=100，gie=1.0mS，Cie=41pF，goe=45

S，Coe=4.3pF，yre=-j180

S，yfe=40mS。求：2）若电路不接中和电容CN，则放大器稳定工作所需的负载电导及稳定电压增益。解：2)若电路不接中和电容CN，取稳定系数S=6，则放大器的稳定电压增益显然，。这时，欲电路稳定工作，也可如图在LC回路并接一个电阻R，使得回路总电导增大，使放大器的电压增益降低到|Au0|S，即2.4.6单调谐放大器的级联

当单级放大器的增益不能满足要求时,即可采取多级放大器。如图所示为三级单调谐放大器的级联。其中每一级都调谐在同一个频率f0上，故多级级联单调谐放大器也称为同步谐振放大器。1.多级级联放大器的电压增益与谐振曲线

总增益总谐振曲线2.若各级放大器是结构、参数均相同的谐振放大器，则意味着，总谐振曲线比任一级放大器的谐振曲线尖锐。

因为N是大于1的正整数，故N级级联使用时，总通频带比单级放大器的通频带要窄。表:多谐调谐放大器缩减因子与级联数N的关系级联数N123456781.00.640.510.430.390.350.320.3由

解得总3dB通频带宽度单级放大器的通频带频带缩减因子表:单调谐放大器矩形系数与级数关系

从表上可以看出，当级联数N增加时,矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的，级数越多，(Kr0.1)

变化越缓慢。即当N趋于无穷时,(Kr0.1)

也只有2.56。和理想的矩形还有很大距离。级联数N12345678910∞Kr0.19.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56多级放大器的总矩形系数由

解得2.5电路元件的选择

实际放大器的设计是要在满足通频带、选择性和稳定性的前提下，尽可能提高电压增益。①根据工作频率，选用|yfe|大、gie小、|yre|

0、fT高的高频小功率晶体管作为放大器件，并获得晶体管的静态工作点的电压VCE、电流IEQ及Y参数值；②依据静态工作点的电压、电流值估计直流偏置电阻的值；③依据待放大信号的中心频率、频带宽度选择LC回路的参数；④合理选择接入系数；⑤合理选择各种辅助元件；⑥用中和电路或采用的复合管或降低电压增益等方法提高电路的工作稳定性；⑦在工艺结构方面使放大器远离自激。按电路静态工作点调试、动态调谐与数据测量的顺序逐级进行电路的调试。2.6其它电路形式2.6.1双调谐放大电路原理电路集电极采用互感耦合双调谐回路作为负载。理想等效电路为理想最简等效电路为若一次侧、二次侧回路都调谐在同一个中心频率f0处，且一次侧、二次侧回路元件参数相同，则电路的电压增益为回路的耦合因数回路的相对失谐放大器的归一化电压增益①当=1时，临界耦合，双调谐放大器达到匹配，谐振曲线为单峰；②当<1时，弱耦合，谐振曲线为单峰但频率选择性差；③当>1时，强耦合，谐振曲线双峰。放大器的3dB通频带宽度矩形系数双调谐放大电路的特点1）在临界耦合时，频率选择性比单级单调谐放大器好。一般来说，5~6级单调谐放大器级联的矩形系数才相当于1级双调谐放大器的矩形系数。2）在强耦合，通频带明显加宽，但中心处出现凹陷且回路调整比较困难。在要求放大器通频带较宽、放大器级数不宜多的情况下，可采用一级强耦合的双调谐