通信电路第二章

1《通信电路》第2章高频小信号放大电路授课教师：谢宁2超外差式无线电收信设备的组成（2）接收设备本地振荡器混频器中频放大器检波器(解调)低频放大器高频谐振放大器3第2章高频小信号放大电路2.1概述2.2谐振放大器2.3宽频带放大器*2.4集成高频小信号放大电路2.5章末小结42.1概述高频小信号放大电路分为窄频带放大电路中心频率在几百千赫兹到几吉赫兹,频谱宽度在几千赫兹到几兆赫兹内的微弱信号进行线性放大,故不但需要有一定的电压增益,而且需要有选频能力。宽频带放大电路频带宽度为几兆赫兹甚至几吉赫兹以上的微弱信号进行线性放大,故要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流),上限截止频率很高。5窄频带放大电路由双极型晶体管、场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益。由LC谐振回路、陶瓷滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。它有两种主要类型：以分立元器件为主的谐振放大器以集成电路为主的集中选频放大器。6宽频带放大电路由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好,而且在电路结构上采取了一些改进措施。组合电路法负反馈法电感串并联补偿法7分析方法高频小信号放大电路是线性放大电路。Y参数等效电路和混合π型等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具。窄带放大器由于工作频段较窄，故采用晶体管Y参数等效电路进行分析比较合适。宽频带放大器中的晶体管特性宜采用混合π型等效电路。8可控增益放大器由于天线接收到的信号强度起伏变化很大，为了使放大器工作正常，提供给解调器的信号电压稳定，必须对接收机中高频小信号放大电路的增益进行控制，即接收信号强时使增益减小，接收信号弱时使增益加大。采用反馈控制电路：控制增益。完整的电路将在第6章介绍。92.2谐振放大器高频小信号谐振放大器作用：将微弱的有用信号进行线性放大，并滤除不需要的噪声和干扰信号。用途：广播、电视、通信、雷达等等。10谐振放大器的主要性能指标电压增益通频带矩形系数噪声系数由于谐振放大器的工作频段较窄，故采用晶体管Y参数等效电路进行分析比较合适。11完整的h参数模型建立三极管的低频小信号模型如下图所示。双极型三极管h参数模型12h参数),(),(CEBCCEBBEvifivifvCE0BCECB0CEBCCCE0BCEBEB0CEBBEBEvviiiiivvviivvivivDDD+DDDDDDD+DDDDDDDD0CE)/(BBE11DDDvivh，称为输入电阻，即rbe。0B)/(CEBE12DDDivvh，称为电压反馈系数。0CE)/(BC21DDDviih，称为电流放大系数，即。0B)/(CEC22DDDivih，称为输出电导，即1/rce。三极管的模型也可以用网络方程导出。三极管的输入和输出特性曲线如下：13h参数模型使用输入电流和输出电压为独立变量，而不是输入和输出电压。h参数模型适合低频率，小信号分析；h参数不适合高频分析。对于高频分析，跨电极电容必须补充考虑。14图2.2.1晶体管共发射极Y参数等效电路be＋－bUbIcI＋－cUce(a)be＋bU－yiecreUybfeUyyoececU＋－cIbI(b)现以共发射极接法的晶体管为例,将其看作一个双口网络完整的Y参数模型建立15biebreccfeboecIyUyUIyUyU++(2.2.1)相应的Ｙ参数方程为16其中,输入导纳为0cUbbieUIy反向传输导纳为0bUcbreUIy正向传输导纳为0cUbcfeUIy输出导纳为0bUccoeUIy17表示输入电压对输出电流的控制作用。越大，表示晶体管的放大能力越强表示输出电压对输入电流的控制作用表示晶体管的内部反馈越强。存在对实际工作带来很大危害，是谐振放大器自激的根源，同时也使分析过程变得复杂，因此应尽可能使其减小或削弱它的影响。recyUfebyUfeyreyrey18晶体管的Ｙ参数可以通过测量得到。根据Ｙ参数方程,分别使输出端或输入端交流短路,在另一端加上直流偏压和交流测试信号,然后测量输入端或输出端的交流电压及交流电流的振幅和相位,将这些测量值代入式（2.2.1）中就可求得四个导纳参数。所以，Y参数又称为短路导纳参数。通过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管的Ｙ参数。19需要注意的是,Ｙ参数不仅与静态工作点的电压、电流相量值有关,而且是工作频率和静态工作点的函数。例如，当发射极电流Ie增加时,输入与输出电导都将增大。当工作频率较低时,电容效应的影响逐渐减弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册,都应注意工作条件和工作频率。20若c、e极之间接有负载，现利用Y参数推导晶体管b、e极之间的输入导纳。因为，代入式（2.2.1）后，可求得由上式可见，由于反向传输导纳yre的存在，晶体管输入导纳不仅与yie有关，还与其他Y参数以及负载有关。LYiYcLcIYUferebiieboeLyyIYyUyY+21为了分析方便，晶体管Ｙ参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和电容表示的直角坐标形式,而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式,即yie=gie+jωCieyoe=goe+jωCoeyfe=|yfe|∠φfeyre=|yre|∠φre(2.2.2)222.2.1单管单调谐放大器１．电路组成及特点LCcCR2UCCCbR3CeR1图2.2.2单管单调谐放大电路忽略反向传输导纳yre23２.电路性能分析YsbIiUyieifeUyyoecUCn1pUge0cIn2LyieoULY图2.2.3单管单调谐放大器的等效电路24单管单调谐放大器的电压增益为iouUUA(2.2.4)我们先求Uc与Ui的关系式,然后求出Uc与Uo的关系,即可导出Uo与Ui之比,即电压增益Au。因为负载的接入系数为ｎ2,晶体管的接入系数为ｎ1,所以负载等效到回路两端的导纳为n22yie。.......25设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为,则'LY)1(122021'ieeLynLjCjgnY+++(2.2.5)因为负载的接入系数为ｎ2,晶体管的接入系数为ｎ1,所以负载等效到回路两端的导纳为n22yieieeLynLjCjgY2201+++(2.2.11)'21LLYnY26由于是上的电压,且,因此cU'LYcUcI'LccYUI由Y参数方程(2.2.1)可知coeifecUyUyI+(2.2.6)(2.2.7)代入式(2.2.6)，可得cfeLoeiUyYyU'+(2.2.8)27根据自耦变压器特性21/,/nUUnUUpopc,有coUnnU12将式(2.2.8)和(2.2.9)代入式(2.2.4),可得(2.2.9)1221feouioeLnnyUAUnyY+(2.2.10)28根据式（2.2.2）,将式代入式（2.2.10）中,则121feunnyAgjCjL++yie=gie+jωCieyoe=goe+jωCoeyfe=|yfe|∠φfeyre=|yre|∠φre(2.2.2)LY29其中ｇΣ与ＣΣ分别为谐振回路总电导和总电容，gΣ=n12goe+n22gie+ge0CΣ=n12Coe+n22Cie+C谐振频率为012fLC或01LC30回路有载Ｑ值为001eCQgLg(2.2.14)回路通频带即放大器带宽为02egfBWQC(2.2.15)以上几个公式说明,考虑了晶体管和负载的影响之后,放大器谐振频率和Ｑ值均有所变化。31谐振频率处放大器的电压增益为12000feuinnyUAUg其电压增益振幅为gynnUUAfeiu21000(2.2.17)(2.2.16)32根据N(f)定义和式（2.2.10）,可写出放大器电压增益振幅的另一种表达式，即120020000()21feooiieuuANfnnyUUUUUUfQgfAD+(2.2.18)33由以上的分析可以得到，电压增益幅度与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数的关系(1)为了增大Ａu0,应选取|yfe|大,ｇoe小的晶体管。(2)为了增大Ａu0,要求负载电导小,如果负载是下一级放大器,则要求其ｇie小。12000feuinnyUAUg(2.2.17)gΣ=n12goe+n22gie+ge034(3)回路谐振电导ｇe0越小,Ａu0越大。而ｇe0取决于回路空载Ｑ值Ｑ0,与Ｑ0成反比。(4)Ａu0与接入系数ｎ1、ｎ2有关,但不是单调递增或单调递减关系。由于ｎ1和ｎ2还会影响回路有载Ｑ值Ｑe,而Ｑe又将影响通频带,所以ｎ1与ｎ2的选择应全面考虑,选取最佳值。实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下,尽可能提高电压增益。从对单管单调谐放大器的分析可知，其电压增益取决于晶体管参数、回路与负载特性及接入系数等，所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益，可采用多级放大器35当n1＝1，n2＝1时，00.72feuyABWC当yfe和C为定值时（电路定了，其值也定了），带宽增益的乘积为常数。选择管子时应选取yfe大的，应减少C，但C也不能取的太小，会造成电路的不稳定。36【例2.1】在图2.2.2中,已知工作频率ｆ0＝３０MHz,UCC＝６Ｖ,Ｉe＝２mA。晶体管采用３ＤＧ４７型高频管。其Ｙ参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：gie=12mS,Cie=12pF；goe=400μS,Coe=9.5pF；|yfe|=58.3mS,∠φfe=-22°；|yre|=310μS,∠φre=-88.8°,回路电感Ｌ＝１.４μH,接入系数ｎ1＝１,ｎ2＝０.３,Ｑ0＝１００。负载是另一级相同的放大器。求谐振电压增益振幅Ａu0和通频带ＢＷ0.7。并问回路电容Ｃ是多少时,才能使回路谐振？（忽略ｙre的作用。）37解:因为6066001137.910100230101.410egSQL所以Sgngnggieee332662202101055.0102.13.010400109.37++++从而321055.0103.583.033210gynnAefu38因为pFLC20104.1)10302(1162620又ieoeCnCnCC2221++所以pFCnCnCCieoe4.9123.05.920222213120.55104.38223.142010gBWMHzC392.2.2多级单调谐放大器如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上，则称为多级单调谐放大器。设放大器有ｎ级,各级电压增益振幅分别为Ａu1,Ａu2,…,Ａun,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积,即Ａn＝Ａu1Ａu2…Ａun如果每一级放大器的参数结构均相同,根据式（2.2.18）,则总电压增益振幅nenfennunffQgynnAAD+2021121||)()((2.2.20)(2.2.21)40谐振频率处电压增益振幅为nfennygnnA||210(2.2.22)单位谐振函数为2200211)(nennffQAAfND+(2.2.23)ｎ级放大器通频带为11/00/.7.7022121nnenfBWfBQWD(2.2.24)41由上述公式可知,ｎ级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了,而通频带比单级放大器的通频带缩小了,且级数越多,频带越窄。换句话说,如多级放大器的频带确定以后,级数越多,则要求其中每一级放大器的频带越宽。因此,增益和