第2章高频小信号放大电路

第2章高频小信号放大电路第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章末小结第2章高频小信号放大电路2.1概述高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。前者对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。后者对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。第2章高频小信号放大电路窄频带放大电路由双极型晶体管(以下简称晶体管)、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和以集成电路为主的集中选频放大器。宽频带放大电路也由晶体管、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。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。第2章高频小信号放大电路在接收机中，天线接收到的微弱信号由高频小信号放大电路进行放大后送入混频电路，混频后的中频信号又需经高频小信号放大电路进一步放大后进行解调。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。AGC电路中的重要环节之一，完整的AGC电路将在第6章介绍。第2章高频小信号放大电路2.2谐振放大器由晶体管、场效应管或集成电路与ＬＣ并联谐振回路组成的高频小信号谐振放大器广泛用于广播、电视、通信、雷达等接收设备中,其作用是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。谐振放大器的主要性能指标是电压增益、通频带、矩形系数和噪声系数。本节仅分析由晶体管和LC回路组成的谐振放大器。第2章高频小信号放大电路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。现以共发射极接法的晶体管为例,将其看作一个双口网络,如图2．2．1所示,相应的Ｙ参数方程为coebfeccrebiebUyUyIUyUyI(2.2.1)第2章高频小信号放大电路其中,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第2章高频小信号放大电路图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)第2章高频小信号放大电路.图中受控电流源yreUc表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；yreUb表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。ｙfe越大,表示晶体管的放大能力越强；yre越大,表示晶体管的内部反馈越强。yre的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。.第2章高频小信号放大电路晶体管的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。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。.第2章高频小信号放大电路为了分析方便，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在图2.2.1（b）中，若c、e极之间接有负载YL，现利用Y参数推导晶体管b、e极之间的输入导纳Yi。因为Ic=-YLUc，代入式（2.2.1）后，经过整理，可求得.LoerefeiebbiYyyyyUIY第2章高频小信号放大电路2.2.1１．电路组成及特点图2.2.2是一个典型的单管单调谐放大器。Ｃb与Ｃc分别是和信号源（或前级放大器）、负载（或后级放大器）的耦合电容,Ｃe是旁路电容。电容Ｃ与电感Ｌ组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载,其谐振频率应调谐在输入有用信号的中心频率上。回路与本级晶体管的耦合采用自耦变压器耦合方式,这样可减弱晶体管输出导纳对回路的影响。负载（或下级放大器）与回路的耦合采用自耦变压器耦合和电容耦合方式,这样,既可减弱负载（或下级放大器）导纳对回路的影响,又可使前、后级的直流供电电路分开。另外,采用上述耦合方式也比较容易实现前、后级之间的阻抗匹配。第2章高频小信号放大电路图2.2.2单管单调谐放大电路LCcCR2UCCCbR3CeR1第2章高频小信号放大电路２.为了分析单管单调谐放大器的电压增益,图2.2.3给出了其等效电路。其中晶体管部分采用了Ｙ参数等效电路,忽略了反向传输导纳ｙre的影响。输入信号源用电流源Is并联导纳Ｙs表示,负载假定为另一级相同的单调谐放大器,所以用晶体管输入导纳ｙie表示。.第2章高频小信号放大电路图2.2.3单管单调谐放大器的等效电路YsbIiUyieifeUyyoecUCn1pUge0cIn2LyieoULY第2章高频小信号放大电路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。.......第2章高频小信号放大电路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)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)第2章高频小信号放大电路代入式(2.2.6)，可得cfeLoeiUyYyU'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(2.2.8)(2.2.9)LoefeiouYynynnUUA2121(2.2.10)第2章高频小信号放大电路其中,是等效到谐振回路两端的导纳,它包括回路本身元件Ｌ、Ｃ、ｇe0和负载导纳总的等效值,即'21LLYnY'LYieeLynLjCjgY2201(2.2.11)根据式（2.2.2）,将式（2.2.11）代入式（2.2.10）中,则LjCjgynnAfeu121第2章高频小信号放大电路其中ｇΣ与ＣΣ分别为谐振回路总电导和总电容，gΣ=n21goe+n22gie+ge0CΣ=n21Coe+n22Cie+C谐振频率为LCf210或LC210第2章高频小信号放大电路回路有载Ｑ值为LggCQe001(2.2.14)回路通频带即放大器带宽为CgQfBWc20(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。第2章高频小信号放大电路谐振频率处放大器的电压增益为gynnUUAfeiu21000其电压增益振幅为gynnUUAfeiu21000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20210000021)(ffQgynnAfNUUUUUUAefeuioiou(2.2.18)(2.2.17)(2.2.16)第2章高频小信号放大电路由式（2.2.18）可知,单管单调谐放大器的单位谐振函数Ｎ（ｆ）与其并联谐振回路的归一化谐振函数相同,且都可以写成200000211)(ffQAAAUAUUUfNeuuuiuio(2.2.19)由于ｙfe是复数,有一个相角∠φfe,因此一般来说,图２.2.2所示放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差180°。另外,由上述公式可知,电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关。第2章高频小信号放大电路(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。(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。第2章高频小信号放大电路在单管单调谐放大器中,选频功能由单个并联谐振回路完成,所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同,其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响,比单个并联谐振回路要宽（因为有载Q值小于空载Q值）。第2章高频小信号放大电路【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？第2章高频小信号放大电路解:（忽略ｙre的作用。）因为SLQge666000109.37104.110210011所以Sgngnggieee332662202101055.0102.13.010400109.37从而321055.0103.583.033210gynnAefu第2章高频小信号放大电路因为pFLC20104.1)10302(1162620又ieoeCnCnCC2221所以pFCnCnCCieoe4.9123.05.92022221MHzcCgBW38.4102014.321055.02123第2章高频小信号放大电路2.2.2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（2.3.15）,则总电压增益振幅nenfennunffQgynnAA2021121||)()((2.2.20)(2.2.21)第2章高频小信号放大电路谐振频率处电压增益振幅为nfennygnnA||210(2.2.22)单位谐振函数为22002