高频电子线路第3章

高频与射频电路第三章高频小信号放大器学习内容3.1概述高频放大器与低频放大器区别中心频率：低频放大器：几十Hz～几十kHz；高频放大器：几百kHz～几百MHz；频带带宽：低频放大器：相对带宽宽；高频放大器：相对带宽窄；负载类型：低频放大器：电阻、变压器等；高频放大器：选频网络；高频小信号放大器的特点：1、工作频率较高•中心频率一般在几百kHz～几百MHz；•频带宽度相对中心频率很小；2、小信号•信号较小（几百毫瓦），所以工作在线性范围内(甲类放大器)。BEvCi把这一段近似看作一段直线高频小信号放大器分类按所用的材料分类：•晶体管（BJT)•场效应管（FET)•集成电路（IC)按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器按电路形式：单级放大器和多级放大器按负载性质：•谐振放大器（电抗性负载）•非谐振放大器（纯电阻性负载）通过学习晶体管的单调谐回路谐振放大器来掌握基本原理，其他类型的放大器原理基本相同高频小信号放大器的主要要求：增益要高；频率选择性要好；工作稳定可靠；噪声系数要小；高频小信号放大器一般作为接收机系统中前置放大器高频小信号放大器的主要质量指标增益（放大倍数）电压增益：功率增益：用分贝（dB）表示：举例：若一个放大器增益为40dB，其实际电压放大倍数是多少？功率呢？解：电压放大倍数：功率放大倍数：由通频带放大器电压增益的频率特性曲线选择性定义：表示放大电路从混合信号（有用信号与干扰信号的叠加信号）中选出有用信号，并抑制干扰信号的能力。矩形系数越小，曲线越接近矩形，选择性越好，矩形系数理想值为1衡量指标矩形系数抑制比矩形系数（3.1.1）若用dB表示：放大器电压增益的频率特性曲线外界条件变化时放大器主要指标（如增益、通频带、中心频率等）稳定程度。不稳定的极限情况是自激（无规则、失控）。工作稳定性提高稳定性，避免自激的措施有•合理选择器件、合理设计PCB布局布线•单级的增益不要过高•加入稳定电路（如负反馈电路）等噪声系数定义：高频小信号放大器一般用dB表示：3.2晶体管高频小信号等效电路和参数为什么要提出小信号等效电路?由于信号幅度很小（mv级），所以可认为晶体三极管工作于线性区，如果把它等效成我们学过的线性元件的组合电路，那么就可以用我们学过的线性电路知识进行分析了。等效方法•形式等效电路（如y参数、h参数）•物理模拟等效电路（π参数）BEvCi把这一段近似看作一段直线3.2.1形式等效电路（网络参数等效电路）形式等效电路是将晶体管等效为有源线性四端网络可以看出4个参数均为导纳量纲晶体管共发射极电路（3.2.1）（3.2.2）bce常用h,y,z三种参数系y参数输入输出称为输出交流短路时的输入导纳称为输入交流短路时的反向传输导纳称为输出交流短路时的正向传输导纳称为输入交流短路时的输出导纳（3.2.1）（3.2.2）bce（3.2.1）（3.2.2）yieyoeyreVceyfeVbe+Vbe-+Vce-ibicy参数等效电路用三极管引脚b、c、e来表示。y参数第二个脚标e表示共射极电路，若为共基极或共集电极电路，则第二个脚标即用b或c。yiyobce晶体管放大器及其y参数等效电路（3.2.3）（3.2.4）（3.2.5）由上三式可得即：（3.2.6）（说明内部有反馈）加入外电路构成放大器晶体管放大器及其y参数等效电路（3.2.3）（3.2.4）（3.2.7）由上三式可得即：（3.2.9）（说明内部有反馈）放大器电压增益晶体管放大器及其y参数等效电路解得：（3.2.10）•晶体管正向传输导纳越大，则放大器增益越大；•若导纳参数均为实数，则放大器输入、输出电压相位反向。yieyoeyreV2yfeV1giegoeyreV2yfeV1CieCoe形式等效电路的优点：未涉及器件内部的物理过程，适合任何四端（或三端）器件缺点：未考虑器件内部的物理过程一个电导g与一个电容C的并联•不同晶体管参数不同；•同一晶体管由直流工作点的电压、电流相关。3.2.2混合π等效电路Cb'erbb'Cb'crb'crb'erce根据物理结构，分析寄生电容、电阻,画出等效电路，用RLC表示。优点：各元件在很宽频率范围内保持常数反馈自激共基降增益混合π型等效电路：从晶体管的物理结构出发，用集中参数元件RLC和受控源表示晶体管内的复杂关系,物理模拟等效电路。•优点：元件参数物理意义明确，在较宽的频带内都保持常数，可由晶体管工作手册直接查得。•缺点：分析电路不够方便。混合π型等效电路比较适合宽频带放大器。混合π参数和y参数等效电路区别与关系y参数等效电路：从测量和使用的角度出发，把晶体管看作一个有源线性四端网络，用一组网络参数（导纳与受控源）来构成其等效电路。•优点：表达式具有普遍意义，分析和测量方便。•缺点：网络参数与频率有关，3.2.3混合π等效电路参数和y参数等效电路的转换rbb'Cb'crceyiyorbb'Cb'crce以b，bˊ，c三个节点列出节点电流方程：（3.2.13）（3.2.14）（3.2.15）晶体管通常满足（3.2.16）（3.2.17）则对应的y参数为:（3.2.19）（3.2.20）（3.2.21）为了方便计算，可表示为：（3.2.18）（3.2.22）（3.2.23）（3.2.24）（3.2.25）（3.2.26）（3.2.27）（3.2.28）（3.2.29）3.2.4晶体管的高频参数混合π等效电路的简化即：（3.2.30）f02/0f截止频率能放大（3.2.33）（3.2.33）（3.2.34）0Tff1特征频率（3.2.31）可以证明：（3.2.35）低频时能放大电流100倍的三极管工作在50MHz的高频时只能放大3倍了！解：3.3单调谐回路谐振放大器1.多级分单级2.静态分析3.动态分析4.整合系统高频小信号放大器的电路分析步骤：多级单调谐放大器的部分电路1.多级分单级前级放大器是本级放大器的信号源后级放大器是本级放大器的负载单级单调谐放大器的部分电路45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC画出直流电路，其简化规则：交流输入信号为零；所有电容开路；所有电感短路。2.静态分析Rb1Rb2ReVCC单调谐放大器电路与其直流电路3.动态分析45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCCTTr1Tr2321C45yL单调谐放大器电路与其交流电路4.整合系统分析完成其中一级的特性后，利用级联的方法研究其多级总特性，如：总增益与总噪声。中频放大器电路单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路实际电压增益：无抽头放大器增益NNp11NNp22紧耦合转换抽头形式电路折算1L1235+-Co1go1gi2Ci212+-GpC1211oogpg+-抽头等效1211ooCpC2222iigpg2222iiCpC电路折算NNp11NNp221L1235+-Co1go1gi2Ci212+-GpC1LC13pG其中：（3.3.3）1211oogpg+-1211ooCpC2222iigpg2222iiCpC1LC13pG+-13根据谐振条件谐振时总导纳虚部为0即：（3.3.4）+-13晶体管的参数如下：求谐振电压增益?解：Gp11ifeVyp121ogp222igp谐振时简化等效电路为了获得最大功率增益，晶体管的输出导纳应该与负载导纳相匹配,匹配条件为：（3.3.5）（3.3.6）带入（3.3.4）式，得：（3.3.8）13由于在非谐振点上计算功率十分复杂，且用处不大，故这里讨论谐振时的功率增益：Gp11ifeVyp121ogp222igp谐振时简化等效电路+-13Gp11ifeVyp121ogp222igp+-13因此：（3.3.9）下级输入本级输入若两级采用相同晶体管，则：因此：（3.3.10）（3.3.11）Gp11ifeVyp121ogp222igp谐振时简化等效电路13回路无载Q值：回路有载Q值：则：（3.3.12）常用分贝表示（3.3.12）（3.3.14）此时最大电压增益为：（3.3.15）不考虑回路损耗：考虑回路损耗：3.3.3通频带与选择性（3.3.16）与式（2.2.16）完全相似，即与串并联回路谐振曲线形式上完全一样，故同样得到通频带为：注意：这里使用有载Q值因此，（3.3.18）（3.3.19）1oAA（3.3.20）讨论：用通频带表示电压增益：oAA单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。用矩形系数来表示选择性令可得：故：0.71单级单调谐回路放大器解题思路①先求出p1和p2选频回路的总电导为：选频回路本身的并联谐振电阻为：选频回路的总电容为：选频回路两端总并联谐振电阻为：故有：2、谐振回路电容C值；3、通频带；选频回路的总电导为：选频回路的并联谐振电阻为：故：∴2）谐振时，回路总电容为：3）回路有载品质因数为：因此，谐振回路电容为：∴谐振回路电容C值通频带∴（3.2.6）输入导纳为：3.6.1谐振放大器的稳定性则有：（3.6.1）反馈电导随频率变化的关系曲线反馈电导对放大器谐振曲线的影响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)，则放大器等效输入端回路为：放大器等效输入端回路（自激振荡）所以，放大器产生自激条件是：即有：（3.6.4）（3.6.5）讨论：上式左边数值的大小，可作为衡量放大器稳定与否的标准。用复数形式推导自激条件为：（3.6.12）（3.6.9）（3.6.10）幅值相位条件（3.6.13）（3.6.15）（3.6.16）3.6.2单向化提高放大器稳定性消除晶体管的反向作用“单向化”中和法失配法中和法：在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。失配法失配法一般采用共射－共基级联放大信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到电路的影响也随之减小,使增益下降，提高稳定性。失配法：常用优点：①性能稳定，能改善各种参数变化的影响；②频带宽，适合宽带放大；③生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低（共射共基双管相当于单管共射的增益）