第6章 高頻小信號(hào)放大器

1、第6章 高頻小信號(hào)放大器一、學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求1.掌握單調(diào)諧回路諧振放大器工作原理的分析方法，理解提高穩(wěn)定性措施；2.了解同步調(diào)諧放大器和雙參差調(diào)諧放大器工作原理；3.了解雙調(diào)諧放大電路，能夠識(shí)讀各種類型的諧振放大器電路；4.了解集中選頻放大器電路；了解噪聲概念；二、學(xué)習(xí)要點(diǎn)（一）高頻小信號(hào)放大器的分類（l）按器件分類高頻小信號(hào)放大器若按器件分可分為晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器、集成電路放大器。(2)按通帶分類高頻小信號(hào)放大器若按通帶分可分為窄帶放大器、寬帶放大器。（3）按負(fù)載分類高頻小信號(hào)放大器若按負(fù)載分可分為諧振放大器、非諧振放大器。本章重點(diǎn)介紹單級(jí)窄帶負(fù)載為IC調(diào)諧回路的諧振放大器，這種放大

2、器不僅有放大作用，而且有選頻作用。對(duì)其他器件的單級(jí)諧振放大器、各種級(jí)聯(lián)放大器以及集成電路放大器這略加討論。（二） 高頻小信號(hào)放大器的質(zhì)量指標(biāo) 1.增益（放大系數(shù)）放大器輸出電壓Vo(或功率P。)與輸入電壓Vi（或功率Pi）之比，稱為放大器的增益或放大倍數(shù)，用Av（或AP）表示（有時(shí)以dB數(shù)計(jì)算）。我們希望每級(jí)放大器在中心頻率（諧振頻率）及通頻帶處的增益盡量大，使?jié)M足總增益時(shí)級(jí)數(shù)盡量少。電壓增益： (6-1)功率增益： （6-2）2.通頻帶放大器的電壓增益下降到最大值的0，7（即v 1）倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用B2f0.7表示，如圖3l所示。2f0.7也稱為3分貝帶寬。圖61

3、 高頻小信號(hào)放大器的通頻帶 與諧振回路相同，放大器的通頻帶決定于回路的形式和回路的等效品質(zhì)因數(shù)Qe。此外，放大器的總通頻帶，隨著級(jí)數(shù)的增加而變窄，并且，通頻帶愈寬，放大器的增益愈小。3選擇性從各種不同頻率信號(hào)的總和（有用的和有害的）中選出有用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)的能力稱為放大器的選擇性，選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。矩形系數(shù)（見圖6-2）： (6-3)2f0.1為放大倍數(shù)下降至01處的帶寬，Kr0.1愈接近于1越好。Kr0.1表示對(duì)鄰值干擾的抑制能力。圖6-2 理想的與實(shí)際的頻率特性4工作穩(wěn)定性工作穩(wěn)定性是指在電源電壓變化或器件參數(shù)變化時(shí)，增益、通頻帶、選擇性三個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定程度。為使放大器

4、穩(wěn)定工作，必須采取穩(wěn)定措施，即限制每級(jí)增益，選擇內(nèi)反饋小的晶體管，應(yīng)用中和或失配方法等。5噪聲系數(shù)放大器的噪聲性能可用噪聲系數(shù)表示： (6-4)NF越接近1越好。在多級(jí)放大器中，前二級(jí)的噪聲對(duì)整個(gè)放大器的噪聲起決定作用，因此要求它的噪聲系數(shù)應(yīng)盡量小。 以上這些要求，相互之間既有聯(lián)系又有矛盾。增益和穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾，通頻帶和選擇性是一對(duì)矛盾。因此應(yīng)根據(jù)需要決定主次，進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。（三） 晶體管高頻小信號(hào)等效電路與參數(shù) 高頻小信號(hào)放大器由于信號(hào)小，可以認(rèn)為它工作在晶體管的線性范圍內(nèi)，常采用有源線性四端網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。y參數(shù)等效電路和混合等效電路是描述晶體管工作狀況的重要模型。 y參數(shù)與混合參數(shù)有對(duì)

5、應(yīng)關(guān)系，y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，而且是工作頻率的函數(shù)。 晶體管在高頻運(yùn)用時(shí)，它的等效電路不僅包含著一些和頻率基本沒有關(guān)系的電阻，而且還包含著一些與頻率有關(guān)的電容，這些電容在頻率較高時(shí)的作用是不能忽略的。晶體管在高頻運(yùn)用時(shí)s它的等效電路主要有兩種表示方法，形式等效電路和物理模擬等效電路（混合t等效電路）。1形式等效電路（y參數(shù)等效電路） 形式等效電路把晶體管等效為有源四端網(wǎng)絡(luò)，高頻等效電路中主要采用y參數(shù)進(jìn)行分析，即U1、U2，為自變量，I1，、I2為參變量。圖6-3 為晶體管共發(fā)電路的y參數(shù)等效電路。 （6-5） （6-6） 其中，稱為輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納；稱為輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納；稱

6、為輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納；稱為輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納。2物理模擬等效電路（混合等效電路）圖6-4為晶體管混合等效電路圖中各元件名稱及典型值范圍如下： bb： 基區(qū)體電阻, 約。 be： 發(fā)射結(jié)電阻re折合到基極回路的等效電阻, 約幾十歐到幾千歐。 bc：集電結(jié)電阻, 約kM。 ce：集電極發(fā)射極電阻, 幾十千歐以上。 be：發(fā)射結(jié)電容, 約 皮法到幾百皮法。 bc：集電結(jié)電容, 約幾個(gè)皮法。 m：晶體管跨導(dǎo), 幾十毫西門子以下。3混合等效電路的簡(jiǎn)化由于集電結(jié)電容C bc跨接在輸入輸出端之間, 是雙向傳輸元件, 使電路的分析復(fù)雜化。為了簡(jiǎn)化電路, 可以把C bc折合到輸入端b、 e之間, 與電容

7、C be并聯(lián), 其等效電容為： CM=(1+gmRL)Cbc (2.1) 即把Cbc的作用等效到輸入端, 這就是密勒效應(yīng)。其中g(shù)m是晶體管跨導(dǎo), RL是考慮負(fù)載后的輸出端總電阻, CM稱為密勒電容。 另外, 由于rce和rbc較大, 一般可以將其開路。這樣, 利用密勒效應(yīng)后的簡(jiǎn)化高頻混合型等效電路如圖（64）所示。圖65 簡(jiǎn)化高頻混合型等效電路（四） 晶體管諧振放大器1單級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器單級(jí)單調(diào)諧回路共發(fā)放大器就是晶體管共發(fā)電路和并聯(lián)回路的組合，如圖（65）所示。前面分析的晶體管等效電路和并聯(lián)回路的結(jié)論均可應(yīng)用。2單級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的質(zhì)呈指標(biāo)（1）電壓增益 （6-7）諧振時(shí)電壓放大

8、增益達(dá)到最大值：， （6-8）（2）放大器的通頻帶放大器隨f而變化的曲線，叫放大器的諧振曲線，如圖66所示。當(dāng)時(shí)得為放大器的通頻帶。（3）選擇性單調(diào)諧放大器的選擇性用矩形系數(shù)表示為（69）單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)比1大得多，因此選擇性比較差。3多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器 、（1）多級(jí)放大器的電壓增益 假如，放大器有n級(jí)，各級(jí)的電壓增益分別為、, 則總增益為各級(jí)增益的乘積，即 （610）如果多級(jí)放大器是由完全相同的單級(jí)放大器組成的，則 （611）（2）多級(jí)放大器的通頻帶對(duì)n級(jí)放大器而言，通頻帶為 （6-12）式中，2f0.7為單級(jí)放大器的通頻帶，稱為帶寬縮減因子，它意味著級(jí)數(shù)增加后，總通頻帶變窄的程

9、度。（3）多級(jí)單調(diào)諧放大器的選擇性（矩形系數(shù)）n級(jí)單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)為 單調(diào)諧回路放大器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單·調(diào)試容易，其缺點(diǎn)是選擇性差（矩形系數(shù)離理想的矩形系數(shù)K，。ll較遠(yuǎn)），增益和通頻帶的矛盾比較突出。要解決這個(gè)矛盾常采用雙調(diào)諧回路諧振放大器。（五） 諧振放大器的穩(wěn)定性1、自激產(chǎn)生的原因由于晶體管為雙向器件，內(nèi)部存在反向傳輸導(dǎo)納，所以當(dāng)放大器的正反饋能量抵消了回路損耗能量，且電納部分也恰好抵消時(shí)，放大器失去放大性能，處于自激振蕩工作狀態(tài)。2、克服自激的方法由于晶體管由反向傳輸導(dǎo)納存在，實(shí)際上晶體管為雙向器件。為了抵消或減少反向傳輸導(dǎo)納的作用，應(yīng)使晶體管單向化。 單向化的方法

10、有兩種：一種是消除反向傳輸導(dǎo)納的反饋?zhàn)饔茫Q為中和法；另一種是使負(fù)載電導(dǎo)gL或信號(hào)源電導(dǎo)的數(shù)值加大，使得輸人或輸出回路與晶體管失去匹配，稱為失配法。（1）中和法在晶體管的輸出端和輸入端之間插入一個(gè)外加的反饋電路，使它的作用恰好和晶體管的內(nèi)反饋互相抵消。具體線路如圖65所示，CN為外接電容，由于反向傳輸導(dǎo)納與有關(guān)，故中和法只能在一個(gè)頻率上完全中和。圖67 共發(fā)一共基級(jí)聯(lián)放大器電路（2）失配法失配法是以犧牲增益來提高放大器的穩(wěn)定性的。 失配法一般采用共發(fā)共基級(jí)聯(lián)放大器實(shí)現(xiàn)，如圖66所示。復(fù)合管的輸人導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納基本上不再互相依賴，可把它看成單向器件。級(jí)聯(lián)放大器的輸出端可以直接和阻抗較高的調(diào)諧回路

11、相匹配，不再需要抽頭接人，有利于提高放大器的增益。（3）中和法與失配法的優(yōu)缺點(diǎn) 中和法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，增益不受影響；其缺點(diǎn)是只能在一個(gè)頻率上完全中和，不適合寬帶放大器；因?yàn)榫w管離散性大，所以實(shí)際調(diào)整麻煩，不適于批量生產(chǎn)。采用中和法來穩(wěn)定放大器工作，對(duì)由于溫度等原因引起的各種參數(shù)變化沒有改善效果。 失配法的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，能改善各種參數(shù)變化的影響；頻帶寬，適合寬帶放大，適于波段工作；生產(chǎn)過程中無需調(diào)整，適于大量生產(chǎn)。失配法的缺點(diǎn)是增益較低。（六） 集成電路諧振放大器 放大器件用集成電路構(gòu)成的調(diào)諧放大器稱集成調(diào)諧放大器。集成電路體積小、外部接線及焊點(diǎn)少，使電路的工作頻率、穩(wěn)定性、可靠性可以提高

12、。但高品質(zhì)因數(shù)電感和較大的電容不易在基片上制造，使選頻放大器不能全部集成化，通常需外接選頻電路和一些相關(guān)元件。 在選擇集成電路時(shí)，首先考慮工作頻率范圍和3dB帶寬，再考慮其增益、噪茹系數(shù)、輸出阻抗等因素。有些器件具有自動(dòng)增益控制（AGC）功能，從器件AGO磊施加電壓（或電流）可控制其增益。三、典型例題例1 在圖中, 已知工作頻率0MHz, cc, e mA。晶體管采用型高頻管。其參數(shù)在上述工作條件和工作頻率處的數(shù)值如下：gie=12mS,Cie=12pF；goe=400S,Coe=95pF；|yfe|=583mS, fe=-22°；|yre|=310S, re=-888°,

13、回路電感H, 接入系數(shù)1, 2, 0。負(fù)載是另一級(jí)相同的放大器。 求諧振電壓增益振幅u0和通頻帶07，并求回路電容是多少時(shí), 才能使回路諧振？解：因?yàn)?37.9×10-6+400×10-6+0.32×12×10-3=0.55×10-3S從而：Au0=因?yàn)橛炙杂?Qe= 可得：【例2】某中頻放大器的通頻帶為MHz, 現(xiàn)采用兩級(jí)或三級(jí)相同的單調(diào)諧放大器, 兩種情況下對(duì)每一級(jí)放大器的通頻帶要求各是多少？解: 根據(jù)式, 當(dāng)n=2時(shí), 因?yàn)樗? 要求每一級(jí)帶寬同理, 當(dāng)時(shí), 要求每一級(jí)帶寬四、思考題和習(xí)題1 小信號(hào)諧振放大器有何特點(diǎn)？2單調(diào)諧放大器有

14、哪些主要技術(shù)指標(biāo)？它們主要與哪些因素有關(guān)？為什么不能單純追求最大的放大量？3如何理解放大倍數(shù)、噪聲系數(shù)與靈敏度之間的關(guān)系？如何理解選擇性與通頻帶的關(guān)系？ 4參差調(diào)諧放大電路與多級(jí)單調(diào)諧放大電路的區(qū)別是什么？5雙參差調(diào)諧放大電路與雙調(diào)諧放大電路有什么異同？ 6集中調(diào)諧放大電路與多級(jí)調(diào)諧放大電路比較有什么優(yōu)點(diǎn)？7 在同步調(diào)諧的多級(jí)單諧振回路放大器中，當(dāng)級(jí)數(shù)增加時(shí)，放大器的選擇性和通頻帶將如何變化？8集中選頻放大器如何構(gòu)成？它有什么優(yōu)點(diǎn)？9什么是晶體與壓電陶瓷的壓電效應(yīng)？10 說明陶瓷濾波器和聲表面波濾波器的工作特點(diǎn)。11 噪聲是如何定義的？主要來自哪幾個(gè)方面？12 什么是噪聲系數(shù)？它對(duì)放大器的性能指標(biāo)有哪些影響？13接收機(jī)的靈敏度取決于哪些參數(shù)？14在三級(jí)單調(diào)諧放大器中，工作頻率為465 ，每級(jí)LC回路的40、試問總的通頻帶是多少？如果要使總的通頻帶為l0，則允許最大為多少？15已知單調(diào)諧放大器諧振電壓增益10，通頻帶4 ，如果再用一級(jí)完全相同的放大器與之級(jí)聯(lián)，這時(shí)兩級(jí)放大器總增益和通頻帶各為多少？若要求級(jí)聯(lián)后總通頻帶仍為4，則每級(jí)放大器應(yīng)怎樣改動(dòng)？改動(dòng)后總諧振電壓增益是多少？16采用完全相同的三級(jí)