射頻電子線路電子教案：2.1 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器

1、第二章 射頻電子系統(tǒng)中的放大器設(shè)計(jì)高頻放大器的種類豐富，應(yīng)用范圍非常廣泛，高頻放大器的類型包括寬帶和窄帶功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、對(duì)數(shù)放大器、運(yùn)算放大器以及可變電壓放大器。它們有芯片、帶表面貼(SMT)封裝的器件等樣式，最小的RF/微波放大器是單片微波集成電路(MMIC)器件。提供MMIC放大器芯片和帶封裝的MMIC放大器模塊的公司很多，包括ADI、Filtronic公司、Hittite微波公司、Cree 、飛思卡爾(Freescale)、 Microwave Technology公司、Mimix Broadband公司、Mini-Circuits公司和RFMD公司等。2.1 高頻小

2、信號(hào)調(diào)諧放大器2.1.1 高頻小信號(hào)放大器的基本要求小信號(hào)：信號(hào)電平處在放大器的“線性”范圍內(nèi)部可認(rèn)為是“小”信號(hào)?！熬€性”：指非線性項(xiàng)在這里起的作用很小，可以忽略。高頻小信號(hào)放大器的分類：所用器件不同：晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路放大器。通過頻譜的寬窄：窄帶、寬帶放大器。電路形式：?jiǎn)渭?jí)、級(jí)聯(lián)放大器。 負(fù)載性質(zhì)：諧振、非諧振放大器。 諧振放大器用串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路或耦合諧振回路作為放大器的負(fù)載。諧振回路的諧振頻率(考慮晶體管影響后)位于輸入信號(hào)的中心頻率。信號(hào)帶寬與諧振回路的通頻帶基本一致。放大器對(duì)信號(hào)有極大的增益，信號(hào)帶寬外，增益迅速減小。諧振放大器具有很好的選頻能力。性能指標(biāo) ：電壓增益 ：

3、放大器的輸出信號(hào)電壓(負(fù)載上的電壓) 與輸入信號(hào)電壓之比 。 功率增益 ：負(fù)載上輸出信號(hào)功率與輸入信號(hào)功率之 比 。1增益2. 通頻帶與選擇性小信號(hào)放大器的通頻帶與諧振回路相同，決定于回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL。通頻帶用三分貝帶寬來描述。放大器從含有各種不同頻率的信號(hào)中選出有用信號(hào)排除有害(干擾)信號(hào)的能力，稱為放大器的選擇性。選擇性用矩形系數(shù) 或 ， 來表征3. 噪聲系數(shù) 通常用信噪比來表示噪聲對(duì)信號(hào)的影響，電路中某處信號(hào)功率與噪聲功率之比稱信噪比。信噪比越大，信號(hào)質(zhì)量越好。 噪聲系數(shù)是用來反映電路本身噪聲大小的技術(shù)指標(biāo)。其定義為輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的比值。噪聲系數(shù)越接近于1，說明

4、放大器的抗噪能力越強(qiáng)，輸出信號(hào)的質(zhì)量越好。4工作穩(wěn)定工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)(直流院置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度。一般的不穩(wěn)定象是增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變化、諧振曲線變形等。不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激以致使放大思完全不能工作。1增益 2. 通頻帶與選擇性 3. 噪聲系數(shù) 4工作穩(wěn)定以上四項(xiàng)性能指標(biāo)，相互間有聯(lián)系也有矛盾。如增益和穩(wěn)定性，通頻帶和選擇性等。因此，應(yīng)根據(jù)要求決定主次和取舍。 2.1.2 高頻晶體管小信號(hào)等效電路模型與參數(shù) 1.高頻晶體管網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型實(shí)質(zhì)上是將晶體管看成是四端網(wǎng)絡(luò)，用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效晶體管特性

5、，晶體管的內(nèi)部物理過程不予考慮。輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納 輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納 輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納 輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的物理含義2.高頻晶體管的物理模型混合型等效電路3晶體管混合型電路參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換輸出短路,計(jì)算yie和yfe輸入短路,計(jì)算yre和yoe2.1.3 晶體管的高頻參數(shù) 1.短路電流放大系數(shù) 和 截止頻率f即 時(shí)，Cbe，bc和rbe三者并聯(lián) 式中 是低頻 時(shí)的電流放大系數(shù)。截止頻率f 定義：當(dāng) 的頻率，即解上述方程得： 2.特征頻率fT晶體管的放大性能還用特征頻率fT表示。 fT是 時(shí)的頻率. 解之得: 當(dāng)0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí)共射阻態(tài)高頻電流放大倍數(shù)例:MR

6、F571， ， ，計(jì)算 時(shí)的 。解：當(dāng)晶體管共射組態(tài)時(shí)，工作于遠(yuǎn)大于 的工作頻率時(shí)，電流放大倍數(shù)的模值與fT的關(guān)系式(出廠參數(shù)有fT和0)最高振蕩頻率 :晶體管功率增益 時(shí)的工作頻率, 表示一個(gè)晶體管所能適用的最高極限頻率。在此頻率工作時(shí)，晶體管已得不到功率放大。一般當(dāng)工作頻率大于最高振蕩頻率時(shí)，無論用什么方法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩。 表示一個(gè)晶體管所能適用的最高極限頻率。實(shí)際工作頻率應(yīng)小于等于最高振蕩頻率的1/31/4?？梢宰C明高頻晶體管各頻率參數(shù)的大小關(guān)系2.1.4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器“等效電路”法分析小信號(hào)調(diào)諧放大器三個(gè)主要步驟首先是認(rèn)識(shí)電路，包括認(rèn)清電路的組態(tài)（共射電

7、路等）、各元器件的作用，這是電子線路讀圖的基礎(chǔ)；其次分析電路的直流通路(直流偏置)和交流通路，以便了解電路的實(shí)際功能；最后在畫出交流等效電路（如Y參數(shù)等效電路）的基礎(chǔ)上，根據(jù)定義計(jì)算放大電路的各參數(shù)，以此分析放大器的電路特性、技術(shù)性能和頻率響應(yīng)等。 一級(jí)中放交流等效電路圖一級(jí)中放的y參數(shù)等效電路書86頁，圖2-6中通過中周實(shí)現(xiàn)部分接入的方式，以減小對(duì)回路Q值的影響是集電極調(diào)諧回路損耗電導(dǎo)， 是初級(jí)回路自耦變壓器的接入系數(shù)，是一級(jí)中放輸出與下一級(jí)放大電路之間變壓器耦合的接入系數(shù) 將下一級(jí)放大器的輸入導(dǎo)納和回路導(dǎo)納都等效為集電極回路的等效負(fù)載導(dǎo)納圖2-7 一級(jí)中放y參數(shù)等效電路 1. 放大器的輸入

8、導(dǎo)納 由圖2-7 b可得到： 所以 放大器的輸入導(dǎo)納為 (2-21) 2. 電壓增益 (2-22) 圖中電壓放大倍數(shù)的定義: 先求的集電極電壓，由右圖可知恒等變形可得通過并聯(lián)諧振回路電壓VP中轉(zhuǎn)實(shí)際晶體管的等效參數(shù)顯容性令當(dāng)時(shí) (2-28) 定義諧振放大器的歸一化抑制比 諧振頻率有載品質(zhì)因數(shù)廣義失諧調(diào)整接入系數(shù)求電壓增益最大值 令 將p1帶入2-28式將p2帶入2-28式令 將p1opt p2opt帶入2-28式諧振時(shí)功率增益Ap輸出部分諧振時(shí)并聯(lián)回路和輸出都諧振時(shí)令功率增益的各項(xiàng)表達(dá)式的物理含義物理含義1)失配損耗 2)回路損耗3)失諧影響 4)最大增益 4. 小信號(hào)單調(diào)調(diào)諧回路諧振放大器的

9、通頻帶與選擇性諧振放大器的歸一化抑制比與單調(diào)諧回路有相同表達(dá)式 故3dB通頻帶也與單調(diào)諧回路有相同表達(dá)式 (1-119)選擇性(矩形系數(shù))也與單調(diào)諧回路有相同表達(dá)式 例2.1 如圖2-9所示單諧振回路放大器， 已知晶體管的y參數(shù)，求1)放大器工作中心頻率2)諧振時(shí)電壓增益 3) 放大器帶寬解： 1) 工作中心頻率2)諧振時(shí)電壓增益3) 放大器帶寬2.1.5 高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器的級(jí)聯(lián)當(dāng)單級(jí)放大器的增益不能滿足要求時(shí),即可采取多級(jí)放大器。其中每一級(jí)可調(diào)諧在同一個(gè)頻率上，稱為同步調(diào)諧放大器;也可以調(diào)諧在不同的相近的頻率點(diǎn)上,稱為參差調(diào)諧放大器.1.級(jí)聯(lián)放大器的電壓增益總增益的模 |Av|

10、=|Av1|*|Av2|*|Av3|Avn | 2.38若各級(jí)放大器是完全相同的單級(jí)放大器,則2.級(jí)聯(lián)放大器的通頻帶與選擇性若各級(jí)放大器是完全相同的單級(jí)放大器，歸一化抑制比3dB帶寬：令f0.7代表An/An0=0.707時(shí)的頻率偏移,則有 解上式得(2.41) n是大于1的正整數(shù), 稱為級(jí)聯(lián)放大器縮小因子。具體數(shù)值見表2.1所示。表2.1 帶寬縮小因子級(jí)數(shù)n123456781.00.640.510.430.380.350.320.30級(jí)聯(lián)放大器的選擇性按矩形系數(shù)的定義可得表2-2 矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系級(jí)數(shù)n12345910K0.19.954.903.753.403.202.892.852.5

11、6當(dāng)級(jí)數(shù)n增加時(shí),矩形系數(shù)有所改善，級(jí)數(shù)越多，Kr0.1變化越緩慢。即當(dāng)n趨于無窮時(shí),Kr0.1也只有2.56?？梢娺@種改善是有限度的。隨著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)的增加，增益變大，通頻帶卻變窄，通常需要大的增益又需要足夠的通頻帶，參差調(diào)諧放大器就是為了解決這個(gè)矛盾而提出的。2.1.6 高頻小信號(hào)雙調(diào)諧回路諧振放大器 多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，雖然電壓放大倍數(shù)增加較多，通頻帶卻變窄，選擇性雖有所改善，但與理想矩形相比，仍相差較大。為解決上述矛盾，晶體管集電極回路采用雙調(diào)諧回路，可以使放大器具有較好的選擇性和較寬的頻帶，這種放大器稱為雙調(diào)諧放大器。 雙調(diào)諧放大器等效電路 為分析方便，設(shè)一次、二次側(cè)回路元件參數(shù)相同，則得

12、到如圖b所示的效電路，這是一個(gè)典型的互感耦合雙調(diào)諧回路 考慮到兩個(gè)回路的參數(shù)相同，可得到 式中, 是回路耦合因數(shù), 是回路的相對(duì)表示回路的耦合程度，稱為回路耦合系數(shù)。 失諧, 當(dāng)一次、二次側(cè)回路諧振(=0)時(shí), 放大器電壓增益 雙調(diào)諧諧振放大器歸一化抑制比雙調(diào)諧放大器較常使用的是臨界耦合，諧振曲線表示為: 令 = 0.707，得通頻帶為: 同樣可得矩形系數(shù)為: 場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)諧放大器 (1) 場(chǎng)效應(yīng)管在正常工作時(shí)，柵極電流很小(A級(jí))，所以場(chǎng)效應(yīng)管的輸入阻抗很高，一般在107以上。 (2) 場(chǎng)效應(yīng)管的恒流特性比晶體管好，在恒流區(qū)內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電阻比晶體管的輸出電阻大。場(chǎng)效應(yīng)管的輸入、輸出阻抗較

13、大，有利于提高調(diào)諧回路的Q值，提高調(diào)諧放大器的選擇性。 高頻集成放大器 (1) 特性和參數(shù)的一致性好。常采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱或元件參數(shù)匹配的電路形式(如差分放大器等)，利用參數(shù)補(bǔ)償?shù)脑韥硖岣唠娐返男阅?，尤其是提高電路的高頻特性。(2) 采用電路性能好的復(fù)合結(jié)構(gòu)電路。在模擬集成電路中，常采用復(fù)合晶體管：共射共基組合、共集共基組合或共源共柵組合等復(fù)合結(jié)構(gòu)電路。(3)外接元件少、可靠性高。由于在半導(dǎo)體芯片上制作電感、大容量電容及高阻值電阻等較為困難，只需要在集成放大器外接入大電容、電感等少量元器件。 2.1.7 高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性 1.放大器穩(wěn)定性分析 前面分析小信號(hào)諧振放大器時(shí)曾假定放大電路中

14、晶體管的。但在實(shí)際應(yīng)用中，晶體管的反向傳輸導(dǎo)納，放大器的輸出電壓可通過反饋到輸入端，使輸入電流發(fā)生變化。 放大器的輸入導(dǎo)納為：振蕩的臨界條件為：設(shè)輸入、輸出回路相同， 自激振蕩條件 放大器不穩(wěn)定穩(wěn)定性系數(shù)放大器穩(wěn)定的臨界狀態(tài)放大器穩(wěn)定 設(shè) 反饋電容輸入、輸出回路都是部分接入接入系數(shù)為考察增益與穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系,作進(jìn)一步分析.穩(wěn)定性系數(shù) 是與放大器的電壓增益相關(guān)聯(lián)的。電壓增益 就被限定了晶體管選定后(即 和 給定)增益太高，會(huì)引起電路穩(wěn)定性惡化。 若工作頻率確定且確定將放大器的電壓最大增益表達(dá)式 帶入前式 且分析特定情況,假定2.提高放大器穩(wěn)定性的措施 一是從晶體管本身想辦法，選取反向傳輸導(dǎo)納

15、yre小的晶體管。 二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法與失配法。平衡條件 即 圖2-12諧振回路的中和電路(1) 中和法 (2) 失配法 圖2-13 共射共基級(jí)聯(lián)放大器習(xí)題講解 習(xí)題 某晶體管在VCE=10V，IE=1mA時(shí)的fT=250MHz，又 可忽略,求該晶體管在fT=10MHz時(shí)的共發(fā)射極電路的Y參數(shù)。習(xí)題晶體管組成的單回路中頻放大器，如圖所示。已知fo=465kHz，晶體管經(jīng)中和后的參數(shù)為：gie=0.4mS,Cie=142pF，goe=55S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS,Yre=0，回路等效電容C=200pF，中頻變壓器的接入系數(shù)p1=N

16、1/N=0.35，p2=N2/N=0.035,回路無載品質(zhì)因數(shù)Q0=80，設(shè)下級(jí)也為同一晶體管，參數(shù)相同。試計(jì)算： （1）回路有載品質(zhì)因數(shù) QL和 3 dB帶寬 B0.7;（2）放大器諧振時(shí)的電壓增益；(3) 中和電容值。（設(shè)Cbc=3 pF）解：根據(jù)已知條件可知,能夠忽略中和電容和yre的影響。得：1)有載品質(zhì)因數(shù) QL答：品質(zhì)因數(shù)QL為40.4,帶寬為11.51kHz,諧振時(shí)的電壓增益為30.88,中和電容值為1.615pF2）放大器諧振時(shí)的電壓增益3) 中和電容值3 dB帶寬 B0.7習(xí)題 三級(jí)單調(diào)諧中頻放大器，中心頻率f0=465 kHz，若要求總的帶寬 B0.707=8 kHZ，求每一級(jí)回路的 3 dB帶寬和回路有載品質(zhì)因數(shù)QL值。 答：每級(jí)帶寬為15.7kHz,有載品質(zhì)因數(shù)為29.6。解：設(shè)每級(jí)帶寬為B1，則：習(xí)題如圖所示中頻調(diào)諧放大器采用3AG55作放大管，已知fo=465kHz，調(diào)諧回路采用TTF-2-3型中頻變壓器，L=560H, Q0=100, N1-2=48匝， N1-3=162匝， N4-5=13匝。3AG55的參數(shù)為：gie=1.7mS,Cie=58pF，goe=290S，Coe=6.4pF，Yfe=32mS,Yre=0，試計(jì)算： （1）放大器的諧