通信電路原理：第3章 高頻放大器1

1、3.1 引 言3.4 放大器的噪聲3.5 寬帶功率放大器( * )笫3章 高頻放大器3.2 晶體管的高頻小信號 等效電路和參數(shù)高頻放大器的位置對高頻小信號放大器的要求混合型等效電路高頻頻率參數(shù)3.3 高頻小信號寬帶放大器2022/7/211通信電路原理-北航09年3.1 引言3.1.1 高頻放大器分類和在通信系統(tǒng)中的位置發(fā)射機中間各級的寬帶功率放大器。工作于甲類或甲乙類狀態(tài)。（* ） 。（大信號，負載是傳輸線變壓器。）用于發(fā)射機末級，工作于丙類狀態(tài)。（大信號非線性電路）大信號（發(fā)射機）：高頻放大器分為大信號放大器和小信號放大器兩類2022/7/212通信電路原理-北航09年3.1.1 高頻放大

2、器分類和在通信系統(tǒng)中的位置（續(xù)）小信號（接收機） ：射頻前端電路（RF Front-End IC）：輸入回路；高頻放大；本地振蕩器；混頻器；中頻放大器。（重點）具有低通傳輸特性的負反饋控制系統(tǒng)（自動增益控制AGC）。高頻放大和中頻放大都屬于高頻小信號放大器。返回2022/7/213通信電路原理-北航09年3.1.2 對高頻小信號放大器的要求工作頻率高。目前廣泛使用的GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)的手機中，為900MHz和1800MHz（ 1900MHz ）。負載是諧振回路或聲表面波濾波器等。增益足夠大，多級級聯(lián)時工作穩(wěn)定性好。通頻帶夠寬。（因此，引出增益帶寬乘積GBP作為衡量寬帶放大器的質量指標）輸出

3、信號幅度保持穩(wěn)定。通常采用自動增益控制（AGC）電路。放大器的噪聲低（下節(jié)討論LNA）。附錄3.1.12022/7/214通信電路原理-北航09年3.1.2 對高頻小信號放大器的要求（續(xù)）實現(xiàn)途徑：選用好器件。選用特征頻率高和 小 的晶體管。采用頻帶較寬的電路。例如共基極放大電路，共發(fā)一共基放大電路。在線路上可以采用負反饋的方法。根據(jù)系統(tǒng)傳輸函數(shù)零點、極點的原理，進行展寬頻帶的設計。2022/7/215通信電路原理-北航09年3.2 晶體管的高頻小信號等效電路和參數(shù)3.2.1 雙極型晶體管的混合等效電路基極體電阻在共基電路，會引起高頻負反饋。(10-50歐姆)集-射極電阻，通常較大，幾十千歐以

4、上。大致為10-500PF。集電結勢壘電容 ，約為幾PF。發(fā)射結擴散電容 集-射極電容一般在2-10 PF之間。2022/7/216通信電路原理-北航09年 混合型等效電路較復雜，在實際應用當中，計算結果只要滿足允許的誤差就可以了。因此，根據(jù)實際情況，?？梢园涯承┐我蛩睾雎?。圖示簡化等效電路，基本上能夠滿足工程計算的需要。3.2.1 雙極型晶體管的混合等效電路（續(xù)）2022/7/217通信電路原理-北航09年（1）截止頻率 ：共發(fā)電路的短路電流放大系數(shù) 值，由于結電容的影響，將是頻率的函數(shù)，下降至 的 時的頻率稱為 截止頻率。3.2.2 雙極型晶體管的高頻參數(shù)也可以寫為： 它將隨頻率升高而減

5、小。 其中：2022/7/218通信電路原理-北航09年（2）特征頻率 ：特征頻率是指 時的頻率。（電流放大系數(shù)為 1，但功率增益1）特征頻率是靜態(tài)工作點的函數(shù)，一般來說， 越大， 越高。當 時，存在近似關系：3.2.2 雙極型晶體管的高頻參數(shù)（續(xù)1）特征頻率是可查手冊的，也可由儀器測量得到。2022/7/219通信電路原理-北航09年3.2.2 雙極型晶體管的高頻參數(shù)（續(xù)2）（3）最高振蕩頻率 ：晶體管的功率增益 時的工作頻率稱為最高振蕩頻率。（4） 截止頻率 ， 和 的關系：晶體管的共基極短路電流放大系數(shù)是 ：其中 是低頻時共基極短路電流放大系數(shù)。是 下降到 時的頻率?？赏瞥觯阂驗?，可得

6、出：2022/7/2110通信電路原理-北航09年3.2.2 雙極型晶體管的高頻參數(shù)（續(xù)3）12022/7/2111通信電路原理-北航09年3.3 高頻小信號寬帶放大器寬帶放大器集中帶通濾波器 頻率特性由集中參數(shù)濾波器決定，元件較少，控制增益時，對頻率特性影響小。 高頻小信號寬帶放大器，是通信系統(tǒng)中，影響接收機性能的重要電路。3.3.1 共發(fā)射極放大電路3.3.2 共基放大電路3.3.3 共發(fā)-共基級聯(lián)電路3.3.4 場效應管高頻小信號放大器3.3.5 自動增益控制（AGC）電路 附錄3.1.22022/7/2112通信電路原理-北航09年思路：畫高頻等效電路； 單向化等效電路； 計算增益；

7、計算帶寬 ； 計算增益帶寬積。 負載改成諧振回路3.3.1 共發(fā)射極放大電路2022/7/2113通信電路原理-北航09年3.3.1 共發(fā)射極放大電路（續(xù)1）單向化等效電路：密勒定理2022/7/2114通信電路原理-北航09年3.3.1 共發(fā)射極放大電路（續(xù)2）為密勒效應D因子。2022/7/2115通信電路原理-北航09年3.3.1 共發(fā)射放大電路（續(xù)3）管子選好后，為提高h值，信號源內阻RS應盡可能小，即放大器的輸入信號盡量接近恒壓源。為獲得較大的GBP和h值，應選用 小、 小而 高的晶體管；增大 ，可以增大中頻源電壓增益A0，但由于D因子增大， h將減小，因而 的選擇應兼顧A0和h的要

8、求；高頻截止角頻率:增益帶寬積GBP：2022/7/2116通信電路原理-北航09年3.3.2 共基放大電路在圖中，考慮到 的值較小，暫時忽略之。2022/7/2117通信電路原理-北航09年3.3.2 共基放大電路（續(xù)1）共基放大器的極點頻率：共基放大器的輸入回路和輸出回路都可等效為電阻和電容的并聯(lián)，從而各自產(chǎn)生一個極點。極點頻率fp1接近于晶體管頻率參數(shù)的極限值，對放大器頻率特性影響很小，限制共基放大器高頻工作頻率的是極點頻率fp2，因此，共基放大器不宜帶容性負載。阻性負載的共基放大器具有非常好的高頻響應特性。2022/7/2118通信電路原理-北航09年3.3.2 共基放大電路（續(xù)2）共

9、基放大器的特點：共基放大器具有較好的高頻響應特性：不存在密勒倍增效應，輸入電容??；輸入電阻?。唤刂诡l率f高。級聯(lián)放大器比較穩(wěn)定：沒有Cbc的內部反饋機制。但共基放大器電流放大倍數(shù)恒小于1。 Ic Ie 如果負載阻抗很低，將導致電壓放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)都小于1 ；故常在后面接輸入阻抗高的電路，或采用傳輸線變壓器進行阻抗變換。2022/7/2119通信電路原理-北航09年3.3.3 共發(fā)-共基級聯(lián)電路高頻放大器的設計中，常采用共發(fā)共基級聯(lián)放大電路形式，以解決頻帶和增益的矛盾。共發(fā)-共基組合放大單元電路最突出的特點是高頻響應特性好，且頻帶寬。一般情況下共發(fā)-共基組合放大電路的上限截止頻率主要取決于

10、共發(fā)電路。利用共基電路輸入阻抗低的特點，將它作為共發(fā)電路的負載阻抗，使得共發(fā)電路的密勒效應因子D減小，從而可以有效地提高共發(fā)電路的高頻邊界頻率（負載失配法）。2022/7/2120通信電路原理-北航09年 場效應管的小信號等效電路3.3.4 場效應管高頻小信號放大器2022/7/2121通信電路原理-北航09年3.3.4 場效應管高頻小信號放大器（續(xù)1）柵源電容 、柵漏電容 、漏源電容 。例：典型值： 柵漏電容Cgd 構成放大器內部反饋通路，是引起穩(wěn)定性惡化的主要因素，對帶寬也起著很大的限制作用2022/7/2122通信電路原理-北航09年3.3.4 場效應管高頻小信號放大器（續(xù)二） 場效應管

11、高頻小信號放大器的特點：場效應管放大器具有較高的輸入和輸出阻抗，對輸入回路和輸出回路的Q值影響較小，因此回路選擇性高。用作高頻放大器時，抗鏡頻干擾和鄰近電臺干擾能力強；場效應管具有接近平方律的轉移特性，三階以上的非線性效應可以忽略：交調、互調和各種組合頻率干擾小。場效應管的跨導小于雙極型晶體管，作放大器時，增益比較小。采用自動增益控制時所需要的功率很小。2022/7/2123通信電路原理-北航09年3.3.4 場效應管高頻小信號放大器（續(xù)三）場效應管放大電路形式：場效應管放大電路形式有MOS管共源、共柵組態(tài)基本放大電路和共源共柵級聯(lián)放大電路。2022/7/2124通信電路原理-北航09年3.3

12、.4 場效應管高頻小信號放大器（續(xù)四）右圖 所示為MOS管共源共柵放大電路，T1、T2 為共源共柵接法，T3 為負載管。該電路與雙極型晶體管共發(fā)一共基放大電路相似。 2022/7/2125通信電路原理-北航09年3.3.5 自動增益控制（AGC）電路 自動增益控制電路是一種在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定或僅在較小范圍內變化的一種自動控制電路。 在通信系統(tǒng)中，常用的自動增益控制系統(tǒng)有反饋型、前饋型和自適應增益控制等結構形式。2022/7/2126通信電路原理-北航09年自動增益控制電路組成框圖。 反饋型自動增益控制是通過非線性閉合環(huán)路實現(xiàn)的?？煽卦鲆娣糯笃骺刂齐妷寒a(chǎn)生低通

13、電平檢測電路比較器參考電壓位置3.3.6 自動增益控制（AGC）電路（續(xù)1） 2022/7/2127通信電路原理-北航09年3.3.6 自動增益控制（AGC）電路（續(xù)2） 0 當輸入信號小于門限電壓 時，系統(tǒng)無控制作用。此時，輸出電壓 為輸入電壓的線性函數(shù)。 當輸入信號較強而其幅度超過 時，AGC作用才反映出來。此時，隨著 的增強，輸出電壓基本保持不變，或僅有極小的變化 。 當輸入信號很強時，超出控制電路的控制范圍時，AGC的作用消失。 上述AGC由于輸入電壓必須大于某一門限 才起作用，因此又稱為延遲AGC。 1、對AGC控制特性的要求2022/7/2128通信電路原理-北航09年3.3.6

14、自動增益控制（AGC）電路（續(xù)3） 2、對AGC控制特性的設計 AGC的控制作用，一般均在接收機前級實現(xiàn)。放大器的受控級數(shù)，通常取決于系統(tǒng)的要求。如用 表示總放大器輸入信號的動態(tài)范圍， 表示總放大器輸出電壓的容許變化量，即：于是，放大器的總增益 控制倍數(shù)為： 式中 為總放大器的最大電壓增益，其值一般出現(xiàn)在輸入信號為最小值時； 為總放大器的最小電壓增益，其值一般發(fā)生在輸入信號為最大時。 2022/7/2129通信電路原理-北航09年3.3.6 自動增益控制（AGC）電路（續(xù)4） 2、對AGC控制特性的設計（續(xù)）上式也可以用分貝值表示： 例： 某接收機輸入信號的動態(tài)范圍為60dB，輸出電壓容許變化

15、范圍為20%，若單級放大器的增益控制倍數(shù)等于20dB，指出應控制放大器的級數(shù)。 解：輸出電壓容許變化值為： 接收機總增益控制范圍為： 故所需受控級數(shù)為 ：即應采用三級控制。 由于單級放大器的增益控制倍數(shù)等于20dB2022/7/2130通信電路原理-北航09年3.3.6 自動增益控制（AGC）電路（續(xù)5） 3、增益控制電路 采用變跨導晶體管可構成可控增益放大電路。這種放大器，當控制電壓使其靜態(tài)工作點移動時，放大器的增益也隨之改變，達到增益可控的目的。改變放大器的集電極電壓，或改變放大器的交變負載，均可實現(xiàn)對放大器增益的控制。 下面兩種分別適用于集成電路和較高工作頻率的增益控制電路。（1）差分放

16、大器增益控制電路（P113）（2）電控衰減器增益控制電路（P114）2022/7/2131通信電路原理-北航09年舉例：AGC電壓至下級中放至低放2022/7/2132通信電路原理-北航09年 可控增益放大器作為振幅調制器時，通過自動增益控制電路，可以改善因增益控制電路的非線性而引起的調制失真。比較器直流放大器可控增益放大器包絡檢波器+2022/7/2133通信電路原理-北航09年 可控增益放大器為已調波功率放大器時，通過自動增益控制電路，可以改善放大器的非線性失真。比較器包絡檢波器包絡檢波器放大和濾波已調波線性功率放大器已調波輸入已調波輸出2022/7/2134通信電路原理-北航09年高頻小

17、信號放大器小結：高頻小信號放大器和低頻小信號放大器的異同點？相同點：靜態(tài)工作點；小信號線性放大器。不同點：工作頻率；負載；自動增益控制AGC ； 低噪聲；工作穩(wěn)定性（特征頻率 高 和 或 小 ）。電路形式：BJT的共發(fā)放大電路、共基放大電路、共發(fā)-共基級聯(lián)電路；場效應管放大電路形式有MOS管共源、共柵組態(tài)基本放大電路和共源共柵級聯(lián)放大電路。2022/7/2135通信電路原理-北航09年習題三： 3-1，3-2 CAD2 ：3-172022/7/2136通信電路原理-北航09年CAD2 ：3-17題圖3-17 共發(fā)射極放大電路原理圖(+12V)2k20k調節(jié)偏置電壓 使 。400MHz題圖CAD

18、2：3-17所示為單管共發(fā)射極放大電路的原理圖。設晶體管的參數(shù)為：2022/7/2137通信電路原理-北航09年CAD2 ： 3-17 （續(xù)） （1）計算電路的上限頻率和增益-帶寬積G*BW；（2）將 改為200，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算；（3）將 改為1k，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算；（4）將 改為9PF，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算；（5）將 從400MHz改為800MHz，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算。根據(jù)上述結果討論 ， ， ， 對高頻特性的影響。 關于模型參數(shù) 請參考：模擬電路的計算機分析與設計高文煥等編P83 and P842022/7/2138通信電路原理-北航09

19、年fH=6.0960MHzGBW=421.4MHzfH=4.5103MHzGBW=297.89MHzfH=4.5103MHz 改為200，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算 計算電路的上限頻率和增益-帶寬積GBW2022/7/2139通信電路原理-北航09年 改為1k，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算；fH=2.1699MHzGBW=164.2MHz 改為9PF，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算；fH=1.9071MHzGBW=131.83MHz2022/7/2140通信電路原理-北航09年 從400MHz改為800MHz，其它參數(shù)不變，重復（1）的計算。fH=6.5026MHzGBW=449.51MHz1、由于基極體電阻會消耗能量，產(chǎn)生負反饋，而且高頻時將對fH有所影響，所以 增大引起GBW降低；2、由于電源內阻會消耗能量，而且在高頻時損耗加大，所以 增大引起GBW降低；3、由于B-C結零偏置耗盡電容在高頻時引起強烈的負反饋，晶體管的頻率特性大受影響，所以 增大引起GBW降低；4、 截止頻率的上升能增大GBW。 2022/7/2141通信電路原理-北航09年祝大家雙節(jié)快樂！2022/7/2142通信電路原理-北航09年附錄 3.1.1