Chapter 2 高頻小信號放大器0305、0312、0319

1、Chapter 2 高頻小信號放大器 2.1 概述 2.2 串并聯(lián)諧振回路 2.3 晶體管高頻小信號等效電路 2.4 晶體管諧振放大器 2.5 小信號放大器的穩(wěn)定性 2.6 實用小信號放大器 2.1 概述1.選頻的基本概念 所謂選頻就是選出需要的頻率分量并且濾除不需要的頻率分量。2.選頻網(wǎng)絡的分類 單振蕩回路耦合振蕩回路振蕩回路（由L、C組成）各種濾波器LC集中濾波器石英晶體濾波器陶瓷濾波器聲表面波濾波器3.高頻小信號放大器的特點 頻率較高中心頻率一般在幾百kHz到幾百MHz頻帶寬度在幾khz到幾十MHz 小信號信號較小故工作在線性范圍內(nèi)(甲類放大器)4. 高頻小信號放大器的分類按所用的材料:

2、 晶體管（BJT)、場效應管（FET)、集成電路（IC)按頻譜寬度：窄帶放大器和寬帶放大器按電路形式：單級放大器和多級放大器按負載性質(zhì)：諧振放大器和非諧振放大器 5. 高頻小信號放大器的質(zhì)量指標A 增益（放大系數(shù)） 電壓增益： 功率增益： 分貝表示：B 通頻帶 放大器的電壓增益下降到最大值的0.7（即1/ )倍時，所對應的頻率范圍稱為放大器的通頻帶，用 表示。2f 0.7也稱為3分貝帶寬。0.5為什么要求通頻帶？ 放大器所放大的一般都是已調(diào)制的信號，已調(diào)制的信號都包含一定譜寬度，所以放大器必須有一定的通頻帶，讓必要的信號頻譜分量通過放大器。 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

3、的等效品質(zhì)因數(shù)QL。此外，放大器的總通頻帶，隨著級數(shù)的增加而變。并且通頻帶愈寬，放大器增益愈小。C 選擇性從各種不同頻率的信號的總和（有用的和有害的）中選出有用信號，抑制干擾信號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) 按理想情況，諧振曲線應為一矩形。為了表示實際曲線接近理想曲線的程度，引入“矩形系數(shù)”，它表示對鄰道干擾的抑制能力。2f 0.1, 2f 0.01分別為放大倍數(shù)下降至0.1和0.01處的帶寬，Kr愈接近于1越好。 抑制比表示對某個干擾信號fn 的抑制能力，用dn表示。An為干擾信號的放大倍數(shù)，Av0為諧振點f0的放大倍數(shù)。 例 Av0 = 100

4、An = 1 用分貝表示dn(dB) = 20 lgdn E 噪聲系數(shù)： 放大器的噪聲性能可用噪聲系數(shù)表示： NF越接近1越好 在多級放大器中，前二級的噪聲對整個放大器的噪聲起決定作用，因此要求它的噪聲系數(shù)應盡量小。 以上這些要求，相互之間即有聯(lián)系又有矛盾。增益和穩(wěn)定性是一對矛盾，通頻帶和選擇性是一對矛盾。故應根據(jù)需要決定主次，進行分析和討論。 為使放大器穩(wěn)定工作，必須采取穩(wěn)定措施，即限制每級增益，選擇內(nèi)反饋小的晶體管，應用中和或失配方法等。 D 工作穩(wěn)定性 指在電源電壓變化或器件參數(shù)變化時以上三參數(shù)的穩(wěn)定程度。 2.2.1 串聯(lián)諧振回路特性 信號源與電容和電感串接，就構(gòu)成串聯(lián)振蕩回路。 串聯(lián)

5、振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上具有最小值，而偏離這個特定頻率的時候阻抗將迅速增大。單振蕩回路的這種特性稱為諧振特性，這個特定頻率就叫做諧振頻率。 諧振回路具有選頻和濾波作用。2.2 串并聯(lián)諧振回路1 阻抗 當 時達到最大2 諧振頻率 當 0時，|Z|R， 0 ，X 0呈感性 0 ，X0呈容性 =0 ,|Z|=R,X=0達到串聯(lián)諧振。 當回路諧振時的感抗或容抗，稱之為特性阻抗。用表示諧振時電流最大且與電源同相 3. 品質(zhì)因數(shù)Q 諧振時回路感抗值（或容抗值）與回路電阻R的比值，它表示回路損耗的大小. 因此串聯(lián)諧振時，電感L和電容C上的電壓達到最大值且為輸入信號電壓的Q倍，故串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振。

6、 電感線圈與電容器兩端的電壓模值相等，且等于外加電壓的Q倍。Q值一般可以達到幾十或者幾百，故電容或者電感兩端的電壓可以是信號電壓的幾十或者幾百倍，稱為電壓諧振。4. 諧振曲線和通頻帶 串聯(lián)諧振回路中電流幅值與外加信號頻率之間的關系曲線稱為諧振曲線。 Q值不同即損耗R不同時，對曲線有很大影響，Q值大曲線尖銳，選擇性好，Q值小曲線鈍，通帶寬。通頻帶 回路外加電壓的幅值不變時，改變頻率，回路電流I下降到Io 的 時所對應的頻率范圍稱為諧振回路的通頻帶用B 表示 5.信號源內(nèi)阻及負載對串聯(lián)諧振回路的影響 通常把沒有接入信號源內(nèi)阻和負載電阻時回路本身的Q值叫做無載Q（空載Q值） 如式 把接入信號源內(nèi)阻和

7、負載電阻的Q值叫做有載Q值，用QL表示： 其中R為回路本身的損耗，RS為信號源內(nèi)阻，RL為負載 結(jié)論： 串聯(lián)諧振回路通常適用于信號源內(nèi)阻Rs很小(恒壓源）和負載電阻RL也不大的情況。 對于信號源內(nèi)阻和負載比較大的情況，宜采用并聯(lián)諧振回路。結(jié)構(gòu)：電感線圈、電容C、外加信號源相互并聯(lián)的振蕩回路。 如下圖所示：其中由于外加信號源內(nèi)阻很大，為了 分析方便，采用恒流源。2.2.2 并聯(lián)諧振回路特性1. 阻抗2 諧振頻率諧振時的阻抗特性：3. 品質(zhì)因數(shù) 一般Q為幾十到幾百，因此信號源的電流不是很大，而支路內(nèi)的電流卻是很大。諧振時電感支路或者電容支路的電流幅值為外加電流源IS的QP倍。并聯(lián)諧振又稱為電流諧振

8、。 回路端電壓 諧振時回路端電壓 由此可作出諧振曲線 4.諧振曲線、相頻特性曲線和通頻帶在小失諧時：結(jié)論：相角： 當回路端電壓下降到最大值的 時所對應的頻率范圍 5.信號源內(nèi)阻和負載電阻對并聯(lián)諧振回路的影響2.2.3 串、并聯(lián)阻抗的等效互換串并聯(lián)阻抗的等效互換故： 由于串聯(lián)電路的有載品質(zhì)因數(shù)與并聯(lián)電路的有載品質(zhì)因數(shù)相等所以等效互換的變換關系為：當品質(zhì)因數(shù)很高（大于10或者更大）時則有串并聯(lián)等效互換分析：2）串聯(lián)電抗 化為同性質(zhì)的并聯(lián)電抗 且：3）串聯(lián)電路的有效品質(zhì)因數(shù)為1）小的串聯(lián)電阻 化為大的并聯(lián)電阻 且：2.2.4 并聯(lián)諧振回路的耦合連接與接入系數(shù)單振蕩回路具有頻率選擇性和阻抗變換的作用。

9、但是：1、選頻特性不夠理想 2、阻抗變換不靈活、不方便為了使網(wǎng)絡具有矩形選頻特性，或者完成阻抗變換的需要，需要采用耦合振蕩回路。耦合回路由兩個或者兩個以上的單振蕩回路通過各種不同的耦合方式組成阻抗變換電路從功率等效角度證明：理想變壓器無損耗：1、變壓器耦合連接322. 雙電容耦合電路負載電阻 RL 是通過雙電容分壓接入并聯(lián)諧振回路的,稱為部分接入法, 令接入系數(shù)可得(p1)113. 雙電感抽頭耦合電路負載電阻 是通過雙電感抽頭接入并聯(lián)諧振回路的,稱為部分接入法, 令接入系數(shù)(Pfmax時,無論使用什么方法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩。晶體管的功率增益 時的工作頻率可以證明: 2.4.1 電路構(gòu)成 R

10、1、R2、R3為偏置電阻，決定工作點，LF、CF為濾波電路，負壓供電。C4、L組成L、C諧振回路，R4是加寬回路通頻帶用，Rp是并聯(lián)回路本身的損耗2.4 晶體管單調(diào)諧回路諧振放大器2.4.2 放大器的等效電路分析 (3) = (2)(4) 代入(1) (4)放大器的輸入導納:2.4.3 放大器的技術(shù)指標計算1. 電壓指標根據(jù)電壓變比關系：所以：由于：所以：電壓增益的相關結(jié)論2. 諧振曲線與通頻帶當 和 為定值時（電路定了，其值也定了，帶寬增益乘積為常數(shù)）決定于 與 ，因為選擇管子時應選取 大的，應減少 ，但 也不能取的太小，因為不穩(wěn)定的電容的影響大。設 P1、P2 =1帶寬增益乘積為一常數(shù)討論

11、：1 當 確定，p1和p2不變時， 只取決于 和 的乘積，電容越大，通頻帶越寬， 變小。2 為了獲得高增益，寬頻帶，除了選用 較大的晶體管外，應該盡量減小諧振回路的總電容 ，但是這樣會導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。3 對于寬帶而言，要使 盡量大，諧振曲線不穩(wěn)定是次要的，因為頻帶很寬，對于窄帶放大器， 盡量大，使諧振曲線穩(wěn)定（不會使通頻帶改變，以至引起頻率失真）。3. 單調(diào)諧放大器的選擇性所以單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1，故其鄰道選擇性差，這是單調(diào)諧回路放大器的缺點。2.4.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器 若單級放大器的增益不能滿足要求，就可以采用多級級聯(lián)放大器。級聯(lián)后的放大器的增益、通頻帶和選擇性

12、都將發(fā)生變化。1）增益2）通頻帶根據(jù)通頻帶的定義可以求m級放大器的通頻帶上面的分析表明: 為了使總的通頻帶不變,每級的帶寬都要增加為原來的 X倍。 當每級通頻帶加寬X倍時,每級的增益都會降低為原來 的1/X。3）選擇性(以矩形系數(shù)為例)結(jié)論:單調(diào)諧回路特點是電路簡單,調(diào)試容易,但選擇性差,增 益和通頻帶的矛盾比較突出。2. 5 小信號放大器的穩(wěn)定性2.5.1 自激產(chǎn)生的原因 gF改變了回路的QL值, bF引起回路失諧。 gF是頻率的函數(shù)，在某些頻率上可能為負值，即呈負電導性，使回路的總電導減小，QL增加，通頻帶減小，增益也因損耗的減少而增加，即負電導gF供給回路能量，出現(xiàn)正反饋。當gF = g

13、s + gie（回路原有電導）則回路總電導g = 0，QL ，放大器失去放大性能，處于自激振蕩工作狀態(tài)。 放大器產(chǎn)生自激的條件當Ys + Yz = 0 回路總電導g = 0 放大器產(chǎn)生自激。 此時放大器的反饋能量抵消了回路損耗能量，且電納部分也恰好抵消。表明放大器反饋的能量抵消回路損耗的能量，且電納部分也切好得到抵消。 還可推導穩(wěn)定系數(shù) 2.5.2 放大器的穩(wěn)定系數(shù)及其穩(wěn)定增益 Avo與S的關系 討論： (Avo)s與f有關，f(Avo)s，f yre內(nèi)反饋厲害。 選管應選 大些的為好 (Avo)s只考慮內(nèi)部反饋，未考慮外部反饋。 當S = 5時， (Avo)s是保持放大器穩(wěn)定工作所允許的電壓

14、增益，稱為穩(wěn)定電壓增益，為保證放大器穩(wěn)定工作，Avo不允許超過(Avo)s。 由于yre的存在，晶體管是一個雙向的器件，增強放大器的穩(wěn)定性可以考慮晶體管的單向化。單向化的方法有：中和法 消除yre的反饋失配法 使GL或gs的數(shù)值增大，因而使輸入和輸出回路 與晶體管匹配。在實際運用中，中和法是外加一個電容抵消正反饋電容的作用 失配法： 信號源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配； 晶體管輸出端負載不與晶體管的輸出阻抗匹配。 即以犧牲電壓增益來換取放大器的穩(wěn)定性2.5.3 克服自激的方法(1) 中和法： 在放大器線路中插入一個外加的反饋電路，使它的作用恰好和晶體管的內(nèi)反饋互相抵消。 具體線路： 電橋平衡時，

15、CD兩端的回路電壓 不會反映到AB兩端,即對應兩邊阻抗之比相等。(2) 失配法 信號源內(nèi)阻不與晶體管輸入阻抗匹配，晶體管輸出端負載阻抗不與本級晶體管的輸出阻抗匹配。 原理：由于阻抗不匹配，輸出電壓減小，反饋到輸入 電路的影響也隨之減小。使增益下降，提高穩(wěn)定性。使Yi = yie，即使后項0，則必須加大YL 晶體管實現(xiàn)單向比，只與管子本身參數(shù)有關，失配法一般采用共發(fā)一共基級聯(lián)放大.則 3. 中和法與失配法比較 中和法： 優(yōu)點：簡單，增益高 缺點： 只能在一個頻率上完全中和，不適合寬帶 因為晶體管離散性大，實際調(diào)整麻煩，不適于 批量生產(chǎn)。 采用中和對放大器由于溫度等原因引起各種參 數(shù)變化沒有改善效果。 失配法： 優(yōu)點：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)。 缺點：增益低。 2.6.1 二級共發(fā)-共基級聯(lián)中頻放大器電路 下圖表示國產(chǎn)某調(diào)幅通信機接收部分所采用的二級中頻放大器電路。2.6 調(diào)諧放大器常用電路