高頻電子-陽昌漢-課件-第三章高頻小信號放大器

第三章高頻小信號放大器

主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)高頻電路的基礎(chǔ)知識第三節(jié)晶體管高頻小信號諧振放大器第四節(jié)小信號諧振放大器的穩(wěn)定性

第五節(jié)場效應(yīng)管高頻放大器第六節(jié)線性寬帶放大集成電路與集中濾波器1、高頻是指放大器的工作頻率在幾百KHz～幾百M(fèi)Hz，必須考慮放大器件的極間電容.

2、小信號指的是放大器輸入信號小，放大器件是在線性范圍內(nèi)工作

3、高頻小信號放大器的功能

是實(shí)現(xiàn)對微弱高頻信號進(jìn)行不失真放大

第一節(jié)概述一、高頻小信號放大器的功能高頻小信號放大器功能的表示形式數(shù)學(xué)表達(dá)式頻譜表示形式輸入信號頻譜與輸出信號頻譜相同二、高頻小信號放大器的分類和用途按負(fù)載性質(zhì)分：諧振放大器（又稱調(diào)諧放大器）用LC諧振回路作負(fù)載非諧振放大器按放大信號的頻譜寬窄分窄帶放大器寬帶放大器（如集中選頻放大器）用LC諧振回路或集中選頻濾波器做負(fù)載用純阻或變壓器做負(fù)載，帶寬較寬，1、分類

高頻小信號放大器的主用用途是做接收機(jī)的前置高頻放大器和中頻放大器。諧振放大器是采用諧振回路作負(fù)載的放大器，具有放大、濾波和選頻的作用。非諧振放大器由阻容放大器和各種濾波器組成，其機(jī)構(gòu)簡單，便于集成。2、用途f1定義：放大器的電壓增益下降到最大值的倍時所對應(yīng)的頻帶寬度。常用2△f0.7(或BW0.7)表示。三、高頻小信號放大器的主要技術(shù)指標(biāo)1、電壓增益與功率增益電壓增益功率增益2、通頻帶2△f0.7f20.707

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頻譜寬度，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，放大器的通頻帶取決于回路的形式和回路的等效品質(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。放大器的選擇性

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)來表示。

按理想情況，諧振曲線應(yīng)為一矩形。為了表示實(shí)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。其中2f0.7為放大器的通頻帶,2f0.1為放大器電壓增益下降至最大值的0.1倍時所對應(yīng)的頻帶寬度，Kr愈接近于1電路選擇性越好。3、矩形系數(shù)（選擇性）矩形系數(shù)是表征放大器選擇性好壞的一個參量。

4、噪聲系數(shù)

定義:用分貝表示:噪聲系數(shù)是用來表征放大器的噪聲性能好壞的一個參量。對于放大器來說，總是希望放大器本身產(chǎn)生的噪聲越小越好。第三節(jié)晶體管高頻小信號諧振放大器

晶體管在高頻線性運(yùn)用時常采用兩種等效電路進(jìn)行分析,一是Ｙ參數(shù)等效電路,一是混合π型等效電路?；旌夕行偷刃щ娐?Ｙ參數(shù)等效電路:物理參數(shù)模型，參數(shù)物理意義明確,在較寬的頻帶內(nèi)參數(shù)值基本上與頻率無關(guān)。適合于分析寬頻帶小信號放大器。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型，Y參數(shù)與頻率有關(guān),適合用于窄帶小信號放大器的分析。1、y參數(shù)等效電路

一、晶體管高頻小信號等效電路雙端口網(wǎng)絡(luò)根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論，得到y(tǒng)參數(shù)系的方程：晶體管y等效電路

輸出短路時的輸入導(dǎo)納；

輸入短路時的反向傳輸導(dǎo)納；輸出短路時的正向傳輸導(dǎo)納；

輸入短路時的輸出導(dǎo)納?！镞@四個參量具有導(dǎo)納的量綱，故稱為導(dǎo)納參數(shù)，也叫y參數(shù)。y參數(shù)說明根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)理論，得到y(tǒng)參數(shù)系的方程：*對于共射接法,y參數(shù)用表示,則:*對于共基接法，y參數(shù)用表示,則:*對于共集接法，y參數(shù)用表示,則:2、混合等效電路

各參數(shù)的物理意義。

:基區(qū)縱向電阻。幾十Ω

~100Ω:結(jié)電阻。較小幾十Ω～幾百Ω,:結(jié)電容,較大,100pf～500pf。

:結(jié)電阻，很大。100KΩ

~100MΩ:結(jié)電容，很小。

2pf～10pf:受控電流源，而，稱為跨導(dǎo)，單位為。

:極間電阻，很大。幾十KΩ

:極間電容，很小。

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏晶體管混合π等效電路可簡化為：

因?yàn)榈闹翟谒懻摰念l率范圍內(nèi)比的容抗值要大得多，通常對等效電路進(jìn)行簡化時常用代替和的并聯(lián)電路。

(一)令V2=0，求yie、yfe。簡化混合π等效電路，如圖所示。

(1)Y參數(shù)等效電路與混合π等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換(2)

V1小引起I小又

(二)

令，求yre、yoe

(3)

故(1)、(2)、(3)、(4)中的Ybe可認(rèn)為相同。(4)y參數(shù)與混合π參數(shù)之間的近似轉(zhuǎn)換公式為：二、晶體管的高頻參數(shù)定義：當(dāng)下降到低頻電流放大系數(shù)β0的1／倍時，所對應(yīng)的頻率稱為β的截止頻率fβ。

◆可用來計(jì)算任意頻率時晶體管的|β|。根據(jù)fβ的定義，可得取其模①截止頻率fβ.由于β0比1大的多,在頻率為fβ時,|β|雖然下降到原來的0.707但是仍然比1大的多,因此晶體管還能起到放大的作用。(工作頻率增高到一定值后，β值將隨工作頻率增高而下降。)

②特征頻率fT定義：當(dāng)|β|下降到1時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT。

fT是晶體管共發(fā)射極運(yùn)用時能得到電流增益的最高頻率的極限。當(dāng)f＞fT時，β＜1。但這并不意味著晶體管已經(jīng)沒有放大作用，這時放大器電壓增益還有可能大于1。電流放大系數(shù)β與f的關(guān)系：故可以粗略計(jì)算在某工作頻率下的電流放大系數(shù)。

定義：晶體管的功率增益Ap=1時所對應(yīng)的頻率稱為最高振蕩頻率

fmax表示一個晶體管所能適用的最高極限頻率。晶體管的實(shí)際工作頻率約為fmax的1/3～1/4?？偨Y(jié)：以上三個頻率大小的順序是：③最高振蕩頻率

fmax表示晶體管所能夠適應(yīng)的最高極限頻率。在此工作頻率時晶體管已經(jīng)不能得到功率放大，當(dāng)f>fmax時,無論使用什么方法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩?？梢宰C明:三、單調(diào)諧回路諧振放大器

1、單調(diào)諧回路諧振放大器的電路形式1．單調(diào)諧回路諧振放大器是由共射組態(tài)的晶體管和并聯(lián)諧振回路組成；

2．電路的直流偏置是由、、來實(shí)現(xiàn)；LC并聯(lián)諧振回路為放大器的集電極負(fù)載，起選頻作用。3．、為高頻旁路電容，輸入信號相當(dāng)于加在的、之間；

4．為了實(shí)現(xiàn)晶體管輸出阻抗與負(fù)載之間的阻抗匹配，減少晶體管輸出阻抗與負(fù)載對回路的影響，晶體管的輸出及下一級放大器均通過阻抗變換電路接入。輸出信號電壓是由變壓器次級4、5兩端取出，它也是相當(dāng)于加在的、之間。

第一步：由原電路畫出交流通路（二）放大器的高頻等效電路Vcc：交流接地Cb、Ce：交流短路LCYie41235+–+–cbe交流通路LCYie41235+–+–cbe交流通路第二步：由交流通路畫Y參數(shù)等效電路為簡化分析,令則放大器的簡化等效電路為:（1）圖（a）是時的簡化等效電路。由于，放大器輸入導(dǎo)納，放大器輸出導(dǎo)納，輸入信號電壓已在受控電流源中存在。而變壓器4、5端的負(fù)載。

將所有參數(shù)折合到LC回路兩端，集電極的接入系數(shù)簡化的高頻等效電路負(fù)載的接入系數(shù)為回路本身的損耗假設(shè)晶體管的yre=0，有用部分p1p2（三）放大器的技術(shù)指標(biāo)①電壓增益當(dāng)放大器諧振時：諧振時電壓增益：即諧振頻率：增益幅值：相角：回路有載品質(zhì)因數(shù)：電壓接入等效變換②諧振曲線

－廣義失諧因子（表示放大器的相對電壓增益與輸入信號頻率的關(guān)系。）下圖是分別用、和表示的放大器的諧振特性曲線。

用頻率表示用一般失諧表示用廣義失諧表示

③放大器的通頻帶④放大器的矩形系數(shù)0.12△f0.1f12△f0.7f20.707三、多級單調(diào)諧回路諧振放大器（每級的)設(shè)放大器有m級，每級都是單調(diào)回路，且諧振頻率相同為1）總電壓增益當(dāng)各級電壓增益相同，則，2）諧振曲線m級相同的放大器級聯(lián)時，它的諧振曲線等于各單級諧振曲線的乘積。即可見，級數(shù)越多，諧振曲線越尖銳3）總通頻帶——帶寬縮減因子可見級聯(lián)后總通頻帶變窄。結(jié)論：級聯(lián)的放大器級數(shù)m越多，總增益越大,但總通頻帶越窄。4）總矩形系數(shù)

由該表知，級聯(lián)的放大器級數(shù)越多，雖有所改善，但效果不大。

由以上分析知，單調(diào)諧放大器的選擇性差，增益和通頻帶的矛盾突出。改善放大器選擇性和解決其增益與通頻帶之間的矛盾的有效方法是采用參差調(diào)諧放大器和雙調(diào)諧放大器。即Π等效電路中存在。一、諧振放大器不穩(wěn)定的原因低頻時可忽略，高頻時不可忽略。它使輸出信號反饋到輸入端，一定條件下導(dǎo)致自激，放大器將不穩(wěn)定。原因：2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性放大器的輸入導(dǎo)納Yi從晶體管的ce兩端向諧振回路看的等效負(fù)載導(dǎo)納可見，由于Yre的存在，使得放大器的輸入導(dǎo)納與負(fù)載導(dǎo)納有關(guān)。2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性2.輸出導(dǎo)納Y0Y0由于yre的存在，使得放大器的輸出導(dǎo)納Yo不僅與晶體管的輸出導(dǎo)納yoe有關(guān)，而且還與放大器輸入端的信號源內(nèi)導(dǎo)納Ys有關(guān)。二、放大器的穩(wěn)定系數(shù)及穩(wěn)定增益2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性1、放大器的穩(wěn)定系數(shù)

而通過yre反饋到輸入端的反饋電壓+-則放大器要產(chǎn)生自激振蕩穩(wěn)定系數(shù)S=1為維持自激振蕩的條件，放大器不穩(wěn)定；S<1,一定要產(chǎn)生自激；S>>1，放大器穩(wěn)定，一般S>>5就可認(rèn)為是穩(wěn)定的。2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定增益，是指不加任何穩(wěn)定措施，保持放大器穩(wěn)定工作所允許的最大電壓增益。2、穩(wěn)定增益，的計(jì)算公式通常是在已知晶體管參數(shù)的條件下，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)S的要求來確定自己設(shè)計(jì)的放大器的允許的最高電壓增益。只要實(shí)際放大器的電壓增益，這個放大器就是穩(wěn)定的。

注：三、提高諧振放大器穩(wěn)定性的措施

由于的反饋?zhàn)饔?，晶體管是一個雙向器件。使的反饋?zhàn)饔们宄倪^程稱為單向化。單向化的方法中和法失配法單向化的方法有：⑴中和法消除yre的反饋的影響中和法：在實(shí)際運(yùn)用中，中和法是外加一個電容抵消正反饋電容的作用。⑵失配法使GL或gs的數(shù)值增大，因而使輸入或輸出回路與晶體管失去匹配。失配法：信號源內(nèi)阻（前級輸出阻抗）不與晶體管輸入阻抗匹配；晶體管輸出端負(fù)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1、中和法

①什么是中和法？

在晶體管放大器的輸出與輸入之間引入一個附加的外部反饋電路，以抵消晶體管內(nèi)部的反饋?zhàn)饔谩?/p>

②中和電路的原理

具有中和電路的放大器

③中和電路的兩種形式電容的數(shù)值為：★中和電路只能對一個頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)完全中和。因晶體管是隨頻率變化的，而不隨頻率變化。2.失配法增大負(fù)載導(dǎo)納YL，使回路總導(dǎo)納增大，導(dǎo)致輸出回路嚴(yán)重失配，輸出電壓減小，從而減小內(nèi)反饋。2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性降低電壓增益方法較多，例如，可選用合適的接入系數(shù)；在諧振回路兩端并端電阻來實(shí)現(xiàn)降低電壓增益。在實(shí)際應(yīng)用中，較多的是采用共射—共基級聯(lián)放大器，其等效電路如圖所示。

失配法的實(shí)質(zhì)：是降低放大器的電壓增益，以滿足穩(wěn)定的要求。L+–+–T1T2C共發(fā)－共基組合電路調(diào)諧放大器T2（共基）：輸入阻抗?。ㄝ斎雽?dǎo)納大）→T1的負(fù)載導(dǎo)納大→從而使共發(fā)晶體管內(nèi)部反饋減弱，穩(wěn)定性大大提高2.失配法2.5小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性共發(fā)電路在負(fù)載導(dǎo)納很大的情況下，雖然電壓增益減小，但電流增益仍較大；而共基電路雖然電流增益接近1，但電壓增益卻較大。所以二者級聯(lián)后，互相補(bǔ)償，電壓增益和電流