高頻電子線路第四章

4高頻小信號放大器1、了解高頻小信號放大器的主要質(zhì)量目的：增益、通頻帶、選擇性等的含義。 2、熟習高頻小信號放大器的兩種等效電路“方式等效電路、混合π等效電路。 3、掌握單調(diào)諧回路諧振放大器的增益、通頻帶與選擇性的計算。 4、了解單、雙調(diào)諧回路諧振放大器的特點。5、了解諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施。6、了解集成電路諧振放大器的特點。7、了解噪聲的來源，了解的噪聲的表示方式。 高頻小信號放大器的特點：放大高頻小信號(中心頻率在幾百kHz到幾百MHz，頻譜寬度在幾kHz到幾十MHz的范圍內(nèi))的放大器。4.1概述幾十μV～幾mV1V左右普通調(diào)幅無線電廣播所占帶寬應為９kHz，電視信號的帶寬為６MＨz左右。高頻小信號放大器的特點：放大高頻小信號(中心頻率在幾百kHz到幾百MHz，頻譜寬度在幾kHz到幾十MHz的范圍內(nèi))的放大器。音頻射頻微波單振蕩回路耦合振蕩回路高頻小信號放大器諧振放大器〔窄帶〕非諧振放大器〔寬帶〕LC集中濾波器石英晶體濾波器陶瓷濾波器聲外表波濾波器〔調(diào)諧與非調(diào)諧〕高頻小信號放大器的分類有源器件諧振回路窄帶諧振放大器寬帶非諧振放大器濾波器高頻小信號放大器本章重點討論晶體管單級窄帶諧振放大器。高頻小信號放大器的主要質(zhì)量目的1)增益：〔放大系數(shù)〕電壓增益：分貝表示： 功率增益：2)通頻帶：3)選擇性：①矩形系數(shù)：表示與理想濾波特性的接近程度。 從各種不同頻率信號的總和〔有用的和有害的〕中選出有用信號，抑制干擾信號的才干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。②抑制比：表示對某個干擾信號fn的抑制才干，用dn表示。4)任務穩(wěn)定性：指放大器的任務形狀(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生能夠的變化時，放大器的主要特性的穩(wěn)定。根本共射極放大電路穩(wěn)Q共射極放大電路不穩(wěn)定形狀的極端情況是放大器自激〔主要由晶體管內(nèi)反響引起〕，使放大器完全不能任務。4.2晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)一、方式等效電路〔網(wǎng)絡參數(shù)等效電路〕圖4.2.1晶體管共發(fā)射極電路式中：稱為輸出短路時的輸入導納；稱為輸入短路時的反向傳輸導納；稱為輸出短路時的正向傳輸導納；稱為輸入短路時的輸出導納。圖4.2.2ｙ參數(shù)等效電路圖4.2.2ｙ參數(shù)等效電路1、放大器輸入導納Yi圖4.2.3晶體管放大器及其ｙ參數(shù)等效電路2、放大器輸出導納Yoy〔導納〕參數(shù)的缺陷：隨頻率變化；物理含義不明顯。圖4.2.4混合π等效電路優(yōu)點：各個元件在很寬的頻率范圍內(nèi)都堅持常數(shù)。缺陷：分析電路不夠方便。eb'rcerb'creeCb'eCb'crbb'rb'ecrccbgmvb‘e二、混合π等效電路圖4.2.5ｙ參數(shù)及混合π等效電路三、等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoe1.截止頻率12.特征頻率當f>fT后，共發(fā)接法的晶體管將不再有電流放大才干，但仍能夠有電壓增益，而功率增益還能夠大于1。四、晶體管的高頻參數(shù)1圖4.2.6β截止頻率和特征頻率可以粗略計算在某任務頻率f>>fβ的電流放大系數(shù)。3.最高振蕩頻率fmax f≥fmax后，Gp<1，晶體管曾經(jīng)不能得到功率放大。由于晶體管輸出功率恰好等于其輸入功率是保證它作為自激振蕩器的必要條件，所以也不能使晶體管產(chǎn)生振蕩。4.電荷存儲效應圖4.3.1單調(diào)諧回路諧振放大器的原理性電路與等效電路4.3單調(diào)諧回路諧振放大器前級放大器是本級放大器的信號源；后級放大器是本級放大器的負載。1.多級分單級前級放大器是本級放大器的信號源；后級放大器是本級放大器的負載。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC結(jié)論：Rb1、Rb2、Re為偏置電阻，提供靜態(tài)任務點；2.靜態(tài)分析 畫出直流等效電路，其簡化規(guī)那么：交流輸入信號為零；一切電容開路；一切電感短路。Rb1Rb2ReVCC45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC1)畫出交流等效電路，其簡化規(guī)那么：有交流輸入信號，一切直流量為零；一切大電容短路；一切大電感開路。〔諧振回路L、C保管〕3.動態(tài)分析32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+u31-+v21-2)畫出交流小信號等效電路負載和回路之間采用了變壓器耦合，接入系數(shù)晶體管集、射回路與振蕩回路之間采用抽頭接入，接入系數(shù)32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21- 出于分析的方便，假定晶體管不存在內(nèi)反響，即yre=0。一、電壓增益32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-把晶體管集電極回路和負載折合到振蕩回路兩端yfeubeyoeYLYLyfeubeyoe+u54-+u31-p1yfevbe+v31-p1yfevbe+v31-32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-p1yfevbe+v31-p1yfevbe+v31- 諧振時gp+v31-二、功率增益整個收、發(fā)機系統(tǒng)的功率增益是其一項重要性能目的，因此需求思索高頻小信號放大器的功率增益程度。由于在非諧振點上計算功率非常復雜，且普通用途不大，故主要討論諧振時的功率增益：p1yfevbe+v31-討論：那么可得最大功率增益為：i)假設設LC調(diào)諧回路本身元件無損耗，且輸出回路傳輸匹配。gp+v31-gp+v31-ii)假設LC調(diào)諧回路存在本身損耗，且輸出回路傳輸匹配那么可得最大功率增益為：三、通頻帶與選擇性經(jīng)過分析放大器幅頻特性來提示其通頻帶與選擇性?？梢姡眩淘礁撸敲赐l帶越窄。1.通頻帶帶寬增益積為一常數(shù)帶寬和增益為一對矛盾。1.通頻帶2.選擇性〔矩形系數(shù)〕>>1不論其Q值為多大，其諧振曲線和理想的矩形相差甚遠。四、級間耦合網(wǎng)絡圖4.3.4單調(diào)諧放大器的級間耦合網(wǎng)絡方式4.4多級單調(diào)諧回路諧振放大器假設單級放大器的增益不能滿足要求，就要采用多級放大器。Av1Av2Avn假設各級放大器是由完全一樣的單級放大器所組成，那么假設各級放大器是由完全一樣的單級放大器所組成，那么1.增益2.通頻帶n級放大器的通頻帶3.選擇性〔矩形系數(shù)〕通頻帶當級數(shù)n添加時，放大器的矩形系數(shù)有所改善，但這種改善是有限制的。4.5雙調(diào)諧回路諧振放大器 單調(diào)諧回路放大器的選擇性較差，增益和通頻帶的矛盾比較突出，為此，可采用雙調(diào)諧回路放大器?？梢?，相對單調(diào)諧回路，采用雙調(diào)諧回路改善選擇性和提高帶寬。根據(jù)雙調(diào)諧回路頻率特性的分析，可知圖4.5.2不同的η雙調(diào)諧回路 放大器的諧振曲線4.6諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施一、諧振放大器的穩(wěn)定性以上分析時，假定yre＝0，即輸出電路對輸入端沒有影響，放大器任務于穩(wěn)定形狀。下面，討論內(nèi)反響yre的影響。1.放大器的輸入導納和輸出導納假設放大電路輸入端也接有諧振回路(或前級放大器的輸出諧振回路)，那么輸入導納Yi并聯(lián)在放大器輸入端回路后(假定耦合方式是全部接入)2.自激振蕩的產(chǎn)生(以輸入導納的影響為例)圖4.6.1放大器等效輸入端回路實踐電路中假設反響電導為負值，那么g∑=gs+gie1+gF=0能夠存在，即發(fā)生自激振蕩景象。3.自激產(chǎn)生的緣由圖4.6.2反響電導ｇＦ隨頻率變化的關系曲線4.自激產(chǎn)生的條件(以對輸入導納的影響為例)分解為幅值和相位兩個條件:不發(fā)生自激的條件：g∑=gs+gie+gF>0穩(wěn)定系數(shù)：假設S＝1，放大器能夠產(chǎn)生自激振蕩；假設S>>1，放大器不會產(chǎn)生自激。S越大，放大器分開自激形狀就越遠，任務就越穩(wěn)定。5.穩(wěn)定性分析假設放大器輸入與輸出回路一樣，增益和穩(wěn)定性為一對矛盾。思索全部接入，即p1=p2=1二、單向化〔中和法、失配法〕由于晶體管內(nèi)存在yre的反響，所以它是一個“雙向元件〞。作為放大器任務時，yre的反響作用能夠引起放大器任務的不穩(wěn)定。消除yre的反響，變“雙向元件〞為“單向元件〞,這個過程稱為單向化。AFCb'erbb'Cb'crb'crb'evb'ercegmvb’eAF防止自激的最簡單做法是在回路兩端并接電阻，即添加損耗。這就是“失配法〞。假設把負載導納YL'獲得比晶體管yoe大得多，即YL'>>yoe，那么輸入導納1.不發(fā)生自激的條件g∑=gs+gie+gF>0假設把信號源導納Ys獲得比晶體管yie大得多，那么輸出導納為：因此，所謂“失配〞是指：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。2.穩(wěn)定系數(shù)可知，當Ys>>yie和YL′>>yoe，穩(wěn)定系數(shù)S大大添加。但同時，增益必需減小。實踐上，增益隨gL添加而減小。失配法以犧牲增益為代價換取穩(wěn)定性的提高。3.典型電路ic1yoeyie<<4.7諧振放大器的常用電路和集成電路諧振放大器一、諧振放大器常用電路舉例圖4.7.2窄帶石英晶體濾波器電路圖4.7.4采用單片陶瓷濾波器的中放級二、集成電路諧振放大器圖4.7.6ULN－2204集成塊的中放部分4.9放大器中的噪聲自然干擾人為干擾干擾與噪聲外部干擾內(nèi)部噪聲天電干擾宇宙干擾大地干擾工業(yè)干擾無線電臺自然噪聲人為噪聲有熱噪聲散粒噪聲閃爍噪聲交流哼聲感應噪聲接觸不良一、內(nèi)部噪聲的來源與特點這種無規(guī)那么運動具有起伏噪聲的性質(zhì)，是一種隨機過程，即在同一時間〔０～Ｔ〕內(nèi)，這一次察看和下一次察看會得出不同的結(jié)果放大器的內(nèi)部噪聲主要是由電路中的電阻、諧振回路和電子器件內(nèi)部所具有的帶電微粒無規(guī)那么運動所產(chǎn)生的。圖4.9.1隨機過程表示圖隨機過程的特征通常用它的平均值、均方值、頻譜或功率譜來描畫。1.起伏噪聲電壓的平均值圖4.9.2起伏噪聲電壓的平均值2.起伏噪聲電壓的均方值3.非周期噪聲電壓的頻譜起伏噪聲電壓是一種隨機過程，其對應頻譜也是隨機過程，沒有確定的描畫。4.起伏噪聲的功率譜式中，Ｓ(f)稱為噪聲功率譜密度，單位為Ｗ/Ｈz。二、電阻熱噪聲 電阻中的帶電微?！沧栽陔娮印吃谝欢囟认拢獾綗峒ぐl(fā)后，在導體內(nèi)部作大小和方向都無規(guī)那么的運動〔熱騷動〕。電阻的熱噪聲的功率譜密度噪聲電壓均方值噪聲電流均方值 以上各式中，ｋ為玻耳茲曼常數(shù)，T為電阻的絕對溫度，Δfn為電路的等效噪聲帶寬，Ｒ〔或Ｇ〕為Δfn內(nèi)的電阻〔或電導〕值。圖4.9.6電阻的噪聲等效電路三、天線熱噪聲 熱平衡形狀下，噪聲電壓的均方值 天線等效電路由輻射電阻ＲＡ和電抗ＸＡ組成。ＴＡ為天線等效噪聲溫度。假設天線無方向性，且處于絕對溫度為Ｔ的無界限均勻介質(zhì)中，那么四、晶體管的噪聲晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和１/f噪聲。圖4.9.10包括噪聲電流與電壓源的Ｔ型等效電路散粒噪聲熱噪聲分配噪聲圖4.9.11晶體管的噪聲特性4.10噪聲的表示和計算方法4.10噪聲系