第2章小信號諧振放大器

1、1,第2章小信號諧振放大器,2,本章基本要求,掌握:小信號諧振放大器的電路組成、原理及分析方法； 熟悉放大器的噪聲系數(shù)、高頻集成放大器的特點(diǎn)。,3,2.1 概述,在無線通信過程中，通信信道數(shù)多，所占頻段范圍較寬, 工作頻率也較高(從幾百kHz到幾百M(fèi)Hz，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)中, 工作頻率可達(dá)數(shù)GHz)。同一通信頻段內(nèi)，存在著許多被傳送的無線電信號及噪聲，而接收機(jī)則只選擇出所需要的信號進(jìn)行放大。,因此，接收機(jī)中的放大器除了要有足夠的增益外, 還應(yīng)具有選擇不同頻率的信號的能力，于是便產(chǎn)生了各種各樣的選頻放大器，但無論是哪一種類型的電路，它們主要由兩部分組成: 一部分是其核心器件放大器件。另一部分是用作

2、選擇信號的線性選頻網(wǎng)絡(luò)。,4,2.1.1 小信號調(diào)諧放大器的分析方法,小信號調(diào)諧放大器常作為選頻放大器，用來放大微弱的高頻信號。 所謂“小信號”是指兩種情況: 一是信號幅度足夠小，使得所有有源器件(晶體三極管、 場效應(yīng)管或IC)都可采用二端口Y參數(shù)或線性等效電路模型代替; 二是放大器的輸出信號與輸入信號成線性比例關(guān)系。,5,2.1.2 小信號調(diào)諧放大器的主要技術(shù)參數(shù),1. 增益,2. 通頻帶,3. 選擇性,4. 噪聲系數(shù),5. 穩(wěn)定性,6,2.2有源器件的高頻小信號等效電路,在小信號放大器的分析和設(shè)計中, 通常是采用等效電路法, 即假定放大器工作于線性狀態(tài), 把電路中的有源器件用線性等效電路來

3、代替, 以便采用經(jīng)典電路理論來進(jìn)行分析、計算。 根據(jù)導(dǎo)出的方法不同，器件的等效模型可分為兩類： 第一類是根據(jù)器件內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)及其物理模型所得出的模擬等效電路，其等效模型為混合型等效電路。 第二類是把器件等效為有源四端網(wǎng)絡(luò)，用一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)組成的等效模型，主要有H 參數(shù)等效電路、Y參數(shù)等效電路等。,7,1 BJT、FET器件的混合型等效模型及其參數(shù),8,1 BJT高頻混合型等效模型及其參數(shù),圖2-2-1(a)為BJT的共發(fā)射極接法, 根據(jù)晶體三極管的物理結(jié)構(gòu)及物理過程可得其小信號高頻混合型等效模型如圖2-2-1(b)所示。,(2-2-1),稱為正向傳輸電導(dǎo)或跨導(dǎo)。,(2-2-2),9,2 FET

4、的高頻混合等效模型及其參數(shù),10,稱為交流短路時的漏極輸出電阻, 定義為:,(2-2-4),11,2.2.2 混合型參數(shù)與Y 參數(shù)的關(guān)系,12,(2-2-6),(2-2-7),(2-2-8),(2-2-9),13,14,稱為輸出短路時的輸入導(dǎo)納,稱為輸出短路時的正向傳輸導(dǎo)納,稱為輸入短路時的反向傳輸導(dǎo)納,稱為輸入短路時的輸出導(dǎo)納,15,(2-2-11),16,晶體三極管的4個Y參數(shù)都是復(fù)數(shù)，為了計算方便， 可表示為,(2-2-12),17,由于晶體管在高頻運(yùn)用時, 其放大特性與工作頻率有關(guān), 因而常引用晶體管的頻率特性參數(shù)來表明它的高頻特性。,是晶體管低頻運(yùn)用時的共射極電流放大系數(shù),18,當(dāng)值

5、下降到0dB時所對應(yīng)的頻率稱為特征頻率, 用符號,表示,19,2.3 小信號調(diào)諧放大器,小信號調(diào)諧放大器常作為選頻放大器，用來放大微弱的高頻信號。 所謂“小信號”是指兩種情況: 一是信號幅度足夠小，使得所有有源器件(晶體三極管、 場效應(yīng)管或IC)都可采用二端口Y參數(shù)或線性等效電路模型代替; 二是放大器的輸出信號與輸入信號成線性比例關(guān)系。,20,“等效電路”法的主要步驟,用“等效電路”法分析小信號調(diào)諧放大器，可分為三個主要步驟： 首先是認(rèn)識電路，包括認(rèn)清電路的組態(tài)（共射電路等）、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

6、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。,21,2.3.1 晶體管調(diào)諧放大器 2.3.1.1 單調(diào)諧放大器,22,調(diào)諧放大器的基本原理,2）交流分析：在交流等效電路中，由于晶體管的輸入、輸出導(dǎo)納與調(diào)諧回路并聯(lián)，使回路值降低，回路諧振頻率也改變。為使電路獲得最大的功率增益，還要求放大器前后級之間阻抗匹配。,1）直流工作狀態(tài)的分析方法,3）交流等效電路,23,Y參數(shù)等效電路,24,是初級回路自耦變壓器的接入系數(shù)，,是一次、二次側(cè)之間變壓器耦合的接入系數(shù),25,圖2-3-2 單調(diào)諧放大器等效電路,26,圖2-3-2

7、 單調(diào)諧放大器等效電路,27,1. 放大器的輸入導(dǎo)納,由圖2-3-2 b可得到：,所以,28,2. 電壓增益,(2-3-1),由圖2-3-2 c中,由電壓放大倍數(shù)的定義有:,(2-3-5),，由圖2-3-2 c中,(2-3-6),29,根據(jù)變壓器電壓變換關(guān)系，由圖2-3-2 a 可得,于是，,(2-3-8),30,求電壓增益的方法之二,也可以將圖2-3-2 b 等效為圖2-3-2 e ，從圖中得到,“”號表示共射極放大器的反相作用,31,(2-3-12),32,3. 通頻帶與選擇性,圖2-3-3 單調(diào)諧放大器的頻率特性,33,(2-3-16),(2-3-17),34,4. 功率增益,(2-3-

8、18),35,由式（2-3-18）可得最大功率增益為：,（2-3-19,(2-3-20),36,諧振時,37,稱為回路的插入損耗，,稱為失配損耗。,38,例2-3-1,110.4(0.3)21.5=1.54 (mS),由已知參數(shù)，可得到諧振時的電壓增益為:,回路總電容為,回路外接電容應(yīng)為,pF,39,5. 計算接入系數(shù)的考慮,由功率配匹的條件,由上述兩式可解得,40,6. 多級單調(diào)諧放大器的級聯(lián),41,多級放大器諧振特性及通頻帶,42,2.3.1.2 雙調(diào)諧放大器,多級放大器級聯(lián)時，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

9、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。,圖2-3-5所示是一種常用的雙調(diào)諧放大電路。,43,44,45,典型的雙回路等效電路,圖2-3-6 雙調(diào)諧放大器等效電路,46,為分析方便，設(shè)一次、二次側(cè)回路元件參數(shù)相同，即:,47,(1) 電壓放大倍數(shù),由圖2-3-6 b，并根據(jù)電路分析理論列出下列方程:,(2-3-31),48,考慮到兩個回路的參數(shù)相同，可得到,49,雙調(diào)諧放大器諧振特性曲線和電壓放大倍數(shù)的一般表達(dá)式分別為,（ =1 時）,50,雙調(diào)諧放大器諧振曲線,51,(2) 通頻帶與選擇性,雙調(diào)諧放大器較常使用的是臨界耦合，這時的諧振曲線

10、為:,同樣可得矩形系數(shù)為:,52,（3） 多級雙調(diào)諧放大器,根據(jù)上式， 可求得n級雙調(diào)諧放大器的通頻帶為:,稱為通頻帶縮小系數(shù)。,53,2.3.2 場效應(yīng)管調(diào)諧放大器,(1) 場效應(yīng)管在正常工作時，柵極電流很小(A級)，所以場效應(yīng)管的輸入阻抗很高，一般在107以上。 (2) 場效應(yīng)管的恒流特性比晶體管好，在恒流區(qū)內(nèi)，場效應(yīng)管的輸出電阻比晶體管的輸出電阻大。場效應(yīng)管的輸入、輸出阻抗較大，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。,54,2.3.3 調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性 2.3.3.1諧振放大器不穩(wěn)定的原因,55,如前所述，放大器的輸入導(dǎo)納是頻率的函數(shù),設(shè),令,時，,56,2.3.3.3 提

11、高諧振放大器穩(wěn)定性的措施,例2-3-2,57,(1) 中和法,平衡條件為,即,58,(2) 失配法,例2-3-3,59,2.4 高頻集成放大器 2.4.1 高頻集成放大器的特點(diǎn),(1) 電路結(jié)構(gòu)與元器件參數(shù)具有對稱性。在集成電路的制作工藝中，相同元器件制作工藝相同，特性和參數(shù)的一致性好。往往采用結(jié)構(gòu)對稱或元件參數(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) 用有源器件代替無源器件。由于集成化的晶體管有源器件占用的芯片面積小，參數(shù)也易匹配，在模擬集成電路中，通常用晶體管或FET等有源器件代替電路中的電阻、 電容等無源器件。 (3) 采用

12、復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路。由于復(fù)合結(jié)構(gòu)電路的性能好，因而在模擬集成電路中，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。 (4) 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。,60,2.4.2高頻集成電路放大器 2.4.2.1 高頻集成選頻放大電路,圖2-4-1 MC1350組成的放大器,61,2.4.2.2 高頻寬帶放大器,圖2-4-3 TA7060組成的放大器,圖2-4-4 高頻寬帶集成放大器upc1651,62,2.5 放大器的噪聲,2.5.1內(nèi)部噪聲的特點(diǎn)和來源,2.5.1.1電阻熱噪聲,內(nèi)部噪聲主要由電阻、諧振電路和半導(dǎo)體器件

13、內(nèi)部所具有的帶電粒子無規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生的。,電阻內(nèi)部的帶電粒子（自由電子）在一定溫度下，總是處于無規(guī)則的熱運(yùn)動狀態(tài)，產(chǎn)生起伏電流脈沖。大量的帶電粒子所產(chǎn)生的許多個起伏電流脈沖相疊加，就形成了電阻的熱噪聲電流，從而可在電阻兩端產(chǎn)生噪聲電壓和噪聲功率。,63,電阻熱噪聲作為一種隨機(jī)信號，它具有極寬的頻譜范圍， 如圖2-5-1所示。,64,65,噪聲電壓的有效值為:,66,2.5.1.2 晶體管的噪聲,(1) 散粒噪聲,散粒噪聲是晶體管的主要噪聲。,由于晶體管內(nèi)部載流子隨機(jī)地通過PN結(jié)，即單位時間內(nèi)通過PN結(jié)的載流子數(shù)目不同，使得通過集電結(jié)的電流在平均值上下作不規(guī)則的起伏變化，其基本性質(zhì)與熱噪聲相似，頻譜范圍也非常寬。,其中，發(fā)射結(jié)散粒噪聲電流的均方值為,(2) 熱噪聲,(3) 分配噪聲,67,2.5.2 噪聲系數(shù)2.5.2.1 放大器的噪聲系數(shù)定義,或,（5-2-12）,68,69,則,實(shí)際上放大器輸出端的總噪聲功率,70,可以得,放大器自身內(nèi)部噪聲,