《高频小信号放大器》PPT课件.ppt

1,1,2.概述和指标（含框图）2.单调谐回路谐振放大器电路图2.晶体管高频小信号等效电路与参数以下是改进的高频小信号放大电路2.4多级单调谐回路谐振放大器2.5谐振放大器的稳定性与稳定措施2.6章末小结,第2章高频小信号放大电路,2,本章重点：高频小信号谐振放大器的工作原理及性能指标计算。,难点：谐振放大器的性能分析。,2,3,高频放大器的作用与分类,高频放大器的分类1、按信号大小分：高频功率放大器，（大信号，通常用于发射机中）；高频小信号放大器（接收机前端的主要部分）；,高频放大器的作用：用以放大微弱的高频小信号,工作频率范围：（300K-1000M）Hz。,2、按负载分谐振放大器：LC谐振回路作负载。非谐振放大器：以传输线变压器作负载。,3,4,4,高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,几十V几mV,1V左右,2.概述和指标,5,5,普通调幅无线电广播所占带宽应为kHz，电视信号的带宽为Mz左右。,高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,高频小信号放大器的特点,6,6,补充窄带信号概念,是相对于需要传送信息的音频信号和视频信号来说的，一般的高频信号都是窄带信号。窄带信号定义：信号带宽与其下限频率的比远小于1。如：调幅收音机：530K1600KHz（465KHz）(CH间隔9K)相对频带宽度为：9K530=1/58；远小于1，所以是窄带信号我们称音频和视频信号为基带信号。基带信号的基本特点是其信号频谱是宽带的，即该信号频谱范围的上限频率和下限频率的差（即信号带宽），与其下限频率的比远大于1（如音频上下限20HZ-20KHZ，信号带宽为1K，相对频带宽度为50=1000/20）。宽带信号包含大量低频信号的能量。,7,7,高频小信号放大器,谐振放大器（窄带）,非谐振放大器（宽带）,LC集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,（调谐与非调谐）,本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。,高频小信号放大器的分类,多级,多级,8,8,高频小信号放大器框图与原理电路,高频小信号放大器的主要功能是：从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力（中频放大器从原理上也服从高频小信号放大器）。,框图：放大+选频,9,9,1)增益：（放大系数）,电压增益：,分贝表示：,功率增益：,2)通频带：,高频小信号放大器的主要质量指标,10,10,3)选择性,矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。,：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。,高频小信号放大器的主要质量指标,11,11,抑制比：表示对某个特定干扰信号fn的抑制能力，用dn表示。,3)选择性,：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。,高频小信号放大器的主要质量指标,特定干扰信号fn如:中频,镜频,12,12,4)工作稳定性:晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。直流：控制放大器的静态工作状态(直流偏置).,基本共射极放大电路,直流稳Q共射极放大电路,不稳定状态的极端情况是静态工作点偏离正常工作状态,使放大器本身不能正常工作。,高频小信号放大器的主要质量指标,13,13,低频小信号模型,高频小信号模型,4)工作稳定性：交流:晶体管的交流参数、电路元件参数等发生可能的变化时，控制放大器的主要特性的稳定。,高频小信号放大器的主要质量指标,不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。稳定性问题在最后讨论。,14,14,在电路某一指定点处的信号功率s与噪声功率n之比，称为信号噪声比，简称信噪比，以sn（或）表示。,放大器噪声系数,p为放大器的功率增益。,5)噪声系数,15,15,Pno为放大器本身产生的噪声在输出端上呈现的噪声功率。因此，越大，表示放大器本身产生的噪声越大。,放大器噪声系数,理想噪声系数为1,16,16,自然干扰,人为干扰,干扰与噪声,外部干扰,内部噪声,天电干扰,宇宙干扰,大地干扰,工业干扰,无线电台,自然噪声,人为噪声,有热噪声,散粒噪声,闪烁噪声,交流哼声,感应噪声,接触不良,概述,17,17,这种无规则运动具有起伏噪声的性质，是一种随机过程，即在同一时间（）内，这一次观察和下一次观察会得出不同的结果,放大器的内部噪声主要是由电路中的电阻、谐振回路和电子器件内部所具有的带电微粒无规则运动所产生的。,图随机过程示意图,内部噪声的来源与特点,18,18,选用低噪声元、器件,正确选择晶体管放大级的直流工作点（线性）,选择合适的信号源内阻s,选择合适的工作带宽,选用合适的放大电路（共发共基）,降低放大器的工作温度,减小噪声系数的措施,19,噪声小结：,表征信号经放大后，信噪比变坏的程度。噪声系数的定义是放大器的输入信噪比（输入端的信号功率与噪声功率之比）与输出信噪比之比。,NF通常是大于1的，,NF越接近于1，放大器的输出,噪声越小。,放大器中产生噪声的原因有放大器本身产生的噪声。在多级级联的放大器中，前一、二级放大器的噪声对整个放大器的噪声起决定作用。为了减少放大器的内部噪声，在设计与制作时应当采用低噪声管，正确的选择工作点电流，选用合适的电路等。,2.1.1,20,2.2单管单调谐放大器电路图,一、电路组成及工作原理,图高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路（b）交流通路,1、各元件的作用,21,电容CB、CE对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。,LC振荡回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供选频回路。振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。,图高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路（b）交流通路,22,2、简单工作原理,信号由输入端的高频变压器引入，晶体管放大器的负载为部分接入的振荡回路，该回路对输入信号频率谐振，即。此时，回路呈现的阻抗最大，而对其它频率的阻抗很小，因而输入信号频率的电压得到放大，而其它频率信号受到抑制。同时振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集电极所需要的负载电阻，从而在负载（下一级晶体管的输入）上得到最大的电压输出。所以，,振荡回路的作用是实现选频滤波及阻抗匹配。（见下两页复习）,复习低频小信号放大和引入高频小信号放大,以并联谐振回路替代低频Rc(且阻容耦合变为电感耦合),实际电路引入部分接入方式阻抗变换，使带负载时Q提高,25,25,因为信号小，晶体管工作在线性区(几十V几mV)，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。,高频小信号放大器的分析方法-引出放大器高频模型,26,26,因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的y（导纳）参数等效电路。,2.3晶体管高频小信号等效电路与参数,交流等效电路,参数等效电路：形式等效电路，将晶体管等效为一个四端网络,27,27,图晶体管共发射极电路,图参数等效电路,式中：,称为输出短路时的输入导纳；,称为输入短路时的反向传输导纳；,称为输出短路时的正向传输导纳；,称为输入短路时的输出导纳。,一、等效模型：y（导纳）参数等效电路。,参数等效电路：形式等效电路，将晶体管等效为一个四端网络,参数等效电路与低频微变等效电路不同的是要考虑晶体管的反向传输导纳,28,28,分析共发射极电路时加下缀e；这里Yi，Y0表示实际电路中等效的输入、输出导纳。,图参数等效电路,放大器输入导纳Yi,参数等效电路,由a图,低频不用考虑Yre,29,29,图晶体管放大器及其参数等效电路,放大器输出导纳Yo,晶体管大器及其参数等效电路,由公式，Av与Yfe成正比，负号表示输入与输出相位差为1800,30,30,y（导纳）参数的优点是较准确：缺点是随频率变化；物理含义不明显。,图混合等效电路,混合等效电路：按照晶体管的结构进行解剖、模拟，并用线性元件等效。在（特定）很宽的频率范围内等效电路参数接近常数。,等效模型二：混合等效电路的引出,31,31,图混合等效电路,混合等效电路,优点：各个元件在（特定）很宽的频率范围内都保持常数。缺点：分析电路不够方便。两种等效分析方法有时是可以等效互换的，详细见书,32,32,1.截止频率f,2.特征频率fT,当ffT后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，所以功率增益还可能大于1。,晶体管的高频参数（定义：f变化时，变化。含义：放大特性随f变化，本质，f提高时，结电容效应增加，反馈增加，使下降）,33,2.特征频率,图截止频率和特征频率,由公式，当ff时，对应工作频率的实际电流放大系数（0是理想值）可以粗略估算，即f越高，肯定越小。,晶体管的高频参数,34,34,3.最高振荡频率fmax,ffmax后，Gp1，晶体管已经不能得到功率放大。,晶体管的高频参数,定义：,35,二、电路性能定量分析（推导和计算详细见书P38）,1、放大器的小信号等效电路及其简化,图单管放大器的小信号（a）小信号等效电路（b）简化电路,36,其中,由图知：,37,所以,2、电路性能分析,（1）电压放大倍数（增益）,38,所以：谐振电压放大倍数为,式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差。,谐振电压放大倍数（增益）的振幅值,谐振时Yfe为纯电导g,39,结论：电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：,单调递减关系。由于,还会影响回路有载品质因数值,最佳值。,40,例2.2.1在图中,已知工作频率=30MHz,cc6,2mA。晶体管采用3DG47型NPN高频管，其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：,空载品质因数100，负载是另一级相同的放大器。求放大器的谐振电压增益、通频带，且回路电容C取多少时，回路谐振？,解：画出交流等效和微变等效图,41,画出上述Y参数等效图，根据已知条件可得,回路总电导,电压增益为,42,回路总电容,故外加电容C（说明：Coe表示输出电容，Cie表示输入电容）,通频带,43,2.4多级单调谐回路谐振放大器,当多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上时，称为多级单调谐放大器。n级放大器级联，则总电压增益的振幅值为：,一、电压增益,若每一级参数均相同，则,谐振电压增益,44,所以，单位谐振函数,二、通频带,n级放大器的通频带,45,例某中频放大器的通频带为6MHz，现采用两级或三级相同的单调谐放大器，对每一级放大器的通频带要求各是多少？,解：根据式(5)，当n=2时,所以要求每一级放大器的带宽,同理，当n=3时，要求每一级放大器的带宽,46,三、矩形系数,n级单调谐放大器的矩形系数为,由以上分析知，单调谐放大器的选择性差，增益和通频带的矛盾突出。改善放大器选择性和解决其增益与通频带之间的矛盾的有效方法之一是采用双调谐放大器。,矩形系数与级数n的关系如下表所示：,47,2.5调谐放大器的稳定性,2.5.1晶体管内部反馈的影响,引起内部反馈，使放大器不稳定甚至自激。,一、放大器调试困难,从而形成内部反馈，且随着工作频率的升高，这种反馈越来越强。,48,内部反馈使放大器的输入和输出导纳分别与负载及信号源导纳有关。在调整输出回路时（即改变YL），放大器的输入端就受到影响；同样，调整输入回路时，YS改变了，放大器的输出导纳也随之改变，这时输出电路的调谐和匹配又发生了影响。因此调整工作需要反复进行多次。,49,二、放大器工作不稳定,晶体管内部反馈的另一有害影响是使放大器的工作不稳定，如图2.5.1所示。,图2.5.1晶体管内部负反馈对频率特性的影响,2.3.1,（晶体管内部反馈对放大器输入、输出阻抗的影响动画）,50,2.5.2解决的方法,一、上述问题的两个解决途径,是说，从电路上设法消除晶体管的反向传输作用，使它变为单向器件。,2.3.2,单向化的方法有两种，即中和法和失配法。,51,二、单向化方法,1.中和法,这种方法是在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵消,内部反馈的影响，称为中和。,这相当减小了晶体管的,，放大器可以稳定地工作。,如图2.3.2所示。,2.3.2,52,图2.5.2中和原理,完全中和时，等效反向传输导纳等于零，即,内部反馈全部抵消，由图2.3.2知：,53,这时有：,电路的单向化，使输出完全不受输入的影响。但是，要使,与,特定的频率点起到中和作用。,2.3.2,的频率特性相同，才能实现放大,一样是不可能的，实际电路中只能在一个,54,图2.5.3放大器中的中和电路,图2.5.3是接收机中常用的中和电路。,55,2.失配法,失配是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配、晶体管输出端的负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,用失配法实现晶体管单向化常用的办法是采用共射共基级联电路组成的调谐放大器，其稳定性较高，得到了广泛的应用。,图2.5.4共发射极共基极级联的复合管,56,56,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。好比负反馈,典型电路,ic1,单向化,典型失配法：后级加输入电阻很小（G很大）的共基电路。,57,57,2.1概述和指标：本课程涉及谐振（窄带）放大器，框图见下：,2.6章末小结,指标：1)增益：2)通频带：3)选择性（矩形系数和抑制比）4)工作稳定性5）噪声系数,框图：放大+选频,高频小信号放大器的主要功能是：从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号的质量和抗干扰能力。,以并联谐振回路替代低频Rc(且阻容耦合变为电感耦合),实际电路引入部分接入方式阻抗变换，使带负载时Q提高,2.2单管单调谐放大器,59,电容CB、CE对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。,LC振荡回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供选频回路。振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。,图高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路（b）交流通路,1、典型单管单调谐放大器与分析,60,2、简单工作原理,信号由输入端的高频变压器引入，晶体管放大器的负载为部分接入的振荡回路，该回路对输入信号频率谐振，即。此时，回路呈现的阻抗最大，而对其它频率的阻抗很小，因而输入信号频率的电压得到放大，而其它频率信号受到抑制。同时振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集电极所需要的负载电阻，从而在负载（下一级晶体管的输入）上得到最大的电压输出。所以，谐振时公式如下：,振荡回路的作用是实现选频滤波及阻抗匹配。,61,61,2.3晶体管高频小信号参数等效电路,混合等效电路：按照晶体管的结构进行模拟和等效。在（特定）较宽的频率范围内等效电路接近常数。缺点：分析电路不够方便。（低频时不用考虑结电容效应）,参数等效电路：形式等效电路，将晶体管等效为一个四端网络，y参数的优点是较准确：缺点是随频率变化；物理含义不明显（低频时不用考虑反向传输导纳Yre）,62,谐振电压放大倍数（增益）,式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差。,谐振电压放大倍数（增益）的振幅值,由等效模型可以求出以下公式：,结论：电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：,63,例2.2.1在图中,已知工作频率=30MHz,cc6,2mA。晶体管采用3DG47型NPN高频管，其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：,空载品质因数100，负载是另一级相同的放大器。求放大器的谐振电压增益、通频带，且回路电容C取多少时，回路谐振？,解：画出交流等效和微变等效图再代入公式求解，详细见书P40,64,64,3.晶体管高频小信号等效电路与参数,晶体管的高频参数（定义：f变化时，变化。含