高频电子技术第2节高频小信号放大器ppt课件

1,2.1概述,一、高频小信号放大器的功能,是对高频小信号实现不失真地放大。,指所放大信号的中心频率在几百KHz几百MHz,指放大器输入信号小，有源器件工作在线性范围内，分析电路时可采用有源四端网络分析法分析,输入信号频谱与输出信号频谱相同,2,2.1概述,二、高频小信号放大器的分类,按负载性质分：,谐振放大器,（又称调谐放大器）,用LC谐振回路作负载,非谐振放大器,按放大信号的频谱宽窄分,窄带放大器,宽带放大器,（如集中选频放大器）,用LC谐振回路或集中选频滤波器做负载,用纯阻或变压器做负载，带宽较宽，,3,f1,定义：放大器的电压增益下降到最大值的倍时所对应的频带宽度。常用2f0.7(或BW0.7)表示。,2.1概述,三、高频小信号放大器的主要技术指标,1、电压增益与功率增益,电压增益,功率增益,2、通频带,2f0.7,f2,0.707,4,时所对应的频带宽度,2.1概述,三、高频小信号放大器的主要技术指标,3、选择性：,表示选取有用信号，抑制无用信号的能力。,用来表示实际曲线形状接近理想矩形的程度,矩形系数：,，选择性越好。,5,2.1概述,三、高频小信号放大器的主要技术指标,4、工作稳定性：,一般的不稳定现象是：增益变化，中心频率偏移，通频带变窄等，不稳定的极端情况是放大器发生自激，放大器不能正常工作。,指放大器的工作点，管子参数，电路元件参数等变化时，放大器主要性能指标的稳定程度。,5、噪声系数：,指输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值,6,2.2高频电子线路的基础电路,一、LC谐振回路,分为：,主要特点：,选频、滤波作用,7,（一）LC并联谐振回路,L的等效损耗电阻,1.回路阻抗,回路导纳,8,（一）LC并联谐振回路,2.回路谐振特性,（1）谐振条件：,当回路的电纳等于0时（即虚部为0），回路呈谐振状态,（2）谐振阻抗：,（达到最大值，且为纯阻性）,谐振电阻：,（3）谐振频率：,谐振时，由于B=0，即,（4）谐振电压：,谐振时电压达到最大值且与同相,9,（一）LC并联谐振回路,3.品质因数,它反映谐振回路损耗的大小,物理意义：,谐振时,（谐振回路的特性阻抗）,谐振电阻,结论：谐振时电感和电容中的电流幅值为外加电流源的Q倍,并联谐振回路中的电流,10,4.回路阻抗特性,，回路呈纯阻性,时，,，回路呈容性,时，,，回路呈感性,L,C,在谐振时，回路相移为零，阻抗最大，导纳最小，且为纯阻性,失谐时，回路有相移，且回路阻抗下降。,11,5谐振曲线,（回路两端电压幅值与工作频率之间的关系）,为失谐量,12,5谐振曲线,在谐振点,f=0，U/U0=1。随着|f|的增大，U/U0将减小。,Q2Q1,对于同样的偏离值f，Q越高，U/U0衰减就越多，谐振曲线就越尖锐，即回路两端电压衰减越快，对外加信号的选频作用越显著，即选择性越好,结论：Q值越高，谐振曲线就越尖锐，回路选择性越好,13,6通频带,结论：通频带与Q成反比，Q越高，回路选择性越好，但通频带越窄。,可得出,14,空载品质因数,7负载与信号源内阻对回路影响,考虑s和L后的并联谐振回路，如图所示。,谐振频率,不变,回路谐振电阻,有载品质因数,（考虑s和L）,（不考虑s和L）,由于,，所以,结论：考虑s和L,Q下降，选择性变坏，但通频带加宽。,注：一个有损耗的电感线圈在工作频率0下通过表可测得线圈的电感值和空载品质因数，而的大小就反映损耗的大小。,15,（二）LC串联谐振回路,回路阻抗:,谐振频率：,阻抗特性:,阻抗相频特性,，回路呈纯阻性,时，,，回路呈感性,时，,，回路呈容性,（谐振电阻）,电流最大,L,C,特点：,（作为陷波器）,16,（二）LC串联谐振回路,空载品质因数：,有载品质因数：,谐振曲线：,（回路中电流幅值与外加信号源频率之间的关系）,通频带：,17,LC串并联相比较,18,LC串并联相比较,19,us,is,*(三）双耦合谐振回路,20,is,+u2m-,+u2m-,广义失谐因子,其中：,21,曲线为单峰。,曲线也为单峰，但峰值小于1。,曲线为双峰，特性曲线的最大值应位于处。,22,例1已知LC并联谐振回路的电感L在,时测得,试求谐振频率,时的C和,并联谐振电阻,解：,23,例2下图中，L=586H,C=200PF,r=12,RS=RL=100k，试分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。,1.计算无RS、RL时回路的固有特性：f0、Q0、RP、BW0.7,解,24,例2下图中，L=586H,C=200PF,r=12,RS=RL=100k，试分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。,2.计算有RS、RL时回路的特性：f0、Q、RP、BW0.7,解,由于L、C基本不变，故谐振频率f0465kHz不变,25,二、阻抗变换电路,（1）谐振回路的值大大下降（2）信号源和负载电阻常常是不相等的，即阻抗不匹配，当两者相差较多时，负载上得到的功率可能很小（3）信号源内阻或负载不一定是纯电阻，可能还包括电抗部分如果考虑信号源输出电容和负载电容，会影响回路的谐振频率。,信号源内阻或负载直接并联在LC回路两端，该接法存在的问题：,解决方法：可用阻抗变换电路。,26,（2）若则，实现从低阻向高阻的变换，实现阻抗匹配，同时回路品质因数大大提高,注：（1）反映电压比,1.变压器阻抗变换电路,设变压器为无耗的理想变压器，则等效到初级回路的电阻RL上所消耗的功率应和次级负载RL上所消耗功率相等，即,则,二、阻抗变换电路,设接入系数,则,27,2.自耦变压器阻抗变换电路,则,二、阻抗变换电路,设接入系数,则,接入系数的定义：,28,3.双电容分压阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,29,4.双电感抽头阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,30,二、阻抗变换电路,在实际应用中，除了阻抗需要变换外，有时电压源，电流源，电容,电感需要折算，根据接入系数的定义，可得到其他量的变比关系：,31,三、串并联阻抗的等效互换,等效互换前的电路与等效互换后的电路阻抗相等,结论：串并联等效互换后Q不变。,32,三、串并联阻抗的等效互换,结果表明:串联电路转换为等效并联电路后，电抗元件性质不变，,且在高Q时，电抗值基本不变，而并联电路的电阻为串联电路的Q2倍,33,例3下图所示电路为一等效电路，其中,计算回路的谐振频率、谐振电阻。,解：由上图画出等效电路,分析：此题是基本等效电路的计算,其中L为有损电感，应考虑损耗电阻R0,其次应进行抽头电路等效变换。,34,谐振电阻：,35,解：将Is、RS、RL均折算到并联谐振回路1-3两端,例4下图中线圈匝数N12=10匝,N13=50匝,N45=5匝,L13=8.4H,C=51PF,Q0=100,Is=1mA,RS=10k,RL=2.5k,求有载品质因数QL、通频带BW0.7、谐振输出电压Uo。,36,BW0.7=f0/QL=103kHz,37,小结（要求掌握以下知识点),串并联谐振电路结构、谐振频率、谐振阻抗及其特点、空载品质因数、有载品质因数、空载通频带、有载通频带、阻抗特性、负载特性阻抗变换：接入系数、不同元件的等效变比关系（电阻、电导、电容、电抗、电流源、电压源）串并联阻抗的等效互换：R1、X1串联、R2、X2并联：R2Q2R1,X2X1,38,2.3晶体管高频小信号谐振放大器,2.3.1晶体管的频率参数和高频等效电路1.晶体管的混合型等效电路2.晶体管的Y参数3、BJT的高频参数（高频特性）,2.3.2单级调谐放大器1.电压压放大倍数2.功率放大倍数Ap,39,3.晶体管最高振荡频率fmax4.放大器的通频带5.放大器的选择性2.3.3多级单调谐放大器的级联1.多级放大器的电压放大倍数和通频带2.多级放大器的矩形系数,40,2.3.1晶体管的频率参数和高频等效电路,高频小信号放大器可放大中心频率为几百千赫兹到几百兆赫兹,频带为几千赫兹到几十兆赫兹,几百毫伏以下的输入信号,它具有选频和放大功能。高频小信号放大器包括高频小信号调谐放大器和选频滤波式高频小信号放大器。,41,下图画出了晶体管共射极混合等效电路。根据器件材料和工艺不同，图中等效元件的参数也不一样。对于高频管而言：,图2-13,1.晶体管的混合等效电路,42,混合等效电路,43,其中，表示晶体管放大作用的等效电流源。其中gm为晶体管微变跨导，它也是发射极的函数。,44,rce反映了集电极电压对电流的影响。在放大状态工作时这个影响很微弱,rce值很大，一般在几十千欧以上。,45,三个附加电容Cbe，Cbc，Cce属引线和封装结构所形成的电容，数量很小，其影响一般可以忽略。频率较高时，Cbc的容抗较小，可它并联的电阻rbc较大，相比之下rbc可以忽略。简化后的等效电路如图所示。,46,混合等效电路的简化,47,2晶体管的Y参数等效电路,混合型等效电路是从模拟晶体管的物理结构出发，用集中参数元件r，C和受控源表示晶体管内的复杂关系。这种等效电路称为物理模拟等效电路。它的优点是：各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内这些元件值基本上与频率无关。缺点是：随着器件不同有不少的差别，分析和测量不便。因此，混合型等效电路比较适合宽频带放大器。Y参数等效电路是从测量和使用的角度出发，把晶体管看作一个有源线性四端网络，用一组网络参数来构成其等效电路，这种等效电路称为形式等效电路。Y参数等效电路优点：导出的表达式具有普遍意义，分析和测量方便；缺点是网络参数与频率有关。但由于高频小信号谐振放大器的频带较窄，一般只需在工作频率f0上进行参数计算。故分析高频小信号谐振放大器时采用Y参数等效电路是合适的。,48,图(a)将共射接法的晶体管等效为有源线性四端网络。图中表示晶体管输入和输出电压，为其对应电流。以为自变量，为因变量，则描述它们之间的关系的线性方程为：,（1）,49,式中Yie，Yre，Yfe，Yoe是Y参数，具有导纳量纲，故又称为四端网络的导纳参数。其中,输出交流短路时的输入导纳,输出交流短路时的正向传输导纳,输入交流短路时的反向传输导纳,输入交流短路时的输出导纳,50,根据式（1）可以很容易得到如图所示的Y参数等效电路。其中是受控电流源,正向传输导纳Yfe越大,晶体管的放大能力越强；反向传输导纳Yre越大,晶体管的内部反馈越强。减小Yre有利于放大器的稳定工作。,51,3、BJT的高频参数（高频特性）,截止频率（共射）,当下降为低频段值的分之一时，所对应的工作频率称为截止频率。,通常，所以处的，晶体管仍具有电流放大作用。,52,特征频率,当下降为1时，所对应的工作频率称为特征频率。,尽管，无电流放大作用，但BJT可能还有电压放大作用，所以仍有功率放大。,53,最高振荡频率,当功率增益为1时，所对应的工作频率称为最高振荡频率。,为使电路工作稳定，且保证一定的功率增益：,54,2.3.2单级调谐放大器,高频小信号谐振放大器是由放大电路（由晶体管、场效应管或集成电路组成）与选频电路（主要是LC谐振回路）组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，选出中心频率（输入信号对应）的信号，并滤除不需要的干扰频率信号。主要讨论高频小信号谐振放大器的主要性能指标：电压增益、功率增益、通频带和矩形系数等。高频小信号谐振放大器的分析方法主要采用Y参数等效电路法线性分析方法。,55,1.单级单调谐放大器1）电路组成与特点(1)V放大管；(2)变压器耦合输入；(3)Rb1、Rb2直流偏置，提供静态工作点；(4)Cb、Ce高频旁路；(5)部分接入式LC谐振回路：作放大器负载，对输入信号的中心频率谐振，完成阻抗匹配和选频滤波，同时也可减小本级放大器输出导纳以及负载（或下级放大器）对LC回路的影响。,56,绘制交流等效电路的原则：,把直流电压源短路把大电容（耦合电容、旁路电容）短路把大电感（高频扼流圈等）短路,d.把大电阻忽略（即开路），以简化交流等效电路。,e.晶体管保留f.确定公共端，按规范整理,57,2）放大电路的交流等效电路忽略管子内部的反馈,即令Yre=0,（1）,（2）,58,（3）,（4）,59,3）放大器的性能指标(1)电压增益由等效电路（4）可得：由电压增益定义可得：当放大器谐振时：谐振时电压增益：,（2）,（3）,（4）,60,增益幅值：相角：谐振频率：回路有载品质因数：,（5）,（6）,（7）,（8）,谐振时电压增益：,61,(2)谐振时的功率增益若前后级放大器采用相同型号的晶体管，且工作电流相同，则：,（6）,（10）,62,(3)通频带(4)增益带宽积通频带和电压增益的乘积是一定值，反映了两者之间的矛盾性。(5)矩形系数反映了单级单调谐放大器的选择性很差。,（11）,（12）,（13）,63,单级调谐放大器的性能指标计算步骤：,1.画出已知调谐放大器的高频等效电路（即晶体管用Y参数等效电路代替后的交流等效图）,2.根据接入系数，将所有元件等效至谐振回路两端（即谐振回路电容和电感的两端）,3.根据第2步得到的等效谐振回路，计算相关参数（等），并代入相关公式求解所需结果。,总结：,64,2.多级单调谐放大器多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。1）电压增益多级单调谐放大器的总电压增益是各级电压增益的乘积。若由完全相同的单级放大器组成，各级电压增益相等，则m级放大器的总电压增益为,（15）,（16）,65,2.多级单调谐放大器多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。2）单位谐振函数m级相同的放大器级联时，它的单位谐振函数等于各单级放大器单位谐振函数的乘积。,（17）,66,3）通频带多级放大器级数越多，通频带越窄。4）矩形系数多级放大器级数越多，矩形系数越小，与理想矩形特性越接近。,（18）,（19）