第四章 高频小信号放大器(高频电子技术).doc

第四章 高频小信号放大器高频电子技术第四章 高频小信号放大器4.1 概述低频放大器：工作频率较低，但带宽较宽；高频放大器：工作频率很高（中心频率在几百千赫至几百兆赫以上），但带宽很窄。故高频放大器一般都是采用选频网络组成谐振放大器或非谐振放大器。(1)谐振放大器：采用谐振回路（串、并联或耦合回路）作负载的放大器。它又分为调谐放大器（高频放大器）和频带放大器（中频放大器）。(2)非调谐放大器：由滤波器和阻容放大器组成的各种窄带、宽带放大器。高频小信号放大器的主要质量指标：(1)增益：放大器输出电压与输入电压之比；(2)通频带：放大器的电压增益下降到最大值的0.7倍（）时对应的频率范围：3db带宽；放大器的电压增益下降到最大值的0.5倍（）时对应的频率范围：6db带宽；(3)选择性：抑制干扰的能力。(4)工作稳定性：电路元件参数发生改变时放大器的稳定程度。(5)噪声系数：噪声系数输入端信噪比/输出端信噪比，如放大器内部噪声接近于零，则噪声系数接近于1，说明放大器本身引入的噪声很小。4.2 晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管高频小信号等效电路的两种形式：形式等效电路和物理模拟等效电路。形式等效电路：将晶体管等效为有源线性四端网络。优点：分析电路方便，具有普遍意义；缺点：网络参数与频率有关。物理模拟等效电路：用RLC元件表示晶体管内部的复杂关系，即每一元件与晶体管内发生的某种物理过程有明显的关系，用这种物理模拟的方法得到的物理等效电路就是混合等效电路。优点：各个元件在很宽的频率范围内保持常数；缺点：分析电路不够方便。4.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）（P91）一、双口网络压控型伏安关系VAR（y参数）：端口1和端口2都外接电压源。端口电流的表示式：端口电流的表示式：其中，为端口1（输出）短路策动点（输入）导纳；为端口1（输入）短路反向转移导纳；为端口2（输出）短路正向转移导纳；为端口2（输入）短路策动点（输出）导纳；为两端短路时端口1的短路电流；为两端短路时端口2的短路电流；写成矩阵形式：，即一个双口网络可以用短路导纳矩阵Y和短路电流向量来表征，矩阵Y中的各元素称为y参数。二、双口网络流控型伏安关系VAR（z参数）：端口1和端口2都外接电流源。写成矩阵形式：，即为端口1开路策动点阻抗；为端口1开路反向转移阻抗；为端口2开路正向转移阻抗；为端口2开路策动点阻抗；为两端开路时端口1的开路电压；为两端开路时端口2的开路电压；一个双口网络可以用开路阻抗矩阵Z和开路电压向量来表征，矩阵Z中的各元素称为z参数。三、双口网络混合型伏安关系VAR（h参数）：1混合I型：端口1电流源，端口2电压源写成矩阵形式：为端口1短路策动点阻抗；为端口1开路反向电压转移比；为端口2短路正向电流转移比；为端口2开路策动点导纳；为端口2短路时端口1的开路电压；为端口1开路时端口2的短路电流；矩阵H中的各元素称为h参数。2混合II型：端口1电压源，端口2电流源四、晶体管y参数等效电路如果双口网络内部不含独立电源（如晶体管），则压控型VAR为得y参数等效电路：图4.2.2（P92）此时，短路导纳参数仅与晶体管的参数有关，与外电路无关，所以称为内参数。如果晶体管接入外电路，由于输入端和输出端接有外电路，此时得出的y参数不仅与晶体管有关，而且与外电路有关，所以称为外参数。以晶体管共射电路（带外电路）为例：图4.2.3（P93）(4.2.3)(4.2.4)(4.2.5)由以上公式消去，可得因此输入导纳：可见，输入导纳与负载导纳有关，晶体管内部有反馈 。求输出导纳时，应由以上公式消去，求，的关系，此时应将电流源开路（电压源短路），有（理解：求伏安关系实际上是求电路本身的阻抗或导纳特性，此时电路中的电压和电流为设定的虚拟量，并不真实存在，因此应去除电路中存在的的有固定值的电压、电流源的影响。求输出电阻两种方法：一、输出开路电压和短路电流，实际上测电流时输出加负载；二、将输入信号短路，保留信号源内阻，在输出加电压，求此时的电流，由电压和电流得到输出电阻），代入(4.2.3)可得，代入(4.2.4)可得输出导纳：可见，输出导纳与信号源导纳有关，也反映了晶体管内部有反馈 。由(4.2.4)和(4.2.5)消去，可得电压增益：与正向转移导纳有关，导纳越大，阻抗越小，放大器增益越大。4.2.2 混合等效电路图4.2.4（P95）：基极电阻；：基-射极间电阻；：发射结电容；：集电结电阻；：集电结电容；：集-射极间电阻；：晶体管放大作用的等效电流发生器，称为晶体管跨导。4.2.3 混合等效电路参数与形式等效电路y参数的转换根据混合等效电路可得（即可以分成和两条支路电流的和）其中，另，整理得（消掉）（消掉）对照和，并满足，可得四个参数均为复数，可以表示为令，则；4.2.4 晶体管的高频参数（P98）1截止频率共射电路的电流放大系数随工作频率的上升而下降，当降低至低频值的时的频率称为截止频率，用表示。，绝对值随着从直流0逐渐增大，分母逐渐增大，逐渐减小，当时，减小为的。2特征频率频率增加，使下降至1时，这时的频率称为特征频率，用表示（单位增益带宽）。由得特征频率由上式可得当时上式可变为或即特征频率等于工作频率和晶体管在该频率的的乘积（增益带宽积）。3最高振荡频率晶体管的功率增益时的工作频率称为最高振荡频率。它表示晶体管所能适用的最高极限频率，在此频率，晶体管得不到功率放大。4电荷储存效应PN结两端加正向电压，即PN结正向偏置时，电子由N-P，并在P区内形成一定的浓度分布，并形成P-N的正向电流，如果此时突然出现电压反转，则P区内的电子在反向电压的作用下突然向N区流动（电子流向P-N），瞬间形成了较大的N-P的反向电流，这种现象叫做电荷储存效应。电荷储存效应会引起放大器波形失真，对高频性能产生负面影响。234.3 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器原理性电路图：图4.3.1(a)（P100）LC构成并联回路作为集电极负载，调谐于放大器的中心频率；LC回路与集电极的联结采用抽头电路的形式（自耦变压器）；LC回路与下级负载YL的联接采用变压器耦合的方式，用来减弱本级输出导纳和下级晶体管输入导纳YL对LC回路的影响；通过选择初级线圈抽头位置与初次级线圈的匝数比，可以使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配，以获得最大的功率增益。*最大功率传递定理（电路分析上册第四章4-8(P232)）:负载应与戴维南（诺顿）等效电阻相等。功率，使p最大，则，解得*正弦稳态最大功率传递定理（电路分析下册第十二章12-7(P102)）负载阻抗与电源内阻抗互为公轭复数。模功率若要使P最小，首先必须有，再根据最大功率传递定理得*阻抗匹配：是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。(1)在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。(2)当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。*变压器两端的电压、电流、阻抗变换关系理想变压器：耦合系数，R1=R2=0，L1，L2和互感M无穷大，设变压器变比（次级线圈与初级线圈的匝数比）为n:1，则电压比，电流比，次级负载RL变到初级变为，初级串联电阻R变到次级变为（匝数少的一边得到的输入电阻是减小的，匝数多的一边则是增大的）*单调谐回路谐振放大器等效电路：图4.3.1(b)（P100）(1)图中仅画出集电极部分的等效电路（参考y参数与混合模型）：晶体管放大作用的等效电流源；，分别表示晶体管输出电导与输出电容；(2)代表并联谐振回路本身的损耗；(3)代表负载导纳（下一级晶体管的输入导纳）。4.3.1 电压增益由晶体管y参数等效电路（式4.2.10，p94）可得放大器的电压增益其中，是晶体管从输出端12之间看出去的负载导纳（负载与LC谐振回路折算至12两点间的等效导纳）。由等效电路可知，若把视为等效电源导纳，则可视为12两点之间的总等效导纳。将等效电路图4.3.1(b)的所有元件参数折算到LC回路两端：图4.3.2（p101）令初级线圈抽头与初级线圈匝数比，次级线圈与初级线圈匝数比，则有：晶体管输出电导，输出电容即晶体管输出导纳负载电导，负载电容等效到LC回路两端的总电导，总电容从LC回路两端看的总等效导纳则增益实际上从整体电路输入和负载YL来看的电压增益应为（4.3.3）由于并联谐振曲线中电压与并联等效阻抗是正比例关系（与导纳反比例），而上式中的电压增益与LC并联等效阻抗也是一样，故电压增益曲线与回路的谐振曲线形式相同。其中，由图4.3.2（b）可知电路谐振时（），故谐振时的电压增益（4.3.4）根据最大功率传递定理，应选取适当的和值，使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配，即需要满足负载阻抗与电源内阻抗互为公轭复数。电抗由于谐振（晶体管输出电抗与负载电抗的和为零），已满足共轭关系。电导，且，因此即，LC回路本身的损耗很小，故则接入系数（匝数比），代入匹配时的电压增益例4.3.1（P102）4.3.2 谐振时的功率增益Ap谐振时的简化等效电路：图4.3.3（P103）设为放大器的输入功率；为输出端负载（）获得的功率，则为晶体管输入端电压平方乘以晶体管输入电导。为ab两端电压平方乘以负载等效电导。谐振时的功率增益：，分别为本级放大器的输入电导和下一级晶体管输入电导。若两级采用相同的晶体管，则，故 (1)如果忽略LC回路的损耗时，电压增益则最大功率增益(2)如果考虑损耗，引入插入损耗K1，有（越大（越接近）越好，故显然越小越好）无损耗时有损耗时再考虑品质因数：无载Q值为，即有载Q值为即将和带入到K1中可得用分贝（dB）表示可见，回路的损耗和无载品质因数，有载品质因数有关：越小，越小，损耗越小。考虑损耗之后，最大功率增益：此时电压增益：4.3.3 通频带与选择性一、通频带由（4.3.3）和（4.3.4）得，电压增益和谐振时电压增益之比（4.3.3）（4.3.4）其中（，）当（4.3.18）时得通频带：可见越大，通频带越窄。由可知上式说明：晶体管确定后，当接入系数和不变时，放大器的谐振电压增益由回路总电容和通频带的乘积决定。回路总电容越大，通频带越宽，电压增益越小。因此要想同时保证高增益和足够的带宽，就需要选用较大的晶体管，或减小回路总电容。对于回路总电容：如果电路不外接电容，回路电容由晶体管输出电容、下级晶体管输入电容、电感线圈分布电容、器件的封装电容等不稳定电容组成，这些电容会随着晶体管工作状态的变化(电压变化或更换晶体管)而变化，从而影响谐振曲线的稳定性，改变通频带（产生变化）。因此往往外接电容使较大，减小不稳定电容的影响。对宽带放大器：可以尽量小，对谐振曲线性能影响较微弱；对窄带放大器：外接电容使尽量大些，提高谐振曲线的稳定性。二、选择性矩形系数定义（P90）：（电压增益下降到1/10的频带宽度与通频带的比值）当相对增益时，得，而故单调谐回路放大器的矩形系数：远大于1，所以频率选择性较差。4.3.4 级间耦合网络（方式）图4.3.4（P107）(a)(b)(d)为电感耦合；(c)为电容耦合。(a)(b)(c)都是将初级的高阻抗变为次级的低阻抗，故适用于输出阻抗较高、下一级输入阻抗较低的情况，方便与下一级阻抗进行匹配；(d)并联-串联式：当下一级采用共基极电路时，由于输入阻抗太小，用上述抽头的方式将导致次级线圈匝数过少，难以实现，因此在次级采用串联谐振的形式，由于在串联谐振中谐振时的等效电阻很小，因此可以与下一级的小输入电阻相匹配。4.4 多级单调谐回路谐振放大器当单级放大器的增益不能满足要求时，就需要采用多级放大器。设放大器有m级，则总增益等于各级增益的乘积：如果各级放大器由完全相同的单级放大器组成，则总增益：谐振曲线表达式：可见它等于各单级谐振曲线的乘积。故级数越多，谐振曲线越尖锐，选择性越好，但通频带也越窄。图4.4.1（P109）通频带的计算应满足：故通频带即多级调谐回路串联的通频带是单级调谐回路通频带的（小于1）倍，显然级数越多，总通频带越小。由上式可得单级调谐回路的品质因数，即每一级的品质因数变为多级调谐回路品质因数的倍。称为带宽缩减因子。品质因数降低，则每级回路通频带越宽，由（4.3.20）可知，通频带变宽，则谐振时放大倍数下降，因此，通频带变宽是以降低增益为代价的。多级调谐回路的矩形系数表4.1.1（P111）级数增加时，矩形系数有所改善，但随着级数增加，矩形系数变化越来越缓慢。4.5 双调谐回路谐振放大器双调谐回路谐振放大器频带较宽，选择性较好。图4.5.1（P112）a集电极输出与负载的输入通过互感耦合的方式连接；b初次级均有抽头，接入系数分别为p1和p2；c耦合线圈的两端初次级回路调谐于同一频率f0；d初次级谐振回路本身的损耗都很小，可以忽略；e两个回路元件参数相同，为了计算方便，将各参数都折合到LC电路两端：电感，初次级回路总电容，折合到初次级的导纳，谐振频率 ，初次级品质因数等效电路图4.5.1(c) （P112）*由3.5相关推导可知（P71）：令，对等效电路初次级分别列电流方程得初级回路：次级回路：引入广义失谐，则上式变为初级回路：次级回路：令（伊塔）由以上两式可得故模将，代入上式得*电压放大倍数：谐振时，得可见，双调谐回路谐振放大器的电压增益也与晶体管正向传输导纳成正比，与回路电导g成反比，且与相关，根据不同，分为以下三种情况：图4.5.2（P113）1）弱耦合，谐振曲线在（）处出现峰值；2）临界耦合，谐振曲线较平坦，在（）处出现峰值（这种情况较常用）； 3）强耦合，谐振曲线出现双峰，峰点位置。1.临界耦合时的通频带：令（）得故临界耦合通频带：由（4.3.19）知单调谐放大器通频带为，可见临界耦合情况下，双调谐回路放大器的通频带为单调谐放大器的倍。2.临界耦合时的矩形系数：得矩形系数：（单调谐放大器矩形系数为9.95）可见双调谐回路放大器的矩形系数远比单调谐放大器小，谐振曲线更接近于矩形。临界耦合时m级双调谐放大器的矩形系数为注：临界耦合的情况应用较多，弱耦合时谐振曲线与单调谐放大器相近，而强耦合时谐振曲线顶部出现凹陷，回路调节麻烦，仅用于特殊场合。4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施4.6.1 谐振放大器的稳定性根据y参数模型可得放大器的输入导纳为输出短路时晶体管本身的输入导纳，是通过的反馈引起的输入导纳，它体现了负载的影响。见图4.6.2（P115）放大器等效输入端回路可写成，其电导和电纳是频率的函数。电导部分的引入可以改变回路的有载品质因数，电纳的引入可以引起回路失谐。在某些频率上为负值，使回路总电导减小，品质因数增大，通频带减小，增益增加。当负值正好抵消回路原有电导时，输入端回路总电导为零，放大器处于自激振荡状态，这种情况显然是不允许的。自激振荡条件： 即其中,，其中,若，则要同时满足幅值和相位条件，即幅值：相位：因此得相位条件：定义稳定系数（4.6.12）显然反向传输导纳越小，S越大，离自激条件越远。若，放大器自激，当时，放大器才能稳定工作，一般要求稳定系数。在实际中，即主要以电导形式存在，即主要以电纳形式存在，代入中得自激相位条件代入（4.6.12）中得若使，应选用尽量小的晶体管，同时回路的谐振电导和越大越好。由（4.2.10）知放大器电压增益可见，放大器的稳定与增益的提高是相互矛盾的，增大提高稳定系数，必然降低增益。当时，将代入中得取，得称为保持放大器稳定工作所允许的电压增益稳定电压增益。放大器的电压增益不允许超过，如果超过，太小，将影响放大器的稳定性。4.6.2 单向化由于晶体管中的反馈作用影响晶体管的稳定性，如何设法消除的反馈作用，变“双向元件”为“单向元件”，这个过程叫单向化。1.中和法在晶体管的输出和输入之间引入一个附加的反馈，抵消的反馈作用，但是频率的函数，晶体管的参数也具有离散性，难以把握，所以这种方法现已很少使用。2.失配法通过使负载电导或信号源电导的数值加大，使得输入或输出回路与晶体管失去匹配，叫“失配法”。（信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出不与负载阻抗匹配）如，如果取的很大，则后一项趋向于零，这样就消除了的反馈作用。失配法的典型电路是“共发-共基级联放大器”前一级为共射电路，后一级为共基电路，共射电路的输入阻抗高，能保证较大的电压传输系数，有利于提高信噪比；而共基电路输入阻抗小（输入导纳大），输出阻抗大（输出导纳小），和共射电路连接后，相当于共射电路的负载导纳很大，因此晶体管内部的反馈影响可以相应减弱，提高电路的稳定性。（共集电路为电压跟随电路）由式（4.6.214.6.24）（P120）可以看到，输入导纳和正向传输导纳大致与单管情况相同；反向传输导纳远小于单管情况的反馈导纳（），约为的三十分之一，这说明级联放大器的工作稳定性得到了大大提高；输出导纳是单管输出导纳的几分之一，因此级联放大器的输出端可以直接和阻抗较高的调谐回路相匹配，不需要抽头接入。“共发-共基级联放大器”已成为典型的低噪声电路。 4.9 放大器中的噪声4.9.1