ch03_1高频放大器ok.ppt

笫3章高频放大器 3 1引言3 2晶体管的高频小信号等效电路和参数3 3高频小信号宽带放大器3 4放大器的噪声3 5宽带功率放大器 3 1引言 3 1 1高频放大器分类和在通信系统中的位置 发射机中间各级的宽带功率放大器 工作于甲类或甲乙类状态 大信号 负载是传输线变压器 用于发射机末级 工作于丙类状态 大信号非线性电路 大信号 发射机 射频前端电路 RFFront EndIC 输入回路 高频放大 本地振荡器 混频器 输出中频信号 这是重点 高频放大和中频放大是高频小信号放大器 具有低通传输特性的负反馈控制系统 自动增益控制AGC 小信号 接收机 3 1 2对高频小信号放大器的要求 工作频率高 目前广泛使用的GSM数字移动通信系统的手机中 为900MHz和1800MHz 1900MHz 增益够大 多级级联时工作稳定性好 通频带够宽 因此 引出增益带宽乘积GBP作为衡量宽带放大器的质量指标 放大器的噪声低 下节讨论 实现途径 选用好器件 选用特征频率高和小的晶体管 采用频带较宽的电路 例如共基极放大电路 共发一共基放大电路 在线路上可以采用负反馈的方法 负载是谐振回路和声表面波滤波器等 附录3 1 1 输出信号幅度保持稳定 用自动增益控制 AGC 电路 附录3 1 2 根据系统传输函数零点 极点的原理 进行展宽频带的设计 3 2晶体管的高频小信号等效电路和参数 3 2 1晶体管的混合 等效电路 基极体电阻 在共基电路 会引起高频负反馈 集电结势垒电容 约为几PF 可以忽略 发射结扩散电容 所以希望和尽量小 3 2 2晶体管的高频参数 1 截止频率 共发电路的电流放大系数值下降至低频值的时的频率称为截止频率 用表示 2 特征频率 特征频率是晶体管在共发射极运用时能得到电流增益的最高频率极限 电流放大系数 但功率增益 1 特征频率是高于截止频率 约等于的倍 指时的频率 因fT f 所以 fT 0f 特征频率与阻容乘积成反比 后者又决定于晶体管的静态工作点 因此 也是静态工作点的函数 当时 存在近似关系 特征频率是可查手册的 也可由仪器测量得到 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 最高 次之 最低 4 截止频率 和的关系 晶体管的共基极电流放大系数是 其中是低频时共基极短路电流放大系数 是下降到时的频率 可推出 因为 由上可得出三个频率参数 和的近似关系 四者关系为 3 2 3晶体管的y参数等效电路 将晶体管等效为有源四端网络 用一些网络参数来组成等效电路 称为网络参数等效电路 图3 2 6共发射极电路的y参数等效电路 共发射极放大电路混合 型等效电路参数和y参数的转换公式为 高频小信号放大器结构具有以下优点 图3 3 1宽带放大组成示意图 3 3高频小信号宽带放大器 3 3 1双极型晶体管共发射放大电路的高频特性 通常 1 上图为 由于很小 其容抗与相比较 可忽略不计 中频源电压增益 等效输入电容为 应用式 得到 式中D称为密勒效应因子 可求得共发放大器源电压增益的高频截止角频率为 共发放大器的增益带宽积GBP 由上式可以得出如下结论 1 为获得较大的GBP和高频边界角频率值 应选用小 小而高的晶体管 2 增大 可以增大中频源电压增益 但由于D因子增大 将减小 因而的选择应兼顾和的要求 3 管子选完后 为提高值 信号源内阻应尽可能小 即放大器的输入信号尽量接近恒压源 例 3 1 返回 3 3 2双极型晶体管共基放大电路的高频特性 在图中 考虑到的值较小 为了分析简单 突出重点 暂时把忽略之 返回 高频特性 1 集电结电容是作为输出电容跨接在输出端 因而不存在密勒倍增效应 其输入电容就是 可见 共基放大电路输入电容要比共射放大电路输入电容小很多 2 共基电路的输入电阻为 它比共射电路输入电阻小很多 可见 输入电阻小 输入电容小是共基放大电路具有很好的高频响应特性的主要原因 4 由于共基放大器不存在密勒效应 在多级级联时可以大大减小晶体管内部反馈的作用 组成多级放大器时比较稳定 5 共基极放大器虽然具有上述这些优点 但是 由于集电极电流总是小于发射极电流 即它的电流放大倍数恒小于1 在多级级联时 常采用共发一共基组合电路的 3 共基极短路电流放大系数a的截止频率比较高 比截止频率大倍 因此 共基极放大器的频率特性比共发射极放大器好 3 3 3共发 共基电路的高频特性 共发一共基组合放大电路的交流通路如左图所示 晶体管 分别构成共发 共基组态电路 共发 共基组合放大单元电路最突出的特点是高频响应特性好 频带宽 一般情况下组合放大电路的上限截止频率主要取决于共发电路 现在利用共基电路输入阻抗低的特点 将它作为共发电路的负载阻抗 从下式可知 使得共发电路的密勒效应因子D减小 从而可以有效地提高共发电路的高频边界频率 也就是提高了组合电路的高频边界频率 3 3 4场效应管高频小信号放大器 在高频应用时 场效应管有下列特点 2 由于场效应管具有十分接近平方律的转移特性 三阶以上的效应可以忽视 因此能减小交调 互调和各种组合频率干扰 在变频干扰中讨论 3 采用自动增益控制时所需要的功率很小 因此 用场效应管作为高频放大器的有源器件是比较理想的 4 场效应管是多数载流子导电器件 所以对核辐射的抵抗能力强 多数载流子在电场作用下作漂移运动 受核辐射影响小 5 场效应管的跨导小于双极型晶体管 因此用作放大器时 增益比较小 6 放大电路形式有MOS管共源 共栅组态基本放大电路和共源 共栅级联放大电路 1 场效应管放大器具有较高的输入和输出阻抗 对输入回路和输出电路的值影响较小 故回路选择性高 在用作高频放大器时 抗象频干扰和抗邻近电台干扰能力好 3 3 5展宽频带的措施 在高频放大器的设计中 常根据系统传输函数零点 极点的原理 进行展宽频带的设计 对于实际的稳定工作的放大电路 极点位于S平面的左半平面 其传输函数表示为 由上式可得幅频特性为 可得 这说明增益幅值的分贝数等于常数项 各零点因子及极点因子幅值分贝数的代数和 显然 增加零点或零点 极点抵消都是展宽频带的方法 下面将讨论CMOSRF集成电路中低噪声放大器设计采用的几种的方法 1 增加传输函数零点以使频带展宽的设计 下图是标准的共源放大电路及其小信号等效电路 只是多了一个电感 其传输函数恰是网络的阻抗 式中 增加了一个零点 与简单的并联电路相比 和两个极点 可能是复数极点 返回 因为放大器的增益为 而阻抗的模是 与简单的并联电路比较 上式中的分子项是随着频率的增加而增加 此外 在的范围内 分母项中的是随着频率的增加而减小 这两项都是起着展宽频带的作用 如何选择 定义系数 带宽最大值对应的值是 则对应的带宽展宽为 但会出现20 的过冲 这是不希望的 取 则对应的带宽展宽为 但过冲减为3 在有些情况下要求完全没有过冲 这时可得到 则对应的带宽展宽为 在有些情况下要求在有限的频谱范围内实现近似相同的延时 可得到 则对应的带宽展宽为 上图 2 传输函数零点 极点抵消的方法 以使频带展宽的设计 这可以由示波器的高阻衰减探头电路中得到说明 上图是输入电阻为 带宽为 衰减为探头电路 按最直接的计算 需要并联电容为 这是无法实现的 那么如何使探头电路既有的带宽 又有的输入电阻 最简便方法就是上图所示的分压电路 上述的零 极点抵消的方法也可以用于放大器展宽频带的设计中 如上图所示 这是有零点 极点对的共源放大器 3 使用T型网络展宽频带的设计 右图的网络称为T型网络 其实这种网络在示波器电路中早就使用了 这种网络展宽频带可达倍 上图所示放大器很容易实现的 只要两个电感 这电感在CMOS集成电路的工艺中是很容易实现的 T型网络还需要一个跨接的电容 其实这个电容无需单独设计 只需要将两个电感布线很好地设计 则其重叠部分即可构成所需要的电容 上述展宽频带的电路设计均不会增加电路的功耗 在放大器输出电容 图中未画 和负载电容之间串联一个电感 隔离这两个电容 从而形成并联建峰和串联建峰的组合 3 3 6自动增益控制 AGC 电路 上图为自动增益控制电路组成框图 自动增益控制电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下 使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路 自动增益控制是通过图中所示非线性闭合环路实现的 1 对AGC控制特性的要求 当输入信号小于门限电压时 系统无控制作用 此时 输出电压为输入电压的线性函数 当输入信号较强而其幅度超过时 AGC作用才反映出来 此时 随着的增强 输出电压基本保持不变 或仅有极小的变化 当输入信号很强时 AGC的作用消失 其目的在于防止由于AGC环路的作用 系统工作产生不稳定现象 上述AGC由于输入电压必须大于某一门限才起作用 因此又称为延迟AGC 2 对AGC控制特性的设计 AGC的控制作用 一般均在接收机前级实现 例如对高频放大器的控制 对主中放的第一中放或第二级中放的控制等等 放大器的受控级数 通常取决于系统的要求 如用表示总放大器输入信号的动态范围 表示总放大器输出电压的容许变化量 即 于是 放大器的总增益控制倍数为 式中为总放大器的最大电压增益 其值一般出现在输入信号为最小值时 为总放大器的最小电压增益 其值一般发生在输入信号为最大时 上式也可以用分贝值表示 例 某接收机输入信号的动态范围为60dB 输出电压容许变化范围为20 若单级放大器的增益控制倍数等于20dB 指出应控制放大器的级数 解 输出电压容许变化值为 接收机总增益控制范围为 故所需受控级数为 即应采用三级控制 若放大器受控级数为n 每级放大器的增益控制倍数为 总控制倍数为 则 3 增益控制电路 采用变跨导晶体管构成的可控增益放大电路 这种放大器 当控制电压使其静态工作点移动时 放大器的增益也随之改变 达到增益可控的目的 改变放大器的集电极电压 或改变放大器的交变负载 均可实现对放大器增益的控制 下面两种分别适用于集成电路和较高工作频率的增益控制电路 1 差分放大器增益控制电路 P113 2 电控衰减器增益控制电路 P114 举例 习题3 17 P172 教材 共发射极放大电路原理图 调节偏置电压使 返回 400MHz 题图所示为单管共发射极放大电路的原理图 设晶体管的参数为 续 1 计算电路的上限频率和增益 带宽积G BW 2 将改为200 其它参数不变 重复 1 的计算 3 将改为1k 其它参数不变 重复 1 的计算 4 将改为9PF 其它参数不变 重复 1 的计算 5 将从400MHz改为800MHz 其它参数不变 重复 1 的计算 根据上述结果讨论 对高频特性的影响 返回 解 计算得 1 2