[工学]高频电子线路张肃文第四版Chapter4 高频小信号放大器.ppt

2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 1 Chapter4高频小信号放大器 4 1概述 4 2晶体管高频小信号等效电路与参数 4 3单调谐回路谐振放大器 4 4双调谐回路谐振放大器 4 5谐振放大器的稳定性 4 6放大器中的噪声 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 2 4 1概述 1高频小信号放大器的特点 频率较高中心频率一般在几百kHz 几百MHz频带宽度在几kHz 几十MHz 小信号信号较小故工作在线性范围内 甲类放大器 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 3 谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器 具有放大 滤波和选频的作用 非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器组成 其机构简单 便于集成 2高频小信号放大器的分类 按所用的材料 晶体管 BJT 场效应管 FET 集成电路 IC 按频谱宽度 窄带放大器和宽带放大器 按电路形式 单级放大器和多级放大器 按负载性质 谐振放大器和非谐振放大器 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 4 放大器的电压增益下降到最大值的0 707 即1 倍时 所对应的频率范围称为放大器的通频带 用表示 2 f0 7也称为3分贝带宽 3高频小信号放大器的质量指标 增益 放大系数 通频带 分贝表示 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 5 0 5 与谐振回路相同 放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL 此外 放大器的总通频带 随着级数的增加而变窄 并且通频带愈宽 放大器增益愈小 为什么要求通频带 放大器所放大的一般都是已调制的信号 已调制的信号都包含一定频谱宽度 所以放大器必须有一定的通频带 让必要的信号频谱分量通过放大器 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 6 选择性 从各种不同频率信号的总和中选出有用信号 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 矩形系数 表示对邻道干扰的抑制能力 2 f0 1 2 f0 01分别为放大倍数下降至0 1和0 01处的带宽 Kr愈接近于1越好 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 7 表示对某个干扰信号fn的抑制能力 用dn表示 例 Av0 100 Avn 1 用分贝表示dn dB 20lgdn 抑制比 抗拒比 Avn 为干扰信号的放大倍数 Av0 为谐振点f0的放大倍数 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 8 为使放大器稳定工作 必须采取稳定措施 即限制每级增益 选择内反馈小的晶体管 应用中和或失配方法等 指当放大电路的工作状态 元件参数等发生可能的变化时 放大器主要性能的稳定程度 4工作稳定性 5噪声系数 放大器的噪声性能可用噪声系数表示 NF越接近1越好 在多级放大器中 前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用 因此要求它的噪声系数应尽量小 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 9 一 形式等效电路 网络参数等效电路 4 2晶体管高频小信号等效电路与参数 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 10 二 混合 参数等效电路 参数等效电路 把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表示的这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路 Cb c将输出的交流电压反馈一部分到输入端 可能引起自激 rbb 在共集电极电路中引起高频反馈 降低晶体管的电流放大系数 所以希望它们尽量小 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 11 混合 等效电路中 电容 电阻并联 在一定频率下 三 混合 等效电路的简化 rb c与Cb c引起的容抗相比 rb c可视为开路 rb e与Cb e引起的容抗相比 rb e可以忽略 视为开路 rce与回路负载比较 可视为开路 简化后的等效电路如图 对工作频率范围不同时 等效电路可进行不同的简化 频率低时可忽略电容的作用 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 12 四 Y型等效电路与混合 型等效电路的转换 简化混合 等效电路 如图所示 一 令V2 0 求yie yfe 1 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 13 2 V1小引起I小 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 14 二 令 求yre yoe 3 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 15 4 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 16 随着工作频率下降到低频值 0的时的频率 五 晶体管的高频参数 1 截止频率 虽然 0 1 在频率为f 时 虽然下降到原来的但是仍然比1大的多 因此晶体管还能起到放大的作用 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 17 电流放大系数 与f的关系 故可以粗略计算在某工作频率下的电流放大系数 2 特征频率fT 当频率增高 下降到1时的频率 由于 0 1 所以fT 0 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 18 3 最高振荡频率fmax 当f fmax时 无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡 可以证明 晶体管的功率增益Ap 1时的工作频率 fmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率 在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 19 作业 4 5 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 20 R1 R2 R3为偏置电阻 决定静态工作点 LF CF为滤波电路 消除各级放大器相互之间的有害影响 C4 L组成LC谐振回路 R4是加宽回路通频带用 Rp 并联回路本身的损耗 4 3单调谐回路谐振放大器 1 单级单调谐回路谐振放大器 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 21 等效电路分析 因为讨论的是小信号 略去直流参数元件即可用Y参数等效电路模拟 由图可知 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 22 3 2 将 4 代入 1 放大器的输入导纳 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 23 放大器的质量指标 1 电压增益 所以 由于 所以 根据电压变比关系 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 24 其中 goe和Coe分别是放大器的输出导纳和输出电容 gie2和Cie2分别是下一级放大器的输入出导纳和输入电容 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 25 式中分母为并联回路的导纳 当角频率 在谐振角频率 0附近时 可写成 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 26 电压增益的相关结论 和的相位差 180 fe 当频率较低时 fe 0 180 与晶体管正向传输导纳yfe成正比 和回路的总电导g 成反比 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 27 2 功率增益Ap 用db表示为 忽略回路本身的损耗 则匹配条件为 此时 最大功率增益为 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 28 式中 在实际情况下 Gp不能忽略 考虑到Gp的作用 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 29 3 放大器的通频带 随f而变化的曲线 叫做放大器的谐振曲线 可见 品质因数越高 通频带越窄 反之越宽 AV0与通频带的关系 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 30 当yfe和C 为定值时 电路定了 其值也定了 带宽增益乘积为常数 谐振电压增益AV0仅决定于C 与2 f0 7 因此选择管子时应选取yfe大的 且应减少C 但C 也不能取得太小 因为不稳定的电容的影响大 设p1 p2 1 带宽增益乘积为一常数 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 31 结论 当yfe确定 p1和p2不变时 AV0只取决于C 与2 f0 7的乘积 电容越大 通频带越宽 AV0越小 为了获得高增益 宽频带 除了选用yfe较大的晶体管外 应该尽量减小谐振回路的总电容C 但是这样会导致系统的稳定性变差 对于宽带而言 要使AV尽量大 谐振曲线不稳定是次要的 因为频带很宽 对于窄带放大器 C 尽量大 使谐振曲线稳定 不会使通频带改变 以免引起频率失真 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 32 4 单调谐放大器的选择性 所以单调谐回路放大器的矩形系数远大于1 故其邻道选择性差 这是单调谐回路放大器的缺点 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 33 2 多级单调谐回路谐振放大器 若单级放大器的增益不能满足要求 就可以采用多级级联放大器 级联后的放大器的增益 通频带和选择性都将发生变化 1 增益 2 通频带 如果放大器有m级 各级的增益为AV1 AV2 AVm 则总增益为 Am AV1AV2 AVm 如果各级放大器的增益相同 则 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 34 上面的分析表明 为了使总的通频带不变 每级的带宽都要增加为原来的X倍 当每级通频带加宽X倍时 每级的增益都会降低为原来的1 X 根据通频带的定义可以求m级放大器的通频带 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 35 3 选择性 以矩形系数为例 结论 单调谐回路特点是电路简单 调试容易 但选择性差 增益和通频带的矛盾比较突出 根据定义 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 36 例4 1 f 30MHz 晶体管为3DG47型NPN高频管 当Vce 6V Ie 2mA时 gie 1 3mS Cie 12pF goe 400 S Coe 9 5pF Yfe 58 3mS fe 2 2 Yre 310 S re 88 8 L 1 4 H p1 1 p2 0 3 Q0 100 求单级放大器的AV0 2 f0 7 回路电容C 才能使回路谐振 解 设暂不考虑Yre的作用 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 37 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 38 单极放大器的Y参数微变等效电路 折合后的微变等效电路 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 39 它是改善放大器选择性和解决放大器增益与通频带之间矛盾的有效方法之一 4 4双调谐回路谐振放大器 本部分的内容自学 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 40 一 自激产生的原因 gF改变了回路的QL值 bF引起回路失谐 4 5谐振放大器的稳定性 yre的存在会导致自激的产生 是不稳定的原因 gF呈负电导性时 g QL 通频带 增益也因损耗的减少而增加 即负电导gF供给回路能量 出现正反馈 当gF gs gie 回路原有电导 则g 0 QL 放大器失去放大性能 处于自激振荡工作状态 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 41 二 放大器产生自激的条件 当Ys Yi 0时 回路总电导g 0 放大器产生自激 假定输入回路和输出回路相同 产生自激的条件 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 42 当S 1时产生自激 当S 1时 放大器稳定工作 一般要求S 5 10 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 43 三 Av0与S的关系 实际上 由于f fT fe 0 因此yfe yfe 且yre中 电纳起主要作用 即 代入相位条件 得 1 当f在低于f0的某一点 1 时 可能产生自激 如果令gs gie g1 goe GL g2 代入稳定系数S 当S 5时 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 44 用晶体管CG30做一个30MHz的中频放大器 当工作电压Vce 8V Ie 2mA时 其Y参数是 Yie 2 86 j3 4 mS Yre 0 08 j0 3 mS Yfe 26 4 j36 4 mS Yoe 0 2 j1 3 mS 求此放大器的稳定电压增益Av0 要求稳定系数S 5 例4 2 解 依题意 取S 5 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 45 由于yre的存在 晶体管是一个双向的器件 增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化 单向化的方法有 中和法消除yre的反馈 失配法增大GL或gs的数值 使输入和输出回路与晶体管匹配 四 克服自激的方法 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 46 电桥平衡时 CD两端的回路电压不会反射到AB两端 即对应两边阻抗之比相等 1 中和法 在放大器线路中插入一个外加的反馈电路 使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消 具体线路 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 47 信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配 晶体管输出端负载不与本级晶体管的输出阻抗匹配 原理 由于阻抗不匹配 输出电压减小 反馈到输入电路的影响也随之减小 使增益下降 提高稳定性 晶体管实现单向化 只与管子本身参数有关 失配法一般采用共发 共基级联放大 则 2 失配法 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 48 中和法 优点 简单 增益高缺点 只能在一个频率上完全中和 不适合宽带 因为晶体管离散性大 实际调整麻烦 不适于批量生产 对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果 3 中和法与失配法比较 失配法 优点 性能稳定 能改善各种参数变化的影响 频带宽 适合宽带放大 适于波段工作 生产过程中无需调整 适于批量生产 缺点 增益低 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 49 作业 4 9 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 50 4 6放大器中的噪声 自然噪声 人为噪声 噪声 干扰 噪声与干扰的分类 热噪声 散粒噪声 闪烁噪声 交流噪声 感应噪声 接触不良噪声 自然干扰 人为干扰 天电干扰 宇宙干扰 大地干扰 工业干扰 无线电器的干扰 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 51 一 噪声的来源及特点 1 电阻热噪声 电阻内由电子热运动造成的噪声 1 电阻热噪声的特点及计算 在一段相当长的观测时间内 噪声电流 或电压 的平均值趋于零 频谱极宽 且各个频率分量的强度都相等 衡量起伏噪声的强度用噪声电压均方值表示 热噪声功率谱密度 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 52 假设Bn为放大器的等效带宽 则电阻热噪声电压的均方值 频带越宽 温度越高 阻值越大 噪声电压就越大 例4 3 已知一放大器的等效噪声带宽为100kHz 求1k 电阻工作在300K时的热噪声电压为多少 解 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 53 例4 4 试求两个处于相同温度的电阻R1和R2并联后 在频带Bn内总的均方值噪声电压 解 2 电阻的噪声等效电路 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 54 各电极的体电阻 基极体电阻 自由电子热运动产生的噪声 1 晶体管的噪声 电阻热噪声 散粒 弹 噪声 由于载流子随机起伏流动产生的噪声 分配噪声 载流子在基区分配比例随机变化所产生的噪声 由于半导体材料及制造工艺水平造成表面清洁处理不好而引起的噪声 2 电子器件的噪声 白噪声 白噪声 闪烁噪声 噪声 有色噪声 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 55 2 场效应管的噪声 沟道热噪声 由导电沟道内的电子的不规则热运动所引起的噪声 gfs 场效应管的转移跨导 栅极散粒噪声 由于栅极内电荷不规则起伏引起的噪声 IG 栅极漏泄电流 栅极感应噪声 沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容 在栅极上感应产生的噪声 与晶体管一样 场效应管也存在噪声 其产生机理和形态与晶体管大致相同 闪烁噪声 噪声 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 56 放大器的噪声性能可用噪声系数表示 NF越接近1越好 用分贝数表示 噪声系数通常只适用线性放大器 因非线性电路会产生信号和噪声的频率变换 噪声系数不能反映系统的附加的噪声性能 二 噪声系数的计算方法 2020 2 15 Copyrightsyaoping Allrightsreserved 57 三 降低噪声系数的措施 选用低噪