《高频小信号放大器》PPT课件.ppt

2020 3 26 1 3高频小信号放大器 3 2晶体管高频小信号等效电路与参数 3 3单调谐回路谐振放大器 3 4多级单调谐回路谐振放大器 3 5双调谐回路谐振放大器 3 1概述 2020 3 26 2 3 7谐振放大器的常用电路和集成电路谐振放大器 3 8场效应管高频小信号放大器 3 9放大器中的噪声 3 10噪声的表示和计算方法 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 3高频小信号放大器 2020 3 26 3 3 1概述 高频小信号放大器 高频放大器 小信号放大器 谐振放大器 非谐振放大器 调谐放大器 高频放大器 频带放大器 中频放大器 窄带放大器 宽带放大器 信号小 认为它工作在晶体管 或场效应管 的线性范围内 把晶体管看成线形元件 可用有源线性四段网络来分析 阻容放大器 滤波器 2020 3 26 4 3 1概述 1 高频放大器与低频放大器 音频 的区别 2020 3 26 5 谐振放大器 采用谐振回路 串 并联及耦合回路 作负载的放大器 不仅有放大作用 而且有着滤波或选频的作用 种类 调谐放大器 高频放大器 调谐回路频带放大器 中频放大器 谐振回路 几十 V 几mV 1V左右 3 1概述 2020 3 26 6 高频小信号放大器的主要质量指标 1 增益 放大系数 电压增益 分贝表示 功率增益 2 通频带 电压增益Av下降到最大值Av0的1 时所对应的频率范围 也叫3dB带宽 3 1概述 2020 3 26 7 通频带 1电压增益下降到最大值的1 时所对应的频率范围 叫3dB带宽 用表示 电压增益下降到最大值的1 2时所对应的频率范围 叫6dB带宽 用表示 2放大器通频带决定于负载回路的形式和回路的等效品质因数QL 放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄 通频带越宽 放大器的增益就越小 两者是互相矛盾的 3在宽带放大器中 常采用牺牲单级增益 保证带宽 增加放大级数的方法 收音机中频放大器通频带约为6 8kHz 电视机中频放大器带宽约为6MHz 2020 3 26 8 矩形系数 表示与理想滤波特性的接近程度 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 2020 3 26 9 抑制比 表示对某个干扰信号fn的抑制能力 用dn表示 或称抗拒比 通常说明某些特定频率的选择性好坏 如中频 象频等 用分贝表示 f0为信号频率 fn为干扰信号频率 Av0为信号谐振点的放大倍数 Av为干扰信号的放大倍数 3 1概述 2020 3 26 10 4 工作稳定性 指放大器的工作状态 直流偏置 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程度 基本共射极放大电路 稳Q共射极放大电路 不稳定状态 增益变化 中心频率偏移 通频带变窄 谐振曲线变形等 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 3 1概述 2020 3 26 11 End 5 噪声系数 输入端信号噪声功率比与输出端信号噪声功率比的比值 噪声包括信号源噪声和放大器自身产生的噪声 力求内部噪声越小越好 即要求噪声系数接近1 可采用低噪声管 正确选择工作点电流 选用合适的电路 等等 接收机的整机灵敏度 选择性 通频带等主要取决于中放级 而噪声则主要取决于高放或混频级 因此 在考虑中放级时 应在满足频带要求与保证工作稳定的前提下 尽量提高增益 而在考虑高放级时 则增益成为次要矛盾 主要应尽量减少本级的内部噪声 3 1概述 2020 3 26 12 3 2晶体管高频小信号等效电路与参数 3 2 1形式等效电路 网络参数等效电路 3 2 2混合 等效电路 3 2 3混合 等效电路参数与形式等效电路 参数的转换 3 2 4晶体管的高频参数 2020 3 26 13 3 2 1形式等效电路 形式等效电路 是将晶体管等效为有源线性四端网络 它的优点在于通用 导出的表达式具有普遍意义 分析电路比较方便 缺点是网络参数与频率有关 根据四段网络的理论 需要有四个数来表示方框内的晶体管的功能 即需要4个晶体管的参数 或参量 最常用的有h y z三种参数系 如选 I1 V2为自变量 V1 I2为参变量 则得到h参数系 I1 I2V1 V2z参数 阻抗参数 系 V1 V2I1 I2y参数系 2020 3 26 14 图4 2 1晶体管共发射极电路 图4 2 2 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 3 2 1形式等效电路 2011 9 11zongxiao 2020 3 26 15 图4 2 2 参数等效电路 放大器输入导纳Yi 上式说明 输入导纳Yi与负载导纳YL有关 这反映了晶体管内部有反馈 是由反向传输导纳yre引起的 消去V2与I2 可得 3 2 1形式等效电路 2020 3 26 16 图3 2 3晶体管放大器及其 参数等效电路 放大器输出导纳Yo 3 2 1形式等效电路 2020 3 26 17 3 2 2混合 等效电路 图3 2 4混合 等效电路 优点 各个元件在很宽的频率范围内都保持常数 缺点 分析电路不够方便 End 2020 3 26 18 图3 2 4混合 等效电路 End 表示晶体管放大作用的等效电流发生器 rbb 是基极电阻 是集 射极电阻 是集电结电阻 是集电结电容 3 2 2混合 等效电路 2011 3 15 2020 3 26 19 3 2 3混合 等效电路参数与形式等效电路y参数的转换 由 b 图用节点电流法 可得 3 2 13 3 2 14 3 2 15 其中 从3 2 13 3 2 14 3 2 15中消去 经整理 并用代替Vbe 代替可得 见下页 2020 3 26 20 3 2 3混合 等效电路参数与形式等效电路y参数的转换 3 2 16 3 2 17 与3 2 1 3 2 2式比较 并考虑下列条件通常是满足的 所以可得 3 2 18 3 2 19 3 2 20 3 2 21 2020 3 26 21 3 2 3混合 等效电路参数与形式等效电路y参数的转换 由上页y参数公式可见 四个参数都是复数 为以后计算方便 可表示为 式中 gie goe分别称为输入 输出电导 Cie Coe分别称为输入 输出电容 2020 3 26 22 3 2 1 3 2 3复习 1 高频小信号放大器的主要质量指标1 增益 放大系数 2 通频带 电压增益下降到最大值的1 时所对应的频率范围 叫3dB带宽 用表示 3 选择性 选择性常采用矩形系数和抑制比来表示 2020 3 26 23 4 工作稳定性 指放大器的工作状态 直流偏置 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程度 5 噪声系数 输入端信号噪声功率比与输出端信号噪声功率比的比值 2 参数等效电路 3 放大器输入导纳Yi 2020 3 26 24 4 放大器输出导纳Yo 5 放大器的增益 图3 2 5混合 等效电路 6 混合 等效电路 2020 3 26 25 1 截止频率f 2 特征频率fT 当f fT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 而功率增益还可能大于1 3 2 4晶体管的高频参数 2020 3 26 26 2 特征频率 图3 2 6 截止频率和特征频率 因此 知道了某晶体管的特征频率fT 由手册查得 就可以粗略计算在某工作频率f f 的电流放大系数 3 2 4晶体管的高频参数 2020 3 26 27 3 最高振荡频率fmax f fmax后 Gp 1 晶体管已经不能得到功率放大 无论用什么办法都不能使晶体管产生振荡 最高振荡频率的名称也由此而来 通常 为使电路工作稳定 且有一定的功率增益 晶体管的实际工作频率应等于最高振荡频率的1 3到1 4 End 3 2 4晶体管的高频参数 2020 3 26 28 4 电荷储存效应 晶体管工作时 PN结正向工作时 N区向P区注入大量的电子 在扩散和与空穴复合的同时 在P区形成了一定的电子积累 建立起一定的浓度分布 当某一时刻 PN结突然由正向偏置转为反向偏置时 这些积累的电子不能突然消失 再反向电场的作用下 大部分被拉回到N区 一部分在P区被复合掉 经过一段时间后 反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值 这种正向导电时的电子积累现象 就叫电荷储存效应 电荷储存效应使晶体管不能在从正向工作转为反向工作的瞬间即获得小的反向饱和电流 而是瞬间通过了大的电流 使高频工作时出现输入与输出电流的相位差 引起电流放大系数下降 在乙类和丙类放大器中会引起波形失真 降低电源效率 甚至使放大器不能正常工作 因此 电荷储存效应使晶体管的高频性能变坏 3 2 4晶体管的高频参数 2020 3 26 29 3 3单调谐回路谐振放大器 3 3 1电压增益 3 3 2功率增益 3 3 3通频带与选择性 3 3 4级间耦合网络 2020 3 26 30 图3 3 1单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路 3 3单调谐回路谐振放大器 2020 3 26 31 代表晶体管放大作用的等效电流源 go1 Co1代表晶体管的输出电导与输出电容 代表回路本身的损耗 YL gi2 j Ci2代表负载导纳 即下一级晶体管的输入导纳 3 3 1单调谐回路的电压增益 2020 3 26 32 1 三级管的电压增益 此处 为晶体管的输出导纳 为晶体管在输出端1 2两点之间看来的负载阻抗 即下一级晶体管输入导纳与LC谐振回路折算至1 2两点间的等效导纳 显然 可以看成是1 2两点间的总等效导纳 yoe 2020 3 26 33 2 将所有元件参数都折算到LC回路两端 yoe 2020 3 26 34 由LC回路两端看来的总等效导纳为 3 放大器的电压增益 在谐振时 为了获得最大功率增益 应适当选取p1与p2的值 使负载导纳YL能与晶体管电路的输出导纳相匹配 2020 3 26 35 匹配条件 即 GP通常很小 与相比常忽略 因而上式变为 于是求得导纳匹配时的接入系数值为 得匹配时的谐振回路放大器的电压增益 2020 3 26 36 3 3 2谐振功率增益AP 1 谐振时的功率增益为 gi1为本级放大器的输入端电导 gi2为下一级晶体管的输入电导 若采用相同的晶体管 则gi1 gi2 因此得 在忽略回路损耗GP时 由式 4 3 8 得匹配时的最大功率增益为 2020 3 26 37 2 插入损耗 插入损耗定义 不考虑Gp损耗时 负载上所获得的功率 考虑Gp损耗后 负载上所获得的功率 2020 3 26 38 回路的无载Q值和有载Q值 插入损耗 用分贝表示 2020 3 26 39 考虑插入损耗后 负载匹配时功率增益 考虑插入损耗后 谐振回路放大器的电压增益 2011 3 21 2020 3 26 40 3 3 3通频带与选择性 1 由 3 3 3 与 3 3 4 得放大器相对电压增益及通频带 相对电压增益 3 3 18 2020 3 26 41 放大器的通频带 可见 越高 则通频带越窄 电压增益与总电容 同频带的关系 因回路电导可表示为 谐振电压增益为 此式说明 晶体管选定以后 即yfe已经确定 接入系数不变时 放大器的谐振电压增益Av0只决定于回路的总电容C 和通频带2 f0 7的乘积 电容C 越大 通频带2 f0 7越宽 则增益越小 电容C 的最小值是回路不外接电容 回路电容由晶体管的输出电容 下级晶体管的输入电容 电感线圈的分布电容以及安装电容等组成 这些电容属于不稳定电容 从谐振曲线稳定的角度来看 希望外加电容大 即C 大 以使不稳定电容的影响相对减弱 从提高增益的角度看应减小回路电容C 3 3 20 2011 9 27 2020 3 26 42 2 放大器的选择性 矩形系数 单调谐回路放大器的矩形系数远大于1 它的谐振曲线和理想矩形相差较远 所以邻道选择性差 2020 3 26 43 3 3 4级间耦合网络 图3 3 4单调谐放大器的级间耦合网络形式 End 2020 3 26 44 例3 3 3 留作本次作业 设计一个中频放大器 指标如下 中心频率f0 465kHz 带宽2 f0 7 8kHz 负载ZL为下级一个完全相同的晶体管的输入阻抗 采用自耦变压器 变压器耦合网络 解 选用晶体管的参数 当Vce 6V IE 2mA时 它的y参数为gie 1 2mS Cie 12pF goe 400 S Coe 9 5pF yfe 58 3mS fe 22 yre 310 S re 88 8 设暂时不考虑yre的作用 则Yi yie gie j Cie 1 2 10 3 j2 3 14 465 103 12 10 12 S 1 2 j0 035 mS输出导纳 Yo yoe goe j Coe 0 4 j0 0278 mS 2020 3 26 45 图中R1 R2为偏置电阻 调整它们的值使IE 2mA C1为旁路电容 它的阻抗在465kHz时应远小于R2 例如 若R2 5k 则C1可选为0 05 0 1 F Re是为偏置稳定而加设的射级电阻 一般典型数值约为500 1000 旁路电容Ce仍可用0 05 0 1 F Rc Cc为去藕电路 用于消除各放大器间通过电源所引起的寄生耦合 一般取Rc 500 左右 Cc取0 05 F 设选取回路总电容C 200pF 则回路电感为 IE 2mA 若回路的空载品质因数Q0 100 则回路损耗电导为 5k 0 05 0 1 F 500 1000 0 05 0 1 F 0 05 F 500 586 H 2020 3 26 46 IE 2mA 5k 0 05 0 1 F 500 1000 0 05 0 1 F 0 05 F 500 586 H 由此求得并联到LC回路上的总损耗电导 匹配时的初次级抽头系数 2020 3 26 47 3 4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 就要采用多级放大器 如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成 则 1 增益 2020 3 26 48 2 通频带 可求得m级放大器的通频带 M级相同的放大器级联时 它的谐振曲线可由3 3 18式求得 3 3 18 单级 3 4多级单调谐回路谐振放大器 称为带宽缩减因子 m越大 带宽越窄 2020 3 26 49 3 选择性 矩形系数 通频带 当级数m增加时 放大器的矩形系数有所改善 但这种改善是有限度的 End 3 4多级单调谐回路谐振放大器 2020 3 26 50 3 5双调谐回路谐振放大器 单调谐回路放大器的选择性较差 增益和通频带的矛盾比较突出 为此 可采用双调谐回路放大器 2020 3 26 51 在实际应用中 初次级回路都调谐在同一频率f0 为了分析方便 假设两回路元件参数相同 即电感L1 L2 L 初次级回路总电容C1 p12Coe C2 p22Cie C 折合到初次级回路的电导p12goe p22gie g 回路谐振角频率 1 2 0 1 初次级回路有载品质因数 2011 9 16 2020 3 26 52 由39页2 4 17式 参考第50帧页图 在谐振时 0 得 可见 双调谐回路的电压增益不仅与正向传输导纳和回路的电导有关 而且与耦合参数 有关 根据 1 1 1三种情况可得到三个Av0的值 进而可求得三种对应的谐振曲线 见教材112 113页 我们重点掌握临界耦合时的情况 见教材4 5 3式和4 5 7式 3 5 2 2020 3 26 53 临界耦合时 1 谐振曲线较平坦 在f0 0 处出现最大峰值 此时 3 5 7 3 5 3 2020 3 26 54 End 图3 5 2对应于不同的 双调谐回路放大器的谐振曲线 9 95 临界耦合时的通频带 令 令Av Av0 1 10 代入式 4 5 7 得 矩形系数 m级 1 双调谐放大器的矩形系数为 2020 3 26 55 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 3 6 1谐振放大器的稳定性 3 6 2单向化 2020 3 26 56 3 6 1谐振放大器的稳定性 以前的等效电路分析时 假定yre 0 即输出电路对输入端没有影响 见图3 2 5和图3 3 1 放大器工作于稳定状态 下面 讨论内反馈yre的影响 1 放大器的输入导纳和输出导纳 引用 3 2结果 3 2 6式和3 2 9式 可知 2020 3 26 57 如果放大电路输入端也接有谐振回路 或前级放大器的输出谐振回路 那么输入导纳Yi并联在放大器输入端回路后 假定耦合方式是全部接入 2 自激振荡的产生 以输入导纳的影响为例 图3 6 1放大器等效输入端回路 实际电路中 3 6 1 3 6 1谐振放大器的稳定性 2020 3 26 58 3 自激产生的原因 以输入导纳的影响为例 图3 6 2反馈电导 随频率变化的关系曲线 图3 6 3反馈导纳对放大器谐振曲线的影响 2011 9 29OUMEI 2020 3 26 59 图3 6 2反馈电导 随频率变化的关系曲线 g gs gie gF 0 2020 3 26 60 4 自激产生的条件 以输入导纳的影响为例 图3 6 1放大器等效输入端回路 2020 3 26 61 若用幅角与