2第二章 高频小信号放大器

上午7时49分 1 第二章高频小信号放大器 2 1概述 2 2晶体管高频小信号等效电路与参数 2 3谐振放大器 2 4宽频带放大器 上午7时49分 2 了解高频小信号放大器主要技术指标 增益 通频带 选择性等的含义熟悉高频小信号的两种等效电路 网络参数与混合 型等效电路掌握单调谐回路谐振放大器的增益 通频带与选择性的计算 上午7时49分 3 在高频电路中 高频小信号放大器是各类接收设备的重要组成部分 例如 无线电接收机的高频放大器和混频后的中频放大器 它们都是小信号选频放大器 放大器的负载采用谐振回路的放大电路 具有放大 滤波和选频的作用 广泛地应用在各类接收设备中 通常 高频放大器是指中心频率是可调的 常称为小信号调谐放大器 中频放大器是指中心频率是固定的 常称为频带放大器 它们也都可称作谐振放大器 2 1概述 几十微伏到几毫伏 上午7时49分 4 高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路 前者对中心频率在几百千赫兹 频谱宽度在几千赫兹到几兆赫兹内的微弱信号进行放大 后者对频带宽度一般在几兆赫兹到几十吉赫兹甚至更高范围内的微弱信号进行放大 它们共同的特点一是工作频率高 二是信号较小工作在线性范围内 甲类放大器 宽频带放大电路 为展宽工作频带 不仅要求有源器件的高频性能好 在电路结构上采取了一些改进措施 根据小信号调谐放大器采用的调谐回路是单谐振回路 一个LC谐振回路 还是双谐振回路 两个互相耦合的谐振回路 又可分为小信号单调谐放大器和小信号双调谐放大器 到几吉赫兹 上午7时49分 5 高频小信号放大电路中 放大部分主要是由晶体管 BJT 场效应管 FET 集电电路 IC 等有源器件提供电压增益 由LC谐振回路 陶瓷滤波器或声表面滤波器件等实现选频功能 它们一般有两种形式 以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器 按晶体管三个极与输入 输出信号的接法不同 调谐放大器有三种组态 即共射极 共基极和共集极组态 在广播和电视接收机中常用的是共射极组态 以后没有特别说明 我们讨论的就是这种组态 上午7时49分 6 2 增益 放大系数 gain 表示对有用信号的放大能力 常用分贝表示 电压增益 功率增益 高频小信号放大器的主要技术指标 1 中心频率f0 即调谐放大器的工作频率 是调谐放大器的主要指标 在中心频率的有效值 增益和稳定性是一对矛盾 通频带和选择性是一对矛盾 因此应根据需要决定主次 功率放大倍数 功率放大倍数对于小信号谐振放大器本身并无重要意义 但是通过功率放大器的推导 可以获得晶体管最高振荡频率和最大电压放大倍数的概念 上午7时49分 7 信号功率下降到一半时 3 通频带 带宽 passband 在无线电技术中 常把谐振回路U Um从1下降到 以dB表示是从0下降到 3dB 处的两个频率2 f0 7的范围称作通频带 对于放大器而言 也可以说是它的电压增益下降到最大值的0 7倍时 所对应的频率范围称为放大器的通频带 用B或2 f0 7表示 2 f0 7也称为3分贝带宽 我们将AU AUo随f而变化的曲线 称放大器的谐振曲线 上午7时49分 8 4 选择性 selectivity 从各种不同频率信号的总和 有用的 无用的和有害的 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 2 f0 1 2 f0 7分别为放大倍数下降至0 1和0 7处的带宽 Kr愈接近于1越好 矩形系数 rectangularcoefficient 按理想情况 谐振曲线为一矩形 为了表示实际曲线接近理想曲线的程度 引入 矩形系数 它表示对邻道干扰的抑制能力 信号功率下降到百分之一与一半时 上午7时49分 9 抑制比 抗拒比 suppressionratio 表示电路对某个干扰信号fn的抑制能力 用 表示 An为干扰信号的放大倍数 AU0为谐振点f0的放大倍数 上午7时49分 10 为满足电路分析的需要 我们总是选用一种最方便的等效电路来替代晶体管 我们按等效模拟的方法不同 将它们归纳为两大类 一类为物理模拟 把晶体管内部的物理过程用元器件R L C等表示 用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路称为晶体管的物理模拟 参数 等效电路 这类电路物理概念较清楚 容易理解 一类为功能模拟 它是根据晶体管三个端子对外部电路所呈现的功能来进行模拟的等效电路 又称网络参数等效电路 这类电路便于电路的分析与计算 2 2晶体管高频小信号等效电路与参数 上午7时49分 11 物理参数等效电路 物理模拟 网络参数等效电路 功能模拟 T型等效电路 高频电路 混合 型等效电路 宽频带电路 h参数等效电路 低频电路 y参数等效电路 高频调谐电路 上午7时49分 12 一 共发射极混合 参数等效电路 共射极晶体管结构示意图及其等效电路 物理模拟 上午7时49分 13 混合 参数等效电路是从模拟晶体管的物理机构出发 用参数元件R C和受控源来表示管内的复杂关系 此模型的优点是各元件参数物理意义明确 在较宽的频带内元件值基本上与频率无关 缺点是随器件不同而有不少差别 分析和测量不方便 混合 型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器 上午7时49分 14 晶体管共射极混合 参数等效电路 是基区体电阻 一般在十几欧 几十欧 是发射结结电阻 它代表了b 与e之间的等效电阻 其数值等于将发射结正向电阻re折合到基极回路的电阻值 通常在几百欧 0为晶体管共射低频电流放大系数 IE为发射级静态工作电流 其中电压 电流都是有效值 温度电压当量 发射级静态工作电流 上午7时49分 15 晶体管共射极混合 参数等效电路 是集电极与发射极之间的电阻 它反映了集电极电压对集电集电流的影响 也表示了晶体管的输出电阻值 通常该阻值也较大 一般在几十千欧以上 是集电结结电阻 它代表共射组态时晶体管内部电阻的反馈作用 反映了输出电压对输入电流的反作用 由于晶体管一般是工作在放大区 集电结总是处于反向偏置 该阻值很大 一般在100千欧 10兆欧之间 上午7时49分 16 晶体管共射极混合 参数等效电路 发射结电容 代表了输入阻抗中的电抗成分 大小在20pF 0 01 F之间 集电结结电容 代表了共射组态时晶体管内部的电容反馈作用 一般只有几皮法 它将输出的交流电压反馈一部分到输入端可能引起自激 上午7时49分 17 晶体管共射极混合 参数等效电路 应当指出 和的存在对晶体管的高频运放很不利 前者将输出的交流电压反馈一部分到输入端 基极 可能引起放大器的自激 后者在共基电路中引起高频负反馈 降低晶体管的电流放大系数 所以希望两者要尽量小 上午7时49分 18 它模拟晶体管放大作用 表示晶体管放大作用的等效电流源 gm称为晶体管的跨导 反映晶体管的放大作用 温度电压当量 发射级电流 在低频情况下 等效电路与习惯上的h参数简化等效电路相同 晶体管的跨导与工作点电流Ie成正比 而与管子的 0无关 在低频情况下 上午7时49分 19 二 y参数等效电路 对于高频小信号放大电路的分析 常采用y参数等效电路 一 是由于y参数要求在短路条件下获得 高频时晶体管内部电容效应不可忽视 在其端口实现短路条件较容易 二 是晶体管的等效参数与谐振回路之间常以并联方式出现 给导纳参数计算带来方便 三 高频小信号谐振放大器相对频带较窄 一般仅需考虑谐振频率附近的特性 因而采用这种分析方法较合适 上午7时49分 20 式中 晶体管共射网络y参数等效电路 y参数等效电路模型及参数 上午7时49分 21 晶体管在共射极接法时 电流放大系数 的模 随着工作频率f的升高而下降 当降到低频放大系数值 0的时的频率 即当 0 707 0时 称为晶体管共射放大系数 的截止频率 晶体管共射截止频率f 由于 0比1大的多 在频率为f 时 虽然下降到原来的0 707倍但仍然比1大得多 因此晶体管还能起到放大的作用 上午7时49分 22 晶体管电流放大系数电流放大系数也称电流放大倍数 用来表示晶体管放大能力 根据晶体管工作状态的不同 电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数 补充 1 直流电流放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数 是指在静态无变化信号输入时 晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值 2 交流电流放大系数交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数 是指在交流状态下 晶体管集电极电流变化量 IC与基极电流变化量 IB的比值 两个参数值在低频时较接近 在高频时有一些差异 上午7时49分 23 指晶体管简化的混合 型等效电路在共射极接法下 输出端 c e 对交流短路时 集电极电流对基极电流的比值 晶体管共射交流 低频 放大系数 0 晶体管共射直流放大系数 基集开路时集电极发射极之间的穿透电流 在IE的一个相当大的范围内 0 有效值 晶体管共射短路电流放大系数 上午7时49分 24 晶体管共基截止频率f 当晶体管共基极连接时 其输出端交流短路的电流放大系数也是随频率增高而降低的 当 降低到时所对应的频率称为截止频率 用f 表示 它是晶体管用作共基组态时的输出交流短路参数 晶体管共基电流放大系数 上午7时49分 25 特征频率fT 当频率增高使得 下降到1时的频率 fT是晶体管的重要的频率参数 它表示了晶体管丧失电流放大能力时的极限频率 最高振荡频率fmax fmax是晶体管的共射电路功率放大倍数 在阻抗匹配的条件下 下降到1的频率 它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 当f fmax时 无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡 上午7时49分 26 R1 R2 R3为偏置电阻 确定工作点LF CF为滤波电路 负压供电C3为旁路电路C4 L组成L C谐振回路R4是加宽回路通频带用r表示回路内部损耗 所谓单调谐回路共射放大器就是晶体管共射电路和并联谐振回路的组合 所以前面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用 2 3谐振放大器 2 3 1单调谐回路谐振放大器 上午7时49分 27 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 交流等效电路 分析求解谐振回路的主要技术指标 电压增益 功率增益 同频带与选择性等 上午7时49分 28 单调谐放大器谐振回路等效电路图 下面分析该放大器的主要技术指标 放大倍数 通频带 品质因素等 可先求出输入 输出电压与集电极电压的关系 1 电压放大倍数 分析 上午7时49分 29 由图可知 对回路而言Uc是上负下正 故Ic有一负号 YL代表负载谐振回路ab间导纳 不含信号源内阻 YL 代表由放大器集电极和发射极向右看回路导纳 不含信号源内阻 上午7时49分 30 2 3 6 2 3 7 2 3 3 代入 2 3 4 上午7时49分 31 g C 为折算到谐振回路上的等效值 上午7时49分 32 上午7时49分 33 电压增益的相关结论 注 AU0谐振时电压放大倍数 而当AU AU0 0 707为通频带的界限 上午7时49分 34 2 放大器的通频带B 上午7时49分 35 3 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 f0 BQ 例1 如图2 12 设工作频率f0 30MHz 回路电感L 1 4 H 接入系数为p1 1 p2 0 3 线圈品质因素Q0 100 晶体管均采用3DG47型NPN高频管 当Uce 6V IE 2mA时 晶体管的Y参数 在工作频率 如下 gie 1 2mS Cie 12pF goe 400 S Coe 9 5pF Yfe 58 3mS fe 2 2 Yre 310 S fe 88 8 试求单级谐振放大器 1 回路有载QL值和通频带B 2 回路谐振工作所需的电容C4 3 单级放大器的电压增益AU0 上午7时49分 37 先画一晶体管等效电路图 1 回路有载QL值和通频带B 2 回路谐振工作所需的电容C4 3 单级放大器的电压增益AU0 上午7时49分 39 2 3 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复杂的变化 1 增益 2 通频带 上午7时49分 40 根据通频带的定义 可以求m级放大器的通频带 2 f0 7 m 上午7时49分 41 3 选择性 以矩形系数为例 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 双调谐回路谐振放大器是改善放大器选择性和解决放大器增益和通频带之间矛盾的有效方法之一 例2三级单调谐中频放大器 中心频率f0 465kHz 若要求总的通频带 2 f0 7 3 8kHz 试求每一级的通频带2 f0 7 回路的有载品质因素QL 以及矩形系数 解 上午7时49分 43 2 6谐振放大器的稳定性 我们在讨论低频放大器时 常常假定了反向传输导纳Yre 即晶体管单向工作 输入电压可以控制输出电流 而输出电压不影响输入 实际上Yre 0 即输出电压可以反馈到输入端 特别是随着频率的增加 它引起输入电流的变化可能引起放大器工作不稳定 如果这个反馈足够大 且在相位上满足正反馈条件 则会出现自激振荡 低频小信号模型 高频小信号模型 F 密勒效应 上午7时49分 44 为了提高放大器的稳定性 通常从两个方面着手 一是从晶体管本身想办法 减小其反向传输导纳Yre值 Yre的大小主要取决于集电极与基极间的结电容 b c 由混合 型等效电路图可知 b c跨接在输入 输出端之间 所以制作晶体管时应尽量使其 b c减小 使反馈容抗增大 反馈作用减弱 二是从电路上设法消除晶体管的反向作用 使它单向化 具体方法有中和法与失配法 中和法是在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路 中和电路 以抵消晶体管内部参数Yre的反馈作用 由于Yre的实部 反馈电导 通常很小 可以忽略 所以常常只用一个电容CN来抵消Yre的虚部 反馈电容 的影响 就可达到中和的目的 上午7时49分 45 为了使通过CN的外部电流和通过Cb c的内部反馈电流相位相差180 从而能互相抵消 通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器 如图2 15 a 所示为收音机常用的中和电路 b 是其交流等效电路 为了直观 将晶体管内部电容Cb c画在了晶体管外部 图2 15放大器的中和电路 上午7时49分 46 由于Yre是随频率而变化的 所以固定的中和电容CN只能在某一个频率点起到完全中和的作用 对其它频率只能有部分中和作用 又因为Yre是一个复数 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路 但这给调试增加了困难 另外 如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响 中和电路的效果很有限 失配法通过增大负载电导 L 进而增大总回路电导 使输出电路严重失配 输出电压相应减小 从而反馈到输入端的电流减小 对输入端的影响也就减小 可见 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定 上午7时49分 47 用两只晶体管按共射 共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法 图2 16是其结构原理图 由于共基电路的输入导纳较大 当它和输出导纳较小的共射电路连接时 相当于使共射电路的负载导纳增大而失配 从而使共射晶体管内部反馈减弱 稳定性大大提高 图2 16共射 共基电路 上午7时49分 48 2 4宽频带放大器 宽频带放大器既要有较大的电压增益 又要有很宽的通频带 所以常用电压增益Au和通频带B的乘积作为衡量其性能的重要指标 称为增益带宽积 写成GB Au fH 此处的通频带用上限截止频率fH表示 因为宽频带放大器的下限截止频率fL一般很低或为零频 Au是电压增益幅值 增益带宽积越大的宽频带放大器的性能越好 宽频带放大器既可以由晶体管和场效应管组成 也可以由集成电路组成 上午7时49分 49 展宽放大器频带的方法 在实际宽频带放大电路中 要展宽通频带 也就是要提高上限截止频率 主要有组合法和反馈法两种方法 1 组合电路法 采用共射 共基等组合电路可以提高上限截止频率 共射电路的电流增益和电压增