高频电子技术3

第3章高频小信号放大器 无线电通信的特点是接收机接收到的无线电信号通常是微弱的 必须首先对它进行放大 高频小信号放大器是无线电通信设备必需的功能电路 它的作用是对微弱的高频小信号进行不失真的放大 常见的无线电接收机的高频和中频放大器都是高频小信号放大器 高频小信号放大器 高频小信号放大器按所用器件可分为晶体管 场效应管和集成电路放大器 按所用负载性质可分为谐振和非谐振放大器 谐振放大器 resonantamplifier 就是用LC谐振回路作负载的放大器 由于谐振回路有选频特性 所以谐振放大器对接近谐振频率的信号 有较大增益 对远离谐振频率的信号 增益很小 所以谐振放大器既有放大作用 又有选频滤波作用 非谐振放大器 非谐振放大器是由各种滤波器 LC集中选择性滤波器 陶瓷滤波器 声表面波滤波器 石英晶体滤波器 和阻容耦合放大器组成的 由滤波器选頻 放大器提供电压增益 其性能稳定 无需调整 便于集成化 现已广泛使用 高频小信号放大器的主要性能指标 1 电压增益与功率增益2 通频带3 选择性4 稳定性5 噪声系数 晶体管的Y参数等效电路 混合 型等效电路是从模拟晶体管的物理结构出发 用集中参数元件r C和受控源表示晶体管内的复杂关系 这种等效电路称为物理模拟等效电路 它的优点是 各元件参数物理意义明确 在较宽的频带内这些元件值基本上与频率无关 缺点是 随着器件不同有不少的差别 分析和测量不便 因此 混合 型等效电路比较适合宽频带放大器 Y参数等效电路是从测量和使用的角度出发 把晶体管看作一个有源线性四端网络 用一组网络参数来构成其等效电路 这种等效电路称为形式等效电路 图3 2晶体管共射组态的Y参数等效电路 式中Yie Yre Yfe Yoe是Y参数 具有导纳量纲 故又称为四端网络的导纳参数 其中 Y参数是工作频率的函数 当工作频率不同时 即使是同一晶体管 其Y参数也是不一样的 当工作频率比较低 电容效应的影响可以不考虑时 晶体管的Y参数才可以认为近似不变 若忽略Y参数的虚部 则可得到低频工作的Y参数值 gie goe分别称为输入 输出电导 Cie Coe分别称为输入 输出电容 fe是正向传输导纳Yfe的相角 re是反向传输导纳Yre的相角 图3 3晶体管共发射极混合 型等效电路 rbb 基区体电阻25 rb e 发射结电阻150 Cb e 发射结电容500pF Cb c 集电结电容5pF rb c 集电结电阻1M 反偏 很大 被Cb c短接掉 rce 集 射极电阻100k Cce 集电极电容 很大 被rce短接掉 gm 晶体管跨导 反映放大能力 gm IEQ 26 0 rb e50ms 3 2 3晶体管的频率参数 1共射截止频率f 截止频率f 的定义 当的频率 即 特征频率fT晶体管的放大性能有时还用特征频率fT表示 特征频率是 1时的频率 根据定义 当 0远远大于1时 解之得 共基截止频率f 用近似公式代入得 故f fT f 三个频率的关系是 f fT f f f fT是晶体管三个重要频率参数 当晶体管用作共基极联接时 其输出端交流短路的电流放大倍数也是随频率提高而降低的 当 下降到时 所对应的频率称为共基截止频率 高频小信号谐振放大器是由放大电路 由晶体管 场效应管或集成电路组成 与选频电路 主要是LC谐振回路 组成 作用是将微小的高频信号进行线性放大 选出中心频率 输入信号对应 的信号 并滤除不需要的干扰频率信号 主要讨论高频小信号谐振放大器的主要性能指标 电压增益 功率增益 通频带和矩形系数等 高频小信号谐振放大器的分析方法主要采用Y参数等效电路法 线性分析方法 3 3高频小信号谐振放大器 图3 5单调谐回路谐振放大器 放大电路的等效电路 忽略管子内部的反馈 即令Yre 0 3 放大器的性能指标电压增益由等效电路可得 由电压增益定义可得 当放大器谐振时 谐振时电压增益 增益幅值 相角 谐振频率 回路有载品质因数 谐振时的功率增益若前后级放大器采用相同型号的晶体管 且工作电流相同 则 通频带通频带和电压增益的乘积是一定值 反映了两者之间的矛盾性 矩形系数反映了单级单调谐放大器的选择性很差 增益带宽积为常数 2 多级单调谐放大器多级单调谐放大器的谐振频率相同 均为信号的中心频率 1 电压增益多级单调谐放大器的总电压增益是各级电压增益的乘积 若由完全相同的单级放大器组成 各级电压增益相等 则m级放大器的总电压增益为2 单位谐振函数m级相同的放大器级联时 它的单位谐振函数等于各单级放大器单位谐振函数的乘积 3 通频带多级放大器级数越多 通频带越窄 4 矩形系数多级放大器级数越多 矩形系数越小 与理想矩形特性越接近 例 采用完全相同的三级单调谐放大电路组成的中放电路 其谐振总电压增益为66dB 3dB带宽为5kHz 工作频率为455kHz 求每级放大电路的谐振电压增益 3dB带宽及每个回路的有载Q值为多少 解 因三级放大器的谐振总电压增益为故每级放大器的谐振电压增益为因三级放大器的总通频带为故每级放大器的带宽为则每个回路的有载Q值为 3 3 3双调谐放大器 提高放大器选择性 解决增益和通频带间的矛盾 有效方法之一是采用双调谐放大器 双调谐放大器采用两个相互耦合的单调谐回路作放大器的选频回路 两个单调谐回路的谐振频率都调谐在信号的中心频率上 双调谐放大器就是将单调谐回路放大器中单调谐回路改成双调谐回路 双调谐回路放大器电路如图3 7所示 其等效电路如图3 8所示 图3 7双调谐回路放大器 图3 8双调谐放大器等效电路 双调谐放大器的性能指标 1 谐振时电压增益临界耦合时 有2 通频带3 矩形系数单级双调谐放大器的通频带是单级单调谐放大器通频带的倍 与单调谐放大器相比 双调谐放大器的矩形系数较小 谐振曲线较接近于理想矩形 选择性较好 较好地解决了通频带与增益之间的矛盾 但双调谐放大器的调整较为复杂 多级双调谐放大器和多级单调谐放大器类似 通频带随级数的增加而减小 矩形系数所级数的增加而变好 3 3 4谐振放大器的稳定性 保证放大器增益 通频带 选择性的稳定 主要影响 反向传输导纳Yre可能引起正反馈 常用解决方法 1 中和法 晶体管B C极之间加入一个电容2 失配法 使晶体管的负载阻抗与输出阻抗不匹配 图3 9中和法原理电路 图3 10共射 共基级联放大器交流等效电路 失配法 3 4集中电路高频小信号放大器由线性集成电路与选频电路相结合方式实现 又称模拟集成电路 3 4 1线性宽频带集成放大电路8FZ1ULN2204 图3 12线性宽频带小信号放大器 8FZ1 图3 13ULN 2204集成的中频放大部分 3 4 2集成电路选频放大器 1 PC1018集成中频放大电路 广泛用于调频 FM 调幅 AM 的集中中频放大电路 双列直插16脚塑料封装 工作电压 2 5 6V 内部带有高调频 调幅分开的中放电路 还有本振 混频 用自动增益控制电路 图3 15 PC1366C图像中频放大电路 图像中频放大电路包括3个部分 1前置补偿放大器 由高频头送来的中频信号在晶体管VT 3DG1674 进行预中放 以补偿采用声表面波滤波器造成的插入损耗 2声表面波中频滤波器SWAF VT放大后的中频信号送至声表面波滤波器SAWF 它具有很好的选择性和较宽的频带宽度 由它确定了中频放大器的幅频特性 参见图2 25 使中频放大电路无需调整 由SAWF选出的中频信号频率为38MHz 频带宽为8MHz 并且幅频特性符合电视中频放大器的要求 PC1366C集成电路的图像中放部分 中频信号经SAWF滤波后由8脚和9脚送入 PC1366C内的图像中频放大器 经放大获得足够增益后送至 PC1366C内的视频检波器 图3 16集成中频放大器内部结构 3 5噪声与干扰 所谓噪声 或干扰 就是除有用信号以外的一切不需要的信号及各种电磁骚动的总称 噪声一般指内部噪声 又分自然和人为两类 自然噪声有热噪声 散粒噪声和闪烁噪声等 人为噪声有交流噪声 感应噪声等 干扰一般指外部干扰 也分自然和人为两类 自然干扰有天电干扰 宇宙干扰和大地干扰等 人为干扰有工业干扰和无线电台干扰 3 5 1电路内部噪声的来源电路内部噪声的主要来源是电阻的热噪声和放大器件的噪声 1 电阻的热噪声电阻的热噪声是由电阻内部的自由电子无规则热运动所产生的 如下图所示 噪声电压 或电流 是上下起伏变化的 但在一定时间内其平均值为零 起伏噪声的频谱在极宽的范围内 且有均匀的功率谱密度 故也称为白噪声 电阻热噪声电压波形 2 晶体管的噪声晶体管的噪声主要有热噪声 散粒噪声 分配噪声和闪烁噪声 热噪声主要由基区体电阻所产生 散粒噪声是由于晶体管内部基区少数载流子注入率的随机性引起的 是主要噪声来源 分配噪声是由于晶体管内部基区少数载流子复合量的随机性引起的 闪烁噪声的产生与半导体制作时表面清洁处理度和外加电压有关 主要考虑低频情况 晶体管的噪声主要决定于热噪声 散粒噪声和分配噪声 在很宽的频率范围内随频率变化是很小的 图3 18晶体管的噪声系数与频率的关系 2 3 2噪声系数1 信噪比电路某处的信号功率与噪声功率之比称为信噪比 用符号S N表示 通常用信噪比来表示噪声对信号的影响 信噪比越大 信号质量越好 2 噪声系数下图为一线性四端网络 它的噪声系数定义为输入端的信噪比 S N i与输出端的信噪比 S N o的比值 即 多级放大器网络的噪声 当放大器的额定功率增益远大于1时 系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数 越是后面的网络 对噪声系数的影响就越小 这是因为越到后级信号的功率越大 后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了 因此 对第一级来说 不但希望噪声系数小 也希望增益大 以便减小后级噪声的影响 2 3 3常用减小噪声系数的措施1 选用低噪声的元器件 2 正确选择放大器的静态工作点 3 选择合适的工作带宽 4 选用合适的放大电路 5 降低放大器的工作温度 6 减少接收天线的馈线损耗 3 选择合适的工作带宽噪声电压与通频带宽度有关 接收机或放大器的带宽增大时 各种内部噪声也增大 因此必须选择合适的带宽 既要满足信号通过的要求 但又不宜过宽 以免信噪比下降 4 选用合适的放大电路放大器的选用要考虑功率增益和最小噪声 就是要兼顾噪声匹配和功率匹配 工作频率不太高时 共射极放大器能兼顾噪声匹配和功率匹配 因此 在很多多级放大器中 输入级常采用共射放大器 在工作频率较高的系统中 多级放大器的第一级采用共基极放大器是有利的 前面介绍的共射 共基级联放大电路 也是高稳定和低噪声的电路 5 降低放大器的工作温度热噪声是内部噪声的主要来源之一 所以降低放大器 特别是接收机前端放大器件的工作温度 对减少噪声系数是有作用的 对灵敏度要求特别高的设备来说 降低工作温度是一个重要措施 如在卫星地面站接收机的高频放大器采用 冷参放 冷至20 80K的参数放大器 其他器件组成的放大器致冷后 噪声系数也有明显降低 3 5 4外部干扰的类型和抑制 1 天电干扰自然界的雷电现象 产生强烈的电磁场骚动 并向四面八方传播到很远的地方 此外 带电的雨雪和灰尘的运动 以及它们对天线的冲击都可能引起天电干扰 一般在地面接收时 主要的天电干扰是雷电放电所引起的 要完全克服天电干扰是困难的 因为不可能在产生干扰的地方进行抑制 因此 只能在接收机等设备上采取一些措施 如电源线加接滤波电路 采用窄频带以及加接抗脉冲干扰电路等 或在雷电多的季节采用较高的频率进行通信 2 电气干扰的产生和抑制电气干扰是由各种电气装置中的电流 或电压 急剧变化所形成的电磁辐射 作用在接收机天线和电路上所产生的干扰 各种电气设备 例如马达 电焊机 高频电气装置 X光机 电弧炉 电磁炉 空调器 汽车点火系统和电气开关等 它们在工作过程中或者由于产生火花放电而伴随电磁波辐射 或者本身就存在电磁波辐射 为了克服电气干扰 最好在产生干扰的地方进行抑制 例如 在电气开关 电动机的火花系统的接触处并联一个电阻和电容 以减小火花作用 或在干扰源处加接防护滤波器 除此以外 还可以把产生干扰的设备 加以良好的屏蔽来减小干扰的辐射作用 本章小结1 高频小信号放大器是对微弱高频信号进行不失真放大的功能电路 它有增益 通频带 选择性 矩形系数 稳定性和噪声系数等5项技术指标 2 谐振放大器是用LC谐振回路作负载的放大器 谐振放大器既有放大作用又有选频作用 谐振放大器的幅频特性曲线与所用LC谐振回路相同 单调谐放大器选择性较差 双调谐放大器选择性较好 为实现阻抗匹配 提高电压增益 减少晶体管输入 输出参数对回路谐振特性的影响 谐振回路与信号源和负载的连接通常采用部分接入方式 3 分析高频小信号谐振放大器时 常采用y参数等效电路 y参数不仅与静态工作点有关 而且是工作频率的函数 混合 形等效电路是把晶体管内的复杂物理结构用集中参数元件RC来表示的等效电路 也是分析高频小信号放大器的常用电路 4 线性宽频带集成电路能对高频小信号进行高增益 高稳定性地放大 它与选频电路结合就组成集成电路选频放大器 它对选频电路频率特性要求较高 选频电路除了常用的LC谐振回路外 还广泛使用陶瓷滤波器 声表面波滤波器等集中滤波器 集成电路和集中滤波器组成的高频