高频电子线路第一章高频小信号放大器ppt课件

Charpter2高频小信号放大器 2 1高频小信号放大器概述 2 2晶体管高频小信号等效电路与参数 2 3单调谐回路谐振放大器 2 4小信号谐振放大器的稳定性 2 5双栅场效应管高频放大器 2 6集成电路谐振放大器 2 7放大电路的噪声思考题 习题 2 1高频小信号放大器概述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到几百MHz 频宽在几khz到几十MHz 小信号 晶体管或场效应管工作在线性范围 甲类 内 可将晶体管或场效应管看作线性元件 可用有源四端网络来分析 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 集电电路 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 1概述3 高频小信号放大器的质量指标 1 增益 放大系数 分贝表示 电压增益 功率增益 2 通频带 电压增益下降到最大值的0 7 即1 倍时 所对应的频率范围称为放大器的通频带 用B 2f0 7表示 2 f0 7也称为3分贝带宽 3 选择性 抑制比 dn 表示对某个干扰信号fn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1越好 矩形系数Kr 为了表示实际曲线接近理想通带曲线的程度 4 工作稳定性 指在电源电压或器件参数变化时以上各参数的稳定程度 5 噪声系数 表示放大器的噪声性能 NF越接近1越好 以上这些参数 相互之间即有联系又有矛盾 增益和稳定性是一对矛盾 通频带和选择性是一对矛盾 故应根据需要决定主次 进行分析和讨论 2 2晶体管高频小信号等效电路与参数 一 y形式等效电路 网络参数等效电路 特点 晶体管y参数是晶体管本身的参数 仅与晶体管特性有关 与外电路无关 晶体管输入 输出的大小和相角都与频率有关 y参数是频率的函数 不同组态晶体管电路 常用下标来提示说明 二 混合 参数等效电路 复习 把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表示 而构成的等效电路就是所谓的 参数等效电路 Y参数与混合 参数可互相转换 等效电路如下图 三 晶体管的高频参数 1 晶体管 随频率下降的原因 低频时 由于 0比1大的多 在频率为f 时 虽然下降到原来的0 707 但是仍然比1大的多 因此晶体管还能起到放大的作用 1 截止频率 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 当f fmax时 无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡 2 定义 例1 已知高频管3DG6B特征频率为200MHz 0 50试求 1 f 50MHz时的 值 2 下降到10时的频率 2 10时 解 1 1 电路构建 构建思路 放大管 偏置 负载 耦合 R1 R2 R3为偏置电阻 决定工作点 C4 L组成LC谐振回路 2 3单调谐回路谐振放大器 小结 单调谐回路共发放大器是晶体管共发电路和单调谐并联谐振回路的组合 并联谐振回路的作用 选频 阻抗变换 一 单级放大电路 2 放大电路等效变换1 将实际电路转化成交流等效电路 去偏置电阻与旁路电容 去直流电源与退耦电容 去藕合元件 2 交流等效电路整理 Y参数等效电路的抽头变换 交流等效电路转化成Y参数等效电路 3 电路参数分析 借助等效电路 1 电压增益 电压增益Au的讨论 将其归一化 可见 其频率特性曲线与并联回路相同 2 放大器的通频带 根据通频带的定义 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 矩形系数 0 1带宽 0 7带宽 4 单调谐放大器的输入 输出导纳 输入导纳 输出导纳 4 单调谐放大器的输入 输出导纳 二 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 m级放大器的通频带 单级放大器的通频带宽于多极级联后的放大器的增益 超外差收音机电路 三 实际应用电路 例2 在题图中 放大器的工作频率为fo 10 7MHz 谐振回路电感L13 4 H Qo 100 N23 6 N13 20 N45 5 晶体管在直流工作点和工作频率fo 10 7MHz时参数为goe 200 S Coe 7PF gie 2860 S Cie 18PF yfe 45mS fe 54o yre 0 31mS re 75o 在忽略yre情况下 试求 1 画高频等效电路 2 计算C Au0 2 f0 7 Kr0 1 3 计算两级放大器的总电压增益 通频带 矩形系数 例题2图 2 4小信号谐振放大器的稳定性 一 谐振放大器存在不稳定性的原因 二 放大器稳定性讨论 当Ui与Ui 两相量相等时 放大器产生自激 2 为判定放大器的稳定程度 设定稳定系数 S 1 闭环增益 讨论 S越大 放大器越稳定 S越小 放大器越不稳定 S接近1时 电路工作不稳定 S 1时 放大器产生自激 通常 S 5时 认为放大器可稳定工作 放大器工作状态确定后 S仅与放大器自身的参数有关 3 S参数分析 yie Ys 和 yoe Y L 都可等效成单并联谐振回路 可用广义失谐表示 自激时 通常 输入回路和都输出回路相同 三 放大器稳定增益 谐振时 输入回路和都输出回路导纳关系 由于yre存在 晶体管是双向的器件 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 失配法 中和法外加一个电容抵消正反馈电容的作用 四 稳定的措施 2 失配法 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晶体管的输出阻抗匹配 即以牺牲电压增益来换取放大器的稳定性 例 共射 共基复合放大 2 失配法 例 实用共射 共基复合放大电路 例3 在题图中 放大器的工作频率fo 10 7MHz 谐振回路L13 4 H Qo 100 N23 6 N13 20 N45 5 晶体管在直流工作点和工作频率fo 10 7MHz时的参数为goe 200 S Coe 7PF gie 2860 S Cie 18PF yfe 45mS fe 54o yre 0 31mS re 75o 在考虑yre情况下 1 计算最大稳定增益 Au0 s 2 判断并说明此放大器是否稳定 1 2 判断依据 解题思路 一 结型场效应管特性及电路 2 5双栅场效应管高频放大器 自修 场效应管具有输入阻抗高 动态范围大 噪声小 线性好 杭幅射能力强等优点 二 双栅场效应管特性及电路 双栅MOS管放大电路 一个管于中有两个控制栅极 漏极与第一栅极之间的反馈电容很小 一般均小于0 05pF 用此管于制做的放大器的工作稳定性高 下图是彩色电视机高频调谐器中具有自动增益控制作用的双栅场效应管高频放大器 从结构上来看可认为是共源 共栅放大器的形式 输入信号通过L1C1组成的单调谐输入回路加到第一栅极g1 通过双栅场效应管进行放大 漏极接的负载为互感耦合双调谐回路 耦合度较强 频率特性呈双峰特性 第二栅极g2通过C5交流接地 整个管子构成共源 共栅放大器 第二栅极g2还通过R3加入自动增益控制 AGC 电压实现放大器的增益控制 2 6集成电路谐振放大器 一 集中选频放大器组成 二 线性宽带集成电路品种繁多 根据设计需要选择 1 8FZ12 ER4803U24503 AD603 三 集中滤波器LC集中选择性滤波器 声表面波滤波器 石英晶体滤波器 四 放大电路举例 器件的输入和输出各有一个单谐振回路 输入信号V1通过隔直流电容C4加到输入端的引脚 1 另一输入端的引脚 3 通过电容C3交流接地 输出端之一的引脚 6 连接电源正端 并通过电容C5交流接地 故电路是单端输入 单端输出 由L3和C6构成去耦滤波器 减小输出级信号通过供电电源对输入级的寄生反馈 1 由MC1590构成的选频放大器 器件MC1590具有工作频率高 不易自激的特点 并带有自动增益控制的功能 其内部结构为一个双端输入 双端输出的全差动式电路 2 7放大电路噪声 现实中的噪声 听广播时 常常会听到 沙沙 声 观看电视时 常常会看到 雪花 似的背景或波纹线 这些都是接收机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果 噪声的影响 噪声对有用信号的接收产生了干扰 特别是当有用信号较弱时 噪声的影响就更为突出 严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收 干扰与噪声 干扰一般指外部无用信号 可分为 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的干扰等 噪声一般指内部无用信号 也可分为 自然噪声 有热噪声 散粒噪声和闪烁噪声等 人为噪声 有交流亨声 感应噪声接触不良噪声等 本小节主要讨论自然噪声 2 7放大电路噪声 3 噪声度量与表示 统计方法 方均值 单位电阻上的平均功率 一 噪声来源与特点 1 热噪声产生 是电路内部的自由电子热运动所产生 放大电路内部噪声主要来源于电路内的电阻热噪声和放大器件的噪声 2 热噪声特点 随机无规则 长时平均值为零 极宽的均匀频谱 一 电阻热噪声 电阻热噪声 热运动理论和实践证明 电阻热噪声功率普密度为 二 放大器件噪声 晶体管和场效应晶体管的噪声 1 晶体管的噪声 热噪声晶体管中的电子不规则的热运动产生的热噪声 这类由电子热运动所产生的噪声 主要存在于rbb 内 发射极和集电极电阻的热噪声一般很小可以忽略 散粒噪声 少数裁流子经PN结注入基区时是随机的量 即单位时间内注入的载流子数目不同 到达集电极的载流子数目也不同 由此引起的噪声叫散粒噪声 散粒噪声具体表现为发射极电流以及集电极电流的起伏现象 分配噪声晶体管发射区注入到基区的少子中 一部分经过基区到达集电极形成集电极电流 一部分在基区复合 载流子复合时 其数量时多时少 存在起伏 分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合数量的变化不同所引起的噪声 即由发射极发出的栽流子分配到基极和集电极的数量随机变化而产生的噪声 闪烁噪声它主要在低频范围产生影响 它的噪声频谱与频率f近似成反比 它的产生原因目前尚有不同见解 二 放大器件噪声 晶体管和场效应晶体管的噪声 2 场效应晶体管的噪声 场效应管漏 源之间的沟道电阻会产生热噪声 与一般电阻器不同 沟道电阻由于受栅源电压控制因而不是一个恒定电阻 这是场效应晶体管的主要噪声 场效应管也存在散烁噪声 3 减小噪声系数的措施 选用低噪声的元器件 正确选择放大级的直流工作点 选择合适的工作带宽 选用合适放大电路 降低放大器的工作温度 减少接收天线的馈线损耗 二 电阻噪声电路的计算 并联电阻的噪声计算 串联电阻的噪声计算 1 噪声电阻的等效 如图 三 放大电路噪声的表示与计算 输出端功率普分析 表明 So f 与横轴所夹面积 由图可见 放大器输出噪声强度与其增益及带宽有关 具有均匀功率普的噪声经过放大器后的输出噪声功率普变化如图 输出噪声电压 一 等效噪声带宽 fn 具有均匀功率普的噪声经过放大器后 在输出端功率普如图示 不利于噪声分析计算 按功率等效原则 面积相等 定义一矩形 其高 S fo 其宽 fn 则有 等效噪声带宽 fn讨论 fn取决于放大器自身参数 例 单并联回路的等效噪声带宽为 对输入均匀功率普噪声的放大器 可用 fn来计算其输出噪声 即 fn与2 f0 7概念不同 但有一定关系 二 噪声系数 1 定义 2 推理 3 NF讨论 NF是描述放大器 二端口网络 噪声的物理量 噪声系数永远大于等于1 2 噪声系数 4 用额定功率和额定功率增益来表示NF 可见 NF用额定功率表示时 APH和P ni是仅与二端口网络自身相关的参数 三 噪声温度 把放大电路的内部噪声看做是由信号源内阻RS在温度为Ti时所产生的噪声 即 在放大电路的输入端 虚设一个噪声源 上式中T为室温 可认为T 290K 上式常用来计算放大电路的噪声系数与噪声温度之间的转换 放大电路的噪声系数较低时 用噪声温度来表征放大电路的噪声性能是比较合适的 讨论 电路内部噪声 四 多级放大器噪声系数计算 一级放大器噪声计算 已知 APH NF fn 则 可见 在已知APH NF fn后 就可计算出PnoII 两级放大器噪声系数计算 已知 APH1 NF1 APH2 NF2 fn n级放大器噪声系数 由此式可知 多级放大器总的噪声系数主要取决于前面两级 而和后面各级的噪声系数几乎没有关系 电路内部噪声 五 无源二端口网络噪声系数 1 无源二端口网络 无源二端口网络广泛应用于各种无线电设备中 例如接收机的输入回路 天线至接收机的传输线以及LCR滤波器等 2 无源二端口网络的NF 例5 教材P35例2 1 解 例6 如题图所示 虚线框内为一线性网络 G为扩展通频带的电导 请画出噪声等效电路 并求其噪声系数NF 解 1 噪声等效电路 2 噪声系数NF 信号源内阻噪声传送到负载上的 线性网络及负载噪声分配到负载上的 一 掌握高频小信号放大器的功能 指标 分类及各自的特点 二 掌握晶体管的高频特性三 掌握高频小信号放大器的基本电路组成与等效 及基本性能分析 基本指标及稳定性分析 四 了解其它形式高频小信号谐振放大器 如 场效应管放大器 集成放大器 宽待放大器等 五 掌握噪声分析方法 本章学习要求 思考题1 1 画出三极管共射极混 型等效电路 并说明每个参数的名称 2 写出y参数方程 画出它的等效电路 并说明各参量的名称 3 说明f fT 和fmax的物理意义 并说明它们之间的关系 4 影响谐振放大器稳定性的因素是什么 反向传输导纳的物理含义是什么 5 晶体管的截止频率f 是指当输出短路电流放大倍数 下降到低频 0的时所对应的工作频率 6 矩形系数是表征放大器好坏的一个物理量 7 设计一级小信号谐振放大器电路 并说明各元件功能 8 调幅接收机高 中放一般采用 单 双 调谐放大器 电视机高 中放一班采用 单 双 调谐放大器或 单 双 9 为什么晶体管在高频工作时要考虑单向化 而在低频工作时 可以不必考虑 10 调谐放大器不稳定的内部因素是由于引起 消除其影响的方法有和 11 晶体管和场效应管噪声