Ch 高频小信号放大器ppt课件

4高频小信号放大器,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多级单调谐回路谐振放大器,4.5双调谐回路谐振放大器,4.1概述,4.7谐振放大器的常用电路和集成电路谐振放大器,4.8场效应管高频小信号放大器,4.9放大器中的噪声,4.10噪声的表示和计算方法,4.6谐振放大器的稳定性与稳定措施,4高频小信号放大器,高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,4.1概述,几十V几mV,1V左右,普通调幅无线电广播所占带宽应为kHz，电视信号的带宽为Mz左右。,4.1概述,高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,高频小信号放大器,谐振放大器（窄带）,非谐振放大器（宽带）,LC集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,（调谐与非调谐）,高频小信号放大器的分类,本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。,4.1概述,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：,4.1概述,高频小信号放大器的主要质量指标,3)选择性,矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。,：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。,4.1概述,高频小信号放大器的主要质量指标,抑制比：表示对某个干扰信号fn的抑制能力，用dn表示。,4.1概述,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。,高频小信号放大器的主要质量指标,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。,基本共射极放大电路,稳Q共射极放大电路,不稳定状态的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。,4.1概述,出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。,低频小信号模型,高频小信号模型,高频小信号放大器的主要质量指标,4.1概述,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。,高频小信号放大器的分析方法,晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。,4.1概述,4.2晶体管高频小信号等效电路与参数,4.2.1形式等效电路（网络参数等效电路）,4.2.2混合等效电路(物理模拟等效),4.2.3混合等效电路参数与形式等效电路参数的转换,4.2.4晶体管的高频参数,4.2.1形式等效电路,有源线性四端网络,4.2.1形式等效电路,因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的y（导纳）参数等效电路。,图4.2.1晶体管共发射极电路,图4.2.2参数等效电路,4.2.1形式等效电路,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。,图4.2.2参数等效电路,放大器输入导纳Yi,4.2.1形式等效电路,图4.2.3晶体管放大器及其参数等效电路,放大器输出导纳Yo,4.2.1形式等效电路,4.2.2混合等效电路,4.2.2混合等效电路,晶体管物理等效电路,y（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。,4.2.2混合等效电路,图4.2.4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。,图4.2.4混合等效电路,4.2.2混合等效电路,图4.2.5参数及混合等效电路,4.2.3等效电路参数的转换,4.2.3等效电路参数的转换,End,4.2.3等效电路参数的转换,4.2.4晶体管的高频参数,1.截止频率,2.特征频率,当ffT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。,4.2.4晶体管的高频参数,4.2.4晶体管的高频参数,2.特征频率,图4.2.6截止频率和特征频率,可以粗略计算在某工作频率ff的电流放大系数。,3.最高振荡频率fmax,ffmax后，Gp1,不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。,4.3.3通频带与选择性,End,4.3.4级间耦合网络,图4.3.4单调谐放大器的级间耦合网络形式,中频放大器设计实例：例题4.3.3,4.4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,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,4.4多级单调谐回路谐振放大器,1.增益,2.通频带,可求得n级放大器的通频带,4.4多级单调谐回路谐振放大器,2.通频带,4.4多级单调谐回路谐振放大器,例：若f0=30MHz，所需通频带为4MHz，则：,单级实现所要求的品质因数为,2级实现所要求的品质因数为,3.选择性（矩形系数）,通频带,4.4多级单调谐回路谐振放大器,Kr,3.选择性（矩形系数）,4.4多级单调谐回路谐振放大器,当级数n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。,Kr,4.6谐振放大器的稳定性与稳定措施,4.6.1谐振放大器的稳定性,4.6.2单向化,4.6.1谐振放大器的稳定性,1.放大器的输入导纳和输出导纳,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4.6.1放大器等效输入端回路,实际电路中，,4.6.1谐振放大器的稳定性,3.自激产生的原因(以输入导纳的影响为例),图4.6.2反馈电导随频率变化的关系曲线,4.6.1谐振放大器的稳定性,gF是频率的函数，可呈负电导性，使回路的总电导减小，QL增加，通频带减小，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）则回路总电导g=0，QL，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。,（自激振荡）,4.6.1谐振放大器的稳定性,如果反馈电导为负值，那么g=gs+gie1+gF=0可能存在，即发生自激振荡现象。,4.自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),回路谐振时，g=gs+gie+gF=0且：电纳也为0；,=0,分解为幅值和相位两个条件：,4.6.1谐振放大器的稳定性,不发生自激的条件：,4.6.1谐振放大器的稳定性,回路谐振时，g=gs+gie+gF=0,回路谐振时，g=gs+gie+gF0,4.自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),稳定系数,如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果S1，放大器不会产生自激。S越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,4.6.1谐振放大器的稳定性,4.自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),5.稳定性分析,假设放大器输入与输出回路相同：,(包括谐振回路),4.6.1谐振放大器的稳定性,5.稳定性分析,4.6.1谐振放大器的稳定性,5.稳定性分析,考虑到全部接入，即p1=p2=1,4.6.1谐振放大器的稳定性,4.6.2单向化,如前所述，由于晶体管内存在yre的反馈，所以它是一个“双向元件”。作为放大器工作时，yre的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。消除yre的反馈，变“双向元件”为“单向元件”。这个过程称为单向化。,避免自激的最简单做法是在回路两端并接电阻，即增加损耗。这就是“失配法”。,4.6.2单向化,不发生自激的条件，,回路谐振时，g=gs+gie+gF0,同理，如果把信号源导纳Ys取得比晶体管yie大得多，那么输出导纳,因此，所谓“失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,4.6.2单向化,如果把负载导纳YL取得比晶体管yoe大得多，即YLyoe，那么输入导纳,4.6.2单向化,稳定系数,可知，当Ysyie和YLyoe，稳定系数S大大增加。,但同时，增益必须减小。实际上，增益随gL增加而减小。,典型电路：共发共基级联放大器,ic1,End,4.6.2单向化,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。共发级负载导纳yie很大时电压增益会减小，但电流增益仍较大；共基级虽然电流增益为1，但电压增益却较大；因此级联后功率增益较大，且稳定性较高。,下图表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中频放大器电路。,谐振放大器电路举例,作业：P1514.9P1524.10,4.9放大器中的噪声,4.9.2电阻热噪声,4.9.3天线热噪声,4.9.4晶体管的噪声,4.9.5场效应管的噪声,4.9.1内部噪声的来源与特点,4.9放大器中的噪声,自然干扰,人为干扰,干扰与噪声,外部干扰,内部噪声,天电干扰,宇宙干扰,大地干扰,工业干扰,无线电台,自然噪声,人为噪声,热噪声,散粒噪声,闪烁噪声,交流噪声,感应噪声,接触不良,4.9.1内部噪声的来源与特点,这种无规则运动具有起伏噪声的性质，是一种随机过程，即在同一时间（）内，这一次观察和下一次观察会得出不同的结果,放大器的内部噪声主要是由电路中的电阻、谐振回路和电子器件内部所具有的带电微粒无规则运动所产生的。,图4.9.1随机过程示意图,随机过程的特征通常用它的平均值、均方值、频谱或功率谱来描述。,1.起伏噪声电压的平均值,图4.9.2起伏噪声电压的平均值,4.9.1内部噪声的来源与特点,2.起伏噪声电压的均方值,3.非周期噪声电压的频谱,起伏噪声电压是一种随机过程，其对应频谱也是随机过程，没有确定的描述。,4.起伏噪声的功率谱,式中，(f)称为噪声功率谱密度，单位为/z。,End,4.9.1内部噪声的来源与特点,4.9.2电阻热噪声,电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下，受到热激发后，在导体内部作大小和方向都无规则的运动（热骚动）。,电阻的热噪声的功率谱密度,噪声电压均方值,噪声电流均方值,以上各式中，为玻耳兹曼常数，T为电阻的绝对温度，fn为电路的等效噪声带宽，（或）为fn内的电阻（或电导）值。,图4.9.6电阻的噪声等效电路,End,4.9.2电阻热噪声,4.9.3天线热噪声,热平衡状态下，噪声电压的均方值,天线等效电路由辐射电阻和电抗组成。,为天线等效噪声温度。,若天线无方向性，且处于绝对温度为的无界限均匀介质中，则,End,4.9.4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、1/f噪声等。,图4.9.10包括噪声电流与电压源的型等效电路,散粒噪声,热噪声,分配噪声,图4.9.11晶体管的噪声特性,4.9.4晶体管的噪声,4.10噪声的表示和计算方法,4.10.2噪声温度,4.10.3多级放大器的噪声系数,4.10.4灵敏度,4.10.5等效噪声频带宽度,4.10.1噪声系数,4.10.6减小噪声系数的措施,4.10.1噪声系数,在电路某一指定点处的信号功率s与噪声功率n之比，称为信号噪声比，简称信噪比，以sn（或）表示。,放大器噪声系数,p为放大器的功率增益。,Pno为放大器本身产生的噪声在输出端上呈现的噪声功率。因此，越大，表示放大器本身产生的噪声越大。,为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功率和额定功率增益的关系来定义。,4.10.1噪声系数,图4.10.1表示额定功率和噪声系数定义的电路,End,4.10.1噪声系数,表示放大器（四端网络）内部噪声的另一种方法是将内部噪声折算到输入端，放大器本身则被认为是没有噪声的理想器件。,4.10.2噪声温度,End,物理意义:放大器内部产生的噪声功率，可看作是由它的输入端接上一个温度为的匹配电阻所产生的；或者看作与放大器匹配的噪声源内阻在工作温度上再加一温度后，所增加的输出噪声功率。,4.10.5等效噪声频带宽度,起伏噪声是功率谱密度均匀的白噪声。现在来研究它通过线性四端网络后的情况，并引出等效噪声频带宽度的概念。,设四端网络的电压传输系数为(f)，输入端的噪声功率谱密度为i(f)，则输出端的噪声功率谱密度o(f)为,输出端的噪声电压均方值为,输出端的噪声电压均方值为,等效噪声带宽是按照噪声功率相等（几何意义即面积相等）来等效的。,图4.10.4等效噪声带宽示意图,4.10.5等效噪声频带宽度,输出端的噪声电压均方值为,等效噪声带宽,End,4.10.5等效噪声频带宽度,4.10.6减小噪声系数的措施,选用低噪声元、器件,正确选择晶体管放大级的直流工作点,选择合适的信号源内阻s,选择合适的工作带宽,选用合适的放大电路,降低放大器的工作温度,二、小信号谐振放大器的选频性能可由通频带和选择性两个质量指标来衡量。用矩形系数可以衡量实际幅频特性接近理想幅频特性的程度，矩形系数越接近于1，则谐振放大器的选择性愈好。,本章小结,一、高频小信号放大器是通常分为谐振放大器和非谐振放大器，谐振放大器的负载为串、并联谐振回路或耦合回路。,三、高频小信号放大器由于信号小，可以认为它工作在管子的线性范围内，常采用有源线性四端网络进行分析。Y参数等效电路和混合等效电路是描述晶体管工作的重要模型。Y参数与混合参数有对应关系，Y