aa小信号放大-晶体管参数09-28解析.ppt

第二章射频电子系统中的放大器设计,高频放大器的种类丰富，应用范围非常广泛，高频放大器的类型包括宽带和窄带功率放大器、低噪声放大器(LNA)、对数放大器、运算放大器以及可变电压放大器。它们有芯片、带表面贴(SMT)封装的器件等样式，最小的RF/微波放大器是单片微波集成电路(MMIC)器件。,提供MMIC放大器芯片和带封装的MMIC放大器模块的公司很多，包括ADI、Filtronic公司、Hittite微波公司、Cree、飞思卡尔(Freescale)、MicrowaveTechnology公司、MimixBroadband公司、Mini-Circuits公司和RFMD公司等。,2.1高频小信号调谐放大器,2.1.1高频小信号放大器的基本要求,小信号：信号电平处在放大器的“线性”范围内部可认为是“小”信号。,“线性”：指非线性项在这里起的作用很小，可以忽略。,高频小信号放大器的分类：所用器件不同：晶体管、场效应管、集成电路放大器。通过频谱的宽窄：窄带、宽带放大器。电路形式：单级、级联放大器。负载性质：谐振、非谐振放大器。,谐振放大器用串联或并联谐振回路或耦合谐振回路作为放大器的负载。谐振回路的谐振频率(考虑晶体管影响后)位于输入信号的中心频率。信号带宽与谐振回路的通频带基本一致。放大器对信号有极大的增益，信号带宽外，增益迅速减小。谐振放大器具有很好的选频能力。,性能指标：,电压增益：放大器的输出信号电压(负载上的电压)与输入信号电压之比。功率增益：负载上输出信号功率与输入信号功率之比。,1增益,2.通频带与选择性小信号放大器的通频带与谐振回路相同，决定于回路的等效品质因数QL。通频带用三分贝带宽来描述。放大器从含有各种不同频率的信号中选出有用信号排除有害(干扰)信号的能力，称为放大器的选择性。,选择性用矩形系数或，来表征,3.噪声系数通常用信噪比来表示噪声对信号的影响，电路中某处信号功率与噪声功率之比称信噪比。信噪比越大，信号质量越好。噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1，说明放大器的抗噪能力越强，输出信号的质量越好。,4工作稳定工作稳定性是指放大器的工作状态(直流院置)、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。一般的不稳定象是增益变化、中心频率偏移、通频带变化、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激以致使放大思完全不能工作。,1增益2.通频带与选择性3.噪声系数4工作稳定以上四项性能指标，相互间有联系也有矛盾。如增益和稳定性，通频带和选择性等。因此，应根据要求决定主次和取舍。,2.1.2高频晶体管小信号等效电路模型与参数1.高频晶体管网络参数模型,网络参数模型实质上是将晶体管看成是四端网络，用网络参数等效晶体管特性，晶体管的内部物理过程不予考虑。,网络参数的物理含义,短路导纳参数仅表示晶体管在输入端或输出端短路时的参数。它们是晶体管本身的参数只与晶体管的特性有关而与外电路无关所以又称内参数。晶体管构成放大器后，由于输入端、输出端都接有外电路晶体管和有关外电路被看成一个整体，于是得到相应的放大器y参数它们不仅与晶体管有关而且与外电路有关，故又称外参数。,2.高频晶体管的物理模型混合型等效电路,3晶体管混合型电路参数与网络参数之间的转换,输出短路,计算yie和yfe,输入短路,计算yre和yoe,2.1.3晶体管的高频参数,1.短路电流放大系数和截止频率f,即时，Cbe，bc和rbe三者并联,式中是低频时的电流放大系数。,截止频率f定义：当的频率，即,解上述方程得：,2.特征频率fT晶体管的放大性能还用特征频率fT表示。fT是时的频率.,解之得:,当0远远大于1时,共射阻态高频电流放大倍数,例:MRF571，计算时的。,解：,当晶体管共射组态时，工作于远大于的工作频率时，电流放大倍数的模值与fT的关系式(出厂参数有fT和0),最高振荡频率:晶体管功率增益时的工作频率,表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。在此频率工作时，晶体管已得不到功率放大。一般当工作频率大于最高振荡频率时，无论用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。,实际工作频率应小于等于最高振荡频率的1/31/4。,可以证明,高频晶体管各频率参数的大小关系,2.1.4晶体管高频小信号单调谐回路谐振放大器,“等效电路”法分析小信号调谐放大器三个主要步骤,首先是认识电路，包括认清电路的组态（共射电路等）、各元器件的作用，这是电子线路读图的基础；其次分析电路的直流通路(直流偏置)和交流通路，以便了解电路的实际功能；最后在画出交流等效电路（如Y参数等效电路）的基础上，根据定义计算放大电路的各参数，以此分析放大器的电路特性、技术性能和频率响应等。,一级中放交流等效电路图,一级中放的y参数等效电路,书86页，图2-6中通过中周实现部分接入的方式，以减小对回路Q值的影响,是初级回路自耦变压器的接入系数，,是一级中放输出与下一级放大电路之间变压器耦合的接入系数,图2-7一级中放y参数等效电路,1.放大器的输入导纳,由图2-7b可得到：,所以,2.电压增益,电压放大倍数的定义:,恒等变形可得,通过并联谐振回路电压VP中转,实际晶体管的等效参数显容性,令,定义谐振放大器的归一化抑制比,谐振频率,有载品质因数,广义失谐,调整接入系数求电压增益最大值,令,将p1带入2-28式,将p2带入2-28式,令,将p1optp2opt带入2-28式,谐振时功率增益Ap,输出部分谐振时,并联回路和输出都谐振时,令,功率增益的各项表达式的物理含义,物理含义1)失配损耗2)回路损耗3)失谐影响4)最大增益,4.小信号单调调谐回路谐振放大器的通频带与选择性,谐振放大器的归一化抑制比与单调谐回路有相同表达式,故3dB通频带也与单调谐回路有相同表达式,(1-119),选择性(矩形系数)也与单调谐回路有相同表达式,例2.1如图2-9所示单谐振回路放大器，已知晶体管的y参数，求1)放大器工作中心频率2)谐振时电压增益3)放大器带宽,解：1)工作中心频率,2)谐振时电压增益,3)放大器带宽,2.1.5高频小信号单调谐回路谐振放大器的级联,当单级放大器的增益不能满足要求时,即可采取多级放大器。其中每一级可调谐在同一个频率上，称为同步调谐放大器;也可以调谐在不同的相近的频率点上,称为参差调谐放大器.,1.级联放大器的电压增益,总增益的模|Av|=|Av1|*|Av2|*|Av3|Avn|2.38若各级放大器是完全相同的单级放大器,则,2.级联放大器的通频带与选择性,若各级放大器是完全相同的单级放大器，归一化抑制比,3dB带宽：令f0.7代表An/An0=0.707时的频率偏移,则有,n是大于1的正整数,称为级联放大器缩小因子。具体数值见表2.1所示。,表2.1带宽缩小因子,级联放大器的选择性,按矩形系数的定义可得,表2-2矩形系数与级数的关系,当级数n增加时,矩形系数有所改善，级数越多，Kr0.1变化越缓慢。即当n趋于无穷时,Kr0.1也只有2.56。可见这种改善是有限度的。,随着级联级数的增加，增益变大，通频带却变窄，通常需要大的增益又需要足够的通频带，参差调谐放大器就是为了解决这个矛盾而提出的。,2.1.6高频小信号双调谐回路谐振放大器,多级放大器级联时，虽然电压放大倍数增加较多，通频带却变窄，选择性虽有所改善，但与理想矩形相比，仍相差较大。为解决上述矛盾，晶体管集电极回路采用双调谐回路，可以使放大器具有较好的选择性和较宽的频带，这种放大器称为双调谐放大器。,双调谐放大器等效电路,为分析方便，设一次、二次侧回路元件参数相同，则得到如图b所示的效电路，这是一个典型的互感耦合双调谐回路,考虑到两个回路的参数相同，可得到,当一次、二次侧回路谐振(=0)时,放大器电压增益,双调谐谐振放大器归一化抑制比,双调谐放大器较常使用的是临界耦合，谐振曲线表示为:,同样可得矩形系数为:,场效应管调谐放大器,(1)场效应管在正常工作时，栅极电流很小(A级)，所以场效应管的输入阻抗很高，一般在107以上。(2)场效应管的恒流特性比晶体管好，在恒流区内，场效应管的输出电阻比晶体管的输出电阻大。场效应管的输入、输出阻抗较大，有利于提高调谐回路的Q值，提高调谐放大器的选择性。,高频集成放大器,(1)特性和参数的一致性好。常采用结构对称或元件参数匹配的电路形式(如差分放大器等)，利用参数补偿的原理来提高电路的性能，尤其是提高电路的高频特性。(2)采用电路性能好的复合结构电路。在模拟集成电路中，常采用复合晶体管：共射共基组合、共集共基组合或共源共栅组合等复合结构电路。(3)外接元件少、可靠性高。由于在半导体芯片上制作电感、大容量电容及高阻值电阻等较为困难，只需要在集成放大器外接入大电容、电感等少量元器件。,2.1.7高频小信号调谐放大器的稳定性1.放大器稳定性分析,放大器的输入导纳为：,振荡的临界条件为：,设输入、输出回路相同，,自激振荡条件,放大器不稳定,稳定性系数,放大器稳定的临界状态,放大器稳定,设,反馈电容,为考察增益与稳定系数之间的关系,作进一步分析.,稳定性系数是与放大器的电压增益相关联的。,将放大器的电压最大增益表达式带入前式,且分析特定情况,假定,2.提高放大器稳定性的措施,一是从晶体管本身想办法，选取反向传输导纳yre小的晶体管。,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。,平衡条件,即,(2)失配法,图2-13共射共基级联放大器,习题讲解,习题某晶体管在VCE=10V，IE=1mA时的fT=250MHz，又可忽略,求该晶体管在fT=10MHz时的共发射极电路的Y参数。,习题晶体管组成的单回路中频放大器，如图所示。已知fo=465kHz，晶体管经中和后的参数为：gie=0.4mS,Cie=142pF，goe=55S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS,Yre=0，回路等效电容C=200pF，中频变压器的接入系数p1=N1/N=0.35，p2=N2/N=0.035,回路无载品质因数Q0=80，设下级也为同一晶体管，参数相同。试计算：（1）回路有载品质因数QL和3dB带宽B0.7;（2）放大器谐振时的电压增益；(3)中和电容值。（设Cbc=3pF）,解：,根据已知条件可知,能够忽略中和电容和yre的影响。得：,1)有载品质因数QL,答：品质因数QL为40.4,带宽为11.51kHz,谐振时的电压增益为30.88,中和电容值为1.615pF,2）放大器谐振时的电压增益,3)中和电容值,3dB带宽B0.7,习题三级单调谐中频放大器，中心频率f0=465kHz，若要求总的带宽B0.707=8kHZ，求每一级回路的3dB带宽和回路有载品质因数QL值。,答：每级带宽为15.7kHz,有载品质因数为29.6。,解：设每级带宽为B1，则：,习题如图所示中频调谐放大器采用3AG55作放大管，已知fo=465kHz，调谐回路采用TTF-2-3型中频变压器，L=560H,Q0=100,N1-2=48匝，N1-3=162匝，N4-5=13匝。3AG55的参数为：gie=1.7mS,Cie=58pF，goe=290S，Coe=6.4pF，Yfe=32mS,Yre=0，试计算：（1）放大器的谐振电压增益；（2）谐振功率