第1章高频小信号放大器.ppt

高频放大器的分类宽带放大器的特点、技术指标和分析方法扩展放大器通频带的方法小信号谐振放大器集中选频放大器,本章内容简介,教学目的：1、掌握高频放大器的分类及其特点2、掌握宽带放大器的技术指标和分析方法3、掌握小信号谐振放大器的工作原理和分析方法,教学重点：小信号谐振放大器的工作原理教学难点：小信号谐振放大器的分析方法,1.宽放的特点及分析方法,高频放大器的分类根据用途可分为根据频带宽度可分为,高频小信号放大器,高频功率放大器,窄带放大器,宽带放大器,谐振放大器,集中选频放大器,2.宽放的特点及分析方法,（1）特点采用特征频率fT很高的高频管；负载为非谐振的；对电路的技术指标要求高。,分析宽带放大器的频率特性，可以采用与分析一般音频放大器频率特性相似的方法，即稳态（又称频域分析法）。也可以用另一种分析方法，就是考察阶跃信号通过放大器后的失真情况，称为暂态法（又称时域分析法）。,（2）分析方法,依据：任何复杂的信号都可看成是由许多不同频率、不同幅度的正弦波的叠加。方法：通过分析或测量宽带放大器对不同频率正弦波的响应，得到电路的幅频特性和相频特性，并由此分析出该放大器的一些性能指标。应用连接图示：,依据：任一信号都可看成由许多起始时间不同、幅度不同的矩形脉冲的叠加。方法：通过观察矩形脉冲经宽带放大器放大后波形的失真情况，来判断该放大器的相关特性。应用连接图示,3.扩展通频带的方法,1、负反馈法,无负反馈时频带,有负反馈时频带,2、组合电路法放大电路三种组态的特点：共射：Au大，Ri、Ro中，fH低共集：Au小，Ri大，Ro小，fH高共基：Au大，Ri小，Ro大，fH较高适当组合可得到以下几种常见的组合电路：,3.扩展通频带的方法,共射电路的电流增益和电压增益都较大,是放大器最常用的一种组态。但它的上限截止频率较低,从而带宽受到限制,这主要是由于密勒效应的缘故。,虽然Cbc数值很小,一般仅几个皮法,但M一般却很大。密勒效应使共射电路输入电容增大,容抗减小,且随频率的增大容抗更加减小,因此高频性能降低。在共基电路和共集电路中,bc或者处于输出端,或者处于输入端,无密勒效应,所以上限截止频率远高于共射电路。,共射共基组合电路中,上限频率由共射电路的上限截止频率决定。利用共基电路输入阻抗小的特点,将它作为共射电路的负载,使共射电路输出总电阻c大大减小,进而使密勒电容M大大减小,高频性能有所改善,从而有效地扩展了共射电路亦即整个组合电路的上限截止频率。由于共射电路负载减小,所以电压增益减小。但这可以由电压增益较大的共基电路进行补偿。而共射电路的电流增益不会减小,因此整个组合电路的电流增益和电压增益都较大。,在集成电路里,可以采用共射共基差分对电路。图2.4.5所示国产宽带放大器集成电路（与国外产品,相当）里采用了这种电路,它的带宽可达到z。该电路由V1、V3（或V4）与V2、V6(或V5)组成共射共基差分对,输出电压特性由外电路控制。如外电路使b2,b1时,V8和V4、V5截止,信号电流由V1、V2流入V3、V6后输出。如外电路使b1,b2时,V7和V3、V6截止,信号电流由V1、V2流入V4、V5后输出,输出极性与第一种情况相反。如外电路使b1b2时,通过负载的电流则互相抵消,输出为零。e用于高频补偿,因高频时容抗减小,发射极反馈深度减小,使频带展宽。这种集成电路常用作MHz以上宽带示波器中的高频、中频和视频放大。,集成宽放示例：,3、补偿法基极回路补偿发射极回路补偿集电极回路补偿并联补偿串联补偿串、并联复合补偿,3.扩展通频带的方法,示例,基极补偿,射极补偿,补偿法示例：,元件的高频特性,高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同，但是注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻（器）、电容（器）和电感（器）,它们都属于无源的线性元件。高频电路中完成信号的放大，非线性变换等功能的有源器件主要是二极管，晶体管和集成电路。,1.电阻器一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是高频特性。,一个电阻R的高频等效电路如图所示，其中CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。,电阻的高频等效电路,电阻R随频率增高而增加，这主要是集肤效应的影响。所谓集肤效应是指随着工作频率的增高，流过导线的交流电流向导线表面集中这一现象，当频率很高时，导线中心部位几乎完全没有电流流过，这相当于把导线的横截面积减小为导线的圆环面积，导电的有效面积较直流时大为减小，电阻r增大。工作频率越高，圆环的面积越小，导线电阻就越大。（演示）,2.电感线圈电感线圈在高频频段除表现出电感L的特性外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容。在分析一般长、中、短波频段电路时，通常忽略分布电容的影响。因而，电感线圈的等效电路可以表示为电感L和电阻r串联，如图所示。,电感线圈的串联等效电路,设流过电感线圈的电流为I，则电感L上的无功功率为I2L，而线圈的损耗功率，即电阻r的消耗功率为I2r，故由上式得到电感的品质因数,Q值是一个比值，它是感抗L与损耗电阻r之比，Q值越高损耗越小，一般情况下,线圈的Q值通常在几十到一二百左右。,在无线电技术中通常不是直接用等效电阻r，而是引入线圈的品质因数这一参数来表示线圈的损耗性能。品质因数定义为无功功率与有功功率之比:,3.电容器一个实际的电容器除表现电容特性外，也具有损耗电阻和分布电感。在分析一般米波以下频段的谐振回路时，常常只考虑电容和损耗。电容器的等效电路也有两种形式，如图所示。,电容器的串、并联等效电路,r,C,R,4高频电路中的有源器件从原理上看，用于高频电路的各种有源器件，与用于低频或其他电子线路的器件没有根本不同。只是由于工作在高频范围，对器件的某些性能要求更高。随着半导体和集成电路技术的高速发展，能满足高频应用要求的器件越来越多，也出现了一些专门用途的高频半导体器件。,1)二极管半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在低电平。因此主要用点接触式二极管和表面势垒二极管(又称肖特基二极管)。两者都利用多数载流子导电机理，它们的极间电容小，工作频率高。,2)晶体管与场效应管（FET）在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好,在外形结构方面也有所不同。高频晶体管有两大类型:一类是作小信号放大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益和低噪声;另一类为高频功率放大管,除了增益外,要求其在高频有较大的输出功率。,3)集成电路用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。目前通用型的宽带集成放大器，工作频率可达一、二百兆赫兹，增益可达五、六十分贝，甚至更高。用于高频的晶体管模拟乘法器，工作频率也可达一百兆赫兹以上。,LC选频网络由电感线圈和电容组成，当外界授予一定能量，电路参数满足一定关系时，可以在回路中产生电压和电流的周期振荡回路。若该电路在某一频率的交变信号作用下,能在电抗原件上产生最大的电压或流过最大的电流，即具有谐振特性，故该电路又称谐振回路。,谐振回路按电路的形式分为：,1.串联谐振回路2.并联谐振回路3.耦合谐振回路,LC选频网络,用途：,1.利用他的选频特性构成各种谐振放大大器2.在自激振荡器中充当谐振回路3.在调制、变频、解调充当选频网络,现讨论各种谐振回路在正弦稳态情况下的谐振特性和频率特性。,选频网络的基本特性,要求选频电路的通频带宽度与传输信号有效频谱宽度相一致。理想的选频电路通频带内的幅频特性,通频带外的幅频特性应满足,理想的幅频特性应是矩形，既是一个关于频率的矩形窗函数。,矩形窗函数的选频电路是一个物理不可实现的系统，实际选频电路的幅频特性只能是接近矩形,矩形窗函数的选频电路是一个物理不可实现的系统，实际选频电路的幅频特性只能是接近矩形,定义矩形系数K0.1表示选择性：,2f0.7称为通频带：,显然，理想选频电路的矩形系数K0.1=1，而实际选频电路的矩形系数均大于1。,另外，为不引入信号的相位失真，要求在通频带范围内选频电路的相频特性应满足,即理想条件下信号有效频带宽度内的各频率分量都延迟一个相同时间，这样才能保证输出信号中各频率分量之间的相对关系与输入信号完全相同。,实际选频回路的相频特性曲线并不是一条直线，所以回路的电流或端电压对各个频率分量所产生的相移不成线性关系，这就不可避免地会产生相位失真，使选频回路输出信号的包络波形产生变化,LC选频回路,串联LC谐振回路,串联LC谐振回路,电容性,电感性,同样定义串联谐振回路端电流的相位为,+uC-,+uL-,+ui-,+uR-,仿真,矩形系数:,=9.96,并联LC谐振回路,并联LC谐振回路,仿真,+ui-,电感性,电容性,同样定义并联谐振回路端电压的相位为,+ui-,例1设一并联谐振回路，谐振频率f0=10MHz，回路电容C50pF，试计算所需的线圈电感L。又若线圈品质因素为Q100，试计算回路谐振电阻及回路带宽。若放大器所需的带宽为0.5MHz,则应在回路上并联多大电阻才能满足要求？,解：（1）计算L值,（2）回路的谐振电阻和带宽,（3）求满足0.5MHz带宽的并联电阻,设回路并联电阻为，回路有载品质因数为,将已知条件带入，可得：,4.小信号谐振放大器,3、主要性能指标谐振电压增益Au0放大器在谐振频率上的增益，衡量对有用信号的放大能力。通频带BW0.7放大器电压增益下降到谐振电压增益的0.707倍时所对应的频率范围。选择性抑制比：d=20lgAu0/Au(dB)矩形系数：K0.1=BW0.1/BW0.7,4.小信号谐振放大器,1、什么是谐振放大器？采用调谐回路作为负载的放大器。选频或滤波是其基本特点。2、分类,4、单级单调谐放大器,4.小信号谐振放大器,集电极负载为LC并联谐振回路采用了部分接入方式,单级单调谐放大器的性能分析：,谐振频率：,通频带：,矩形系数：,其中：C为等效的回路总电容。,其中：可见其矩形系数远大于1，选择性较差。,其中：Qe为回路的有载品质因数。有：,5、多级单调谐放大器的性能指标,4.小信号谐振放大器,电压增益：如果有n级且各级增益相同,则：,Au,=,Au1Au2Au3Aun,(Au1)n,=,通频带：,选择性：,N级的矩形系数为,6、双调谐放大器,4.小信号谐振放大器,集电极负载为双调谐耦合回路初、次级均采用了部分接入方式,双调谐放大器性能特点：,双调谐放大器在临界耦合的条件下谐振电压增益是单调谐的1/2倍。,双调谐的通频带和单调谐通频带的关系：,矩形系数小于单调谐，选择性好，即,缺点是调谐不方便。,放大器的稳定性,三极管的反向传输导纳不为0，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡现象。内部反馈通过三极管结电容的反向传输作用，在高频下容易产生自激，即使不产生自激，也将使不同频率的信号产生不同的放大倍数和相移，从而使放大器的频率特性、通频带和选择性受到影响。,提高放大器的稳定性的方法,一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳yre的值。,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。,中和法通过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)，来抵消晶体管内部参数yre的反馈作用。,具体线路：,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。,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。中和电路的效果很有限。,电桥平衡时，CD两端的回路电压不会反映到AB两端,即对应两边阻抗之比相等。,例,失配法,信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。使增益下降，提高稳定性。,使Yi=yie，即使后项0，则必须加大YL,晶体管实现单向比，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发一共基级联放大.,则,中和法与失配法比较中和法：优点：简单，增益高缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。失配法：优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低。,5.集中选频放大器,1、集中选频放大器的组成,第二种形式,第一种形式,2、集中选频滤波器,5.集中选频放大器,(1)陶瓷滤波器,1)陶瓷片的“压电效应”与“反压电效应”,2)两端陶瓷滤波器（外形及符号）,两个谐振频率：,3）三端陶瓷滤波器,实物图：,2、集中选频滤波器,(2)声表面波滤波器(SAWF),实物图：,声表面波滤波器应用实例：,V1是预中放部分，起前置放大作用；Z1为SAWF起集中选频作用；TA7680AP为彩电图像中