通信电路ch03_1.ppt

1,笫3章高频放大器,本章主要内容：3.1高频放大器类型、特点、性能指标3.2晶体管的高频小信号等效电路和参数3.3高频小信号放大器3.3.1高频小信号调谐放大器3.3.2宽带放大器双极型晶体管放大电路场效应管高频小信号放大器3.4展宽频带的方法3.5高频小信号放大器的稳定问题3.6放大器的噪声电阻的热噪声、器件噪声、噪声系数、级联网络的噪声、接收机的灵敏度与最小可检测信号、噪声温度、低噪声放大器(*),2,3.1高频放大器类型、特点、性能指标,1、高频放大器在通信系统中的位置大信号放大器（用于发射机）：,发射机中间各级的宽带功率放大器。工作于A类或AB类状态。（*）。（大信号，负载是传输线变压器。）发射机末级，当功率较大时一般工作于C类状态。（大信号非线性电路）,3,高频放大器分类和在通信系统中的位置（续）,高频放大器（低噪）和中频放大器是高频小信号放大器。,具有低通传输特性的负反馈控制系统（自动增益控制AGC）。,小信号放大器（用于接收机）：,4,高频小信号放大器的特点,工作频率较高。如GSM手机高放900MHz和1800MHz，发中频117MHz，收一中71MHz，二中6MHz。,放大的频带信号。电路通常以频率选择性电路作为输入回路和负载，频率选择电路可以是简单的谐振回路，例如调谐放大器（窄带）；也可以是各种滤波器如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等，放大器是宽带低噪放大器，应用于高速数据接收以及射频测试仪器中。,特点：,5,高频小信号放大器的性能要求,增益符合指标要求，多级级联时工作稳定性好。线性动态范围大(超出线性动态范围会产生非线性失真）通频带够宽（满足系统要求）。输出信号幅度保持稳定。用自动增益控制（AGC）电路。放大器的噪声系数小（下节讨论）。,器件本身的参数和电路形式影响放大器的高频性能。实现途径：选用好器件。选用特征频率高和小的晶体管。采用频带较宽的电路。例如共基极放大电路，共发一共基放大电路。采用负反馈的方法或根据系统传输函数零点、极点的原理，进行展宽频带的设计。,6,3.2晶体管的高频小信号等效电路和参数,双极晶体管的混合等效电路,基极体电阻。在共基电路，会引起高频负反馈。,集电结势垒电容约为几PF，内反馈。可以忽略。,发射结扩散电容，,希望(影响稳定性和展宽带宽）和（降低电流放大倍数）尽量小。跨导大。,发射结电阻,跨导,7,MOS场效应管小信号等效电路,MOS场效应管小信号等效电路,MOS场效应管小信号等效电路,简化等效电路（源衬短接）,8,网络参数等效电路Y参数等效电路,晶体管等效为有源四端网络，用一些网络参数来组成等效电路，称为网络参数等效电路。,输入导纳,反向传输导纳,正向传输导纳，决定双极型晶体管的放大能力.,输出导纳,y参数等效电路,9,Y参数等效电路（续）,Y参数是工作点的函数，它在某个工作点下测得的，例如Y参数的越大，晶体管放大能力越强，是放大器不稳定（自激）的根源，越大，晶体管内部反馈越强，一般电路上采取措施减小它。,Y参数可以转换为混合型电路参数。见教材p99.,Y参数一般为复数，其输入导纳和输出导纳通常表示为：,10,晶体管的高频参数,（1）截止频率：,（2）特征频率：,电流放大系数，但功率增益1,当时，,是频率的函数，高频工作时更关心可查手册或由仪器测量得到。,与工作点有关,11,晶体管的高频参数（续）,（3）最高振荡频率：,晶体管的功率增益时的工作频率称为最高振荡频率。（实际应用时只能1/3-1/4）,（4）截止频率，及与和的关系：,晶体管的共基极电流放大系数是：其中是低频时共基极短路电流放大系数，是下降到时的频率。可推出：,因为，由上可得出三个频率参数、和的近似关系：,最高，次之，最低。,12,BJT和MOSFET高频小信号特性,13,3.3高频小信号放大器,1、放大管LC并联谐振回路，几级级联如图（a）。2、宽带放大器集中选择性滤波器，如图（b）优点：放大器易集成，不需调整。,输入,输入,（a）谐振放大器（窄带）,(b)宽带放大器构成形式,输出,输出,14,3.3.1高频小信号调谐放大器,单调谐放大器（窄带）,对于谐振回路，晶体管、负载均为部分接入。,以谐振回路为负载，回路谐振于工作频率。在谐振频率附近的频率分量最大，远离谐振点频率分量被衰减。该放大器既有放大作用，又有选频作用。,返回,15,一级调谐放大器Y参数等效电路,忽略,由集电极和发射极两端向右看,1.电压增益,令、分别为回路的总电导总电容,回路端,16,一级调谐放大器电压增益,谐振点,3、功率增益,当忽略回路损耗，且输出端处于匹配状态时，有得到最大功率放大倍数只与管子本身Y参数有关。,谐振点,2、放大器通频带(3dB带宽),17,多级级联调谐放大器,多级级联调谐放大器增益m级相同调谐放大器级联m级相同调谐放大器级联带宽,多级级联后总增益变大，为各级增益乘积。而总带宽缩小。,带宽缩小系数,18,3.3.2高频小信号宽带放大器频响由滤波器决定,双极型晶体管共射放大电路的高频特性,由密勒定理，将用并接在输入和输出端的两个电容和代替。（忽略的影响）,返回,单向化,19,双极型晶体管共发射放大电路的高频特性（续1),通常1，上图为：,由于很小，其容抗与相比较，可忽略不计。,等效输入电容为：,应用式，得到：,式中D称为密勒效应D因子。,可求得共射放大器源电压增益的高频边界角频率为：,20,双极型晶体管共射放大电路的高频特性（续2）,共射放大器的增益带宽积GBP：,由上式可以得出如下结论：,（1）.为获得较大的GBP和高频边界角频率值，应选用小、小而高的晶体管。,（2）.增大，可以增大中频源电压增益，但由于D因子增大，将减小，因而的选择应兼顾和的要求。,（3）.管子选定后，为提高值，信号源内阻应尽可能小，即放大器的输入信号尽量接近恒压源。,返回,21,双极型晶体管共基放大电路的高频特性,在图中，考虑到的值较小，为了分析简单，突出重点，暂时把忽略。,和并联，设=+，得简化后的等效电路图。,返回,短路,22,共基放大电路的高频等效电路存在两个节点：输入节点和输出节点。每一个节点产生一个极点，电路的上限截止频率主要取决于哪个极点呢？,，则有,若,达到了晶体管频率参数的极限值已很高。成为限制共基放大器的主要因素，故共基放大电路不宜带容性负载。,当图中的,=0时，则有,很高，阻性负载,的共基放大电路具有非常好的高频响应特性。,双极型晶体管共基放大电路的高频特性（续）,23,双极型晶体管共基放大电路的高频特性小结,共基放大器具有较好的高频响应特性不存在密勒倍增效应，输入电容小输入电阻小共基放大器用于级联比较稳定没有Cbc的内部反馈机制共基放大器电流放大倍数恒小于1如果负载阻抗很低，将导致电压放大倍数和功率放大倍数都小于1后面接输入阻抗高的电路在集电极多采用传输线变压器或其他阻抗变换网络进行阻抗变换多级级联时，常采用共射一共基组合电路。,24,共射-共基组合电路的高频特性,晶体管、分别构成共射、共基组态电路。,共射共基组合放大单元电路最突出的特点是高频响应特性好，频带宽，稳定性好。牺牲增益,共基电路输入阻抗低，作为共射电路的负载阻抗使得：,共射电路的密勒效应因子D减小，可有效地提高共射电路的高频边界频率，也就是提高了组合电路的高频边界频率。,共射电路大输出阻抗与共基电路小输入阻抗严重失配，级联后的复合管，其反向传输只有单管的约1，提高了稳定性。,共发一共基放大器交流通路,组合放大电路的上限截止频率主要取决于共射电路。,25,场效应管高频小信号放大器,在高频应用时，场效应管特点：,（1）有较高的输入和输出阻抗，对输入回路和输出电路的值影响较小，回路选择性高。,（2）场效应管有接近平方律的转移特性，三阶以上的效应可忽略能减小交调、互调和组合频率干扰（在变频干扰中讨论）,（3）采用自动增益控制时所需的功率很小。,（4）场效应管是多数载流子导电器件，对核辐射的抵抗能力强（多数载流子在电场作用下作漂移运动，受核辐射影响小）。,（5）场效应管跨导小于双极型晶体管，作放大器时，增益比较小。,（6）放大电路形式有MOS管共源、共栅组态基本放大电路，和共源共栅级联放大电路（与共射一共基组合电路类似）。,26,场效应管放大器（分析见指导书p77-79),共源放大器提供电压增益，输入阻抗较高,共源,27,场效应管放大器,共栅放大器,输入极点没有密勒等效电容项：宽带共栅放大器不宜带容性负载,28,共源-共栅放大器,共源共栅放大器,T1、T2共源共栅接法，T3为负载管。特点：高增益，高输出阻抗，频率特性比共源好。牺牲了输出电压的摆幅（在满足线性度范围内所能达到的最大幅度）。,29,小信号放大器特性比较,*为信源内阻，MOS管栅源电阻忽略。,30,3.4展宽频带的措施增加零点或零、极点抵消,对于实际的稳定工作的放大电路，极点位于S平面的左半平面。其传输函数表示为：,由上式可得幅频特性为：,可得：,增益幅值的分贝数等于常数项、各零点因子及极点因子幅值分贝数的代数和。增加零点或零点、极点抵消都是展宽频带的方法。,31,1、增加传输函数零点展宽频带,下图与普通的共源放大电路及其小信号等效电路比多一个电感（展宽频带），C是等效电容，它表示负载和下一级放大器的影响；R是负载电阻；其传输函数恰是网络的阻抗。,增加一个电感L为什么能扩展频带？,返回,SHUNT_PEAKED(并联建峰）电路,假设管子是理想,32,1、增加传输函数零点以使频带展宽的设计（续）,放大器的增益为，而阻抗的模是,式中的分子项随着频率的增加而增加；在的范围内，分母项中的是随着频率的增加而减小；这两项都是起着展宽频带的作用。,如何选择？定义系数：代入上式令得展宽后3dB带宽，归一化后见P108,表3.3.2,带宽最大值对应的值是，则对应的带宽展宽为，但会出现20%的过冲，这是不希望的。,取，则对应的带宽展宽为，但过冲减为3%。,上图,33,在有些情况下要求在有限的频谱范围内实现近似相同的延时，可得到，则对应的带宽展宽为。,若要求增益响应平坦，完全没有过冲，则可得到对应的带宽展宽为,例：设计如上图所示的用于相位调制通道的宽带共源放大器，要求带宽为，设，,解：若假设放大器的带宽是只取决于输出节点。则不用电感时不满足带宽要求，需串电感。,可求得,带宽展宽为,因为用于相位调制通道，所以取最大平坦延时响应特性,举例,34,左图是输入电阻为、带宽为、衰减示波器探头电路。,2、利用传输函数零点、极点抵消频带展宽的实例,电阻是示波器的输入电阻是示波器的输入电容。，,探头电路由电阻和并联的可调电容组成。,在低频端由两个电阻分压，在高频端由两个电容分压。只要满足上下两个并联电路的相等，则衰减量恒为10，而与频率无关。这是因为零点、极点恰好抵消。,35,3.5高频小信号放大器的稳定问题,不稳定原因管子的内反馈或电路的寄生参数稳定措施1.中和法：用中和电容抵消内反馈电容，使放大器单向化。2.失配法：共射-共基电路、共源-共栅电路，减小内反馈。-牺牲增益3.有损匹配：如基极上加压振电阻，射极加负反馈电阻等4.注意布局、布线，减小寄生参数的影响。,36,中和法消除极间内反馈电容影响,加中和电容使,注意相位应相反！,37,失配法,共射-共基级联,共基电路输入阻抗小，共射电路输出阻抗大，级联时增大了共射电路的负载导纳，失配，使共射管内反馈减弱，稳定性提高。共射电压增益减小，共射-共基两个管子的电压增益相当于单级共射电路增益，因此该电路是牺牲增益换取稳定。,38,有损匹配方法牺牲增益换取稳定,晶体管的三个端口中的两个端口之间并联电阻。例如在共射放大器的集电极-发射极并一较大电阻。这种方法对低频端增益影响较大，对高频端增益影响小在晶体管的三个端口串联电阻，例如在基极上串一小的压振电阻。这种方法将会同时降低低频增益和高频