第2章-高频小信号放大器..ppt

2,第二章高频小信号放大器,超外差式接收机方框图,第一节概述,一、高频小信号放大器的功能、用途,“高频”是指放大器的工作频率在几百KHz几百MHz，必须考虑放大器的极间电容；“小信号”指的是放大器输入信号小，放大器件是在线性范围内工作，分析电路时可将其等效为四端口网络；“功能”是实现对微弱高频信号进行不失真放大；高频小信号放大器功能的表示形式：,主要用途是在接收机中做高频放大器和中频放大器。,按放大信号的频带宽窄分为宽带放大器和窄带放大器；按放大器的负载性质分为谐振式放大器和非谐振式放大器；按器件分为晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器；本章重点研究窄带、晶体管、谐振小信号放大器。,二、高频小信号放大器的分类,三、高频小信号放大器的主要技术指标,定义：放大器的电压增益下降到最大值的倍时所对应的频带宽度。常用表示。,放大器的通频带,3.矩形系数（选择性）,矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量，而选择性是表示选取有用信号，抑制无信号的能力。放大器理想的频率响应曲线应是矩形，矩形系数用来表示实际曲线形状接近理想矩形的程度，通常用Kr0.1来表示：,4.噪声系数,5.工作稳定性,由于晶体管的反向传输导纳不为0（yre0），内部反馈会造成放大器工作不稳，常用稳定系数来表示放大器的稳定性能。,总结:技术指标之间既有联系又有矛盾，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。,表征信号经放大后，信噪比变坏的程度。噪声系数的定义是放大器的输入信噪比（输入端的信号功率与噪声功率之比）与输出信噪比之比，即,第二节高频电路的基础知识,一、滤波器（选频回路）的功能及分类,1.功能:根据某一特定的性能要求实现对信号的频谱进行处理的电路；本课中用的较多的是低通和带通滤波器。,按频率特性分：低通、高通、带通和带阻滤波器。,2.分类：,滤波器的理想幅频特性,按所用器件可分为无源和有源滤波器；按处理的信号形式可分为模拟滤波器、数字滤波器和抽样数字滤波器。,1.电感线圈的高频特性,二、LC谐振回路的特性,LC谐振回路是高频电路中应用很广的无源网络，特别是并联谐振回路是构成高频放大器、振荡器和频率变换器的主要部件，具有信号耦合传输、选频、阻抗变换、滤波以及负载等的作用。,电感元件在高频电路中不是理想无损电感，它的损耗电阻是不能忽略的；一个实际的电感元件，可以用一个理想无损电感L和一个串联的损耗电阻r0来等效；一个有损耗的电感线圈在工作频率w0下通过Q表可测得电感线圈的电感值和空载品质因数Q0，而Q0的大小就反映损耗的大小，即Q0=w0L/r0，一般情况下，线圈的Q0值通常在几十到三百左右；,当Q01时，一个实际的电感也可以用一个无损电感L和一个并联电导g0来等效，此时Q0=1/w0Lg0；带载情况下的有载品质因数QL的计算。,2.电容元件的高频特性,在高频电路所讨论的频率范围内，电容元件损耗很小，因而认为它是理想的无损元件。,3.LC串联谐振回路,一个无负载电阻rL的串联LC电路，由于电感L有损耗，可等效为LCr0的串联电路。,若接入负载电阻rL后，可等效为如下图所示的LCr串联电路。,LCR串联谐振回路的频率特性,L,相对幅频特性与相频特性,其相对电流值的模及相角为：,结论：,当w=w0时，相对电流值的模为1；当w偏离w0时，相对电流值的模减小，其减小的速度随Q值的增大而增大；当ww0时，0，回路呈容抗特性。,4.LC并联谐振回路（与串联为对偶关系）,若接入负载电阻，则在的条件下回路两端等效电阻为与并联，即。,并联回路其导纳为：,谐振频率：,有载品质因数QL：,并联谐振回路的导纳,由图可以看出，时，回路谐振，回路等效为纯电阻，其阻值最大为R。随着偏离，阻抗值越来越小。回路呈容抗特性，回路呈感抗特性。,并联回路的阻抗特性,表2-1串并联回路的特性,三、串并联阻抗的等效互换,“等效”的概念：在工作频率相同的条件下，AB两端的阻抗相等。,串并联电路等效互换,并联谐振回路作为放大器的负载时，其连接方式直接影响放大器的性能。并联谐振回路耦合连接方式可分为变压器耦合、自耦变压器耦合和双电容分压耦合。并联谐振回路除了具有选频功能外，还要完成阻抗交换，因此通常采用部分接入方式实现阻抗变换。,四、并联谐振回路的耦合联接与阻抗变换,三极管ce直接接入谐振回路的缺点：,1.Q值下降，通频带变大，导致选择性变差；2.影响中心频率f0，稳定性变差；3.阻抗不匹配。,2.自耦变压器耦合联接的阻抗变换,阻抗变比关系：,自耦变压器耦合联接方式适用于与晶体管的联接，它除了能实现阻抗变换外，还能为晶体管的集电极提供直流通路。,3.双电容分压耦合连接的变比关系,1.接入系数P的定义：,2.变比关系的通式:,五、接入系数与变换关系,例1如图，L=0.8H,Q0=100,C=5pF,C1=20pF,C2=20pF,R=10k,RL=5k,试计算回路的谐振频率，谐振电阻。,谐振频率为,电阻RL的接入系数,等效到回路两端的电导为,解：由图可知,回路电容为,电感的损耗电导为,电阻R等效电导为,回路总电导为,回路谐振电阻为,例某接收机输入回路的简化电路如图例1.2所示。已知1=5pF，2=15pF，s=75，L=300。为了使电路匹配，即负载L等效到回路输入端的电阻Ls，线圈初、次级匝数比12应该是多少？解：由图可见，这是自耦变压器电路与电容分压式电路的级联。,L等效到两端的电阻为,图例1.2,L等效到输入端的电阻,如要求Ls，则。所以,在以上介绍的四种常用阻抗变换电路中，所导出的接入系数均是近似值，但对于实际电路来说，其近似条件容易满足，所以可以容许引入的近似误差。,2-5电路如下图所示，给定参数如下：f0=30MHz，C=20PF，线圈L13的Q0=60,N12=6，N23=4，N45=3。R1=10k，Rg=2.5k，RL=830，Cg=9PF，CL=12PF。求L13、QL,Ig,第三节晶体管高频小信号谐振放大器,（一）y参数等效电路,根据二端口网络理论，得到y参数系的方程：,一、晶体管高频小信号等效电路,y参数等效电路是网络参数模型，y参数与f有关，适合小信号窄带放大器的分析。,输出短路时的输入导纳；,输入短路时的反向传输导纳；,输出短路时的正向传输导纳；,输入短路时的输出导纳。,这四个参量具有导纳的量纲，故称为导纳参数，也叫y参数。,*对于共射接法,y参数用表示,则:,说明:1.表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；,2.表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）；,3.越大表示晶体管的放大能力越强。,对于共基接法，y参数用表示,则:,对于共集接法，y参数用表示,则:,晶体管是RC参数的元件，y参数表示晶体管内部极间电阻和电容的组合方式，它随工作频率f变化而变化，因而y参数等效率电路不能充分说明晶体管内部的物理过程。,（二）混合参数等效电路,混合参数等效电路用集中参数元件RC表示，物理过程明显，在分析电路时用的较多。,1.rbb是基区扩展电阻。其值几十欧姆到几百欧姆。,2.rbe是发射结电阻。发射结正偏时数值较小。,3.Cbe是发射结电容。其值较大，100pf500pf。,4.rbc是集电结结电阻。由于集电结处于反向偏置，rbc的数值很大。,5.Cbc是集电结结电容。其数值较小。,6.gmUbe表示晶体管放大作用的电流源，而gm=Ie/26mv，称为跨导。,7.rce是集电极与发射极之间的电阻，数值一般很大。,8.Cce是集电极与发射极之间的电容，数值一般很小。,混合等效电路中，电容、电阻并联，在较高的工作f下：,rbc与Cbc的容抗相比，可视为开路；rbe与Cbe的容抗相比，可视为开路；rce与回路负载相比，可视为开路。,（三）y参数等效电路与混合等效电路参数的转换,举例：求yie，令V2=0，简化混合等效电路，如图所示。,二、单调谐回路谐振放大器,1.电路形式,2.电路分析,由共射组态的晶体管和并联谐振回路组成；R1、R2、Re为偏置电阻，确定三级管的静态工作点；Cb、Ce为高频旁路电容，输入信号Ui相当于加在T1的b、e之间；两级放大器的信号传输是利用高频变压器来实现的，输出信号电压Uo是由变压器次级4、5两端取出，它也是相当于加在T2的b、e之间。晶体管ce与谐振回路采用自耦变压器耦合。,3.直流/交流等效通路,电路图,放大器的等效电路的画法,首先画晶体管T1的y等效电路，标明电流Ib、Ic与电压Ui、Uo的参考方向；画并联谐振回路及负载；前级信号源Ui用Is和Ys来等效；确定并联回路的交流接地点及负载，1和5端接地，负载为下一级输入导纳Yie2。,4.放大器的等效电路及简化,计算放大器的输入导纳Yi和输出导纳Yo,计算过程如下：,把式（4）代入式（1）得,式（5）表明由于yre的存在，使得放大器的输入导纳Yi不仅与晶体管的输入导纳yie有关，而且还与放大器的负载导纳有关。,同理，由式（1）、（2）和式（3），可得放大器的输出导纳Yo,由于yre的存在，使得放大器的输出导纳Yo不仅与晶体管的输出导纳yoe有关，而且还与放大器输入端的信号源内导纳Ys有关。,=0时的放大器简化等效电路,三、放大器的主要技术指标,谐振时的电压增益,对于窄带谐振放大器，通常讨论的f与f0相差不会太大，即可认为f在f0附近变化，则,式中，称为一般失谐。,令，称为广义失谐。则可得:,取其模,取其模,2.谐振曲线,下图是分别用、和表示的放大器的谐振特性曲线。,3.放大器的通频带,通频带与谐振电压增益的关系:,4.放大器的矩形系数,四、多级单调谐回路谐振放大器,1.多级单调谐谐振放大器的总电压增益,假如，放大器有m级，各级电压增益分别为，则总电压增益是各级电压增益的乘积。即,3.多级单调谐谐振放大器的通频带,4.多级单调谐谐振放大器的矩形系数,根据矩形系数的定义,其中，可由求得,故m级单调谐谐振放大器的矩形系数,可见，级数越多，矩形系数越小。,第四节小信号谐振放大器的稳定性,二、放大器的稳定系数,稳定系数S的定义：,S越大，放大器越稳定；S=1为维持自激振荡的条件；对于一般的放大器来说，S5就可以认为是稳定的。,三、提高谐振放大器稳定性的措施,由于yre的反馈作用，晶体管是一个双向器件。使晶体管yre的反馈作用消除的过程称为单向化。单向化的目的就是提高放大器的稳定性。单向化的方法有中和法和失配法。,应特别注意的是，严格的中和很难达到。因晶体管的yre是随频率变化的，而CN不随频率变化。所以，只能对一个频率点起到完全中和的作用。,2-14试画出下图所示电路的中和电路，标出线圈的同名端，写出中和电容的表示式。,+,-,-,-,（二）失配法,失配法的实质是降低放大器的电压增益，以确保满足稳定的要求。可选用合适的接入系数p1、p2或在谐振回路两端并联阻尼电阻来实现降低电压增益。在实际运用中，较多的是采用共射-共基级联放大器。,共射-共基级联晶体管可以等效为一个共射晶体管，可以证明：反向传输导纳yre远小于单管的yre，约小一二个数量级。,2-9放大器的工作频率f0=10.7MHz，谐振回路的L13=4H、Q0=100，N23=5、N13=20、N45=6，晶体管在直流工作点的参数为，goe=200S，Coe=7PF，gie=2860S，Cie=18PF，yfe=45mS，fe=-54，yre=0。试求：(1)画高频等效电路；(2)计算C、Au0、2f0.7、Kr0.1。,2-10已知工作频率f0=10.7MHz，回路电感L=4H，Q0=100，N13=20，N23=6，N45=5。晶体管在