第1章 小信号放大器2小信号放大器

1、第1章 高频小信号谐振放大器 第第1章章 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器 1.2 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器 1.晶体管的高频小信号等效模型 2.高频小信号调谐放大器 3.多级单调谐放大器 4.谐振放大器的稳定性 直直流流放放大大器器 小小信信号号低低频频放放大大器器：低低频频宽宽带带放放大大器器 小小信信号号放放大大器器： 交交流流放放大大器器 小小信信号号高高频频放放大大器器： 高高频频窄窄带带放放大大器器： 中中心心频频率率(几几百百kHz几几百百MHz) 1 1.2高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器 特特点点： 工工作作频频率率高高，中中心心频频率率几几百

2、百 kHz几几百百 MHz 具具有有选选频频特特性性，一一般般负负载载采采用用谐谐振振回回路路 晶晶体体管管工工作作在在线线性性区区，可可看看成成线线性性元元件件，可可 用用有有源源四四端端网网络络参参数数微微变变等等效效电电路路来来分分析析。 主主要要要要求求： （质质量量指指标标） 1、增益：、增益： i o u u u A2、通频带：、通频带： 7.0 2fB 3、选择性：、选择性： 抑制干扰的能力 1 2 2 选出有用信号的能力 7.0 1.0 1.0 f f K 指指放放大大器器的的工工作作点点，晶晶体体管管参参数数，电电路路元元件件参参数数变变化化时时， 放放大大器器的的稳稳定定程

3、程度度。 即即当当 IC，UCE Au ,rbe f 元元件件参参数数变变化化 B 希希望望放放大大器器本本身身产产生生的的噪噪声声越越小小越越好好，要要求求噪噪 声声系系数数接接近近 1。 这些指标相互之间既有联系又有矛盾，例如增益和稳这些指标相互之间既有联系又有矛盾，例如增益和稳 定性，通频带和选择性等。定性，通频带和选择性等。 Cbe rbb Cbc rbc rbe ube rcegm ube 1.2.1 1.2.1 晶体管的高频小信号晶体管的高频小信号等效模型等效模型 晶晶体体管管的的高高频频小小信信号号等等效效电电路路主主要要有有两两种种表表示示方方法法： 物物理理模模型型等等效效电

4、电路路：混混合合参参数数等等效效电电路路。 网网络络参参数数等等效效电电路路：y 参参数数等等效效电电路路。 一一 混混合合参参数数等等效效电电路路 注注意意：C bc和和 rbb的的存存在在对对晶晶体体管管的的高高频频运运用用的的十十分分不不利利的的。 Cbc将将输输出出交交流流电电流流反反馈馈到到输输入入端端，可可能能会会引引起起放放大大器器自自激激。 rbb在在共共基基电电路路中中会会引引起起高高频频负负载载反反馈馈，降降低低晶晶体体管管的的电电流流放放大大系系数数。 e b r ce rbc ree Cbe Cbc rbb rbe c rcc b gm ube yieyoe yreuc

5、e yfeube + u1 - + u2 - i1 i2 在在高高频频电电子子线线路路中中常常采采用用 Y 参参数数 系系等等效效电电路路。因因为为晶晶体体管管是是电电流流受受控控 元元件件，输输入入输输出出端端都都有有电电流流，采采用用 Y 参参数数系系较较方方便便，另另外外很很多多导导纳纳的的并并联联 可可直直接接相相加加，使使运运算算简简单单。 如如果果设设电电压压 u1和和 u2为为自自变变量量， 电电流流 i1和和 i2为为参参数数量量， 可可得得 Y 参参数数系系 的的约约束束方方程程： ceoebefec cerebeieb of ri uyuyi uyuyi uyuyi uyu

6、yi 212 211 + ube - + uce - ib ic 共发射极的双口网络中，有两个端口和四个变量，可任共发射极的双口网络中，有两个端口和四个变量，可任 选两个作自变量，由所选的不同自变量和参变量，可得选两个作自变量，由所选的不同自变量和参变量，可得6种种 参数系，其中常用的有参数系，其中常用的有H,Y,Z三种。三种。 共发射极组态Y参数等效电路 二、网络参数等效电路二、网络参数等效电路 yieyoe yreuce yfeube 输入短路时的输出导纳 0u ce 2 oe be u i y 输出短路时的输入导纳 0u be b ie ce u i y + ube - + uce -

7、ib ic 由由上上可可求求出出各各Y参参数数: 注注意意：以以上上短短路路参参数数为为晶晶体体管管本本身身的的参参数数，只只与与晶晶体体管管的的特特征征有有关关， 与与外外电电路路无无关关，又又称称为为内内参参数数。 导纳输出短路时的正向转输 0u be c fe ce u i y 导纳输入短路时的反向转输 0u ce b re be u i y ceoebefec cerebeieb of ri uyuyi uyuyi uyuyi uyuyi 212 211 二、网络参数等效电路二、网络参数等效电路 yieyoe yreuce yfeube 四四个个 y 参参数数都都是是复复数数，为为了了

8、计计算算方方便便，可可表表示示为为： oeoeoe ieieie Cjgy Cjgy re fe j rere j fefe eyy eyy 其其中中 ie g 和和 oe g 称称为为输输入入，输输出出电电导导； ie C和和 oe C为为输输入入，输输出出电电容容； fe y和和 re y为为正正向向，反反向向传传输输幅幅频频特特性性； fe 和和 re 为为相相频频特特性性 一一般般的的晶晶体体管管通通常常满满足足 ebm gg ， cbeb gg ， cbce gg ，对对 共共射射极极电电路路可可以以推推算算出出： bbebebbb ebeb ie rCj)gr1( Cjg y bb

9、ebebbb cbcb re rCj)gr1( Cjg y bbebebbb m fe rCj)gr1( g y bbebebbb ebcb mbbcbceoe rCj)gr1( Cjg grCjgy Cie gie goe Coe 三、混合三、混合参数与参数与Y参数的关系参数的关系 1 截截止止频频率率 f 2 特特 征征 频频 率率 T f 定定义义：当当 下下降降到到1 时时所所对对应应的的频频率率为为 T f f 0 2/ 0 T f f 1 由由于于晶晶体体管管的的 与与频频率率之之间间的的关关系系为为： f f j1 0 2 0 ) f f (1 有有 由定义：令由定义：令 1 )

10、 f f (1 2 T 0 可得可得 f1ff 0 0 2 T 四、晶体管的高频参数四、晶体管的高频参数 时对应的频率 2 1 的下降到低频值当电流放大系数 0 3 最最高高振振荡荡频频率率 max f 定定义义：晶晶体体管管的的功功率率增增益益 1 p G 时时的的工工作作频频率率为为 max f max f表表示示一一个个晶晶体体管管所所能能适适用用的的最最高高极极限限频频率率。在在此此频频 率率工工作作时时，晶晶体体管管已已得得不不到到功功率率放放大大。一一般般当当 max ff 时时，无无 论论用用什什么么方方法法都都不不能能使使晶晶体体管管产产生生振振荡荡。 可可以以证证明明： cb

11、ebbb m max CCr4 g 2 1 f 以以上上三三个个频频率率参参数数的的大大小小顺顺序序为为： fff T max 。 4 5 1 2 3 Rb1 Rb2 Re yL Cb Ce C B1 B2 VT L Ec 1.2.2 1.2.2 高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器 一一、电电路路结结构构和和工工作作原原理理 下下图图为为一一个个典典型型的的共共射射极极高高频频调调谐谐放放大大器器的的实实际际电电路路 1 直直流流偏偏置置电电路路 Rb1、Rb2为为基基极极分分压压式式偏偏置置电电阻阻， Re为为射射极极负负反反馈馈偏偏置置电电阻阻，稳稳定定静静态态 工工作作点点，Cb、

12、Ce为为旁旁路路电电容容。 2 高高频频交交流流等等效效电电路路 Rb1 Rb2Re Ec 3 2 1 5 4 B1 B2 C L yL VT 输入回路输入回路 输出回路输出回路 晶体管晶体管 由三部分组成由三部分组成 输入回路：输入回路：输入变压器次级绕组输入变压器次级绕组B1 晶体管：晶体管：T 输出回路：输出回路： LC并联谐振回路，并联谐振回路， 输出变压器输出变压器B2，负载，负载YL 3 2 1 5 4 yie yoe yreuceyfeube C yL L + u54 - 3 放放大大器器 Y 参参数数等等效效电电路路 其其中中： ieieie Cjgy oeoeoe Cjgy

13、LLL Cjgy 另另外外，为为了了实实现现晶晶体体管管输输出出阻阻抗抗与与负负 载载之之间间的的阻阻抗抗匹匹配配，减减少少晶晶体体管管输输出出 电电阻阻与与负负载载对对品品质质因因素素的的影影响响： 负负载载和和回回路路之之间间采采用用了了变变 压压 器器 耦耦 合合 ， 接接 入入 系系 数数 N N u u p 1 31 54 2 + u31 - + u21 - 3 2 1 5 4B1 B2 C L yL VT 晶体管集、射回路与振荡回路晶体管集、射回路与振荡回路 之间采用抽头接入，接入系数：之间采用抽头接入，接入系数： N N u u p 2 31 21 1 3 2 1 5 4 yie

14、yoe yreuce yfeube C yL L ie Loe fere iei y Yy yy yY 二、放大器性能参数分析：二、放大器性能参数分析： 1放放大大器器输输入入导导纳纳Yi be b i u i Y 而而： ceLc oecebec cereiebeb uYi yuuyi uyyui fe ib + ube - iC + uce - L Y 而而回回路路 3、1 端端之之间间总总电电导导为为： ) Lj 1 Cjypg(Y L 2 20L 其其中中 0 g为为回回路路的的自自损损耗耗电电导导 把把 L Y折折合合到到 2、1 端端可可得得： ) 1 ( 11 2 20 2 1

15、2 1 Lj Cjypg p Y p Y LLL 由由上上两两式式可可求求出出： be Loe fe ce u Yy y u Yi 0 g iC yfeube yoe L Y + uce - yoe yfeube yreuce yie YS yL YSyie yreuce yfeube yoe C iS yfeube yoe yreuce yieYS 2放放大大器器输输出出导导纳纳 + ce u Yo 0i ce c o s u i Y Yo )( iesbecere oecebefec yYuuy yuuyi 由由（2）式可得：）式可得： ce ies re be u yy y u iC 代

16、代入入（1）式式得得： ies fere oeo yY yy yY 可可 见见 上上 式式 中中 第第 一一 项项 oe y为为 晶晶 体体 管管 的的 短短 路路 输输 出出 导导 纳纳 ， 第第 二二 项项 是是 由由 re y 引引 起起 的的 输输 出出 导导 纳纳 ， 且且 与与 信信 号号 源源 的的 内内 导导 纳纳 s Y 有有 关关 。 一一 般般 在在 忽忽 略略 re y 的的 作作 用用 时时 ， oeo yY + be u 0 g yL YSyie yreuce yfeube yoe C iS 3 电电压压放放大大倍倍数数 解解 法法 一一 ： + u54 - + u

17、31 - + u21 - 利利 用用 上上 述述 求求 解解 输输 入入 导导 纳纳 的的 方方 法法 ， 把把 振振 荡荡 回回 路路 折折 合合 到到 晶晶 体体 管管 集集 电电 极极回回路路的的等等效效电电路路 31254o upuu 31121ce upuu ce 1 2 o u p p u 有 如如右右图图所所示示： be Loe fe ce u Yy y u 而而bei uu + ube - L YiC yfeube yoe L Y + uce - 故可得故可得 )( 1 2 Loe fe i o u Yyp yp u u A yL YSyie yreuce yfeube yoe

18、 C iS C p1yfeube go yfeubeyoe YL yL yfeube yoe 3 电电压压放放大大倍倍数数 解解 法法 二二 ： 把晶体管集电极回路把晶体管集电极回路 和负载和负载 L y 折合到振荡折合到振荡 回路两端回路两端 be 312 i o u u up u u A 31254o upuu + u54 - Lj Cjg uyp u befe 1 1 31 + u31 - 其其 中中 ： L 2 2oe 2 1 L 2 2oe 2 1o CpCpCC gpgpgg LLL oeoeoe Cjgy Cjgy ) f f2 jQ1(g ypp Lj 1 Cjg ypp A

19、o L fe21fe21 u + u31 - p1yfeube p1yfeube + u31 - p1yfeube yL YSyie yreuce yfeube yoe C iS C p1yfeube go 3 电电压压放放大大倍倍数数 ) f f2 jQ1(g ypp Lj 1 Cjg ypp A o L fe21fe21 u 其其中中： LC fo 2 1 为为调调谐谐放放大大器器的的谐谐振振频频率率。 Lgg C Q o o L 1 为为调调谐谐回回路路的的有有载载品品质质因因素素。 另另外外（常常用用） ，当当谐谐振振时时， o ff ， 0 f 则则有有： L 2 2oe 2 1o

20、fe21fe21 uo gpgpg ypp g ypp A + u31 - 由由上上式式可可以以看看出出：一一般般情情况况下下，放放大大 器器在在回回路路调调谐谐时时，输输出出电电压压与与输输入入电电压压之之 间间的的相相位位差差并并不不是是180o。 ) f f2 jQ1(g ypp Lj 1 Cjg ypp A o L fe21fe21 v Loeo fefe o gpgpg ypp g ypp A 2 2 2 1 2121 4 放放 大大 器器 的的 通通 频频 带带 归归一一化化电电压压增增益益为为： j1 1 f f2 jQ1 1 A A o L o o L f f2 Q 为为广广义

21、义失失谐谐因因子子。 2 2 o L o1 1 ) f f2 Q(1 1 A A 为为放放大大器器谐谐振振曲曲线线。 o A A 如如果果令令 2 1 1 1 2 o A A 即即可可求求出出放放大大器器的的通通频频带带为为： L o 7.0 Q f f2B 可可见见：QL B 1 B 另另外外，电电压压增增益益 o A 与与通通频频带带之之间间的的关关系系： g C Q o L Cf f f Cf Q C g o o L o 7 .0 7 .0 4 2 2 Cf4 ypp g ypp A 7 . 0 fe21fe21 uo 有有 C 7 . 0 f o A L o 7.0 Q f f2B o

22、 A A 1 5单单调调谐谐放放大大器器的的选选择择性性： 7 . 0 f2 用用矩矩形形系系数数来来表表示示选选择择性性： 即即 7.0 1.0 1.0 f2 f2 k 如如果果令令 1 . 0 2 1 1 1 . 0 1 . 0 o L o f f Q A A 可可 得得 ： L o2 1.0 Q f 110f2 有有 195. 9110k 2 1 . 0 说说明明谐谐振振曲曲线线与与矩矩形形相相差差较较远远，选选择择性性较较差差，这这是是单单调调谐谐放放大大器器 的的缺缺点点。 1 .0 f2 go befeu yp1 oe gp 2 1 L gp 2 2 二、放大器性能参数分析：二、放

23、大器性能参数分析： 6功率增益功率增益 由由于于在在非非谐谐振振点点上上计计算算功功率率十十分分复复杂杂，且且一一般般用用处处不不大大，故故主主 要要讨讨论论谐谐振振时时的的功功率率增增益益： i o po P P G 式式中中 i P为为放放大大器器的的输输入入功功率率， o P为为输输 出出端端负负载载 L g 上上获获得得的的功功率率。 右右图图给给出出了了谐谐 振振时时的的简简化化等等效效电电路路。 有：有： 2 beiei ugP L befe Lo gp g uyp gpuP 2 2 2 1 2 2 2 31 ie L uo ie L fe po g g A g g g ypp G

24、 2 2 2 2 2 2 1 讨讨论论： i)如如果果设设 LC 调调谐谐回回路路自自身身元元件件无无损损耗耗，且且输输出出回回路路传传输输匹匹配配。 则则可可得得最最大大功功率率增增益益为为： oeie 2 fe L 2 2oe 2 1ie L 2 fe 2 2 2 1 ie L 2 L 2 2oe 2 1 2 fe 2 2 2 1 max po gg4 y gpgpg4 gypp g g gpgp ypp G + u31 - Loe o gpgp g 2 2 2 1 0 即即 功率增益功率增益 讨讨论论： i)如如果果设设 LC 调调谐谐回回路路自自身身元元件件无无损损耗耗，且且输输出出回

25、回路路传传输输匹匹配配。 则则 可可 得得 最最 大大 功功 率率 增增 益益 为为 ： oeie 2 fe L 2 2oe 2 1ie L 2 fe 2 2 2 1 ie L 2 L 2 2oe 2 1 2 fe 2 2 2 1 max po gg4 y gpgpg4 gypp g g gpgp ypp G 上上式式中中的的 max po G是是放放大大器器输输出出端端达达 到到共共轭轭匹匹配配时时，在在给给定定工工作作频频率率时时放放大大 能能力力的的极极限限值值。但但在在实实际际应应用用中中，因因放放 大大倍倍数数太太大大，工工作作反反而而不不稳稳定定，线线路路调调 节节也也较较麻麻烦烦

26、。 ii)考考虑虑到到 o g 的的存存在在，即即 Loe o gpgp g 2 2 2 1 0 可可得得最最大大功功率率增增益益为为： max po 2 0 L2 0 L oeie 2 fe max po G) Q Q 1() Q Q 1( gg4 y G 式式中中： 2 0 L ) Q Q 1( 称称为为回回路路的的插插入入损损耗耗 而而 值值空空载载 值值有有载载 Q Lg Q Q Lgg C Q oo o o o L 1 1 go befeu yp1 oe gp 2 1 L gp 2 2 + u31 - Loe o gpgp g 2 2 2 1 0 即即 2 n 2 2 n 2 0 L

27、 n 0u u n 01u 1u 0n n 1 1 f f2 Q1 1 A A A A A A 三、多级单调谐放大器三、多级单调谐放大器 若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器若单级放大器的增益不能满足要求，就要采用多级放大器 设设放放大大器器有有 n 级级，各各级级的的电电压压增增益益分分别别为为un3u2u1u AA,A,A ， 则则总总电电压压增增益益n A 为为：un3u2u1un AAAAA 而而谐谐振振时时的的电电压压总总增增益益为为：n0u03u02u01u0n AAAAA 如如果果各各级级放放大大器器的的参参数数及及增增益益匀匀相相同同， 即即n0u03u02u01

28、u AAAA ，且且通通频频带带匀匀相相同同， 即即 L n Q f BBBB 0 13121 则则有有： n un n un AA AA 010 1 归归一一化化电电压压增增益益为为： Au1Au2Aun (1) n 级级放放大大器器的的通通频频带带 令令 n n 1 2 2 2 21 2 1 1 1 12n 1 L o n n n Q f fB122 1 7 . 0 可可见见，n 级级放放大大器器级级联联后后，总总的的通通频频带带比比单单级级放放大大器器的的通通频频带带 缩缩小小了了12 1 n 倍倍，其其中中，12 1 n 称称为为频频率率缩缩小小系系数数。 由由矩矩形形系系数数的的定定

29、义义： 7 . 0 1 . 0 1 . 0 f2 f2 K 如如果果令令 11001 . 0 1 1 1 2 2 n n 1100 Q f f2 n 1 L 0 1.0 12 1100 K n 1 n 1 1.0 可可见见当当级级数数 n 增增加加时时，放放大大器器的的矩矩形形系系数数有有所所改改善善，但但这这种种 改改善善是是有有限限度度的的，一一般般级级数数越越多多， 1 . 0 K 的的改改善善越越缓缓慢慢。当当 n时时， 1 . 0 K 也也只只有有 2.56，与与理理想想矩矩形形仍仍有有一一定定距距离离。 (2)n级放大器的矩形系数级放大器的矩形系数 yie yreuceyfeube

30、 yoe YS yL 1.2.6 1.2.6 高频调谐放大器的稳定性高频调谐放大器的稳定性 实际上实际上yre0，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流，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。，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡现象。 1. 共发射极放大器的最大稳定增益共发射极放大器的最大稳定增益 ubeuce 由于内反馈的存在，在放大器的输由于内反馈的存在，在放大器的输 入端将产生一个反馈电压入端将产生一个反馈电压ube

31、，定义稳定，定义稳定 系数系数S: Sube(j)ube(j) ube(j)= - - yreuce/ (YS+ yie)= - - yreuce/ y1 uce(j)= - - yfeube/ (yL+ yoe)= - - yfeube/ y2 Sube(j)ube(j)= y1 y2/ yfeyre 当当S为正实数时，表明为正实数时，表明ube(j)ube(j)同相，满足自激振荡的相位条件。同相，满足自激振荡的相位条件。 当当|S |1时，时，|ube(j)| ube(j)|，不满足振幅条件，放大器不会自激；，不满足振幅条件，放大器不会自激； 当当| |S S |1 |1时，放大器不稳定。

32、时，放大器不稳定。 为使放大器远离自激状态而稳定地工作，单级放大器通常选为使放大器远离自激状态而稳定地工作，单级放大器通常选|S |510。 2.2.4 2.2.4 高频调谐放大器的稳定性高频调谐放大器的稳定性 1. 共发射极放大器的最大稳定增益共发射极放大器的最大稳定增益 当晶体管的工作频率远低于特征频率当晶体管的工作频率远低于特征频率fT时时: : yfe|yfe|gm ,yrejCbc，re90o 经推导得经推导得: cbo m uo 2 CS g A 当取当取S=1时，称为临界稳定，其电压增益称为临界稳定电压增益。时，称为临界稳定，其电压增益称为临界稳定电压增益。 实际中常取实际中常取S=5，此时电压增益称为最大稳定增益，此时电压增益称为最大稳定增益。即为。即为 cbo m max uo 5 . 2 C g A S越大，稳定性越高，而增益越小越大，