Chapter 3高频小信号放大器

1、4.1 4.1 概述概述定义：定义： 中心频率在几百中心频率在几百kHzkHz到几百到几百MHzMHz，频带宽度在，频带宽度在几几khzkhz到几十到几十MHzMHz，放大小信号的放大器称为高频，放大小信号的放大器称为高频小信号放大器。小信号放大器。 高频小信号放大器工作在电子器件的线性范围高频小信号放大器工作在电子器件的线性范围（甲类放大器（甲类放大器) )，因此可将元件看成线性元件。，因此可将元件看成线性元件。1. 高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类n按所用的器件：晶体管按所用的器件：晶体管（BJT)放大器、放大器、场效应管场效应管（FET)放大器、放大器、集电电路集电电路（IC

2、)放大器；放大器；n 按频谱宽度：按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器；窄带放大器和宽带放大器；n 按电路形式：单级放大器和多级放大器；按电路形式：单级放大器和多级放大器；n 按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器。按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器。 主要讨论晶体管、单级、窄带、谐振放大器。主要讨论晶体管、单级、窄带、谐振放大器。谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，同时谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，同时具有放大和选频的作用。具有放大和选频的作用。2）通频带通频带 当放大器的负载是谐振回路时，放大器的谐振特性和谐振当放大器的负载是谐振回路时，放大器的谐振特性和谐振回路的特性一致。回

3、路的特性一致。 放大器的电压增益下降到最大值的放大器的电压增益下降到最大值的0.7070.707倍时，所对应的频倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用率范围称为放大器的通频带，用B=2f 0.7表示。表示。B=2f 0.7也称为也称为3 3dB带宽。带宽。 f f0 2f0.7 0.7 1 AV/AV0 f 2f0.7 0.5 1 AP/AP0 回路回路Q值越大，通频带越窄，放大器级数越多，通频带值越大，通频带越窄，放大器级数越多，通频带越窄，并且，通频带越宽，放大器的增益越小。越窄，并且，通频带越宽，放大器的增益越小。3）选择性选择性 选择性是用来衡量放大器选出有用信号，抑制干扰信号的

4、选择性是用来衡量放大器选出有用信号，抑制干扰信号的能力。常采用矩形系数和抑制比来表示。能力。常采用矩形系数和抑制比来表示。 矩形系数矩形系数通常用来说明对邻近波道干扰的抑制能力。通常用来说明对邻近波道干扰的抑制能力。 f AV/AVo 2f0.1 2f0.7 理想 0.1 0.7 1 实际 70101022.rffK7001001022.rffK 2 f r 0.1, , 2 f r 0.01分别为放大倍数下降至分别为放大倍数下降至0.1和和0.01处的带宽，处的带宽，Kr愈接近于愈接近于1 1越好。通常越好。通常Kr0.1在在2 25 5之间。之间。 抑制比抑制比 主要用来表示对某个特定干扰

5、信号主要用来表示对某个特定干扰信号fn （如中频、（如中频、镜频等）的抑制能力，用镜频等）的抑制能力，用dn表示。表示。fAVf0AAVnfnnAAdv0nAn为干扰信号的放大倍数，为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点为谐振点f0的放大倍数。的放大倍数。例：例：Av0=100 =100 ，An =1=1dB40dB1001100nn)(d,dndBdlgd20n 4）工作稳定性工作稳定性 指在电源电压变化或器件参数变化时，放大器的指在电源电压变化或器件参数变化时，放大器的主要参数的稳定程度。不稳定的表现是增益变化、中主要参数的稳定程度。不稳定的表现是增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线

6、变形等，极端情心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等，极端情况是放大器发生自激，完全不能工作。况是放大器发生自激，完全不能工作。 为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。配方法等。 5）噪声系数噪声系数放大器的噪声性能可用噪声系数表示，定义为：放大器的噪声性能可用噪声系数表示，定义为：)(/)(/nosonisiF输输出出信信号号噪噪比比输输入入信信号号噪噪比比PPPPN 可见可见N NF F大于大于1 1，我们希望，我们希望N NF F越接近越接近

7、1 1越好。越好。 以上这些指标要求，相互之间即有联系又有矛以上这些指标要求，相互之间即有联系又有矛盾。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，进行分析和讨一对矛盾。故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。论。 晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的频率较高时的作用是不能忽略的。作用是不能忽略的。 在电路分析中，在电路

8、分析中，“等效电路等效电路”是一种很有用的是一种很有用的方法，晶体管在高频运用时，它的等效电路主要有方法，晶体管在高频运用时，它的等效电路主要有两种表示方法，两种表示方法，形式等效电路形式等效电路(Y(Y参数等效电路参数等效电路) )和和物理模拟等效电路物理模拟等效电路（混合（混合 型型等效电路）。等效电路）。 一、形式等效电路（网络参数等效电路）一、形式等效电路（网络参数等效电路） b C V2 + + V1 I1 I2 e 形式等效电路把晶形式等效电路把晶体管看成一个四端的黑体管看成一个四端的黑箱，它只在断口特性上箱，它只在断口特性上等效，对外等效为一组等效，对外等效为一组参数。参数。 该

9、四端网络在工作时有四个参数，分别是输入该四端网络在工作时有四个参数，分别是输入电压电压V1，输入电流，输入电流I1，输出电压，输出电压V2，输出电流，输出电流I2。 选两个电压为自变量，电流为参变量，则得到选两个电压为自变量，电流为参变量，则得到Y Y参数等效电路，即导纳参数。参数等效电路，即导纳参数。同样，还有同样，还有Z Z参数（阻参数（阻抗参数），抗参数），H H参数（混和参数）。参数（混和参数）。选选V1， V2为自变量，为自变量，I1，I2为自变量，即为自变量，即212211VyVyIVyVyIofri式中：式中：0112ViVIy称为输出短路时的输入导纳；称为输出短路时的输入导纳；

10、0211VrVIy称为输入短路时的反向传输导纳，反映了输称为输入短路时的反向传输导纳，反映了输出电压对输入电流的影响，即电路的反馈作出电压对输入电流的影响，即电路的反馈作用，是产生不稳定的因素，希望尽量小；用，是产生不稳定的因素，希望尽量小；0122VfVIy称为输出短路时的正向传输导纳，反映了输称为输出短路时的正向传输导纳，反映了输入电压对输出电流的控制作用，即电路的放入电压对输出电流的控制作用，即电路的放大作用；大作用；0221VoVIy称为输入短路时的输出导纳。称为输入短路时的输出导纳。 1I 1V yi yr2V 2I 2V yo yf1V + + 由上面的等效电路方程，可以得到等效电

11、路由上面的等效电路方程，可以得到等效电路 注：这里得到的注：这里得到的Y Y参数只是晶体管本身的短路参数，即自参数只是晶体管本身的短路参数，即自参数，它只与晶体管的特性有关，而与外电路无关，所以又称参数，它只与晶体管的特性有关，而与外电路无关，所以又称内参数。内参数。 晶体管作放大器用时，因为输入端或输出端接有信源与负晶体管作放大器用时，因为输入端或输出端接有信源与负载，此时载，此时Y Y参数与外接负载和信号源内阻有关，所以称为外参参数与外接负载和信号源内阻有关，所以称为外参数。数。 二、物理模拟等效电路（混合二、物理模拟等效电路（混合型等效电路）型等效电路） 把晶体管内部的物理过程用集中元器

12、件把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表表示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是所谓的混和路就是所谓的混和型等效电路。型等效电路。 b rbb gbe Ic Vce gce gmVbe b Ib gbc Cbc Cbe Vbe Vbe c e 三、混合三、混合等效电路的简化等效电路的简化 brbbgmVbebgbcCbcCbece 在一定的频率下：在一定的频率下：r rb b c c与与Cb c引起的容抗相比，引起的容抗相比，r rb b c c可视为开路；可视为开路；r rb b e e与与Cb e引起的容抗相比，引起的容抗相比，r

13、 rb b e e可视为开路；可视为开路；r rcece与回路负载比较，可视为开路。与回路负载比较，可视为开路。 这是对工作频率较高这是对工作频率较高时的简化电路，对工作频时的简化电路，对工作频率范围不同时，等效电路率范围不同时，等效电路可进行不同的简化。可进行不同的简化。 频率低时可忽略电容频率低时可忽略电容的作用。的作用。四、四、Y Y参数等效电路与混合参数等效电路与混合等效电路的转换等效电路的转换 但在小信号放大器中，常以但在小信号放大器中，常以y y参数等效电路作参数等效电路作为分析基础。因此，有必要讨论混合为分析基础。因此，有必要讨论混合 等效电路参等效电路参数与数与y y参数的转换

14、，以便根据确定的元件参数进行小参数的转换，以便根据确定的元件参数进行小信号放大器或其他电路的设计和计算。信号放大器或其他电路的设计和计算。 若已知若已知 ，可以从手册上查得，可以从手册上查得r rbbbb 、C Cb b e e 、C Cb b e e等等型等效参数。型等效参数。推导及公式略。推导及公式略。 C4 R3 LF CF C3 R2 R1 C2 P1 P2 a b L + C1 R1、R2、R3为为偏置电阻，偏置电阻，决定工作点；决定工作点； LF、CF为滤波电路，负压为滤波电路，负压供电；供电； C4、L组成组成LC谐振回路；谐振回路； R4是加宽回路通频带用；是加宽回路通频带用；

15、 C1、 C2为耦合电容；为耦合电容； C3为射极旁路电容；为射极旁路电容； 可以看出，单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路可以看出，单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联回路的组合，其中回路采用了抽头的接入方式。和并联回路的组合，其中回路采用了抽头的接入方式。晶体管谐振放大器晶体管谐振放大器3.3.1 3.3.1 单级单调谐回路谐振放大器单级单调谐回路谐振放大器画出交流画出交流Y参数等效电路如下图参数等效电路如下图 C P1 gp P2 a b L Is Ys Vi + Ib yie1 yreVc yfeVi yoe yie2 Vc + Vo + c Ic YL )3()2() 1

16、(LccCoeifeccreiiebYVIVyVyIVyVyI Y L代表由集电极代表由集电极C向右看的回路导纳（对外电路而言向右看的回路导纳（对外电路而言Vc是是上负下正，故上负下正，故Ic有一负号）有一负号）可得方程组可得方程组)4(iLoefecVYyyV式式(3)(3)代入式代入式(2)(2)得得式式(4)(4)代入式代入式(1)(1)得得 iLoefereiebVYyyyyILoefereieibiYyyyyVIY所以放大器的输入导纳为所以放大器的输入导纳为 yie为晶体管共发连接时的短路输入导纳（内参数），为晶体管共发连接时的短路输入导纳（内参数），Yi为为晶体管接成放大器且接有负

17、载晶体管接成放大器且接有负载Y L的输入导纳。的输入导纳。 两者相差的部分为反馈导纳，它会引起放大器的不稳定，两者相差的部分为反馈导纳，它会引起放大器的不稳定，分析其他质量指标时暂不考虑分析其他质量指标时暂不考虑yre。令。令yre =0 =0，即，即Yi = = yie。 放大器的质量指标放大器的质量指标1）电压增益电压增益ioVVVA根根据据定定义义根据抽头关系根据抽头关系,2aboVpVabcVpV1coVppV12LoefeicioVYypypVVppVVA1212iLoefecVYyyV又又,12LLYpY 由于由于2221iepLypLjCjGY而而LoefeLoefeLoefeV

18、YypypppYypypYypyp2121211212222ieieieoeoeoeCjgyCjgy：令令LjCpCpCjGpgpgpyppAieoeieoefeV122212222121LjCjgyppfe12102121ffQjgyppLfe的的失失谐谐是是工工作作频频率率对对：式式中中000,21ffffLCf是是回回路路的的等等效效品品质质因因数数gCQL0LjCjgyppAfeV1212222121210ieoefefeVgpgpGpyppgyppA 在谐振点，在谐振点，f =0，可得小信号单级调谐放大器的谐振，可得小信号单级调谐放大器的谐振电压增益为：电压增益为：电压增益的相关结论

19、电压增益的相关结论达达到到最最大大，在在谐谐振振时时，电电压压增增益益的的函函数数是是工工作作频频率率fAV。1 18 80 0，1 18 80 01 18 80 0f fe ef fe e而而是是的的相相差差不不是是，因因此此输输入入和和输输出出之之间间也也有有一一个个相相角角是是一一个个复复数数，它它的的相相位位差差。此此外外输输入入和和输输出出有有efyo o1 18 80 00 0相相位位差差才才是是和和，当当频频率率较较低低时时，ioefVV成成反反比比。电电导导成成正正比比，和和回回路路的的总总与与晶晶体体管管正正向向传传输输导导纳纳efVgyA2）功率增益功率增益）谐谐振振时时放

20、放大大器器的的功功率率信信号号源源送送给给上上获获得得的的功功率率负负载载(gie20ioPPPA goe a b P1yfeVi gie2 P1goe 2 P1 P2 P2gie2 2 a b GP gie1 Vi yfeVi 12ieiigVP 222212222ieifeieabogpgVypgpVP可知可知其中：其中：22221ieoepgpgpgg122V012222221P0ieieieiefeggAgggyppA：故故P0P0log10dBdbAA）（：表表示示时时用用ie222oe21P0gpgpg：则则匹匹配配条条件件为为，忽忽略略回回路路本本身身的的损损耗耗oeiefeoe

21、ieiefeieioggygpgpgygppppA12212221222221(max)maxP044：故故最最大大功功率率增增益益为为，即即引引入入插插入入损损耗耗的的作作用用考考虑虑到到，在在实实际际情情况况下下pg21212max0144)(OLieoefelieoefePQQggyKggyA3 3）放大器的通频带）放大器的通频带大大器器的的谐谐振振曲曲线线而而变变化化的的曲曲线线，叫叫做做放放随随 fAAV0V f AV AVo f0 2f0.7 0.7 1 20V0V211ffQAAL 由由于于21V0VAA1207 . 0ffQLLQff07 . 02gCLgQL001CfffCf

22、QCgL7 . 07 . 0000422CfyppgyppAfefe7 . 02121V04故故：CyppfAfe22217.0V0 当当 和和 为定值时（电路定了其值也定了），为定值时（电路定了其值也定了），带宽增益乘积带宽增益乘积为常数。为常数。feyC4 4）选择性）选择性7 . 01 . 00.1r 22ffK1.0V0VAA前面定义了矩形系数前面定义了矩形系数1 . 02Q11201 . 0LffLQff020.11102195. 91102227 . 01 . 00.1rffK故故矩矩形形系系数数说明单调谐回路放大器的邻道选择性比较差。说明单调谐回路放大器的邻道选择性比较差。3.3

23、.2 3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器多级单调谐回路谐振放大器 若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。生变化。1）增益增益mmmAAAAAAAmVV2V1VV2V1则则总总增增益益为为、级级，各各级级的的增增益益为为如如果果放放大大器器有有2）通频带通频带如果各级放大器是相同的如果各级放大器是相同的22001211,mLmmmVmffQAAAA可见，级数越多，谐振曲线越尖锐。可见，级数越多，谐振曲线越尖锐。21211220

24、0mLmmffQAALmmmQfff017.017.012212)2(。带带宽宽缩缩减减因因子子称称为为变变窄窄, ,通通频频带带多多级级放放大大器器的的可可见见，是是单单级级放放大大器器的的通通频频带带12217 . 0mXf3 3）选择性）选择性1012112200mLmmffQAA对多级放大器对多级放大器LmmmQfff017 .011 .0110021100)2(12110022117 .01 .01 .0rmmmmffK矩矩形形系系数数 结论结论: :单调谐回路特点是电路简单单调谐回路特点是电路简单, ,调试容易调试容易, ,但选择性但选择性差（矩形系数离差（矩形系数离1 1较远）较

25、远）, ,增益和通频带的矛盾比较突出。增益和通频带的矛盾比较突出。谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性一、自激产生的原因一、自激产生的原因放大器的输入导纳放大器的输入导纳FLiYyYyyyyYieoerefeie称称为为反反馈馈导导纳纳其其中中FFFjbgY 前面在分析的时候忽略了前面在分析的时候忽略了yre。令。令yre =0 =0，即，即Yi = = yie。但是。但是实际上由于实际上由于yre的存在会使得放大器不稳定，甚至自激。的存在会使得放大器不稳定，甚至自激。 gsLCyieYFYSYigsLCyieYFYSYi gF改变了回路的改变了回路的QL值值, , bF引起回路失谐。这些都会

26、引起回路失谐。这些都会使回路的增益、选择性、通使回路的增益、选择性、通频带、谐振曲线等发生变化。频带、谐振曲线等发生变化。并且并且YF是频率的函数，所以是频率的函数，所以上述的变化都是不稳定的。上述的变化都是不稳定的。 特别的，特别的，gF是频率的函数，在某些频率上可能是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，使回路的总电导减小，为负值，即呈负电导性，使回路的总电导减小，QL增加，通频带减小，增益也因损耗的减少而增加，增加，通频带减小，增益也因损耗的减少而增加，理解为负电导理解为负电导gF供给回路能量，出现正反馈。供给回路能量，出现正反馈。 当总电导当总电导g = gF + gs +

27、 gie = 0时，回路不消耗能时，回路不消耗能量，此时量，此时QL ， B0， AV ，放大器失去放放大器失去放大性能（在无输入的情况下也有输出），即处于自大性能（在无输入的情况下也有输出），即处于自激振荡工作状态。激振荡工作状态。二、放大器产生自激的条件二、放大器产生自激的条件 当当Ys + Yi = 0时，时，回路总电导回路总电导g = 0 放大器产生放大器产生自激。自激。 此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回电纳部分也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回路损耗的能量，且电纳部分也恰好得到抵消。

28、路损耗的能量，且电纳部分也恰好得到抵消。即自激条件为：即自激条件为：0LoerefeieSYyyyyY1refeLoeieSyyYyYY变变的的不不稳稳定定。 变变小小接接近近于于1 1，反反馈馈变变强强，等等式式左左边边 讨讨论论：fey引入引入稳定系数稳定系数 )cos(1)(2refereLoeiesygggggSfeS S5 51 10 01 1S S一一般般要要求求，稳稳定定才才时时当当只只有有产产生生自自激激，时时，当当1S0isYY三、三、Avo与与S的关系的关系在工程上做近似的计算，在工作频率在工程上做近似的计算，在工作频率f fT时：时：求得求得refeCygS022refe

29、feVCSygyA002 当当S = 5时，时，re0fe02.5Cy)A(sV (AV0)s是保持放大器稳定工作所允许的电压增是保持放大器稳定工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作，益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作， AV0不允许超过不允许超过(AV0)s 。四、克服自激的方法四、克服自激的方法 由于由于yre的存在，晶体管是一个双向的器件，增的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。单向化的方法有：单向化的方法有：中和法：消除中和法：消除yre的反馈；的反馈；失配法：使失配法：使GL或或gs的数值增大，因而使输入的数值增大，因而使输入和输出回路与晶体管失去匹配。和输出回路与晶体管失去匹配。(1) (1) 中和法中和法 在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的在