2第二章-高频小信号放大器

1、2021/8/21第二章 高频小信号放大器2.1 概述2.2 晶体管高频小信号等效电路与参数2.3 谐振放大器2.4 宽频带放大器2021/8/22n了解高频小信号放大器主要技术指标：增益、通频带、选择性等的含义n熟悉高频小信号的两种等效电路：网络参数与混合型等效电路n掌握单调谐回路谐振放大器的增益、通频带与选择性的计算2021/8/23 在高频电路中，高频小信号放大器是各类接收设备的重要组成部分。例如，无线电接收机的高频放大器和混频后的中频放大器，它们都是小信号选频放大器，放大器的负载采用谐振回路的放大电路，具有放大、滤波和选频的作用，广泛地应用在各类接收设备中。通常，高频放大器是指中心频率

2、是可调的，常称为小信号调谐放大器调谐放大器；中频放大器是指中心频率是固定的，常称为频带放大器。频带放大器。它们也都可称作谐振放大器谐振放大器。2.1 概述概述几十微伏到几毫伏2021/8/24 高频小信号放大电路分为窄频带放大电路窄频带放大电路和宽频带宽频带放大电路放大电路。前者对中心频率在几百千赫兹，频谱宽度在几千赫兹到几兆赫兹内的微弱信号进行放大；后者对频带宽度一般在几兆赫兹到几十吉赫兹甚至更高范围内的微弱信号进行放大。它们共同的特点一是工作频率高，二是信号较小工作在线性范围内(甲类放大器)。宽频带放大电路，为展宽工作频带，不仅要求有源器件的高频性能好，在电路结构上采取了一些改进措施。根据

3、小信号调谐放大器采用的调谐回路是单谐振回路(一个LC谐振回路)还是双谐振回路(两个互相耦合的谐振回路)，又可分为小信号单调谐放大器小信号单调谐放大器和小信号双小信号双调谐放大器调谐放大器。到几吉赫兹2021/8/25高频小信号放大电路中，放大部分主要是由晶体管（BJT)、场效应管（FET)、集电电路（IC)等有源器件提供电压增益，由LC谐振回路、陶瓷滤波器或声表面滤波器件等实现选频功能。它们一般有两种形式：以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。按晶体管三个极与输入、输出信号的接法不同，调谐放大器有三种组态，即共射极、共基极和共集极组态。在广播和电视接收机中常用的是共射极组

4、态，以后没有特别说明，我们讨论的就是这种组态。2021/8/262）增益/放大系数(gain) ：表示对有用信号的放大能力。iopi0UPPlgAUUlgA1020，常用分贝表示： 电压增益： 功率增益：iUUAoUiPPPAo高频小信号放大器的主要技术指标：1）中心频率中心频率 f0 ：即调谐放大器的工作频率，是调谐放大器的主要指标。在中心频率的有效值 增益和稳定性是一对矛盾,通频带和选择性是一对矛盾,因此应根据需要决定主次。*功率放大倍数)(ppGA 功率放大倍数对于小信号谐振放大器本身并无重要意义，但是通过功率放大器的推导，可以获得晶体管最高振荡频率和最大电压放大倍数的概念。 2021/

5、8/27信号功率下降到一半时 3）通频带带宽 (passband)： 在无线电技术中，常把谐振回路U/Um从1下降到 (以dB表示是从0下降到-3dB)处的两个频率2f0.7的范围称作通频带。 对于放大器而言，也可以说是它的电压增益下降到最大值的0.7倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用B或 2f 0.7表示。2f 0.7也称为3分贝带宽。我们将AU/AUo随 f 而变化的曲线，称放大器的谐振曲线。21/2021/8/284) 选择性选择性(selectivity)： 从各种不同频率信号的总和（有用的、无用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性，选择性常采用矩

6、形系数和抑制比来表示。)2(221 .07 .01 .01 .0BfffKr或 f AV/AVo 2f0.1 2f0.7 理想 0.1 0.7 1 实际 2f0.1, 2f0.7分别为放大倍数下降至0.1和0.7处的带宽，Kr愈接近于1越好。 矩形系数(rectangular coefficient)：按理想情况, 谐振曲线为一矩形。为了表示实际曲线接近理想曲线的程度, 引入“矩形系数”。它表示对邻道干扰的抑制能力。信号功率下降到百分之一与一半时2021/8/29 抑制比抗拒比(suppression ratio)： 表示电路对某个干扰信号fn 的抑制能力，用表示。 nUnUAAAA00lg2

7、0)dB(或或，fAVf0AAVnfn0UAnAAn为干扰信号的放大倍数，AU0为谐振点f0的放大倍数。2021/8/210 为满足电路分析的需要，我们总是选用一种最方便的等效电路来替代晶体管。我们按等效模拟的方法不同，将它们归纳为两大类。 一类为物理模拟物理模拟，把晶体管内部的物理过程用元器件R、L、C等表示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路称为晶体管的物理模拟(参数)等效电路。这类电路物理概念较清楚，容易理解。 一类为功能模拟功能模拟，它是根据晶体管三个端子对外部电路所呈现的功能来进行模拟的等效电路，又称网络参数等效电路。这类电路便于电路的分析与计算。2. 2 晶体管高频小信号等

8、效电路与参数2021/8/211物理参数等效电路(物理模拟)网络参数等效电路(功能模拟)T 型等效电路(高频电路)混合型等效电路(宽频带电路)h 参数等效电路(低频电路)y 参数等效电路(高频调谐电路)2021/8/212一、共发射极混合参数等效电路共射极晶体管结构示意图及其等效电路(物理模拟)2021/8/213 混合参数等效电路是从模拟晶体管的物理机构出发, 用参数元件R、C和受控源来表示管内的复杂关系。 此模型的优点是各元件参数物理意义明确, 在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随器件不同而有不少差别, 分析和测量不方便。混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。2021/

9、8/214晶体管共射极混合参数等效电路是基区体电阻，一般在十几欧几十欧。rbb是发射结结电阻，它代表了b与e之间的等效电阻，其数值等于将发射结正向电阻re折合到基极回路的电阻值，通常在几百欧。reb,)()(26E0e bmAImVr0为晶体管共射低频电流放大系数，IE为发射级静态工作电流。其中电压、电流都是有效值。温度电压当量发射级静态工作电流2021/8/215晶体管共射极混合参数等效电路是集电极与发射极之间的电阻，它反映了集电极电压对集电集电流的影响，也表示了晶体管的输出电阻值。通常该阻值也较大，一般在几十千欧以上。rce是集电结结电阻，它代表共射组态时晶体管内部电阻的反馈作用，反映了输

10、出电压对输入电流的反作用。由于晶体管一般是工作在放大区，集电结总是处于反向偏置，该阻值很大，一般在100千欧10兆欧之间。rcb2021/8/216晶体管共射极混合参数等效电路ebC发射结电容，代表了输入阻抗中的电抗成分。大小在20 pF 0.01 F之间。cbC集电结结电容，代表了共射组态时晶体管内部的电容反馈作用，一般只有几皮法。它将输出的交流电压反馈一部分到输入端可能引起自激。2021/8/217晶体管共射极混合参数等效电路rbb 应当指出， 和 的存在对晶体管的高频运放很不利。前者将输出的交流电压反馈一部分到输入端(基极)，可能引起放大器的自激；后者在共基电路中引起高频负反馈，降低晶体

11、管的电流放大系数。所以希望两者要尽量小。Ccb2021/8/218)mV(26)mA(26.ee00e b0be bb0e bcmIIIIUIge bmUg它模拟晶体管放大作用，表示晶体管放大作用的等效电流源。gm 称为晶体管的跨导，反映晶体管的放大作用。温度电压当量发射级电流 在低频情况下，等效电路与习惯上的h参数简化等效电路相同。晶体管的跨导与工作点电流Ie成正比，而与管子的0无关。在低频情况下2021/8/219二、 y参数等效电路 对于高频小信号放大电路的分析，常采用y参数等效电路。 一. 是由于y参数要求在短路条件下获得，高频时晶体管内部电容效应不可忽视，在其端口实现短路条件较容易。

12、 二. 是晶体管的等效参数与谐振回路之间常以并联方式出现，给导纳参数计算带来方便。 三. 高频小信号谐振放大器相对频带较窄，一般仅需考虑谐振频率附近的特性，因而采用这种分析方法较合适。2021/8/220为自变量和输出电压设输入电压oiUUoiofrioiUUyyyyII:即式中：0oUiiiUIy导纳称为输出短路时的输入0iUoirUIy传输导纳称为输入短路时的反向0oUiofUIy传输导纳称为输出短路时的正向0iUoooUIy导纳称为输入短路时的输出晶体管共射网络y参数等效电路ooifooriiiUyUyIUyUyI y参数等效电路模型及参数2021/8/221 晶体管在共射极接法时，电流

13、放大系数 的模，随着工作频率f 的升高而下降，当降到低频放大系数值 0的 时的频率，即当=0.7070时，称为晶体管共射放大系数的截止频率。 晶体管共射截止频率 f2001,1ffffj 由于0比1大的多,在频率为f时, | |虽然下降到原来的0.707倍但仍然比1大得多,因此晶体管还能起到放大的作用。2/ 12021/8/222晶体管电流放大系数 电流放大系数也称电流放大倍数，用来表示晶体管放大能力。 根据晶体管工作状态的不同，电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。 补充补充：1直流电流放大系数 直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，

14、晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值。 2交流电流放大系数 交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量IC与基极电流变化量IB的比值。 两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。 2021/8/223 指晶体管简化的混合型等效电路在共射极接法下，输出端(c、e)对交流短路时，集电极电流对基极电流的比值。BCII0 晶体管共射交流(低频)放大系数0 ( )0.ceUbcII 晶体管共射直流放大系数基集开路时集电极发射极之间的穿透电流00ceUbcII (在IE的一个相当大的范围内， 0 )有效值 晶体管共射短路电流放大系数 )(CCCII

15、iBCBCEOCIIIII2021/8/224* 晶体管共基截止频率f 当晶体管共基极连接时，其输出端交流短路的电流放大系数也是随频率增高而降低的，当降低到 时所对应的频率称为 截止频率，用f 表示。它是晶体管用作共基组态时的输出交流短路参数。2/00cbUecII晶体管共基电流放大系数)12. 2 . 2()1 (1100fff2021/8/225 特征频率fT 当频率增高使得|下降到1时的频率。 fT 是晶体管的重要的频率参数,它表示了晶体管丧失电流放大能力时的极限频率。fffffT02011 最高振荡频率fmax fmax是晶体管的共射电路功率放大倍数(在阻抗匹配的条件下)下降到1 的频

16、率。它表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当f fmax时，无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。ffffTmax:以上频率参数的关系2021/8/226 R1、R2、R3为偏置电阻，确定工作点 LF、CF为滤波电路，负压供电 C3为旁路电路 C4、L组成L、C谐振回路 R4是加宽回路通频带用 r 表示回路内部损耗 所谓单调谐回路共射放大器就是晶体管共射电路和并联谐振回路的组合。所以前面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用。 C4 R3 LF CF C3 R2 R1 C2 p1 R4 p2 a b L - + Ui Uo Uc 2. 3 谐振

17、放大器2.3.1 单调谐回路谐振放大器2021/8/227等效电路分析：等效电路分析： 因为讨论的是小信号，略去直流参数元件即可用Y参数等效电路模拟（交流等效电路）。 C p1 g p2 a b L Is Ys Ui Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c e C4 R3 LF CF C3 R2 R1 C2 p1 R4 p2 a b L - + Ui Uo Uc 分析求解谐振回路的主要技术指标：电压增益/功率增益，同频带与选择性等2021/8/228单调谐放大器谐振回路等效电路图 下面分析该放大器的主要技术指标：放大倍数、通频带、品质因素等iouUUA 可先求出输入

18、、输出电压与集电极电压的关系。1）电压放大倍数Lcccoeifecci1c2ab2o?,YUIUYUYIUUpUpUpU分析： C p1 g p2 a b L Is Ys Ui Ib Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c Ic e 2021/8/229)3 . 3 . 2()4 . 3 . 2(LcccoeifecYUIUYUYI由图可知： C p1 g p2 a b L Is Ys Ui Ib Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c Ic e 对回路而言对回路而言Uc是上负是上负下正，故下正，故Ic有一负号有一负号)2 . 3 . 2

19、()1(1ie2222121YpLjCjgppYYLL)8 . 3 . 2(1222ieLYpLjCjgYYL代表负载谐振代表负载谐振回路回路ab间导纳。间导纳。(不含信号源内阻不含信号源内阻)YL代表由放大器集电极和代表由放大器集电极和发射极向右看回路导纳。发射极向右看回路导纳。(不含信号源内阻不含信号源内阻)2021/8/230 C p1 g p2 a b L Is Ys Ui Ib Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c Ic e Loe1fe2Loe1fe2iou) (YYpYppYYpYpUUA21ocabcaboUppUUpU,UpU2112(2.3.6

20、)(2.3.7)5 . 3 . 2(iLoefecUYYYU (2.3.3) 代入(2.3.4)： ) 3 . 3 . 2()4 . 3 . 2(LcccoeifecYUIUYUYI2021/8/231 c p1 g p2 a b L Is Ys Ui Ib Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c Ic e )10. 3 . 2(122212222121所以：LjCCpCpjggpgpYppAieoeieoefeU输入导纳和输入电容。分别是下一级放大器的和纳和输出电容；分别是放大器的输出导和其中，ie2ie2oeoeCgCgCCpCpCggpgpgieoeieoe2

21、222122221 ，令g 、C 为折算到谐振回路上的等效值为折算到谐振回路上的等效值LoefeiouYYpYppUUA21212021/8/232)12. 3 . 2(21021ffQjgYppALfeU可写成：附近时在谐振角频率回路的导纳，当角频率式中分母视为并联UA0的失谐是工作频率对式中：000,21ffffLCf是回路的等效品质因数LgCQ0)12. 3 . 2(121LjCjgYppAfeU2021/8/233电压增益的相关结论：的函数是工作频率fAU)16. 3 . 2(0222212121时，当ieoefefeUogpgpgYppgYppAffeoofeo180,180180而

22、是相差不是因此输入和输出之间的，个相角是一个复数，它也有一此外由于的相位差；号表明输入和输出有feYoife1800相位差才是和，当频率较低时，UUo成反比。导成正比，和回路的总电与晶体管正向传输导纳gfeUoYA)12. 3 . 2(21021ffQjgYppALfeU注：AU0谐振时电压放大倍数；而当AU/AU0=0.707为通频带的界限2021/8/2342）放大器的通频带B)34. 3 . 2(2)32. 3 . 2(24422121217021217 . 07 . 000000，与通频带的关系：feUofe.fefeUoLLUoCYppBABCYppCfYppgYppACfffCfQ

23、CggCLgQA稳定。应尽量大，使谐振曲线放大器，尽量大；对于窄带要使曲线不稳定是次要的，、对于宽带而言，谐振的稳定性变差。，但是这样会导致系统谐振回路的总电容量减小较大的晶体管外，应尽频带，除了选用、为了获得高增益，宽比。等于常数，两个量成反大倍数和通频带的乘积、晶体管谐振的电压放UCAcbaCYfe2021/8/2353）单调谐放大器的选择性来分析：以矩形系数7 . 01 . 00.1r 22ffk702L021001 . 0L0211011021 . 0211.UUfQffffQAA，则如果1110222701010.rffk故矩形系数： 所以单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其邻道

24、选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。)12. 3 . 2(21021ffQjgYppALfeUf0=BQ例例1，如图如图2.12，设工作频率，设工作频率f0=30MHz，回路电感回路电感L=1.4 H，接入接入系数为系数为p1=1，p2=0.3，线圈品质因素线圈品质因素Q0=100。晶体管均采用晶体管均采用3DG47型型NPN高频管，当高频管，当Uce=6V，IE=2mA时，晶体时，晶体管的管的Y参数（在工作频率）如下：参数（在工作频率）如下：gie=1.2mS，Cie=12pF，goe=400 S，Coe=9.5pF，|Yfe|= 58.3mS， fe= -2.2，|Yre|=310 S，

25、fe= -88.8，试求单级谐振放大器：试求单级谐振放大器：1) 回路有载回路有载QL值和通频带值和通频带B；2) 回路谐振工作所需的电容回路谐振工作所需的电容C4；3) 单级放大器的电压增益单级放大器的电压增益AU02021/8/237 C4 R3 L C C3 R2 R1 C2 p1 RP p2 a b L - + Ui Uo Uc 先画一晶体管等效电路图先画一晶体管等效电路图 c p1 gp p2 a b L Is Ys Ui Ib Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c Ic e MHzQfBgLQSgpgpggSRgkRLQRLLieoeppppp35.

26、4, 9 . 611055. 01084. 3126104 . 110302100) 1003222156600pFCCpCpCCpFLfCLCieoe4 . 920)2(11)242221420032)3fe210gYppAU C4 R3 LF CF C3 R2 R1 C2 p1 Rp p2 a b L - + Ui Uo Uc c p1 gp p2 a b L Is Ys Ui Ib Yie1 YreUc YfeUi Yoe Yie2 Uc Uo c Ic e 1) 回路有载QL值和通频带B；2) 回路谐振工作所需的电容C4；3) 单级放大器的电压增益AU02021/8/2392.3.2

27、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复杂的变化。1）增益)35. 3 . 2(m2121则总增益为、级，各级的增益为如果放大器有UmUUmUmUUAAAAAAA2）通频带，谐振曲线可表示为即相同如果各级放大器的增益)(mUmAA )37. 3 . 2(2112200mLmmffQAA,21)Q2(11207 . 0ffAAUoU2021/8/240根据通频带的定义，可以求m级放大器的通频带(2f0.7)m212112200mLmmffQAA成为带宽缩减因子可见通频带变窄，12/1mX)38. 3 . 2

28、(1212)2(7 . 01017 . 0BQffmLmm2021/8/2413）选择性(以矩形系数为例)38. 3 . 2(1100)2(1 . 0:011 . 0U0ULmmQffAA时当根据定义)40. 3 . 2(12110022k:117 . 01 . 01 . 0mmmmrff故 单调谐回路特点是电路简单，调试容易，但选择性差，单调谐回路特点是电路简单，调试容易，但选择性差，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。 双调谐回路谐振放大器双调谐回路谐振放大器是改善放大器选择性和解决放大器是改善放大器选择性和解决放大器增益和通频带之间矛盾的有效方法之一。增益和通频带之间

29、矛盾的有效方法之一。例2 三级单调谐中频放大器，中心频率f0=465kHz。若要求总的通频带(2f0.7)3=8kHz，试求每一级的通频带2f0.7、回路的有载品质因素QL，以及矩形系数。解：2021/8/243* 2.6 谐振放大器的稳定性 我们在讨论低频放大器时, 常常假定了反向传输导纳Yre, 即晶体管单向工作, 输入电压可以控制输出电流, 而输出电压不影响输入。实际上Yre0, 即输出电压可以反馈到输入端。特别是随着频率的增加，它引起输入电流的变化可能引起放大器工作不稳定。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。 低频低频小信号模型小信号模型高频高频小信号模

30、型小信号模型A AF FA A密勒效应2021/8/244 为了提高放大器的稳定性, 通常从两个方面着手。 一是从晶体管本身想办法, 减小其反向传输导纳Yre值。 Yre的大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc（由混合型等效电路图可知, bc跨接在输入、 输出端之间）, 所以制作晶体管时应尽量使其bc减小, 使反馈容抗增大, 反馈作用减弱。 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。 中和法中和法是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）, 以抵消晶体管内部参数Yre的反馈作用。由于Yre的实部（反馈电导）通常很小, 可以忽略,

31、 所以常常只用一个电容CN来抵消Yre的虚部（反馈电容）的影响, 就可达到中和的目的。2021/8/245 为了使通过CN的外部电流和通过Cbc的内部反馈电流相位相差180,从而能互相抵消。 通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器，如图2.15(a)所示为收音机常用的中和电路，(b)是其交流等效电路(为了直观, 将晶体管内部电容Cbc画在了晶体管外部) 。图2.15 放大器的中和电路2021/8/246 由于Yre是随频率而变化的, 所以固定的中和电容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, 又因为Yre是一个复数, 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电

32、路, 但这给调试增加了困难。另外, 如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响, 中和电路的效果很有限。 失配法失配法通过增大负载电导L, 进而增大总回路电导, 使输出电路严重失配, 输出电压相应减小, 从而反馈到输入端的电流减小, 对输入端的影响也就减小。可见, 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。 2021/8/247 用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。 图2.16是其结构原理图。 由于共基电路的输入导纳较大, 当它和输出导纳较小的共射电路连接时, 相当于使共射电路的负载导纳增大而失配, 从而使共射晶体管内部反馈减弱, 稳定性大大提高。图2.16 共射-共基电路2021/8/2482.4 宽频带放大器 宽频带放大器既要有较大的电压增益, 又要有很宽的通频带, 所以常用电压增益Au和通频带B的