哈工大 高频2

1、第第2章章 高频小信号放大器高频小信号放大器2.1 概述概述2.2 高频电路的基础知识高频电路的基础知识 2.3 晶体管高频小信号谐振放大器晶体管高频小信号谐振放大器 2.4 小信号谐振放大器的稳定性小信号谐振放大器的稳定性 无线通信系统的基本组成无线通信系统的基本组成第第1节节 概述概述u 高频放大的必要性高频放大的必要性无线信号无线信号无线信道无线信道有衰减有衰减远距离传输远距离传输距离越远距离越远衰减越大衰减越大接收设备接收到的高频电平接收设备接收到的高频电平只有微伏级只有微伏级u 对高频小信号放大器的要求：对高频小信号放大器的要求： 1. 信号不失真信号不失真 放大器工作在线性区，可以

2、应用二端口网络分析放大器工作在线性区，可以应用二端口网络分析 信号频谱信号频谱输入与输出完全相同输入与输出完全相同 2. 选频（滤波）作用选频（滤波）作用 提取有用信号，抑制无用信号提取有用信号，抑制无用信号小信号放大器小信号放大器 小信号低频放大器小信号低频放大器: 低频宽带放大器低频宽带放大器 直流放大器直流放大器 交流放大器交流放大器 小信号高频放大器：小信号高频放大器：高频窄带放大器高频窄带放大器高频宽带放大器高频宽带放大器u小信号放大器的分类小信号放大器的分类u主要技术指标：主要技术指标：选择性：选择性： （输出信噪比）输入信噪比）nosonisiFPPPPN/(/第第2节节 高频电

3、路的基础知识高频电路的基础知识u 选频回路（滤波器）的功能：选频回路（滤波器）的功能： u选频网络分类：选频网络分类：按频率特性按频率特性：低通、高通、带通、带阻：低通、高通、带通、带阻一、选频回路的分类及功能一、选频回路的分类及功能 按所用器件的特点按所用器件的特点：有源滤波器和无源滤波器：有源滤波器和无源滤波器按处理信号的形式按处理信号的形式：模拟滤波器、数字滤波器：模拟滤波器、数字滤波器 和抽样数据滤波器和抽样数据滤波器 高频电路中应用较多的是无源滤波器中的高频电路中应用较多的是无源滤波器中的LC滤波器、滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器和表面波滤波器。实现带通和低晶体滤波器、陶瓷滤波器和表

4、面波滤波器。实现带通和低通滤波。通滤波。u选频网络的基本特性选频网络的基本特性 要求要求选频电路的通频带宽度选频电路的通频带宽度与与传输信号有效频谱宽度传输信号有效频谱宽度相一致。相一致。理想的选频电路理想的选频电路通频带内通频带内的幅频特性的幅频特性fof1f22f0.72f0.1理想实际(f)=H(f ) / H(fo)f0.40.60.81.00.200df)f(dH 通频带外通频带外的幅频特性应满足的幅频特性应满足0)f(H 理想的幅频特性应是矩形，既理想的幅频特性应是矩形，既是一个关于频率的矩形窗函数。是一个关于频率的矩形窗函数。 矩形窗函数的选频电路是一矩形窗函数的选频电路是一个物

5、理不可实现的系统个物理不可实现的系统，实际选，实际选频电路的幅频特性只能是接近矩频电路的幅频特性只能是接近矩形形 定义矩形系数定义矩形系数K0.1表示选择性表示选择性： 7.01.01.0f2f2K 2f0.7称为通频带称为通频带 ：7 .00212f2)ff(2ffB 显然，理想选频电路的矩形系数显然，理想选频电路的矩形系数K0.1=1，而实际选频电路的矩，而实际选频电路的矩形系数均大于形系数均大于1。u选频网络的基本特性选频网络的基本特性 另外，为不引入信号的相位失真，要求在通频带范围内选另外，为不引入信号的相位失真，要求在通频带范围内选频电路的相频特性应满足频电路的相频特性应满足 df)

6、f(d 即即理想条件下信号有效频带宽理想条件下信号有效频带宽度内的各频率分量都延迟一个相度内的各频率分量都延迟一个相同时间同时间，这样才能保证输出信号这样才能保证输出信号中各频率分量之间的相对关系与中各频率分量之间的相对关系与输入信号完全相同。输入信号完全相同。 o+/2(f)f-/20-ofof1f22f07理想理想实际实际 实际选频回路的相频特性曲线并不是一条直线，所以回路实际选频回路的相频特性曲线并不是一条直线，所以回路的电流或端电压对各个频率分量所产生的相移不成线性关系，的电流或端电压对各个频率分量所产生的相移不成线性关系，这就不可避免地会产生相位失真，使选频回路输出信号的波形这就不可

7、避免地会产生相位失真，使选频回路输出信号的波形产生变化产生变化 .二、二、LC 选频回路选频回路 0.电路元器件电路元器件u电感 在高频电路中不理想损耗电阻不能忽略。 实际电感用理想无损电感L和串联的损耗电阻r0 来等效。损耗电阻随频率增高而增大。 空载品质因数（Q0）表示电感线圈的损耗Q0反映损耗的大小，越大越好 通常，线圈的Q0值：几十至三百。 电感的等效电路00LQ001gLQ串联等效电路串联等效电路并联等效电路并联等效电路01Q u 电容电容电容器的高频等效电路LCRCC(a)阻抗频率 f(b)0RLC 一个实际的电容元件也是有损耗的，电容元件的损耗电阻的值主要决定于介质材料。目前，电

8、容元件的Q值可达几千到几万的数量级，与电感元件相比，其损耗可忽略，因而在高频电路中一般认为是无损元件。RpLCRSiSRLCRSiS二、二、LC 谐振电路谐振电路 CRLRp RLCRSuS1. 电路结构电路结构串联串联 LC谐振回路谐振回路并联并联 LC谐振回路谐振回路LC谐振回路分为：谐振回路分为： 谐振特性谐振特性选频特性选频特性电路特点：电路特点：并联并联 LC谐振回路谐振回路 串联串联 LC谐振回路谐振回路 RLCRSiSCj1LjRCj1)LjR(Zp CjLjRZ1s )C1L( jRCL )CL( jR1 jXRCL jXR ZPRLCRSuSZS2. 回路阻抗回路阻抗RLCR

9、SuSRLCRSiSCRLZpo =pR RZso LC10 LC21f0 RpLCRSiSSOZjXRCLZP 1()SZRjLRjXCPOZ3. 回路谐振特性回路谐振特性RLCRSuSRpLCRSiSP2io2iR/uL/uQ =LRoP +ui-iiRiLiQ2io2i =RLo =p2io2iR/uCu =poCR =RiC/i2io2i =RC10 CRLRp 4. 品质因数品质因数RLCRSuSRLCRSiS)(RLj1Rooop jXRCLZp jXRZS )1(1/CLRLjRCL )CL1(RLj1Rp C1jLjR )C1L( jR )(RLj1Rooo j1Rp jpeZ

10、 )2jQ1(RZos )j1(R jseZ 5. 回路阻抗频率特性回路阻抗频率特性 opp2jQ1RZ j1Rp PjpeZ )2jQ1(RZos )j1(R SjseZ RLCRSuSRLCRSiS 2pp1RZ 2s1RZ 1ptg 1stg 2pp1RZ 2s1RZ 1ptg 1stg o PZ o SZ电感性电感性电容性电容性电容性电容性电感性电感性RpR poipiioipZiZiuu 211 sosssioisZuZuii 211 Q2 Q1Q11OQ2或或P S OQ1Q2PS或或 同样定义并联（串联）谐振回路端电压（电流）的相位为同样定义并联（串联）谐振回路端电压（电流）的相

11、位为 1Ptg 1Stg 6. 谐振曲线谐振曲线 常用的谐振曲线为归一化谐振曲线，即幅频特性为常用的谐振曲线为归一化谐振曲线，即幅频特性为21uuioi 令：211 21iiioi 211 ioiuu o 121ioiii o 1217. 通频带通频带iiopoiLjQiiLRjLjui ipooiciCRjCjui =ijQi iooiLuRLjLjiu =ijQu ioioCicjQuCRujj1iu RpLCRSiSiiiCiRiL+ui- -RLCRSuS+ uC - -+ uL - -ii+ui- -+uR- -8. 谐振时电压与电流的关系谐振时电压与电流的关系 LR/R/RQoLp

12、sL LRQopO LsoLRRRLQ OQRLosR或或LRLQsR或或LRLQRpLCRSiSRLRLCRSuSRL9. 信号源内阻及负载对回路的影响信号源内阻及负载对回路的影响三、串并联阻抗的等效互换三、串并联阻抗的等效互换BX1R1AABX2R21. 串、并联等效互换的模型电路串、并联等效互换的模型电路BX1R1AABX2R2221122()R jXRjXRjX22222222222222XRXRjXRXR 同理由虚部得：同理由虚部得： 2211(1)RRQ111XQR回路的品质因数：回路的品质因数： 22212222R XRRX22222221XRXRX 虚部：虚部： 实部：实部：

13、2212221211()RRRRQX结果为：结果为： 2. 等效互换原理分析等效互换原理分析 等效互换的原则：等效互换的原则：等效互换前的电路与等效互换后的电路阻抗相等等效互换前的电路与等效互换后的电路阻抗相等由实部得：由实部得： 21211(1)XXQ222RQX122121RR QXX22()()oPLLLRR QRRRCLC10 注意：注意：RLCRSiSLRpCRSiS2211(1)RRQ21211(1)XXQ四、并联谐振回路的耦合连接与阻抗变换四、并联谐振回路的耦合连接与阻抗变换信号源内阻或负载并联在回路两端存在的信号源内阻或负载并联在回路两端存在的问题问题：直接影响回路的直接影响回

14、路的值，值，值下降，通频带增宽，选值下降，通频带增宽，选择性变差；择性变差；影响回路的谐振频率影响回路的谐振频率f0 ，且稳定性变差；，且稳定性变差； 为解决此问题，采用为解决此问题，采用阻抗变换阻抗变换电路，以改善对回路电路，以改善对回路的影响的影响。RLN1N2M+u1- -+u2- -C1. 变压器阻抗变换电路变压器阻抗变换电路 RL 假设变压器初级电感线圈的圈数假设变压器初级电感线圈的圈数为为N1，次级圈数为，次级圈数为N2，且初次间紧，且初次间紧耦合，线圈损耗忽略不计，则等效到耦合，线圈损耗忽略不计，则等效到初级回路的电阻初级回路的电阻RL上所消耗的功率上所消耗的功率应和次级负载应和

15、次级负载RL上所消耗功率相等，上所消耗功率相等，即即 L22L21RuRu 变压器初次级电压比变压器初次级电压比u1u2等于相应圈数比等于相应圈数比N1N2，故有，故有 L221LR)NN(R 可通过改变可通过改变 比值调整比值调整RL的大小的大小。 21NN2. 部分接入的阻抗变换部分接入的阻抗变换电电感感抽抽头头部部分分接接入入电电容容分分压压部部分分接接入入L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RL（1） 常用的部分接入振荡回路常用的部分接入振荡回路 高频电路的实际应用中，常用到激励信号源或负载与振高频电路的实际应用中，常用到激励信号源或负载与振荡回路中的电感或电容部分接入的并联振

16、荡回路，常称为荡回路中的电感或电容部分接入的并联振荡回路，常称为部部分接入并联振荡回路分接入并联振荡回路。 典典型型实实用用电电路路：iSRSL1C2C1RLiSRSL2L1C2C1RLabbacdcdL2LCRLRS iS LCRLRS iS abab（2） 等效电路：等效电路：在电路的定量分析中常把部分接入的在电路的定量分析中常把部分接入的外电路等效到并联回路两端。外电路等效到并联回路两端。iSRSL2L1C2C1RLacbdiS RS LCRLab LLSSSSRuuRiuuiRuuR1)(1)(1)(12abdbabcb2abcb LLSSSSRuRuuiuiRuRu2db2abcba

17、b2cb2ab L22LS1SS21SGpGipigpg+ucb-+uab-+udb-+uab-（3） 等效原则：等效原则：等效电路与原电路功率相等。等效电路与原电路功率相等。接入系数（抽头系数）接入系数（抽头系数）iSRSL2L1C2C1RLacbd（4） 接入系数（抽头系数）接入系数（抽头系数） 条条件件：回回路路处处于于谐谐振振或或失失谐谐不不大大，且且外外电电路路分分流流很很小小可可以以忽忽略略的的情情况况下下，有有iLiSiCiR当线圈互感可以忽略时当线圈互感可以忽略时 LLuup1abcb 其其中中 21LLL NNp1 （线线圈圈匝匝数数比比） CCuup 111abdb = =

18、1CC 212CCC 其其中中2121CCCCC iLiS ； iC iR P 转换前的圈数 容抗/感抗转换后的圈数 容抗/感抗21LLRRp 2LLgp g 2LLCp CggIpI 1ggUUp 21LLXXp（5） 接入系数与阻抗变换关系接入系数与阻抗变换关系推广到其他量可得变比关系的通式：推广到其他量可得变比关系的通式：P 转换前的圈数 容抗/感抗转换后的圈数 容抗/感抗接入系数：接入系数：CberbbCbcrbcrbeubercegm ube第第3节节 晶体管的高频小信号谐振放大器晶体管的高频小信号谐振放大器eb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm ube1.

19、混合混合 参数等效电路参数等效电路一、晶体管等效电路一、晶体管等效电路yieyoeyreuceyfeube+ube-+uce-ibicbieberececfebeoeceiy uy uiy uy u+ube-+uce-ibic2. Y参数等效电路参数等效电路 yieyoeyreuceyfeube0becoeceuiyu输入短路时的输出导纳输出短路时的输入导纳0ubebieceuiy +ube-+uce-ibic导纳输出短路时的正向转输0ubecfeceuiy 导纳输入短路时的反向转输0ucebrebeuiy bie bere cecfe beoe ceiy uy uiy uy uyieyoey

20、reuceyfeubeoeoeoeieieieCjgyCjgy refejrerejfefeeyyeyy CiegiegoeCoe45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLVcc二、高频小信号调谐放大器二、高频小信号调谐放大器Rb1Rb2ReVcc32154B1B2CLyLVT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管1. 电路结构和工作原理电路结构和工作原理下图为一个典型的共射极高频调谐放大器的实际电路下图为一个典型的共射极高频调谐放大器的实际电路32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-oeoeoeCjgy LLLCjgy +u31-+u21-32154

21、B1B2CLyLVT32154yieyoe yreuce yfeubeCyLLieLoefereieiyYyyyyY 2. 放大器性能参数分析放大器性能参数分析：bebiuiY ib+ube-iC+uce-LY2021()LLYgp yj CjL2022211111()LLLYYgp yj CppjLbeLoefeceuYyyu Yi0giC yfeubeyoeLY+uce-cLceiY u fecbeceoeiy uu ybbeiereceiu yy uyoeyfeubeyreuceyieYSyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSyfeubeyoeyreuceyieYS+ ceu

22、 0sicecouiYYo()cfebeceoerecebesieiy uu yy uuYy ceiesrebeuyyyuiCiesfereoeoyYyyyY + beu YoyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeYLyLyfeubeyoebe312iouuupuuA 31254oupuu +u54-LjCjguypubefe 1131 +u31- L22oe21L22oe21oCpCpCCgpgpgg LLLoeoeoeCjgyCjgy )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-p1yfeubep1yfe

23、ube+u31-把晶体管集电极回路把晶体管集电极回路和负载和负载折合到振荡回折合到振荡回路两端路两端.(3) 电压放大倍数电压放大倍数p1yfeubeyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-121212120001211(1)11()1()2(1)feufefefefeLop p yAgj Cj Lp p yj Cggj Lgp p yjCggLCp p yjCggp p yfgjQf )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21v Loeofefeogpgpgyp

24、pgyppA22212121 oAA Lo7.0Qff2B 1B(4) 放大器的谐振曲线与通频带放大器的谐振曲线与通频带Lo7.0Qff2B oAA 17 . 0f2 1 .0f2 2n22n20Ln0uun01u1u0nn11ff2Q11AAAAAA 三、多级单调谐放大器三、多级单调谐放大器Au1Au2Aun12n1 LonnnQffB12217 . 0 1100Qff2n1L01.0 121100Kn1n11.0 (2) n 级放大器的矩形系数级放大器的矩形系数u放大器不稳定的原因放大器不稳定的原因 实际上实际上yre0，即输出电压可以反馈到输入端，引起输，即输出电压可以反馈到输入端，引起

25、输入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。如果这个入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激反馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡现象。振荡现象。u放大器稳定系数放大器稳定系数 输入电压输入电压Ui与正反馈电压与正反馈电压Ui的比值定义为的比值定义为稳定系数。稳定系数。iiUSU第第4节节 小信号谐振放大器的稳定性小信号谐振放大器的稳定性CberbbCbcrbcrbeubercegm ubefeicoeLy UUyy ()()refereciiiesiesoeLy yy UUUyYyYyY ()()iiesoeLire

26、feUyYyYSUy y 调谐放大器等效电路调谐放大器等效电路 S越大，放大器越稳定越大，放大器越稳定.对于一般放大器来说，对于一般放大器来说，S5就就可以认为是稳定的。可以认为是稳定的。放大器的稳定系数放大器的稳定系数iiUSU()()iiesoeLirefeUyYyYSUy y121() 1jiesiesyYgge21 cosiesoeLferefereggggSyy 调谐放大器等效电路调谐放大器等效电路 稳定系数与电路参数的关系：稳定系数与电路参数的关系：11()(1)iesiesiessiesyYggj Cj Cj Lggj0110()ffQff012()siesfL CC01()ie

27、siesCCQgg其中：其中：写成幅值和相角的形式：写成幅值和相角的形式：同理：同理：222() 1joeLoeLyYgge22()(1)ferejiesoeLfereggggSeyy11arctan22arctan根据相位条件：根据相位条件：2()0fere21211cos()fere放大器的等效电路放大器的等效电路 u单调谐放大器的稳定电压增益单调谐放大器的稳定电压增益稳定电压增益稳定电压增益：不加任何稳定措施，并满足稳定系数：不加任何稳定措施，并满足稳定系数S（例如（例如S5）要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压）要求时，放大器工作于谐振频率的最大电压增益。增益。 设各级放大器的参数相

28、同，晶体管接入谐振回路的接设各级放大器的参数相同，晶体管接入谐振回路的接入系数为入系数为P1，下级负载接入谐振回路的接入系数为，下级负载接入谐振回路的接入系数为P2.coouiciUUUAUUU则：则：31223111.feifeoeLioeLy UyyYU pPUU pyYP2212oeLieSPyYPyY21oeLieSyYPPyY则 feuoeLieSyAyYyY谐振时，电压增益为：谐振时，电压增益为：feuooeLiesyAgggg将稳定系数S式中的 代入上式oeLiesgggg21cosfeuosrefereyAS y稳定电压增益：稳定电压增益：结论结论: :根据稳定系数的要求(S5)确定 这是没有稳定措施 的情况下，允许的最高电压增益。实际的电压增益 ，则放大器稳定uosASuuAA0021feuoeLyPAyYP21 cosiesoeLferefereggggSyy2226.436.445.0feyms36.45426.4fearctg 220.080.30.31reyms0.3750.08rearctg 3321 cos2 45 1012.525 0.31 101 cos5475feuosrefereyAS yu放大器稳定的判断（例题）放大器稳定的判断（例题）这说明用这个晶体管设计制作放大器，只要放大器电压增益不这说明用这个晶体管设计制作放大器