Chapter3 高频小信号放大器V1.0

1、西安邮电大学西安邮电大学 第三章第三章 高频小信号放大器高频小信号放大器第三章第三章 高频小信号放大器高频小信号放大器 主要内容高频小信号放大器的指标（高频小信号放大器的指标（3.1）晶体管高频小信号等效电路与参数（晶体管高频小信号等效电路与参数（3.2）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（3.3、3.4）小信号谐振放大器的稳定性（小信号谐振放大器的稳定性（3.6）本次课主要内容本次课主要内容 掌握高频小信号放大器的掌握高频小信号放大器的特点特点、指标指标（3.1） 掌握掌握Y参数参数等效模型、等效模型、y参数和参数和参数之间关系（参数之间关系（3.2） 掌握晶体管高频参数

2、（掌握晶体管高频参数（3.2） 了解了解参数模型（参数模型（3.2）音 频 或视 频 信 号音 频 或视 频 放 大调 制高 频功 放高 频放 大混 频中 频放 大解 调音 频 或视 频 功 放本 地振 荡高 频 放 大倍 频高 频振 荡 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高频小信号放大器主要应用于接收设备中的高频小信号放大器主要应用于接收设备中的高频高频放大器和中频放大器放大器和中频放大器中中概 述小信号小信号放大放大 放大器工作在线性区，可以应用

3、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高频小信号放大器的特点 高频小信号放大器的特点有源放大元件选频网络晶体管、场效应管、集成运放 LC谐振 晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器B/f0小小-谐振回路作为负载谐振回路作为负载 信号频谱宽度信号频谱宽度有限有限 噪声、干扰噪声、干扰全频范围全频范围 目的：提取有用信号，抑制无用信号目的：提取有用信号，抑制无用信号高频小信号放大器的指标1 增益增益电压增益电压增益 (Au) ：放大器输出电压与输入电压之比：放大器输出电压与输入电压之比功率增益功率增益(AP) ：放大器输出功率与输入

4、功率之比：放大器输出功率与输入功率之比ouiuAu输出电压输入电压opiPAP输出给负载的功率输入功率有源放大元件选频网络晶体管、场效应管、集成运放 LC谐振 晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器高频小信号放大器的指标2 中心频率中心频率 F0调谐放大器的工作频率调谐放大器的工作频率一般为几百一般为几百KHz几百几百MHz 调谐放大器的主要指标调谐放大器的主要指标 选择有源器件和计算谐振回路参数的依据选择有源器件和计算谐振回路参数的依据有源放大元件选频网络晶体管、场效应管、集成运放 LC谐振 晶体、陶瓷、声表面波等固体滤波器高频小信号放大器的指标2 通频带通频带 B 放大器的电压增益下降到最大值的

5、放大器的电压增益下降到最大值的 倍时所对倍时所对应的频带宽度。常用应的频带宽度。常用 B 或者或者 2f0.7 表示。表示。 输入信号的频率在通频带内的信号正常放大输入信号的频率在通频带内的信号正常放大 通频带外的信号不能正常放大，即电压增益小，通频带外的信号不能正常放大，即电压增益小，可近似认为不能通过放大器可近似认为不能通过放大器123 矩形系数矩形系数 Kr0.1 矩形系数表征放大器选择性好坏的一个矩形系数表征放大器选择性好坏的一个 选择性：表示选取有用信号，抑制无用信号的能力选择性：表示选取有用信号，抑制无用信号的能力 理想：理想：矩形矩形高频小信号放大器的指标7 . 01 . 01

6、. 022ffKr高频小信号放大器的指标4 工作稳定性工作稳定性 指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元器件参指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元器件参数等发生变化时，放大器主要性能的稳定程度数等发生变化时，放大器主要性能的稳定程度 主要不稳定现象：主要不稳定现象： 增益变化增益变化 中心频率偏移中心频率偏移 通频带变化通频带变化 谐振曲线变形谐振曲线变形 自激自激最坏情况最坏情况5 噪声系数噪声系数 NF 表征放大器性能好坏的一个参量表征放大器性能好坏的一个参量输出信噪功率比输入信噪功率比nosonisiFPPPPN/nosonisiFPPPPN/lg10)dB(晶体管高频小信号等效电路

7、y参数等效电路参数等效电路 适合于适合于窄频带、窄频带、小信号小信号放大器放大器 混合混合等效电路等效电路 适合于适合于宽频带、宽频带、小信号小信号放大器放大器 在分析高频小信放大器时，采用参数等效电路进行在分析高频小信放大器时，采用参数等效电路进行分析是比较方便的，分析是比较方便的，以以y y参数参数等效电路为主。等效电路为主。y y参数等效电路参数等效电路 二端口网络的y参数测量二端口二端口网络网络u1u2i1i20|2111UUIY0|12112UUIY0|21221UUIY0|12222UUIY四个参数均具有导纳量纲四个参数均具有导纳量纲节点电流方程节点电流方程Y参数：参数：21211

8、11UyUyI2221212UyUyI 共发射极晶体管y参数y参数等效电路00cecebieUbecfeUbeIYUIYU00bebebreUcecoeUceIYUIYUYie是晶体管输出端短路时的输入导纳，反映了输入电压对输入是晶体管输出端短路时的输入导纳，反映了输入电压对输入电流的控制作用。电流的控制作用。 yie=gie+jCieYfe是晶体管输出端短路时的正向传输导纳，反映了输入电压对是晶体管输出端短路时的正向传输导纳，反映了输入电压对输出电流的影响，即反映了晶体管的放大能力。输出电流的影响，即反映了晶体管的放大能力。Yre是晶体管输入端短路时的反向传输导纳，反映了输出电压是晶体管输入

9、端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，即晶体管内部的反馈作用。对输入电流的影响，即晶体管内部的反馈作用。Yoe是晶体管输入端短路时的输出导纳，反映了输出电压对输是晶体管输入端短路时的输出导纳，反映了输出电压对输出电流的作用，其倒数是电路的输出阻抗。出电流的作用，其倒数是电路的输出阻抗。 yoe=goe+jCoeIb.Ube.becIc.Uce.V二端口二端口网络网络u1u2i1i2 共发射极晶体管Ib.Ube.becIc.Uce.VbbeceierecbecefeoeIY UY UIY UY Uy参数等效电路二端口二端口网络网络u1u2i1i2YieYreUce.YfeUbe

10、.Ib.Ube.Uce.bYoecIc.e(a)节点电流方程节点电流方程等效等效y参数模型参数模型 共发射极晶体管输入、输出阻抗y参数等效电路besbceLcoecebeccereiebebuYiuYiyuuyiuyyuifeLYYYyyuuAYyyyyYyyyyoefebecevsiefereoeoLoefereiei混合混合等效电路等效电路和和y参数等效电路关系参数等效电路关系CberbbCbcrbcrbeubercegm ubeeb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm ube 共发射极晶体管YieYreUce.YfeUbe.Ib.Ube.Uce.bYoecIc.e(

11、a)oeoeoeCjgy rererefefefeyyyy|其中：其中：ieieeCjgyi混合混合等效电路等效电路和和y参数等效电路关系参数等效电路关系CberbbCbcrbcrbeubercegm ube共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数：是指混合是指混合型等效电路输出交流短路型等效电路输出交流短路时时, 集电极电流集电极电流Ic与基极电流与基极电流Ib的比值。当输出端短路后的比值。当输出端短路后, 若忽略若忽略rbc， rbe 、Cbe和和Cbc 三者并联。三者并联。 ffjCCrjrgIIcbebebebmUbcc1)(100其中 012()m b eb eb eb cg rfr

12、CCCberbbCbcrbcrbeubercegm ube1 截止频率 f2 特征频率Tf f0 2/0 Tf f1 ffj10 20)(1ff3 最高振荡频率maxf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： fffT max。可得可得 f1ff002T 由定义：令由定义：令1)ff(12T045123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLEc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

13、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、Ce为为旁旁路路电电容容。放放大大电电路路由由三三部部分分组组成成输输入入回回路路：输输入入变变压压器器次次级级绕绕阻阻 B1 晶晶体体管管：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,及负载及负载 YLRb1Rb2ReEc32154B1B2CLyLVT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+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：ieieieCjgy oeo

14、eoeCjgy LLLCjgy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 NNuup131542 +u31-+u21-32154B1B2CLyLVT32154yieyoe yreuce yfeubeCyLLieLoefereieiyYyyyyY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 bebiuiY 而而： ceLcoeceb

15、eccereiebebuYiyuuyiuyyuife ib+ube-iC+uce-LY 而而回回路路 3、1 端端之之间间总总电电导导为为：)Lj1Cjypg(YL220L 其其中中0g为为回回路路的的自自损损耗耗电电导导 )1(112202121LjCjypgpYpYLLL beLoefeceuYyyu Yi0giC yfeubeyoeLY +uce-0gyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiS解解 法法 一一 ：+u54-+u31-+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

16、管 集集 电电极极回回路路的的等等效效电电路路31254oupuu 31121ceupuu ce12ouppu 有如如右右图图所所示示：beLoefeceuYyyu 故故可可得得)Yy(pypuuALoe1fe2iou 而而beiuu +ube-LY iC yfeubeyoeLY +uce-yLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeYLyLyfeubeyoe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Ly折合到振荡折合到振荡回路两端回路两端 be312iouuupuuA 31254oupuu +u54-LjCjguypub

17、efe 1131 +u31-其其 中中 ：22122212ooeLoeLggp gp gCCp Cp C LLLoeoeoeCjgyCjgy )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-p1yfeubep1yfeube+u31-p1yfeubeyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u LggCQooL 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，off ，0 f 则则有有： L22oe21ofe21fe21uo

18、gpgpgyppgyppA +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。)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21v LoeofefeogpgpgyppgyppA22212121 归归一一化化电电压压增增益益为为： j11ff2jQ11AAoLo oLff2Q 为为广广义义失失谐谐因因子子。22oLo11)ff2Q(11AA 为为放放大大器器谐谐振振曲曲线线。 oAA 如如果果令令21112 oAA即即可可求求出出放放大大器器的的通通频

19、频带带为为：LoQffBW7.021B另另外外，电电压压增增益益oA 与与通通频频带带之之间间的的关关系系： gCQoL CfffCfQCgooLo7 .07 .0422 Cf4yppgyppA7 . 0fe21fe21uo 有有 C 7 . 0f oA Lo7.0Qff2B oAA 17 . 0f2 用用矩矩形形系系数数来来表表示示选选择择性性： 即即7.01.01.0f2f2k 如如果果令令1 . 02111 . 01 . 0 oLoffQAA 可可 得得 ：Lo21.0Qf110f2 有有195. 9110k21 . 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

20、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 .0f2 ogogggoggCCg2n22n20Ln0uun01u1u0nn11ff2Q11AAAAAA 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un3u2u1uAA,A,A，则则总总电电压压增增益益nA为为：un3u2u1unAAAAA 而而谐谐振振时时的的电电压压总总增增益益为为：n0u03u02u01u0nAAAAA 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n0u03

21、u02u01uAAAA ，且且通通频频带带匀匀相相同同， 即即LnQfBBBB013121 则则有有： nunnunAAAA0101 归归一一化化电电压压增增益益为为：Au1Au2Aun多级调谐放大器分析多级调谐放大器分析(1) n 级级放放大大器器的的通通频频带带令令nn1222212111 12n1 LonnnQffBW12217 . 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121 n倍倍，其其中中，121 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义义：7 . 01 . 01 . 0f2f

22、2K 如如果果令令11001 . 011122 nn 1100Qff2n1L01.0 121100Kn1n11.0 (2) n级放大器的矩形系数级放大器的矩形系数 高频调谐放大器的稳定性高频调谐放大器的稳定性bcre,Cy.,.高放不稳定的原因是管子内部存在反馈 即有或的存在主要表现是频率特性变坏 性能指标变化 严重时会产生自激提高稳定性的措施提高稳定性的措施. 1化化从从而而实实现现放放大大器器的的单单向向施施抵抵消消内内部部反反馈馈在在放放大大器器的的外外部部采采用用措措中中和和法法中和法适用于：固定频率的调谐放大器，中和法只能在中和法适用于：固定频率的调谐放大器，中和法只能在某一频率上抵

23、消某一频率上抵消CbcV1L1L2CNoUUCCV2Uc(a)L1L2NIcbCCN1IcUoU(b)2.2.失配法：失配法：通过增大负载导纳通过增大负载导纳L, 使输出电路严重使输出电路严重失配失配, 回路总电导回路总电导g增大，输出电压相应减小增大，输出电压相应减小, 从而从而反馈到输入端的电流减小反馈到输入端的电流减小, 这样对输入端的影响也这样对输入端的影响也就减小了。可见就减小了。可见, 失配法是用牺牲增益来换取电路失配法是用牺牲增益来换取电路稳定的。稳定的。 用两只晶体管按共发一共基方式连接成用两只晶体管按共发一共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。一个复合管是经常采用的

24、一种失配法。 VT1VT2由于共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发由于共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发电路连接时，相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配，电路连接时，相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配，从而使共发晶体管内部反馈减弱，稳定性大大提高。从而使共发晶体管内部反馈减弱，稳定性大大提高。 共发电路在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益减小，但共发电路在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益减小，但电流增益仍较大；而共基电路虽然电流增益接近电流增益仍较大；而共基电路虽然电流增益接近1，但电压增，但电压增益却较大。所以二者级联后，互相补偿，电压增益和电流增益却较大。

25、所以二者级联后，互相补偿，电压增益和电流增益都比较大，而且共发一共基电路的上限频率很高。益都比较大，而且共发一共基电路的上限频率很高。 小信号集中选频放大器小信号集中选频放大器由集中选择滤波器及多级宽带放大器组成。由集中选择滤波器及多级宽带放大器组成。特点：调整简单，电路稳定性较好特点：调整简单，电路稳定性较好1 压电陶瓷滤波器压电陶瓷滤波器压电效应：形变 电压谐振2 声表面波滤波器声表面波滤波器SAWF特点：体积小，重量轻，带宽较宽（30%）, K0.11工作频率:1MHZ1GHZ采用专用集成电路采用专用集成电路小结小结1 谐振放大电路的作用：谐振放大电路的作用：2 电路组成：电路组成：谐振系统的形式：谐振系统的形式：谐振系统的作用：谐振系统的作用：3 主要技术指标：主要技术指标：（1） 谐振电压增益：谐振电压增益：（2） 通频带：通频带：（3） 矩形系数：矩形系数：4 提高稳定性的措施：提高稳定性的措施：选频选频+放大放大谐振系统谐振系统+放大器放大器LC谐振回路，集中型滤波器谐振回路，集中型滤波器选择有用信号，抑制干扰选择有用信号，抑制干扰中和法，中和法，失配法失配法1/1/012121nnnLfBWBWQ121100/1/11 . 01 . 0nnnnnBWBWK120|nnnfep pAyg5 分析方法（更重要）分析方法（更重要）（1）分析工具：）分析工具：