第三章 高频小信号放大器

1、第第3章章 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器电压放大电压放大3.1 概述概述1. 高频高频小信号小信号放大器的特点放大器的特点 频率较高频率较高 中心频率一般在几百中心频率一般在几百kHz到几百到几百MHz频带宽度在几频带宽度在几kHz到几十到几十MHz 小信号小信号 信号较小故工作在线性范围内信号较小故工作在线性范围内(甲类甲类放大器放大器)2. 高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类 按所用的器件：按所用的器件：晶体管（晶体管（BJT)、场效应管、场效应管（FET)、集电电路（、集电电路（IC) 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 按电路形式

2、：按电路形式：单级放大器和级联放大器单级放大器和级联放大器 按负载性质：按负载性质：谐振放大器谐振放大器和非谐振放大器和非谐振放大器 谐振放大器谐振放大器是采用谐振回路作负载的是采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。放大器，具有放大、滤波和选频的作用。非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。组成，其机构简单，便于集成。3. 高频小信号放大器的质量指标高频小信号放大器的质量指标(1) 1) 增益：增益：（放大系数）（放大系数） 2) 通频带通频带: 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0.707

3、倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用带，用B=2 f 0.7表示。表示。2 f 0.7也称为也称为3分贝带宽。分贝带宽。 3) 选择性选择性: 从各种不同频率的信号的总和（有用从各种不同频率的信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的的和有害的）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。选择性常采用能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系矩形系数数和抑制比来表示。和抑制比来表示。3. 高频小信号放大器的质量指标高频小信号放大器的质量指标(2) 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指在电源电压变化

4、或器件参数变化时以上三参数的稳定程度。时以上三参数的稳定程度。 为使放大器为使放大器 稳定工作，稳定工作，必须采取稳定措施必须采取稳定措施，即，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和中和或失配或失配方法等。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：放大器的噪声性能可用噪声系数表示： NF越接近越接近1越好越好；在多级放大器中，前二级的；在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。的噪声系数应尽量小。)(/)(/nosonisiF输输

5、出出信信号号噪噪比比输输入入信信号号噪噪比比PPPPN 高频小信号放大器的质量指标高频小信号放大器的质量指标(3) 以上这些要求，相互之间以上这些要求，相互之间即有联系又有矛盾。即有联系又有矛盾。增益和稳增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。择性是一对矛盾。故应根据需故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。要决定主次，进行分析和讨论。 3. 2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将晶体管看将晶体管看成四端口网成四端口网络络3.3单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器C4R3LFCFC3R2R1C2P1R4P2abL+R1、R2、R3

6、为偏置电阻，决定工为偏置电阻，决定工作点，作点， LF、CF为滤波电路，负压供电为滤波电路，负压供电 C4、L组成组成L、C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 Rp是并联回路本身的损耗是并联回路本身的损耗单调谐回路共发放大器单调谐回路共发放大器 所谓单调谐回路共发放大器就是晶体管共所谓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。所以前面分析发电路和并联回路的组合。所以前面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用。应用。单级单调谐小信号放大器等效电路单级单调谐小信号放大器等效电路 C P1 gp P2 a b L Is

7、Ys Vi + Ib yie1 yreVc YfeVi yoe gie2 Vc + Vo + c Ic LYLYLY指标项电压增益 通频带选择性Kr0.1*思考（证明）题思考（证明）题*带宽带宽*（电压）增益（电压）增益=常数常数单级单调谐小信号放大器的单级单调谐小信号放大器的Kr0.1=9.95)j ()j ()j (ioVVAv)j ()j ()j ()j ()j ()j (1)-o(oo1o2io1nnVVVVVVnAAAvvv)j ()j (21Av1Av2Avn如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则nnAAAAA121vvvv

8、viVoVo1Vo2V1)-o(nV如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则nQgyppA)j11(00Lfe21vnnQgypp110021）（LfejnAAAAA1n21vvvvv1. 增益增益ngyppAfe210v2. 通频带通频带21可求得可求得n级放大器的通频带级放大器的通频带LnQ017 . 0122单级7 . 01212nnnQgyppA110021）（Lfejv220020)(1 1nQAA Lvv220)2(1 1nQ L3. 选择性选择性（矩形系数矩形系数）220020)(1 1nQAA Lvv220)2(1 1nQ

9、 L101通频带通频带LQn017 . 0122 当级数当级数n增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。善是有限度的。7.01.01022ffKr7.01.0221211012nnLQn021 . 01102 以上分析时，假定以上分析时，假定y yre0 0，即输出电路对输入端没有影响，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈y yrere的影响。的影响。1. 1. 放大器的输入导纳和输出导纳放大器的输入导纳和输出导纳LYyyyyYoefereieisiefereoeoYy

10、yyyYie0ireyYyoe0oreyYy 如果放大电路输入端也接有谐振回路如果放大电路输入端也接有谐振回路( (或前级放大器的或前级放大器的输出谐振回路输出谐振回路) )，那么输入导纳，那么输入导纳Y Yi i并联在放大器输入端回路后并联在放大器输入端回路后( (假定耦合方式是假定耦合方式是全部接入全部接入) )，2. 2. 自激振荡的产生自激振荡的产生 ( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) )FieoefereieiYyYyyyyYLie1ie1iejCgyFFFjbgY 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变

11、的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。 此时，如果此时，如果g= gs+ gie + gF 0，即整个回路的能量消耗为，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。外加激励。（自激振荡）（自激振荡） 如果反馈电导为负值，那么如果反馈电导为负值，那么g g= = g gs s+ +g g

12、ie1ie1+ +g gF F= 0 = 0 可能存在，即发生自可能存在，即发生自激振荡现象。激振荡现象。3.3.自激产生的原因自激产生的原因( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) )FFoerefeFjbgYyyyYL 此时，如果此时，如果g= gs+ gie + gF 0，即整个回路的能量消耗为，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。 为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生为了消除自激以及提高放大器的

13、稳定性，下面确定产生等幅自激振荡的条件。等幅自激振荡的条件。4. 4. 自激产生的条件自激产生的条件( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) ) oerefeiesisLYyyyyYYY等于回路谐振时，回路谐振时，g= gs+ gie + gF = 0= 01 refeoeiesyyYyyYL即分解为幅值和相位两个条件分解为幅值和相位两个条件1refeLoeiesyyYyyY幅值条件：n2refe21相位条件：; 1jieSies1eyYyYY令; 2jLoeLoe2eYyYyYrefen221相位条件：不发生自激的条件不发生自激的条件，0)(jLoerefejiesLoerefeie

14、s2refe1eYyyyeyYYyyyyY1refeLoeiesyyYyyY幅值条件：0coscos 1Loerefe1iesFiesYyyyyYgggg回路谐振时，回路谐振时，g= gs+ gie + gF = 0回路谐振时，回路谐振时，g= gs+ gie + gF 04. 4. 自激产生的条件自激产生的条件( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) )1coscos121refeoeLiesrefeLoeiesyyggggyyYyyYS或稳定系数稳定系数 如果如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果，放大器可能产生自激振荡；如果S 1，放，放大器不会产生自激。大器不会产生自激。 S越

15、大，放大器离开自激状态就越远，越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。工作就越稳定。4. 4. 自激产生的条件自激产生的条件( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) )0coscos 1Loerefe1iesFiesYyyyyYgggg5. 5. 稳定性分析稳定性分析LoeiesYyyY假设放大器输入与输出回路相同，假设放大器输入与输出回路相同，21; oeLiesggggg即(包括谐振回路包括谐振回路)refen221相位条件：yygggg2refeoeLiescosS2cosrefe2refe2yygreferefe2cos12yyg1coscos21refeoeLiesyy

16、ggggS5. 5. 稳定性分析稳定性分析referefe2cos12yygS ; 0 , ,femfeT因此实际上：由于工作频率gyff。，oreC90jy0rere0fe22SCyg5. 5. 稳定性分析稳定性分析;Afe0gyv;oeLiesggggg;gg re0fe02ACSyvre0fe21CySg增益和稳定性为一对矛盾。增益和稳定性为一对矛盾。105通常，选S考虑到全部接入，即考虑到全部接入，即p p1 1= = p p2 2=1=1Endre0fe22SCyg如前所述，如前所述，由于晶体管内存在由于晶体管内存在y yrere的反馈，所以它是一个的反馈，所以它是一个“双向元件双向

17、元件”。作为放大器工作时，。作为放大器工作时，y yrere的反馈作用可能引起放的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除y yrere的反馈，变的反馈，变“双向双向元件元件”为为“单向元件单向元件”。这个过程称为单向化。这个过程称为单向化。A AF FCberbbCbcrbcrbevbercegm vbeA AF F 避免自激的最简单做法是在回路两端并接电阻，即增加损耗。避免自激的最简单做法是在回路两端并接电阻，即增加损耗。这就是这就是“失配法失配法”。 如果把负载导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多，即YL

18、yoe ，那么输入导纳那么输入导纳iey不发生自激的条件不发生自激的条件，回路谐振时，回路谐振时，g= gs+ gie + gF 012re0fe2CygSFieoefereieiYyYyyyyYL 同理，如果把信号源导纳同理，如果把信号源导纳Ys取得比晶体管取得比晶体管yie大得多，那大得多，那么输出导纳么输出导纳 因此，所谓因此，所谓“失配失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。抗匹配。0ccosIVIYsierefeoeYyyyyoey 如果把负载导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多