第3章高频小信号放大器

第3章高频小信号放大器High

frequency

small

signal

amplifiers高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF几十μV～几mV1V左右高频小信号（电压）放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱（带）宽度在几kHz到几十

MHz的范围内)的放大器。（频带与中心频率相比很小窄带）高频放大器与低频（音频）放大器的区别：工作频率范围（电容问题）低频：20-20KHz（高低频率差能不能1000倍）高频：几百kHz到几百MHz频带宽度高频放大器频谱宽度在几kHz到几十MHz(频带和中心频率之比)普通调幅无线电广播所占带宽应为8kHz，电视信号的带宽为６MＨz左右。负载低频：电阻、变压器高频：选频网络（窄带放大）电压f/Hz300

3400声音信号的频谱宽带还是窄带？高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器，一般采用谐振放大器（两个作用）。信号小工作在线性范围。音频射频微波300

KHz 300

MHz普通调幅无线电广播所占带宽应为8kHz，电视信号的带宽为６MＨz左右。高频小信号放大器的分类按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器按电路形式：单级放大器和多级放大器按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器谐振放大器通常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。非谐振放大器由阻容

放大器和各种滤波器组成，其结构简单，便于集成。本章主要讨论工作于甲类状态的谐振放大器的工作原理和参数指标分析甲类：信号小工作在三极管的线性范围线性元件利用线性四端网络来分析。高小放和低小放的主要区别：极间电容作用不可忽略/负载不同放大的概念：能量的控制 放大的对象变化量iVA

=

20

lg

VoviPpA

=

10

lg

Po高频小信号放大器的主要质量指标1)

增益：（

Gain

放大系数）电压增益：分贝（dB）表示：ioVVAv

=iPp=

Po功率增益：

A2)通频带：passband2△f

0.7

3dB带宽2△f

0.5

6dB带宽与模电通频带比较放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号频谱分量通过放大器。通频带与其他参数的矛盾关系1.通频带和增益之间的矛盾(增益带宽积)2.通频带和放大级数的矛盾3.通频带和选择性之间的矛盾QL调幅带宽

6-8KHz

电视机图像信号带宽6MHz0

.7Kr

0

12

D

f=

2

D

f

0

.10.7r0.01K2Df=

2Df0.01fA

/AV

Vo2Df0.12Df0.7理想0.10.71实际高频小信号放大器的主要质量指标3)选择性：selectivity从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。①矩形系数：表示与理想滤波特性(矩形)的接近程度。0.5r0.01(K2Df=

2Df0.01

)dn表示。vnAAdn

=

v

0

fAAv0Avnf

fn

0高频小信号放大器的主要质量指标3)选择性②抑制比：表示对某个特定频率干扰信号fn

的抑制能力，用例：Av0=100，Avn=1，用分贝表示dn(dB)=20

lgdn1n

nd

=

100

=100

d

(

dB

)

=

40dB高频小信号放大器的主要质量指标4)工作稳定性：指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。（增益中心频率通频带谐振曲线）不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。高频小信号模型AA低频小信号模型高频小信号放大器的主要质量指标高频放大器的自激：正反馈高频三极管是双向器件F高频小信号放大器的主要质量指标5)噪声系数：FPso

/Pno

(输出信噪比)N=Psi

/Pni

(输入信噪比)NF越接近1越好在多级放大器中，前两级的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。接收机前两级为高放或混频级，要求噪声小。中放级主要提高增益。高频小信号放大器的分析方法晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF几十μV～几mV1V左右形式等效电路（网络参数等效电路）混合π等效电路混合π等效电路参数与形式等效电路ｙ参数的转换晶体管的高频参数1Rb1Rb2Re4

yL5CbCeCTr1Tr2TL

23VCC3154Tr1Tr2CL

2yLT输出回路输入回路 晶体管因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的y（导纳）参数等效电路。晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。双口网络即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端钮,流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。

而四端网络虽然其外部结构与双口网络相同,但对流入流出电流没有类似的规定,这是两者的区别。对于四端网络,在其每一个端口都只有一个电流变量和一个电压变量,因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自变量,其余两个为应变量,则共有六种组合方式,也就是有六组可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。Ｙ参数方程就是其中的一组,它是选取各端口的电压为自变量,电流为应变量。双口四端网络示意图y参数系（导纳）P61

常用的三种参数系h参数系(低频模型)

z参数系（阻抗）三极管低频微变等效电路（低频模型)+--rbeΔuBEΔiCβΔiBΔuCEΔiBec三极管的简化h参数等效电路此电路忽略了三极管输出回路等效电阻rce

。h参数等效电路两个参数等效三极管-+

bec

b+

+-ΔuBEΔuCEΔ

iBΔiC图

3.2.1

晶体管共发射极电路图

3.2.2

ｙ参数等效电路V

1

=

0Iy

r

=1fV

1

V

2I

2y

=

2

V

2Iy

o

=输入短路时的反向传输导纳V

2

=0

输出短路时的正向传输导纳V

1

=0

输入短路时的输出导纳1iV

2

=0

输出短路时的输入导纳VI

1y

=短路导纳内参数晶体管特性决定••••

2r

2i

11•

•I

=

yf

V1

+

yo

V2

I

=

y

V

+

y

V图

3.2.2

Y参数等效电路oe

Lyre

yfey

+YYi

=

yie

-••••

••

•

•=

-YL

V2

I

2

I

2

=

yfe

V1

+

yoe

V2

I1

=

yie

V1

+

yre

V2放大器输入导纳Yi输入导纳与负载导纳有关，内部的反馈（如何抑制）消去V2和I2图

3.2.3

晶体管放大器及其Y参数等效电路ie

so

oey

+Y-

yre

yfeY

=

y•

•

••

•

••

•

•feV1

+

yoe

V2

I

2

=

y

I1

=

yie

V1

+

yre

V2放大器输出导纳Yo输出导纳与信号源导纳有关，内部的反馈

I1

=

-Ys

V1

(

I

s

=

0)消去V1和I1oe

LyfeV1V2=-y

+Y•••Av

=•

••

•

••

•

•I2

=

-YL

V2I2

=

yfe

V1

+

yoe

V2I1

=

yie

V1

+

yre

V2放大器的增益三个参数都为实数相位差180度1消去I

和I2=rbe-

β

Rc//

RLAu模电共射公式yre表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；表示输y入fe

电压对输出电流的控制作用（正向控制）。ｙfe越大,表示晶体管的放大能力越强；ｙre越大,表示晶体管的内部反馈越强。ｙre的存在,对实际工作带来很大危害,是谐振放大器自激的根源,同时也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其减小,或削弱它的影响。oe

Lieiyre

yfey

+YY

=

y

-oe

Lyfe=

-y

+

Y••V

1V

2•Av

=ie

so

oey

+Y-

yre

yfeY

=

yY（导纳）参数的缺点：参数值随频率变化物理含义不明显图

3.2.4

混合π等效电路优点：各个元件参数在很宽的频率范围内都保持常数。缺点：参数值较多，分析电路不够方便。b'

rcerb'creeeCb'eC

b'crbb'rb'ecrccbgm

vb‘erb¢e

是发射结电阻

rb

¢c是集电结电阻Cb¢e

是发射结电容

Cb¢c

是集电结电容

rbb¢是基极体电阻gm

Vb¢e

代表晶体管的电流放大作用rce

集射极间电阻

Cce

集射极电容图

3.2.4

混合π等效电路注意：C

bc

和rb’c

的存在对晶体管的高频运用的十分不利的。混合π等效电路的简化混合π等效电路中，电容、电阻并联，

一定频率下：bb´Cbe

Cb´eCb´ccCcegmV·berbb´rb´crb´erce•rb¢c与Cb¢c引起的容抗相比，rb¢c可视为开路。•rb¢e与Cb¢e引起的容抗相比，rb¢e可以忽略(视为开路)•rce与回路负载比较，可视为开路。brbbgm

Vb

eb¢

CbcCb¢ece对工作频率范围不同时，等效电路可进行不同的简化。频率低时可忽略电容的作用。图

3.2.5

ｙ参数及混合π等效电路b'c

bb'

m

b'e

b'eb'e

b'cbb'

b'ereb'cbb'

b'e

b'efeb'cbb'

b'e

b'eieyoe

=y

=y

=y

=1+

rbb'[gb'e

+

jw

(Cb'e

+

Cb'c

)]

jwC

[1+

r

(g

+

g

+

jwC

)]1+

r

[g

+

jw

(C

+

C

)]-

jwCb'c1+

r

[g

+

jw

(C

+

C

)]gm

-

jwCb'c1+

r

[g

+

jw

(C

+

C

)]gb'e

+

jw

(Cb'e

+

Cb'c

)四个参数均与频率有关yie=gie+jωCieyfe=|yfe|∠φfeyoe=goe+jωCoeyre=|yre|∠φrerbb´rb´eC´b´bcUbeg

Um

b´eUceUb´e+--+b´cK-1

CKe简化的混合П型等效电路goeCoeCiegieie1

V

2

=

0V=

I1yieie=

g

+

jw

C2oeV1

=0V=

I

2yoeoe=

g

+

jw

C1.

截止频率21

时所对应的频率。0b下降到低频值b

的bf1

+

jf.b

=b01

+

b0b

=b

f

2

f

fβb0b0

/

2fTbf10b

2

-1\

fT

=

fβ2.

特征频率b

=1时所对应的频率。当f>fT后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。0通常b

>>1,T

0

βf

»b

f

。模βf0bb0

/

2Tfbf1特征频率2=11+β

f

f

b0b

=0βTb

2

-1所以

f

=

fb

=1时所对应的频率。图4.2.6 β截止频率和特征频率0通常b

>>1,0

βTf

»b

f

。1+b

b0

f

2

f

即b

f

»

fTβ当f

>>

f

时,

b

=ffT

fβf

fβ

f=

T

»可以粗略计算在某工作频率f>>fβ的电流放大系数。查手册可得3.

最高振荡频率fmax晶体管的功率增益AP

=1时的最高工作频率。f

≥fmax后，Ap<1，晶体管已经不能得到功率放大。由于晶体管输出功率恰好等于其输入功率是保证它作为自激振荡器的必要条件，所以也不能使晶体管产生振荡。频率参数的关系:

fmax

>

fT

>

fβ模电：共基截止频率fα

=（1+

β0

）fβfb

<

fT

<

fa电压增益功率增益通频带与选择性级间耦合网络低频放大电路的分析计算方法RbRcVT+-uo单管共射放大电路-+uiRLC2+VCCC1

+

+单管共射放大电路的等效电路+-rbeuiβibcbRcRLRbrbeA-

β

Rc//

RLu

=端部分接入1-2低端高端（回路两端）通常需要多级放大器来提供足够高的增益和足够好的选择性，从而为下一级（例如混频和检波）提供性能良好的有用信号。高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF几十μV～几mV1V左右高频小信号放大器的电路分析包括：1.多级分单级，2.静态分析，3.

动态分析，4.

整合系统几个基本步骤。1.

多级分单级前级放大器是本级放大器的信号源；后级放大器是本级放大器的负载。（通常前后级为相同的管子和电路）523Rb1Rb2Re4

yLCbCeTr1Tr2TC

L

1结论：Rb1、Rb2、Re为偏置电阻，提供静态工作点；2.

静态分析Rb1Rb2Re画出直流等效电路，其简化规则：交流输入信号为零；所有电容开路；所有电感短路。VCCVCC51Rb1Rb2Re4

yLCbCeCTr1Tr2TL

23VCC1)画出交流等效电路，其简化规则：有交流输入信号，所有直流量为零；所有大电容短路；所有大电感开路。（注意：谐振回路L、C保留！）3.动态分析3154Tr1Tr2CL

2yLT输出回路输入回路 晶体管3154Tr1Tr2CL

2yLT输出回路输入回路 晶体管315yieyrevceyfevbe+yL

v4

54-+C

u

L

231-+v21yoe-2)

画出交流小信号等效电路（Y参数）负载和回路之间采用了变压器耦合，接入系数231542v

Nv

N=p

=晶体管集、射回路与振荡回路之间采用抽头接入，接入系数（为什么要抽头接入？）NN1v31v21p1

=

=315yieyrevce

yfevbeC4

yL+v54-+v

L

231-+v21yoe-出于分析的方便，假定晶体管不存在内反馈，即yre=0。三个导纳分解成电导和电纳=

g

i1

+

jw

C

i1+

j

w

C

o1+

jw

C

i2其中：y

iey

oe

=

g

o1Y

L

=

g

i2图3.3.1

单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路P69

图3.3.1

符号的意义P70公式3.3.1

电压放大倍数的求解最终的放大倍数找到高端和低端折算统计在高端的器件。公式3.3.3的意义。公式3.3.4

谐振。什么是匹配？公式3.3.8

例3.3.11.把晶体管集电极回路和负载折合到振荡回路两端2

i221

o12

i22p

1

o1+

p2CC

=C

+

p

C+

p2

g=G

+

p

gG¢

p

yL

=

gi2

+

jwCi2

yoe

=

go1

+

jwCo1

V

1V

2yfeyoe

+YL•••Av

=

=

-2.利用公式（3.2.10）计算电压放大倍数1Y

'p1

p

2

yfe=

-

p1

p

2

yfe¢p\

A

=

-

+

jw

LG

+

jw

Cv谐振时:p

1

o1

2 i

2p1

p2

yfeAPG

+

p2

g

+

p2

g=

-G¢=

-

p1

p2

yfev

0谐振时AP

p

1

o1

2 i

2G

+

p2

g

+

p2

g=

-G¢=

-

p1

p2

yfe

p1

p2

yfev

0匹配条件2 i

2=

p2

gG

+

p2

gp

1

o121

o1

2 i

2p2

g

»

p2

g

=

Gp21i

2po1p2g2gG¢,

p

=G¢p

=匹配时的电压增益fe2

go1

gi

2y(

Avo

)max

»

-最大功率传输定理，当电源内阻和负载电阻相等时，负载获得功率最大（功率匹配）3.考虑匹配管子和负载匹配时的电压增益P72

公式3.3.10前后级使用相同的三极管时功率增益是电压增益的平方。公式3.3.11匹配时最大的功率增益即：2

ie2

1

oe1=

p2

gp2

gGp

=0i1

o12ie1)22 ie

221

oe12maxP04

g

gy4

g

p

2

g

p

2

gie1

1

oe1

2

ie22

gyp

2

p

2gg(p

gyp

2

p

2(A

) ie

2

=

1

2

fe

ie2

=

fe

+

p

2

g=

1

2

fe

则可得最大功率增益为：讨论：1)如果设LC调谐回路自身元件无损耗，且输出回路传输匹配。gpp

y

v1

fe

bep2

g1

oe12

ie

2p2

g+v31-讨论：2)如果LC调谐回路存在自身损耗，且输出回路传输匹配,则可得最大功率增益为：即2

ie2

1

oe1p=

p2

g

p2

gG

„

0ie1 ie

2

)22 ie

22maxP0ggyp

2

p

2(A

)P

1

oe1+

p

2

g(G

+

p

2

g=

1

2

fe

¢ie1 ie

2

)22 ie

221

oe12maxP0gg(p

gyp

2

p

2(A

)+

p

2

g=

1

2

fe

gpp

y

v1

fe

bep2

g1

oe12

ie

2p2

g+v31-回路无损耗时的输出功率/回路有损耗时的输出功率)]01QQLK

=

20

lg[1/(1-maxP020

L20

L2

fe

maxP0)

(A

)QQQQ4gie1goe1y(A

))

=

(1-(1-=¢0Q=

(1-

QL

)2而空载Q值G¢pQL

=Q

=00

p1

1

w

0

LGp=

有载Q值w

LG¢w

0Cie1 ie

2

)22 ie

22maxP0ggyp

2

p

2(A

)P

1

oe1+

p

2

g(G

+

p

2

g=

1

2

fe

¢)221

oe1

2 ie

22maxP0 ie

2

gie1g(p

gyp

2

p

2(A

)+

p

2

g=

1

2

fe

1)¢po

maxpo

max(

A(

A

)K

=

=()22 ie

221

oe1122 ie

221

oe1p

gp+

p

2

g(p

g

+

p

2

g

+

G

)通过分析放大器幅频特性来揭示其通频带与选择性。)0fp1p2

yfe2Df

GP¢(1+

jQLA

=

-vPG¢p1

p2

yfeAv

0

=

-2L11+=f02Q

Df

Av

0Av2Av

0Av

1f02QLDf0.7如果：

=

,

则

=1QLf0故：2Df0.7

=可见ＱＬ越高，则通频带越窄。P74

例3.3.21.

通频带xp

=

Y

/

GP74

公式3.3.20

带宽增益积为一常数带宽和增益为一对矛盾！重点：如何提高电压放大倍数？减小电容需要考虑杂散电容的影响。电压增益与放大倍数的稳定性矛盾2.

选择性（矩形系数）0

.7K2

D

f=

2

D

f

0

.1r

0

102

(

ww

wL-

w0

)2=1+QAv

0Av

1LQ0.7w2Dw=

0

20.1

0

QLw2Dw

=

10

-120)1w2DwL1+(Q»0

.72

D

w=

2

D

w

0

.1100.1

)2=

0.1w2Dw

L1+(Q令=

102

-1>>1P75

不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。fAV/AVo2Df0.12Df0.7理想0.10.71实际图3.3.4

单调谐放大器的级间耦合网络形式P76

例3.3.3

小信号放大器的计算实例Y参数与静态工作点和工作频率有关。通常不考虑yre的作用电路的电容的作用。（旁路，谐振，去耦）品质因数与谐振电阻的关系。（有载和空载品质因数）不特别提示P1,P2，考虑匹配