通信电路沈伟慈第三章

第3章高频小信号放大器3.1概述高频小信号放大器广泛应用于播送、电视、通信、雷达等设备的接收机中。小信号是指放大器输入信号电压的振幅小，在毫伏和微伏量级。因为放大器的输入信号小，可以认为放大器的晶体管工作于线性范围内，即甲类放大状态，放大器输入信号的频谱与输出信号的频谱完全相同。按照所用负载的性质，高频小信号放大器可分为谐振与非谐振放大器。本章主要讨论小信号谐振放大电路，谐振放大器是以选频网络作为负载。小信号调谐放大器的典型应用是超外差接收机中的混频器前面，从众多的输入信号频率中选出有用的信号，滤除或抑制无用信号。前者要求放大器有一定的带宽和增益，后者要求放大器有很好的选择性，尽量抑制不需要的干扰信号。高频小信号谐振放大器的主要性能指标。1增益〔gain〕电压增益：放大器的输出信号电压(负载上的电压)与输入信号电压之比，习惯上对其取对数用分贝表示为。功率增益：负载上输出信号功率与输入信号功率之比，也可用分贝表示为。在谐振频率处的电压增益记作，功率增益记作，相对增益记作。我们总希望放大器在中心频率和通频带内的增益尽量大，在满足总增益的前提下使级数尽可能少，放大器增益的大小取决于所用的晶体管、要求的通频带、是否良好匹配和稳定等。为保证放大器的稳定性，放大器的增益不能太高。一般情况下，放大器的稳定增益约在20倍左右。2通频带(passbandbandwidth)调谐放大器的负载是谐振回路，放大器的增益特性曲线与谐振回路的谐振特性是一致的。定义：放大器的电压增益下降到谐频增益的时，对应的上下限频率之差，用表示，如图3-1所示。通频带也称3dB带宽，因为电压增益下降3dB即等于下降至。与谐振回路相同，放大器的通频带与回路的有载品质因数有关。图3-1调谐放大器电压增益频率特性曲线高频调谐放大器通频带确实定应考虑以下几个问题高频小信号放大器放大的都是高频已调信号，而已调信号都包含一定的频谱宽度。如调幅播送收音机的通频带为9；调频播送收音机的通频带约为180；电视接收机接收图像信号的通频带约为6。为了使放大的信号根本不失真，高频小信号调谐放大器的通频带应大于已调信号的带宽。放大器总的通频带，随着级数的增加而变窄。通频带与放大器的增益是一对矛盾，即放大器的通频带越宽，那么增益就越小。3选择性选择性是指从各种频率的输入信号中选出有用信号并抑制干扰信号的能力。通常用矩形系数描述放大器选频特性的好坏。式中为放大器的电压增益下降到谐频增益的0.1倍是对应的带宽，如图3-1所示。越小越好，等于1时为理想选频特性。4噪声系数噪声系数定义为放大器的输入信噪比与输出信噪比之比，通常用表示5稳定性稳定性是指放大器直流偏置、电路元器件参数等值随温度、环境发生变化时，放大器的主要性能指标，如增益、中心频率、通频带的稳定程度。当环境温度剧烈变化时，电路元器件参数及放大器的性能指标必然会随之改变，但这些变化必须限制在允许的范围内。不稳定状态的极端情况是放大器产生自激振荡，致使放大器完全不能正常工作。为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，如限制每级增益、选择内反应小的晶体管、应用中和或失配方法以使放大器远离自激，且各项主要性能指标的变化不超出允许范围。上述指标之间有矛盾，如增益与通频带、增益与稳定性之间是矛盾的。在工程设计中必须根据设计要求，在这些指标中进行协调和折衷，最后得到满足总体指标要求的设计方案。3.2高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器的构成：由晶体管和调谐回路两局部。根据不同的要求，晶体管可以是双极型晶体管，也可以是场效应管，或是模拟集成电路。通常当频率大于才使用GaAsMESFET器件；在以下，还是大量使用硅双极型晶体管。调谐回路可用单调谐回路，也可用双调谐回路。本章主要分析双极型晶体管构成的高频谐振放大器。晶体管高频小信号等效电路晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析：一种是模拟等效电路，另一种是形式等效电路。1高频晶体管模拟等效电路从晶体管的物理特征出发，把晶体管内部的复杂关系用集中参数元件RC和受控源来等效，每一个元件都与晶体管内部发生的物理过程有明显关系。采用这种物理模拟方法得到的等效电路就是晶体管的混合型等效电路。混合型等效电路是高频电路分析中采用最多的物理模拟等效电路，其优点在于物理意义明确，在较宽的频带内元件值根本上与频率无关；缺点是随器件不同等效电路有一定差异，且分析测量都不方便。图3-2〔a〕给出共发射极高频晶体管的结构示意图，忽略集电极和发射极体电阻，图3-2〔b〕为混合型等效电路。共发射极高频晶体管的结构示意图〔b〕混合型等效电路图3-2高频晶体管共发射极结构示意图和混合型等效电路请自行复习掌握共发射极混合型等效电路中各元件参数的物理意义及取值范围。基极体电阻基极体电阻的大小与晶体管的杂质浓度等制造工艺有关，而与晶体管工作状态无关的一个固定值。对于高频小功率硅管，基极体电阻在几十欧姆到几百欧姆之间。2〕是发射结的正向偏置电阻折合到基极回路的等效电阻，反映了基极电流受控于发射结电压的物理过程。和之间的关系为，而所以有〔〕式中为发射极的工作点电流，单位为。由于发射结正偏，值较小，因此也不是很大，一般在几十欧姆到几百欧姆之间。3〕集-射极间电阻它表示集电极电压对集电极电流的影响，越大，受的影响越小。通常受影响很小，很大，一般在几十千欧以上，但小于集电结电阻。集电结电阻由于集电结反偏，因此很大，约在之间。通常可以忽略和的影响。发射结电容包括发射结的势垒电容和扩散电容。当晶体管工作在放大区时，其发射结正偏，所以主要指扩散电容，其值一般在之间。6)集电结电容由集电结势垒电容和扩散电容两局部构成，由于集电结反偏，主要指势垒电容，其值一般在。尽管该电容很小，但由于它构成了高频条件下集电极到基极的内部反应通路，会严重影响放大器的稳定性，是宽带放大器设计中必须考虑的一个因素。跨导晶体管的跨导反映了发射结电压对集电极电流的控制能力。受控电流源模拟了晶体管的放大作用，在低频情况下〔3.2.2〕集—射极间电容由引线或封装等构成的分布电容，很小，一般在之间，通常可以忽略或归并到负载电容中去。某个高频晶体管混合型电路的参数。=1M，=500pF，=5pF，=100K=25，=150，=50ms。2形式等效电路〔只作了解，不作为考试内容〕形式等效电路又称网络参数等效电路，是从测量和使用角度出发，把晶体管作为有源线性二端口网络，用一些网络参数构成其等效电路。这种等效电路具有通用性，导出的表达式具有普遍意义，分析和测量比拟方便。其缺点主要是网络参数与工作频率有关，且物理意义不明确。任一线性二端口网络都有四个分量。根据所选择的自变量和因变量的不同，可有不同的参数系，常用的有四种，H参数—混合参数，Z参数—阻抗参数，Y参数—导纳参数，A参数—传输参数。对高频小信号放大电路的分析，常采用Y参数等效电路。有两方面的原因。一是因为Y参数要求在短路条件下进行测量和计算，而高频时，晶体管内部的电容效应不可忽略，在其端口实现短路较容易；二是晶体管的等效参数与谐振回路之间常以并联方式连接，采用导纳参数给电路计算带来方便。在图3-5〔a〕所示晶体管共发射极组态双端口网络的四个参数中，选择电压和为自变量，和为因变量，其网络方程为式中称为晶体管共发射极组态的Y参数，可通过实验测量的方法得到这些参数。；。反相传输导纳代表晶体管内部的反应作用，其值越大，说明内部反应越强烈，这会给实际电路设计带来很大危害，应尽可能选择较小的管子；。正向传输导纳越大，那么晶体管的放大能力越强；；。根据Y参数表示的网络方程和Y参数的根本定义，可推出图3-5〔b〕所示的晶体管Y参数等效电路。一般情况下很小，在实际电路分析中常忽略其影响，图3-6给出简化共发射极Y参数等效电路。图3-5共发射极晶体管Y参数等效电路3晶体管的高频参数几个表征晶体管高频特性的主要参数，包括截止频率、特征频率和最高振荡频率等参数。1〕截止频率〔cut-offfrequency〕2〕特征频率〔characteristicfrequency〕〔〕〔〕特征频率是晶体管在共发射极电路中能得到电流增益的最高极限频率。当时，，此时电流增益小于1，但并不意味着晶体管没有放大能力了，因为放大器的功率增益仍有可能大于1。根据的不同，晶体管可分为低频管、高频管、微波管。目前先进的硅半导体工艺已经可将双极型晶体管的做到100GHz以上。图3-7晶体管电流放大系数的频率特性3〕最高振荡频率最高振荡频率是指晶体管的功率增益=1时所对应的频率，该频率为晶体管工作的最高极限频率。当工作频率高于最高振荡频率时，无论用什么方法，都不可能使晶体管产生振荡。通常为了使放大电路既能稳定工作，又能提供一定的功率增益，晶体管的实际工作频率应不超过最高振荡频率的。对于同一个晶体管，以上三个频率参数的大小顺序为单调谐回路谐振放大器单调谐放大器是以一个谐振回路为负载的高频小信号放大器。在接收机中用于放大高频或中频已调信号。共发射极组态是单调谐放大器常采用的电路，因为共发射极电路具有较高的增益。图3-8是一个典型的单调谐放大电路。高频小信号谐振放大器的输入信号电平较低，放大器工作在线性范围内，处于甲类工作状态，晶体管在整个输入信号周期始终是导通的。1电路结构该放大电路由三局部构成：输入回路：由输入变压器构成，其作用是隔离信号源与放大器之间的直流联系，将交流能量耦合至晶体管，同时能实现阻抗的匹配与变换。如用耦合电容也能实现隔直通交，但不能实现阻抗匹配和变换。②晶体管：它是调谐放大器的核心部件，具有电流控制和放大作用。③输出回路：由ＬＣ并联谐振回路、输出变压器及负载构成。电容器Ｃ与变压器的初级绕组电感Ｌ构成并联谐振回路，完成选频和阻抗变换双重功能。2根本工作原理1〕直流偏置电路图3-8〔a〕为实用单调谐放大器电路中，将所有电容开路，电感短路，可得如图3-8〔ｂ〕所示的放大器直流偏置电路。采用了典型的稳定偏置电路。电源电压经偏置电阻、分压后，取两端的分压作为晶体管的基极直流偏置电压。当静态工作点的发射极直流流经发射极电阻时，形成直流负反应电压，它起着稳定静态工作点的作用，和为旁路电容。２〕高频交流通路把图3-8〔a〕所示的电路旁路电容〔大电容〕短路，直流电源对地短路，可得到图3-8〔ｃ〕所示的交流等效电路。根本工作原理：单调谐放大器的输入高频小信号由基极互感耦合电路取自信号源。信号源电压可以来自于天线回路，也可以来自于前级放大器或混频器的负载电路。单调谐放大器的输出电路是一个对信号中心频率谐振的ＬＣ并联谐振回路，经放大的高频电压通过互感耦合加于负载阻抗〔或负载导纳〕。这个负载通常是下级放大器的输入阻抗〔导纳〕或是检波器的输入阻抗。单调谐放大器工作在晶体管的线性放大区，从信号源耦合到输入端的高频信号电压加于晶体管的ｂ、ｅ极之间，产生高频基极电流，由于晶体管的放大作用，由的控制产生较大的高频集电极电流。流过集电极的ＬＣ并联谐振回路产生电压，通过输出耦合回路加于负载导纳上。因此后级放大器或检波器的输入端得到的是经单调谐放大器放大了的高频信号电压。ＬＣ谐振回路的作用：ＬＣ谐振回路起着选频滤波和阻抗匹配两个作用。ＬＣ回路的选频滤波功能表现为当信号在ＬＣ并联谐振回路的谐振频率附近时，回路阻抗最大，放大器增益较高；反之，如果信号频率远离谐振频率，那么回路阻抗急剧下降，放大器增益那么降低，因而使ＬＣ回路的谐振频率得到放大，其它信号得到很好的抑制。ＬＣ回路两端的谐振阻抗通常都远大于晶体管要求的最正确匹配负载，改变Ｌ的中心抽头的位置，可使ＬＣ回路对晶体管ｃ、ｅ极间呈现的阻抗为最正确阻抗，从而使放大器获得最正确的电压增益和功率增益，这就是ＬＣ回路所完成的阻抗匹配作用。另一方面，负载和谐振回路之间采用变压器耦合，晶体管集、射回路与谐振回路之间采用抽头接入方式减小了晶体管输出阻抗与负载对谐振回路品质因数的影响，保证了ＬＣ回路良好的选频特性。３放大器性能分析谐振放大器的分析采用等效电路的方法，放大管用Y参数等效，而并联谐振回路通常也采用导纳进行计算，这样的选择会给单调谐放大器的分析计算带来方便。单调谐放大器通常工作在小信号、窄带条件下，在窄带的信号频率范围内，可近似认为晶体管的Y参数保持不变。分析时先画出放大器的交流等效电路，再将Y参数及负载等效到谐振电路的两端，最终归结为一个单调谐回路或双调谐回路进行讨论。小信号谐振放大器的主要指标是谐振频率、通频带宽度、选择性及放大器的稳定度。分析过程省略，只给出重要结论。图３－９单调谐放大器Ｙ参数等效电路负载和谐振回路之间采用变压器耦合，其接入系数；晶体管的集、射极回路与谐振回路之间采用抽头接入方式，接入系数，其中、和分别为变压器初级线圈1-3端、1-2端的匝数和次级线圈的匝数。图3-10单向简化Ｙ参数等效电路电压增益回路的谐振频率〔〕回路谐振时〔常用的工作状态〕，，谐振电压增益〔〕实际单调谐放大器的设计，应在满足通频带和选择性要求的前提下，尽可能提高谐振时的电压增益。2〕频率特性〔选择性〕单调谐放大器的频率特性通常是用调谐放大器的归一化电压增益的幅频特性曲线来表示。调谐放大器的幅频特性曲线如图3-1所示。该曲线又可称为调谐放大器的谐振曲线。分析结果说明，单调谐放大器的幅频特性与LC并联谐振回路的幅频特性相同，即调谐放大器的选频特性取决于LC并联谐振回路的幅频特性。通频带和选择性调谐放大器的通频带和选择性都可以根据放大器的幅频特性来确定。令可求出放大器的通频带〔〕放大器的增益带宽积上式说明，晶体管和电路参数确定后，放大器的电压增益带宽为一定值，即通频带越宽，那么电压增益越小；反之通频带越窄，电压增益越大。单调谐放大器的矩形系数说明单调谐放大器的矩形系数远大于1，选频曲线与矩形相差甚远，选频特性较差，这是单调谐放大器的缺点。多级单调谐回路谐振放大器在实际应用中，往往需要把很微弱的信号放大到足够大，这就要求放大电路有较大的增益。单极放大电路的增益又受到放大器稳定性的制约，因此高频放大电路大多是多级级联而成。例如，电视接收机的图像中频放大电路是34级，放大量要求大于40dB，其伴音中频放大一般也有23级，放大量在40dB左右，播送收音机的中频放大电路一般也有3级，增益在40dB以上。实现高增益一种比拟简单的方法就是把各级完全相同的n级单调谐回路谐振放大电路级联起来，且各级谐振在同一个频率上，那么称为同步协调；如果各级放大器调谐在不同的频率上，那么称为参差调谐。设放大器有n级，各级电压增益振幅分别为，那么多级单调谐放大器的电压增益是〔〕多级单调谐谐振放大电路总的幅频特性等于各级幅频特性的乘积，因此级数越多，幅频特性曲线越锋利，选择性虽变好，通频带却变窄了。多级单调谐放大器的通频带和选择性〔〕式中是单级单调谐回路放大器的通频带。由于n是大于1的整数，通常把称为3dB带宽缩减系数。n级相同单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了，而通频带比单级调谐放大器的变窄了，且级数越多，通频带越窄。换句话说，如多级放大器的频带确定以后，级数越多，那么要求其中每一级放大器的频带越宽。所以增益和通频带是一对矛盾。

2.3.耦合谐振回路前面讨论的单谐振回路在通信设备中有着极其广泛的应用，但单调谐回路存在一定的缺陷，如选频特性不够理想，带内不平坦，带外衰减很慢，且单调谐回路存在选择性与通频带的矛盾，在无线电技术中常采用两个单调谐回路相耦合的方法来解决选择性和通频带之间的矛盾，以获得尽可能接近理想矩形的频率特性。这种互相耦合的两个单调谐回路称为耦合调谐回路或双调谐回路，把接有鼓励信号源的回路称为初级回路；把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。图2-15为两种常见的耦合谐振回路，图〔a〕为互感耦合谐振回路，组成初级回路，组成次级回路，初、次级回路之间以互感耦合。〔b〕为电容耦合谐振回路，初、次级回路之间以耦合电容相互耦合。〔c〕、〔d〕分别为〔a〕、〔b〕的等效电路。图2-15两种常见的耦合谐振回路及其等效电路1耦合振荡回路在高频电路中的主要功能1〕进行阻抗变换以完成高频信号的有效传输。如在发射机末级输出功率放大器中，天线阻抗在宽波段内变化较大时，通过调节初、次级回路耦合的方法，使输出功率放大器获得最正确匹配阻抗，从而实现最大功率输出，并且经两个回路滤波后，提高了滤波性能。2〕获得比简单谐振回路更好的频率特性。单谐振回路难以解决选择性与通频带之间的矛盾，输出波形容易产生失真。采用耦合谐振回路可以通过调节两回路之间的耦合程度以获得较好的选频特性，解决选择性与通频带之间的矛盾。2耦合系数与耦合因数耦合谐振回路的特性和谐振曲线的形状与两个谐振回路之间的耦合程度密切相关，为此引入耦合系数与耦合因数这两个参数。图2-15〔a〕耦合系数为〔2.2.22a〕图2-15〔b〕的电容耦合谐振回路，耦合系数为〔b〕为无量纲常数，其值在之间，一般<0.05称为弱耦合；>0.05称为强耦合；=1称为全耦合，值的大小将极大地影响耦合回路频率特性曲线的形状。为了简化分析，假设初、次级回路都调谐到同一中心频率，且初、次级回路的值相等，即有〔〕耦合因数耦合系数与耦合因数都反映初、次级回路的耦合程度。3耦合谐振回路的频率特性为了简化分析，假设初、次级回路参数对应相等，令，〔〕讨论次级回路谐振特性对了解作为选频网络的耦合谐振回路的频率特性具有实际意义。次级回路的归一化谐振特性取其模值得归一化幅频特性〔〕式中为广义失谐量由式〔〕可得归一化幅频特性曲线，图2-16耦合谐振回路的谐振曲线1〕=1时的幅频特性曲线=1，即=1，称为临界耦合。由图2-16可见临界耦合幅频特性曲线呈现单峰。在=0时〔谐振点上〕，=1，次级回路电流到达最大值，即最正确耦合下的全谐振状态。〔〕令代入式〔〕得，，据此求得通频带