第二章-高频小信号放大器..ppt

1、第二章高频小信号放大器,本章内容和重点、难点：,1、晶体管的高频等效电路2、单调谐放大器（重点）*电路的组成*电路的特性指标*多级单调谐放大器的特性3、非谐振回路式（宽带）高频小信号放大器,本章难点：谐振放大器的性能分析及性能指标计算,2.1概论,一、作用二、特点：1、工作频率高:几百千赫兹到几百兆赫兹2、频带放大器:已调信号带宽常为几千赫兹到几兆赫兹3、晶体管工作在线性范围：几百毫伏以下的输入信号4、常用谐振回路作负载,三、分类：,1、按照所用器件分类：晶体管、场效应管、集成电路高频小信号放大器2、按照通过频谱的宽窄分类：窄带、宽带高频小信号放大器3、按照电路形式分类：单级、级联高频小信号放

2、大器4、按照放大器所用负载的性质分类：谐振、非谐振高频小信号放大器,四、主要质量指标,1、中心频率:2、增益:电压增益、功率增益3、通频带:4、选择性5、工作稳定性6、噪声系数,1、中心频率f0：谐振频率2、增益：（放大系数）放大器输出电压V0（或功率P0）与输入电压Vi（或功率Pi）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用Av(或Ap)表示（有时以dB数计算）。我们希望每级放大器在中心频率（谐振频率）及通频带处的增益尽量大，使满足总增益时级数尽量少。电压增益：功率增益：分贝表示：,3.通频带：放大器的电压增益下降到最大值的0.7（即1/）倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用表示，如图所示

3、。2f0.7也称为3分贝带宽。由于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的频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中的频谱分量通过放大器。与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。,4.选择性：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。矩形系数：按理想情况，谐振曲线应为一矩形。即在通带内放大量均匀。在通带外不需要的信号得到完全衰减。但实际上不可能，为了表示实际

4、曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。矩形系数2f0.1为放大倍数下降至0.1处的带宽，Kr愈接近于1越好。抑制比：表示对某个干扰信号fn的抑制能力，用dn表示。图：理想的与实际的频率特性图：对fn的抑制能力用分贝表示：dn(dB)=20lgdn。An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。例Av0=100An=1,5.工作稳定性：指在电源电压变化或器件参数变化时，以上三参数的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等，不稳定状态的极端情况是放大器自激，以致使放大器完全不能工作。原因：寄生反馈为使放大器稳定工作，必

5、须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法，采取必要的工艺措施等。,6.噪声系数：放大器的噪声性能可用噪声系数表示：NF越接近1越好。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，因此要求它的噪声系数应尽量小。以上这些要求，相互之间即有联系又有矛盾。增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。因此应根据需要决定主次，进行分析和讨论。,2.2晶体管高频小信号等效电路与参数,说明：在“低频电路”里，我们采用低频h参数及其等效电路对晶体管低频放大器进行了分析，在那里忽略了晶体管高频运用的内部物理现象，现在，当我们分析晶体管高频放大器时，就必须采用一种能

6、够反映晶体管在高频工作时的高频参量及其等效电路。晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。在电路分析中，“等效电路”是一种很有用的方法，晶体管在高频运用时，它的等效电路主要有两种表示方法：物理模拟等效电路（混合等效电路）形式等效电路（Y参数等效电路）,2.2.1共发射极混合型等效电路一、混合型等效电路：若把晶体管内部的结构及复杂关系，用集中元件RLC表示，则每一元件与晶体管内发生的某种物理过程具有明显的关系。用这种物理模拟的方法所得到的物理等效电路就是所谓混合等效电路。晶体管结构示意图及其等

7、效电路,各元件参数的物理意义和数值,（1）基区体电阻rbb,:指从基极引线到有效基区间的电阻（几十一百）。从晶体管内部结构可知，从基极外部引线b到内部扩散区中某一抽象点b之间，是一段较长而又薄的N型半导体（或p型），因掺入杂质很少，因而电导率不高，所以存在一定体积电阻，故在b-b之间，用集总电阻rbb表示。发射区和集电区掺入杂质多，电导率高，电阻很小，故可略去其体积电阻。不同类型的晶体管，rbb的数值也不一样。rbb的存在，使得输入交流信号产生损失，所以rbb的值应尽量减小，一般高频晶体管rbb=1550，而低频小功率管rbb=几百。,各元件参数的物理意义和数值,（2）-有效基极到发射极间的电

8、阻，指发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻，又叫发射结的结电阻。晶体管放大时，发射结总工作在正向偏置，所以较小，一般为几百。,(3)发射结电容：-包括发射结的势垒电容CT和扩散电容CD由于发射结正偏，主要是扩散电容。它随工作点电流增大而增大，数值范围100500PF（4）-集电结电容，包括集电结势垒电容CT和扩散电容CD，因集电极反偏，主要为势垒电容CT它随c,b间反向电压的增大而减小，数值范围210PF）（5）rbc集电结电阻，因集电结处反偏，rbc较大，100K-10M,（6）等效电流发生器gmUbe：表示晶体管放大作用，它与加到发射结上的实际电压成正比，此比例系数就是gm当在b到e之间

9、加上交变电压Ube时，对集电极电路的作用就相当于有一电流源gmUbe存在。跨导（或互导）定义为：当Uce为常数时ic的微变量ic与相应的的微变量之比。,gm反映发射结电压对极电极电流的控制能力，它越大则体现控制能力越强，即放大能力越强。约为几十ms的数量,低频时：,可见，跨导与工作点电流IE成正比，而与管子的无关,(7)集射极间电阻rce，它表示集电极电压对集电极电流的作用，用rce来模拟（几十千以上）由输出特性曲线可以看出：Uce对IC影响较小，证明rce很大（恒流）,各元件参数的物理意义和数值,（8）三个附加电容Cbe，Cbc，Cce属引线和封装结构所形成的分布电容，数量很小（2-10PF

10、），其影响一般可以忽略。,晶体管的混合型等效电路分析法物理概念比较清楚，对晶体管放大作用的描述比较全面，且各个参量基本上与频率无关，因此，这种分析法可以适用于相当宽的频率范围。但这个等效电路比较复杂，且由于电容、电阻对高低频的影响不同，在实际应用中，可根据给定的工作频段，把某些次要因素忽略。下面就介绍两种简化情况:,简化的混合型等效电路,1）低频时：忽略极间电容和（很大）的影响，图2.2.1简化为下图(也叫做低频的晶体管h参数等效模型图）,2)高频时,考虑电容的作用,忽略rbc，可简化为：,这是对工作频率较高时的简化电路，对工作频率范围不同时，等效电路可进行不同的简化。,二、高频时晶体管的放大

11、能力及相关的频率参数,1、短路电流放大系数和截止频率1）短路电流放大系数定义：共发射极型高频等效电路输出交流短路时，集电极电流Ic和基极电流Ib的比值,由定义知：由简化电路图可知：即时，Cbe，bc和rbe三者并联。因此,可见，随工作频率变化而变化。,2.1.3,2）截止频率,定义：是当值随f上升而下降到低频电流放大系数的倍时，所对应的频率,由定义可得:,解上述方程得：,将式2.1.4代入式2.1.3得,2.1.4,2.1.5,2、特征频率fT：,晶体管的放大性能有时还用特征频率fT表示。fT的定义：当频率再高使下降至1时所对应的频率。,fT的物理意义：表示晶体管丧失电流放大能力时的极限频率。

12、根据定义:,解之得:,当0远远大于1时,由于，代入上式得fT与晶体管内部参数的关系：,若工作频率时,则可用下式近似计算。,上式说明，在ff的区域，工作频率每增加一倍，减少一半（下降6dB），故此区域称为每倍频程下降6dB工作区。,3.截止频率f及其与f和fT的关系当晶体管用作共基极联接时，其输出端交流短路的电流放大倍数也是随频率提高而降低的,当下降到时，所对应的频率称为截止频率。由于共基极短路电流放大系数的近似表示式为:,根据和的关系式:,可以求出截止频率f与截止频率f的关系:,用近似公式代入得,是一个系数，其值通常在0.6-0.9之间，故f，fT，f三个频率的关系是:ffTff,f,fT是晶

13、体管三个重要频率参数。,三、晶体管参数等效电路分析法的优缺点：,混合等效电路的特点：混合等效电路物理模拟等效电路优点：1、各元件参数物理意义明确2、较宽的频带内元件值与f无关缺点：不同的器件差别大，分析测量不便应用：分析宽带放大器,2.2.2形式等效电路晶体管的Y参数等效电路,一、形式等效电路1、定义：将晶体管等效地看成是有源四端网络，用一些网络参数来组成等效电路,Y参数等效电路是从测量和使用的角度出发,该四端网络在工作时有四个参数，它们是输入电压V1，输入电流I1，输出电压V2，输出电流I2。任选其中二个作自变量，另二个作参变量可得不同的参数系，如h参数、y参数、z参数、A参数等。,Y参数等

14、效电路的特点：Y参数等效电路有源线性四端网络优点：1、可用线性方程表达各变量之间的关系,导出的表达式具有普遍意义2、可以通过测量方法测取这些参数的具体值，分析测量方便缺点：网络参数与频率有关但由于高频小信号谐振放大器的频带较窄，一般只需在工作频率f0上进行参数计算。故分析高频小信号谐振放大器时采用Y参数等效电路是合适的。,3、Y参数网络方程,-,+,b,e,e,c,+,+,-,+,-,+,-,图（a）,图（b）,图(a)将共发接法的晶体管等效为有源线性四端网络。图中表示晶体管输入和输出电压，为其对应电流。,3、Y参数网络方程,高频等效电路中主要采用y参数进行分析，即Ub、Uc为自变量，Ib、I

15、c为参变量，则描述它们之间的关系的线性方程为：（2.2.15),式中y为描述这些电流-电压关系的参数，具有导纳的量纲，故叫晶体管的短路导纳参数,4、共发Y参数的含义和测量方法：,A、Yie和Yfe的测定：先把输出端交流短路，测此时的可得：Yie称输出短路时输入导纳，说明输入电压对输入电流的控制作用。Yfe正向传输导纳：说明输入电压对输出电流的控制作用。,4、共发Y参数的含义和测量方法：,B、Yre和Yoe的测定：把输入端短路，测此时的可得：反向传输导纳它的大小说明输出电压对输入电流的控制作用。Yoe输入短路时的输出导纳：它是说明输出电压对输出电流的控制作用。,根据式2.1.17可以很容易得到如

16、图(b）所示的Y参数等效电路。其中是受控电流源,正向传输导纳Yfe越大,晶体管的放大能力越强；反向传输导纳Yre越大,晶体管的内部反馈越强。减小Yre有利于放大器的稳定工作。,注：这是晶体管本身的短路参数，即为自参数，它只与晶体管的特性有关，而与外电路无关，所以又称内参数，用y参数来表示。晶体管作放大器用时，因为输入端或输出端接有信源与负载，所以参数与外接负载和信号源内阻有关，称为电路参数又称外参数。根据不同的晶体管型号，不同的工作电压和不同的信号频率，导纳参数可能是实数，也可能是复数。例：3CG35的自参数如下：yie=(1.2+j2.2)msyre=(0.06j0.3)msyfe=(5.4

17、j2.2)msyoe=(0.4+j1.8)ms,二、混合电路参数与Y参数的互换,当晶体管直流工作点选定以后，混合等效电路各元件的参数也就确定，但在小信号放大器中，常以y参数等效电路作为分析基础。因此，有必要讨论混合等效电路参数与y参数的转换，以便根据确定的元件参数进行小信号放大器或其他电路的设计和计算。为了简单起见，在此采用简化混合等效电路进行分析。,利用混合型电路参数可以推导出相应的Y参数。下图是简化的混合型电路图（P42图2.2.5）：,其中，,以b，b，c三个节点列出节点电流方程：,消去上式中,经整理可得,与上式比较，并考虑到YbeYbc，gmYbc，gceYbc，则对应的Y参数为:,（

18、2.2.15),为方便应用，上面各式可简写为：,由上述各式可知，Y参数是工作频率的函数，当工作频率不同时，即使是同一晶体管，其Y参数也是不一样的。当工作频率比较低，电容效应的影响可以不考虑时，晶体管的Y参数才可以认为近似不变。由式2.1.242.1.27,若忽略Y参数的虚部,则可得到低频工作的Y参数值。,三、Y参数等效电路分析法的优缺点,1、优点：导出的表达式具有普遍意义分析和测量方便2、缺点：网络参数与频率有关四、适用范围：窄带电路的分析,2.3谐振放大器,谐振放大器的基本构成：晶体管或IC，与LC、SAWF、石英晶体、陶瓷滤波器有源放大器件选频网络功能（特点）：对小信号的放大选择有用信号、

19、滤去干扰信号主要指标：增益、选择性和通频带、稳定性,图2.2-1多级单调谐放大器的部分电路,单级单谐振放大器是由晶体管和并联谐振回路组成的。图2.2-1是一个典型的单回路谐振放大器组成的三级级联放大电路。各级的形式相同，因此只分析其中一级的特性，其后利用级联的方法研究其多级总特性。自本级基极开始到下一级基极输入端的电路作为一级放大电路，前一级设为信号源,用电流源和输出导纳Ys表示,后级作为本级的负载，用输入导纳Yie表示。图2.2-2是一个单级谐振放大器的高频特性电路，图中忽略了Yre的影响.其中。下面分析该放大器的主要技术指标。,2.3.1单级单调谐放大电路,电路的结构和元件作用,单级单调谐

20、共发射极放大电路,等效电路图：,因为讨论的是高频小信号，略去直流参数元件即可用Y参数等效电路模拟。下图是单调谐放大器的Y参数等效电路。且为简单起见，设晶体管单向工作（即忽略Yre的影响）。,图2.2-2单调谐放大器的等效电路,由图可知YL代表由集电极C向右看去的回路导纳，（4）式(2)=(3)因此(5)(5)代入(1)得：(6)因此放大器的输入导纳(7),yie为晶体管共发连接时的短路输入导纳，Yi为晶体管接成放大器且接有负载YL的输入导纳，是晶体管的外参数。,（1）,（2）,（3）,一、单级单调谐放大器的放大能力,1、电压放大倍数A的定义和表达式A定义为输出电压0和输入电压i的比值：,由等效

21、电路图可知,所以(8)将（5）代入（8）得：(9)因此，电压增益(10),为求，先求，,由于而（YL为cb间导纳，YL为ab间导纳）因此(11)由代入上式(12),令,式(12)简化为,式中，f0谐振频率,f频偏,QL有载Q值。,由一般表示式可以看出：,1）谐振放大器的增益是工作频率的函数关系2）当即谐振时，3）上式中的负号表示输入和输出电压有180度的相差。,谐振电压增益,2、功率放大倍数,功率放大倍数Ap对于小信号谐振放大器本身并无重要意义，但是通过功率放大倍数的推导,可以获得晶体管最高振荡频率和最大电压放大倍数的概念。当放大器输入和输出电路均处于调谐状态时,图2.2-2所示电路的输入功率

22、Pi和输出功率Po可改写成:,谐振时的功率放大倍数Apo：,用式2.2.12代入得:,理想情况下，回路无损耗：且输出端处于匹配状态：此时，放大器有最大功率放大倍数：实际情况下：考虑回路损耗L，则：,(由前面介绍的插入损耗的定义,（2.3.20）,上式说明小信号放大器的最大功率增益只与晶体管本身的参数Yfe，goe，gie有关，而与回路元件无关。为了用晶体管内部的物理参数表示最大功率放大倍数，现将Y参数化为等效参数的形式，并设ff，即Cbegbe，Cbe1/rbb，Cbcgbc，则：,式中,（2.3.21）,将式2.3.21-2.3.23代入式2.3.20得:,（2.3.22）,（2.3.23）

23、,上式表明，晶体管的最大功率增益与晶体管的阻容乘积rbbCbeCbc成反比，与跨导gm成正比，且随着工作频率f的提高而显著下降（在ff的情况下）。由于故fT可近似为：则Apm可改写成：,上式表明，晶体管的最大功率增益与晶体管的阻容乘积rbbCbeCbc成反比，与跨导gm成正比，且随着工作频率f的提高而显著下降（在ff的情况下）。,结论,可见：,二、单级单调谐放大器的选频能力,1、晶体管最高振荡频率定义：A=1对应的频率为晶体管的最高振荡频率当时，求得：fmax=,结论：晶体管的最高工作频率f只与晶体管本身参数fT、和有关,与放大器的电路形式无关（另一角度讲：晶体管最高工作频率受fT、和的限制）

24、为使晶体管具有更高的工作频率，应选用rbbCbeCbc乘积小而gm大的管子。,且当已知fmax时，最大功率放大倍数为：最大电压放大倍数为：,2、放大器的通频带,主要弄清放大器的通频带的定义和意义及与回路参数的关系：1）谐振曲线取模：,2、放大器的通频带,谐振曲线：,1）谐振曲线,此式表明：当电路参数确定之后，是随f变化的。当，即、Au/Au0=1，当fAu/Au0,2）、放大器的通频带,通频带的意义：当f偏离f0会使得下降。当下降至0.707（）倍时，两边偏离f0的频率范围称为放大器的通频带。意义：通频带内信号的增益差不大于3dB.,3）、放大器的增益、带宽积问题：（B和AU0的关系）,由第二

25、章知：用代入（2.3-16）得的另一种表示形式：,B和AU0的关系,分析式（2.3-34）得如下结论：一定时，为一定值，反之亦然。证明：和B是矛盾的。为保证较高的，除选择用较大的外，还应尽量减少（选用Cie，Coe小的晶体管或减小回路的外接电容C）。,五、放大器的选择性：（定义、意义、优劣衡量）,定义：放大器的选择性是指放大器从含各种不同频率信号中选出有用信号，排除干扰信号的能力。特性指标及其意义：表征选择好坏（优劣）有两个基本指标：抑制比、矩形系数。抑制比：矩形系数：,当时因此所以单调谐放大器的矩形系数比1大得多，选择性比较差。,矩形系数：,例2-1在图2.12中，设工作频率f=30MHz，

26、晶体管的正向传输导纳|yfe|=58.3ms，gie=1.2ms,Cie=12PF,goe=400s,Coe=9.5pF，回路电感L=1.4H，接入系数P1=1，P2=0.3空载品质因数Q0=100（假设yre=0）求：单级放大器谐振时的电压增益Au0，通频带2f0.7，谐振时回路外接电容C。,2.3.2多级单调谐回路谐振放大器(多级放大器的必要性及级联后的特性),1、采用多级放大器的必要性:若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器，其增益、通频带和选择性都将发生变化。2、其中每一级都调谐在同一个频率上，故多级级联单调谐放大器也称为同步谐振放大器。3、多级放大器

27、与单级的的关系。,级联后的特性,一、总电压放大倍数An设n级放大器各级电压放大倍数相应为:总增益：若则：,级联后的特性,n级相同放大器级联时谐振特性表达式:,它等于各单级谐振曲线的乘积。所以级数愈多，谐振曲线愈尖锐。,二、选频能力,1、总带宽：令可得：Bn与当级带宽B1的关系:,式中，因为n是大于1的正整数,故必小于1。所以称为缩小系数。它意味着，级数增加后，总通频带变窄的程度。,缩小系数与级数n的关系,结论:级联级数n越大,总通频带越窄。,2、多级放大器的矩形系数：,根据多级放大器的通频带和矩形系数的定义有：,与级数n的关系,单调谐回路放大器的优点是电路简单，调试容易，其缺点是选择性差（矩形

28、系数离理想的矩形系数Kr0.1=1较远），增益和通频带的矛盾比较突出。要解决这个矛盾常采用双调谐回路谐振放大器。,结论,1、n级数增加，矩形系数有所改善，对提高选择性有利。2、n级数增加到34级以后，矩形系数改善变慢，并且有限。3、不可能有理想系数。,例题：,某单回路谐振放大器四级级联，已知谐振时单级增益均为40，通频带为60KHz。求四级总增益及带宽。若要求保持总带宽不变，仍为60KHz，则单级放大器的增益及带宽应如何调整？,解：四级总增益为：四级总带宽为：若保持总带宽为60KHz，则单级放大器通频带必须增加，应为：单级放大器的增益应为：即单级调频带增加的同时，单级增益有所下降,2.3.3双

29、调谐回路谐振放大器,两个作用：改善放大器选择性解决放大器的增益和通频带之间的矛盾一、电路组成：,二、电路特性参数,1、增益：双调谐放大器在临界耦合的条件下谐振电压增益是单调谐的1/2倍。2、通频带：3、选择性矩形系数缺点是调谐不方便。,2.3.4谐振放大器的稳定性,放大器的工作稳定性是重要的质量指标之一，由前面分析可知，放大器的输入导纳与输出导纳：在前面讨论Auo时忽略了内部反馈yre，实际上由于yre存在使放大器可能产生自激。本节进一步分析谐振放大器工作不稳定的原因并提出使放大器稳定工作的措施。,一、晶体管内部反馈的有害影响1、放大器调试困难：由于内反馈的作用，放大器的输入输出导纳，分别与负

30、载及信号源导纳有关。则：在调整输出回路时（即改变YL),放大器的输入端就受到影响；同样，在调整输入回路时（即改变Ys),放大器的输出端就受到影响；,2、放大器工作不稳定,内反馈随频率而不同，对于某些频率可能为正，对于某些频率可能为负，且反馈的强弱也不完全相等结果是放大器的中心频率、通频带和选择性都受到影响。,二、提高放大器稳定性的解决办法由于晶体管有反向传输导纳yre存在，实际上晶体管为双向器件。1、从晶体管本身想办法2、从电路上想办法单向化法：中和法失配法,单向化法,1、中和法1）原理2）优缺点：优点：电路简单，增益不受影响缺点：只能在一个频率上中和，不适合宽带放大器实际调整麻烦，不适合批量

31、生产对由于温度等原因引起的各种参数变化没有改善,单向化法,2、失配法1）原理2）常用办法,失配法一般采用共发一共基级联放大器实现，如图所示。因为共发电路中输入、输出阻抗较高，共基电路中输入阻抗低，输出阻抗高，而共基的输入阻抗是共发的负载，故YL大。又因为共发的yoe较小（阻抗大），对BG2来说，BG1的输出导纳就是它的信源内导纳Ys，Ys(Yoe)小则BG2输出导纳Y0就只和共基极晶体管BG2本身有关，而不受它的输入电路的影响。所以复合管的输入和输出导纳基本上不再互相依赖，可把它看成单向器件。,3）优缺点：优点：性能稳定频带宽生产过程中无须调整，适合大批量生产缺点：增益较低,3、中和法与失配法比较：,中和法的优点是电路简单，增益不受影响；其缺点是只能在一个频率上完全中和，不适合宽带；因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。采用中和法对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。失配法的优点是性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。失配法的缺点是增益较低。,2.4集中选频小信号调谐放大器（高频集成放大器）,前置放大器,集中滤波器,宽带放大器,宽带放大器,集中滤波器,优点：1、电路简单，调整方便2、性能稳定3、易于大规模生产，成本低,2.5宽频带放大器（非调谐式放大器）,主要指标：