09级高频电子技术课件第2章_ 高频小信号放大器

1、,2.1 概 述,一、高频小信号放大器的功能,是对高频小信号实现不失真地放大。,指所放大信号的中心频率在几百KHz几百MHz,指放大器输入信号小，有源器件工作在线性 范围内，分析电路时可采用有源四端网络 分析法分析,输入信号频谱与输出信号频谱相同,2.1 概 述,二、高频小信号放大器的分类,按负载性质分：,谐振放大器,（又称调谐放大器）,用LC谐振回路作负载,非谐振放大器,按放大信号的频谱宽窄分,窄带放大器,宽带放大器,（如集中选频放大器）,用LC谐振回路或集中选频滤波器 做负载,用纯阻或变压器做负载， 带宽较宽，,f1,定义：放大器的电压增益下降到最大值的 倍时所对应的频带宽度。常用 2f0

2、.7(或BW0.7)表示。,2.1 概 述,三、高频小信号放大器的主要技术指标,1、电压增益与功率增益,电压增益,功率增益,2、通频带,2f0.7,f2,0.707,时所对应的频带宽度,2.1 概 述,三、高频小信号放大器的主要技术指标,3、选择性：,表示选取有用信号，抑制无用信号的能力。,用来表示实际曲线形状接近理想矩形的程度,矩形系数：,，选择性越好。,2.1 概 述,三、高频小信号放大器的主要技术指标,4、工作稳定性：,一般的不稳定现象是：增益变化，中心频率偏移，通频带变窄等，不稳定的极端情况是放大器发生自激，放大器不能正常工作。,指放大器的工作点，管子参数，电路元件参数等变化时，放大器

3、主要性能指标的稳定程度。,5、噪声系数：,指输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值,2.2 高频电子线路的基础电路,一、LC谐振回路,分为：,主要特点：,选频、滤波作用,（一）LC并联谐振回路,L 的等效损耗电阻,1.回路阻抗,回路导纳,（一）LC并联谐振回路,2.回路谐振特性,（1）谐振条件：,当回路的电纳等于0时（即虚部为0），回路呈谐振状态,（2）谐振阻抗：,（达到最大值，且为纯阻性）,谐振电阻：,（3）谐振频率：,谐振时，由于B=0，即,（4）谐振电压：,谐振时电压达到最大值且 与同相,（一）LC并联谐振回路,3.品质因数,它反映谐振回路损耗的大小,物理意义：,谐振时,（谐振回路的特性阻

4、抗）,谐振电阻,结论：谐振时电感和电容中的电流幅值为外加电流源的Q倍,并联谐振回路中的电流,4.回路阻抗特性,，回路呈纯阻性,时，,，回路呈容性,时，,，回路呈感性,L,C,在谐振时，回路相移为零，阻抗最大，导纳最小，且为纯阻性,失谐时，回路有相移，且回路阻抗下降。,5谐振曲线,（回路两端电压幅值与工作频率之间的关系）,为失谐量,5谐振曲线,在谐振点,f=0 ，U/U0=1。随着|f|的增大， U/U0将减小。,Q2 Q1,对于同样的偏离值f，Q越高，U/U0衰减就越多，谐振曲线就越尖锐，即回路两端电压衰减越快，对外加信号的选频作用越显著，即选择性越好,结论：Q值越高，谐振曲线就越尖锐，回路选

5、择性越好,6通频带,结论：通频带与Q成反比，Q越高，回路选择性越好， 但通频带越窄。,可得出,空载品质因数,7负载与信号源内阻对回路影响,考虑s和L后的并联谐振回路，如图所示。,谐振频率,不变,回路谐振电阻,有载品质因数,（考虑s和L）,（不考虑s和L）,由于,，所以,结论：考虑s和L,Q下降，选择性变坏，但通频带加宽。,注：一个有损耗的电感线圈在工作频率 0下通过 表可测得线圈的电感值 和空载品质因数 ，而 的大小就反映损耗的大小。,（二）LC串联谐振回路,回路阻抗:,谐振频率：,阻抗特性:,阻抗相频特性,，回路呈纯阻性,时，,，回路呈感性,时，,，回路呈容性,（谐振电阻）,电流最大,L,C

6、,特点：,（作为陷波器）,（二）LC串联谐振回路,空载品质因数：,有载品质因数：,谐振曲线：,（回路中电流幅值与外加信号源频率之间的关系）,通频带：,LC串并联相比较,LC串并联相比较,us,is,*(三） 双耦合谐振回路,is,+ u2m -,+ u2m -,广义失谐因子,其中：,曲线为单峰。,曲线也为单峰，但峰值小于1。,曲线为双峰，特性曲线的最大值应位于 处。,例1 已知LC并联谐振回路的电感L在,时测得,试求谐振频率,时的C和,并联谐振电阻,解：,例2 下图中，L = 586 H, C = 200 PF, r = 12 , RS = RL= 100 k ，试 分析信号源及负载对谐振回路

7、特性的影响。,1. 计算无 RS、 RL时回路的固有特性：f0、Q0、RP、BW0.7,解,例2 下图中，L = 586 H, C = 200 PF, r = 12 , RS =RL= 100k ，试 分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。,2. 计算有 RS、 RL时回路的特性：f0、Q、RP、BW0.7,解,由于L、C基本不变，故谐振频率 f0 465kHz不变,二、阻抗变换电路,（1）谐振回路的值大大下降 （2）信号源和负载电阻常常是不相等的，即阻抗不匹配， 当两者相差 较多时，负载上得到的功率可能很小 （3）信号源内阻或负载不一定是纯电阻，可能还包括电抗 部分如果考虑信号源输出电容和负

8、载电容，会影响回路 的谐振频率。,信号源内阻或负载直接并联在LC回路两端，该接法存在的问题：,解决方法：可用阻抗变换电路。,（2）若 则 ，实现从低阻向高阻的变换， 实现阻抗匹配，同时回路品质因数大大提高,注：（1） 反映电压比,1.变压器阻抗变换电路,设变压器为无耗的理想变压器，则等效到初级回路的电阻RL上所消耗的功率应和次级负载RL上所消耗功率相等，即,则,二、阻抗变换电路,设接入系数,则,2. 自耦变压器阻抗变换电路,则,二、阻抗变换电路,设接入系数,则,接入系数的定义：,3.双电容分压阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,4.双电感抽头阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,在实际

9、应用中，除了阻抗需要变换外，有时电压源，电流源，电容, 电感需要折算，根据接入系数的定义，可得到其他量的变比关系：,三、串并联阻抗的等效互换,等效互换前的电路与等效互换后的电路阻抗相等,结论：串并联等效互换后Q不变。,三、串并联阻抗的等效互换,结果表明:串联电路转换为等效并联电路后，电抗元件性质不变，,且在高Q时，电抗值基本不变，而并联电路的电阻为串联电路的Q2倍,例3 下图所示电路为一等效电路，其中,计算回路的谐振频率、谐振电阻。,解：由上图画出等效电路,分析：此题是基本等效电路的计算,其中L为有损电感，应考虑损耗电阻R0,其次应进行抽头电路等效变换。,谐振电阻：,解：将Is 、RS 、 R

10、L均折算到并联谐振回路1-3两端,例4 下图中线圈匝数 N12 = 10 匝,N13 = 50 匝,N45 = 5 匝, L13= 8.4 H, C = 51 PF, Q0 =100, Is = 1 mA , RS =10 k, RL= 2.5 k, 求有载品质因数QL、通频带BW0.7、谐振输出电压Uo。,BW0.7 = f 0 / QL =103 kHz,小结（要求掌握以下知识点),串并联谐振 电路结构、谐振频率、谐振阻抗及其特点、 空载品质因数、有载品质因数、空载通频带、 有载通频带、阻抗特性、负载特性 阻抗变换： 接入系数、不同元件的等效变比关系 （电阻、电导、电容、电抗、电流源、电压

11、源） 串并联阻抗的等效互换： R1、X1串联、 R2、X2并联：R2Q2 R1 , X2 X1,2.3 晶体管高频小信号谐振放大器,2.3.1 晶体管的频率参数和高频等效电路 1. 晶体管的混合型等效电路 2. 晶体管的Y参数 3、BJT的高频参数（高频特性）,2.3.2 单级调谐放大器 1.电压压放大倍数 2. 功率放大倍数Ap,3. 晶体管最高振荡频率fmax 4. 放大器的通频带 5. 放大器的选择性 2.3.3 多级单调谐放大器的级联 1. 多级放大器的电压放大倍数和通频带 2. 多级放大器的矩形系数,2.3.1 晶体管的频率参数和高频等效电路,高频小信号放大器可放大中心频率为几百千赫

12、兹到几 百兆赫兹,频带为几千赫兹到几十兆赫兹,几百毫伏以下的输 入信号,它具有选频和放大功能。高频小信号放大器包括高 频小信号调谐放大器和选频滤波式高频小信号放大器。,下图 画出了晶体管共射极混合等效电路。根据器 件材料和工艺不同，图中等效元件的参数也不一样。对于 高频管而言：,图2-13,1.晶体管的混合等效电路,混合等效电路,其中， 表示晶体管放大作用的等效电流源。其中 gm为晶体管微变跨导，它也是发射极 的函数。,rce反映了集电极电压 对电流 的影响。在放大状态 工作时这个影响很微弱,rce值很大，一般在几十千欧以上。,三个附加电容Cbe ，Cbc，Cce属引线和封装结构所形成的电容，

13、数量很小，其影响一般可以忽略。 频率较高时，Cbc的容抗较小，可它并联的电阻rbc较大，相比之下rbc可以忽略。简化后的等效电路如图所示。,混合等效电路的简化,2 晶体管的Y参数等效电路,混合型等效电路是从模拟晶体管的物理结构出发，用集中参数元件r，C和受控源表示晶体管内的复杂关系。这种等效电路称为物理模拟等效电路。它的优点是：各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内这些元件值基本上与频率无关。缺点是：随着器件不同有不少的差别，分析和测量不便。因此，混合型等效电路比较适合宽频带放大器。 Y参数等效电路是从测量和使用的角度出发，把晶体管看作一个有源线性四端网络，用一组网络参数来构成其等效电路，这种

14、等效电路称为形式等效电路。 Y参数等效电路优点：导出的表达式具有普遍意义，分析和测量方便；缺点是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。,图 (a)将共射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。以 为自变量， 为因变量，则描述它们之间的关系的线性方程为：,（1）,式中Yie，Yre，Yfe，Yoe是Y参数，具有导纳量纲，故又 称为四端网络的导纳参数。其中,输出交流短路时的输入导纳,输出交流短路时的正向传输导纳,输入交流短路时的反向传输导

15、纳,输入交流短路时的输出导纳,根据式（1）可以很容易得到如图所示的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。,3、BJT的高频参数（高频特性）, 截止频率 （共射）,当 下降为低频段值 的 分之一时，所对应的工作频率称为截止频率。,通常 ，所以 处的 ，晶体管仍具有电流放大作用。, 特征频率,当 下降为1时，所对应的工作频率称为特征频率。,尽管 ，无电流放大作用，但BJT可能还有电压放大作用，所以仍有功率放大。, 最高振荡频率,当功率增益为1时，所对应的工作频率称为最高振荡频

16、率。,为使电路工作稳定，且保证一定的功率增益：,2.3.2 单级调谐放大器,高频小信号谐振放大器是由放大电路（由晶体管、场效应管或集成电路组成）与选频电路（主要是LC谐振回路）组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，选出中心频率（输入信号对应）的信号，并滤除不需要的干扰频率信号。 主要讨论高频小信号谐振放大器的主要性能指标：电压增益、功率增益、通频带和矩形系数等。 高频小信号谐振放大器的分析方法主要采用Y参数等效电路法线性分析方法。,1.单级单调谐放大器 1）电路组成与特点 (1) V放大管； (2) 变压器耦合输入； (3)Rb1 、Rb2直流偏置，提供静态工作点；(4)Cb、Ce高频旁路

17、； (5)部分接入式LC谐振回路： 作放大器负载，对输入信号的中心频率谐振，完成阻抗匹配和选频滤波，同时也可减小本级放大器输出导纳以及负载（或下级放大器）对LC回路的影响。,绘制交流等效电路的原则：,把直流电压源短路 把大电容（耦合电容、旁路电容）短路 把大电感（高频扼流圈等）短路,d. 把大电阻忽略（即开路），以简化交流等效电路。,e. 晶体管保留 f. 确定公共端，按规范整理,2）放大电路的交流等效电路 忽略管子内部的反馈, 即令Yre =0,（1）,（2）,（3）,（4）,3）放大器的性能指标 (1)电压增益 由等效电路（4）可得： 由电压增益定义可得： 当放大器谐振时： 谐振时电压增益

18、：,（2）,（3）,（4）,增益幅值： 相角： 谐振频率： 回路有载品质因数：,（5）,（6）,（7）,（8）,谐振时电压增益：,(2)谐振时的功率增益 若前后级放大器采用相同型号的晶体管，且工作电流相同，则：,（6）,（10）,(3) 通频带 (4) 增益带宽积 通频带和电压增益的乘积是一定值，反映了两者之间的矛盾性。 (5) 矩形系数 反映了单级单调谐放大器的选择性很差。,（11）,（12）,（13）,单级调谐放大器的性能指标计算步骤：,1. 画出已知调谐放大器的高频等效电路（即晶体管用Y参数等效电路代替后的交流等效图）,2. 根据接入系数，将所有元件等效至谐振回路两端（即谐振回路电容和电感的两端）,3. 根据第2步得到的等效谐振回路，计算相关