高频电子线路课件第三章.ppt

1、第4章 高频小信号放大器,41 概述,一、高频小信号放大器的功能与分类,1.功能： 放大：放大是放大有用信号。 选频：选频是选择有用信号，抑制无用信号。,工作频率特征：中心频率几百kHz至几百MHz, 频谱宽度几kHz至几十MHz,集中选频放大器：以集成电路为主，滤波器为负载。集中选频放大器把放大和选频两种功能分开，放大作用由多级非谐振宽带放大器完成，选频作用由LC带通滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和表面声波滤波器等完成。,谐振放大器：以分立元件为主，谐振回路为 负载。,2.高频小信号放大器主要两种组成类型,谐振放大器常由晶体管等放大器件与LC并联谐振回路或耦合谐振回路构成。 分类 调谐放

2、大器：谐振回路需调谐于需要放大的外来信号的频率上，即混频器之前的高频放大器； 频带放大器：谐振回路谐振频率固定不变，即混频器之后的中频放大器。,谐振放大器,晶体管工作于线性范围内：研究方法？,3.调谐放大器分类： 按信号大小分小信号、大信号调谐放大器； 按调谐回路个数分单调谐、双调谐放大器；,按核心器件分有晶体管、场效应管放大器； 按电路组态分共e、共b、共c放大器。,二、高频小信号放大器主要性能指标,增益 通频带 选择性 工作稳定性 噪声系数NF,1增益,放大器的谐振增益是指放大器在谐振频率上的电压(功率)增益，记为AvO (Ap0) ，其值可用分贝(dB)表示。 Av 表示电压增益，其最大

3、值为AvO Ap 表示功率增益，其最大值为ApO,2通频带,通频带是指信号工作频率偏离放大器的谐振频率fo时，放大器电压增益Av下降到谐振电压增益Avo的0.707倍(3dB)所对应的频率范围，用2f0.7（或BW0.7）表示，2f0.7 = fH-fL fH-上限频率，fL-下限频率,幅频特性曲线和通频带,调幅广播收音机的通频带约为6-8kHz 调频广播收音机的通频带约为200kHz 电视接收机的通频带约为6MHz。 其它带宽概念：BW0.5 (6dB), BW0.1,3选择性,放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号、抑制干扰信号的能力，称为选择性。衡量选择性的两个基本参数: 矩形系数Kr

4、0.1（选出有用信号能力） 抑制比d （抑制干扰信号能力）,(1) 矩形系数Kr0.1 ：0.1倍带宽与0.7倍带宽比,Kr0.1 = 2f0.1 / 2f0.7 Kr0.11,通常约为2-5之间 Kr0.1越接近于1，选择性越好，抑制干扰的能力越强 相邻频道选择性评价依据，越小选择性越好,(2) 抑制比d,谐振增益与通频带以外某一特定频率上的电压增益比，单位dB d=20lg（Av0 / Av ） 反映放大器对特定频率信号（多数这类频率是干扰频率）的抑制能力 ，越大抑制能力越强。 例如：镜像频率抑制比、中频抑制比,4工作稳定性,工作稳定性是指放大器的工作状态（直流偏置）、电路元件参数等发生可

5、能的变化时，放大器主要特性参数的稳定程度。 一般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。 工作不稳定极端情况是放大器自激。,5噪声系数NF,放大器输入端的信噪比（信号、噪声功率之比）与输出端信噪比的比值。,用来描述放大器使信噪比恶化的程度，NF1 噪声系数越小,输出的信噪比越高（尽量接近1） 最前级放大器的噪声系数对整机影响最大,4.2 晶体管高频小信号等效电路,小信号条件下，谐振放大器中的晶体管（或场效应管）工作在线性状态，放大器可采用等效电路法分析，即将抽象的晶体管等效为线性元件组合后，再利用线性电路分析方法得出结论。 因此，分析电路前的一项重要工作就是画出高频条件

6、下晶体管等效电路模型。,一、 物理等效模型-混合等效电路,晶体管内的物理结构和物理过程,工作时反映为各种电量之间的关系，将这些关系用集中元件RLC和受控源来模拟，形成的反映物理结构和物理过程的等效电路。,rbb基区体电阻 : 5 100 , rbb 较小时，增益高,噪声低。 rbe发射结等效电阻 : 500 2000 rbe =re = VT/Ie 发射结,等效电阻 re = VT/Ie26mV/Ie (3) Cbe发射结电容: 100 500pf,(4) rbc-集电结电阻 2 5M(可忽略) (5) Cbc -集电结电容 0.5 5pf ;内部反馈等效元件，严重影响放大器的性能指标。 (6

7、) gmvbe -受控电流源 表征晶体管的放大作用。 gm 称为晶体管的跨导 gm=1/re =/rbe gm vbe = Ib (7) rce -集-射极电阻 10 K 100K (可忽略) (8) Cce -集-射极电容 2 10pf (可忽略),高频小信放大器分析中，调谐回路及负载，通常与晶体管并联，采用导纳分析更为方便，因此更多采用Y参数等效电路。,二、 形式等效模型晶体管Y参数等效电路,混合等效电路是从物理过程和结构等效出的模型，非常精确的描述了晶体管的结 构和工作过程，但由于复杂，不利于分析计算。因此提出一种形式等效模型，即，将晶 体管视为一个二端口网络，通过其二端口参数描述晶体管

8、的外部特征，从而建立一种新 的模型，该模型不关心晶体管 内部结构，仅研究其对外作用 和特征。,写成矩阵形式：,内参数：短路导纳参数，是晶体管固有参数 外参数：构成放大器后，是包含外电路的放大器参数,Y参数等效电路形式适用于所有二端口网络，不涉及电 路物理结构和工作过程。 三极管等效电路中的Y参数本身是三极管内参数，其值由物理结构和工作过程决定。但表征三极管固有的对外作用。,三、 混合等效电路与Y参数等效电路的转换,混合等效电路虽然能较准确 反映晶体管的物理特性和过程，但 形式过于复杂，分析使用不便。 为了简单方便， 小信号分析 仍然以Y 参数等效电路为基础，所 以首先要将物理结构与Y 参数联系

9、 起来，建立两种等效电路间的转换 关系。,P97,四、晶体管高频频率参数,下降至=0.707 0时， 对应的f值称为共射 截止频率f。,1、f 共射截止频率,可用于估算f频率下的|,2、fT 特征频率,f,f上升至=1时，对应的f值称为特征频率fT 。,功率增益Gp=1时的工作频率。,3、fmax 最高振荡频率,例：已知：电视高放管 fT=600MHz,o=60 求：f 为1M，60M，200MHz时的|,（1）f=fT/o=600M/60=10MHz （2）f =1Mf,则|=fT/f工作=10 f =200Mf,则|=fT/f工作=3,fmaxfT f,此时三极管无任何放大作用。,4.3

10、单调谐回路谐振放大器,一、单级单调谐回路共射极谐振放大器,电路：,其中的第二级是一个共射放大电路，以C1为起点， C2为 终点，包括元件：T2、R1、R2、R3、C3、CF、LF、 C4、L,共射放大电路,并联谐振回路,特别要注意信号地的位置,（1）画出交流信号通路，并进一步得到高频小信号等效电路,一般有：（1）偏置电阻远大于晶体管输入阻抗；,（2）后级输入阻抗为前级负载阻抗；,（3）前级输出阻抗为后级信号源内阻抗；,同时，,所以，,代入,若反向传输导纳yre很小，则yre=0,1、输入导纳：,2、三极管负载的计算 ,两次抽头折合：,后级输入导纳yie2向谐振回路总导纳的折合；,谐振回路总导纳

11、YL向集电极负载导纳YL的折合；,当 f = f0 时，,输入输出相位差：,谐振增益,低频工作时，为1800,紧耦合L2视为抽头,其中：,所以，Av是工作频率 f 的函数,2)功率增益（谐振）,时，满足最大功率 传输条件。,所得最大功率增益为：,3）通频带,1,K=,当G0不能忽略时：,谐振曲线：,由3dB带宽定义,接入系数和yfe选定后,带宽、回路电容和增益乘积为常数； 希望高增益同时带宽足够，则选用高yfe管，同时降低回路总电容； 回路总电容降低会破坏谐振曲线稳定性。,4）选择性,二、多级单调谐放大电路,1、增益：,若各级相同，则,谐振曲线为：,m越大，曲线越陡峭,增益变？,2、通频带：,

12、另一种做法？,解得：,3、矩形系数,通频带变？,矩形系数变？,课堂练习：,画出下图直、交流通路和Y参数等效电路。 （次级负载包括V2在内，用YL表示）,4.4 谐振放大器的稳定性,一、稳定性问题存在的主要原因及稳定条件,1、稳定性问题存在的主要原因：,1) yre反馈作用,实际的yre不为0，故而：,YF= gF + jbF,gF 反馈电导 bF 反馈电纳,f 的函数,gF 反馈电导可能为负值,YF,yre,gF 反馈电导改变回路品质因数QL,bF 反馈电纳改变回路谐振频率，引起失谐,gF bF,QL,失谐,谐振 曲线 畸变,特别关注： gF0,gF +gie +gs=0,自激或者,潜在不稳定

13、,2）,3）危害,反馈能量 = 损耗能量,2、稳定条件,1）自激条件：,反馈能量补偿了损耗能量，且谐振,自激!,2）稳定条件,（1）输入回路部分,以指数函数形式表示：,（2）输出回路部分,自激条件中：,其中：,（3）,，则,由：,得：,j,自激条件：,S1，可稳定工作；S=510,放大器的稳定与增益的提高是相互矛盾的,（4）稳定系数S,|yre|足够大 S=1 自激,电压增益，稳定电压增益,是保持放大器稳定工作所允许的电压增益， 为保证不自激，电压增益不允许超过此值,（Av0）s,二、提高放大器稳定性的措施单向化,1、中和法（ ）,晶体管的输入输出级之间加入外部中和电路， 反馈电流相差180O

14、抵消反馈作用：,使两个,由于频率的影响和器件参数的离散性，中和法不适合 大量生产。,2、失配法（加大GL和gs使输入输出回路与晶体管失去匹配）,提高YL,使,从而可以忽略yre对输入回路的反馈作用,增益会随之下降,牺牲增益换取稳定性,稳定性好，适合批量生产,3、选择高质量器件：选择yre 或者 Cbc参数小的晶体管,一、 概述,电子设备性能很大程度上受干扰与噪声影响。,干扰：来自设备外部,噪声：来自设备内部,自然：天电、宇宙、大地,人为：工业、电台,自然：热噪声、散粒噪声、闪烁噪声,人为：交流哼声、感应噪声、 接触不良噪声,4.5 谐振放大器噪声,二、内部噪声的特点和来源,1、内部噪声的产生原

15、因和特点,1）产生原因： 电阻、谐振电路、晶体管内部带电微粒无规则运动,2）特点： 由于微粒做无规则运动，具有起伏性，是随机过程。,3）研究方法： 随机过程无法用确定时间函数描述，只能利用概率和数理 统计方法来研究。,4）计量参数： 起伏噪声电压平均值,T 必须足够长,代表一个直流分量，噪声在此分量上起伏,起伏噪声电压方均值,瞬间起伏强度，均值为0；平方后,取均值，就可以代表起伏强度，称为方均值（方差）。,当只研究起伏强度时，不考虑直流分量（均值），此时：,平均值为0，方均值为:,而方均根值,频域中：噪声电压的频率特性用功率频谱（振幅频谱平方）来表示。单个脉冲和总的功率谱都是均匀分布的。,噪声

16、功率谱,均方值：,表示平均功率,所以：,时域中：单脉冲电压叠加构成总噪声电压，但由于相位关系不确定不能直接相加，因而总电压振幅频谱无法确定。,噪声频谱以功率谱描述，在极宽的频带内有均匀分布的功率 谱密度，但在实际电路中，,该频谱密度仅仅存在于通频带中。,5）白噪声：起伏噪声别称,类似于白光功率谱在可见光频段内均匀分布,实际上，仅在某一频段中保持常数,2、电阻热噪声,带电粒子热运动,起伏电流,起伏噪声电压,瞬时,流过R,对于并联谐振回路,k-波尔兹曼常数； T-热力学温度； fn -电路等效噪声带宽,关于电阻热噪声：,1 ）电阻热噪声只来自电阻，并与其大小有关系 2 ）纯电抗没有此类噪声 3 ）

17、与外加电压产生直流电流无关 4 ）普通电阻器可视作噪声电压（流）源和无噪声电阻串（并）联,5 ）多阻串联，总噪声电压方均值等于各电阻电压方均值之和； 多阻并联，总噪声电流方均值等于各电阻电流方均值之和。,3、天线热噪声,，由于热运动,天线周围带电粒子在天线上产生热噪声，电压方均值为：,实际上，TA与介质温度、密度和天线方向性有关,天线噪声还包括：太阳、月球、银河系辐射,热噪声（基区体电阻）,散粒噪声（发射极）,分配噪声（集电极）,1）晶体管噪声等效电路,2）晶体管噪声与频率关系,4、晶体管噪声,晶体管噪声,3）分类及特点,三、 放大器噪声指标和计算方法,1、等效噪声带宽,白噪声通过图示频率特性的四端网络后， 输出成为有色噪声,，输出噪声均方值：,平均功率在几何上等于f 轴与 之间的面积,1,平均功率在几何上等于f 轴与 之间的面积,则：,2、噪声系数,1）信噪比：特定电路位置上信号与噪声功率之比，记作：,2）噪声系数：,其分贝表示为：,理想放大器：Fn=1 即Fn (dB) =0,实际放大器：,该值越小，放大器噪声性能越好。,输入端信噪比 输出端信噪比,3、噪声温度,放大器本身产