第3章高频小信号放大器.ppt

1、第3章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号放大器概述 3.2 晶体管高频小信号等效电路 3.3 晶体管单调谐放大器 3.4 多级单调谐放大器 3.5 双调谐放大器,3.1 高频小信号放大器概述,3.1.1 高频小信号谐振放大器的功能 高频小信号谐振放大器的作用就是放大各种无线电设备中的高频小信号，同时具有选频功能。 3.1.2高频小信号谐振放大器分类 按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器,3.1.3高频小信号谐振放大器技术指标,1、中心频率f0,2、增益：表示对有用信号的放大能力。分为电压增益和 功率增益,3、通频带：,3、选择性：1）矩形系数；2）抑制比。,1）矩形系数,2）抑制比,4、工作稳

2、定性：指当放大电路的工作状态，元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要性能的稳定程度。,5、噪声系数：,一线性四端网络, 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i与输出端的信号噪声功率比(S/N)o的比值, 即,图中, AP为功率放大倍数。 用Na表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出, 考虑到AP=o/Si),可表示为,3.2.1 三极管混合参数型等效电路,1.完整的混合型模型,图3 5 三极管的混合型等效电路,晶体管回顾,1） 共射截止频率f,2.高频晶体管频率参数,将 值下降到0的0.707倍时的频率f定义为的截止频率。按公式(3 - 4)也可计算出, 当f=f时,2）

3、特征频率fT 特征频率fT定义为|(j)|下降到1所对应的频率，如图所示。当f= fT时:,通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管，将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管，将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。,3） 共基极电流放大系数的截止频率f,定义当 下降为中频0的0.707倍时的频率f为的截止频率。,4）晶体管最高振荡频率fmax,晶体管的功率增益Ap=1时的工作频率称为最高振荡频率fmax 。,3.2.2 形式等效电路（Y参数等效）,晶体管共发射极Y参数等效,由图可以得到晶体管Y参数等效电路的Y参数方程,可以按照Y参数的定义直接从混电路中求出每个

4、导纳参数。,Y参数方程为：,1.Y参数和混和参数的关系,输出短路时的输入导纳：,输入短路时的输出导纳：,输出短路时的正向传输导纳：,输入短路时的反向传输导纳：,可以看出，这四个参数都是复数。,3.3 单调谐回路谐振放大电路,1.电压增益,由于fe是复数, 有一个相角fe, 所以一般来说, 放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差。 另外, 由上述公式可知, 电压增益振幅与晶体管参数、 负载电导、回路谐振电导和接入系数有关： (1) 为了增大u0, 应选取|yfe|大, oe小的晶体管。 (2) 为了增大u0, 要求负载电导小, 如果负载是下一级放大器, 则要求其ie小。 (3) 回路谐振

5、电导e0越小, u0越大。而e0取决于回路空载值0, 与0成反比。 ,(4) u0与接入系数p1、p2有关, 但不是单调递增或单调递减关系。由于p1和p2还会影响回路有载值e, 而e又将影响通频带,所以p1与p2的选择应全面考虑, 选取最佳值。实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下, 尽可能提高电压增益。 在单管单调谐放大器中, 选频功能由单个并联谐振回路完成, 所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同, 其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响, 比单个并联谐振回路加宽, 因为有载Q值小于空载Q值。,2.最佳增益,为了获得最大的功率增益，应适当的选取p1与p

6、2的值，使负载导纳YL与晶体管的输出导纳相匹配。,通常，gp很小,3.功率增益Ap,最大功率增益,考虑回路本身的空载损耗gp，修正最大功率增益,返回,4.放大器的通频带,放大倍数和通频带相互制约,返回,5.放大器的选择性,单调谐回路： 优点：电路简单 缺点：选择性差,例3.1 已知工作频率0MHz, cc, e mA。晶体管采用型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：gie=12mS,Cie=12pF；goe=400S,Coe=95pF；|yfe|=583mS, fe=-22；|yre|=310S, re=-88.8,回路电感H, 接入系数p1, p20.3, 0。负载是另一级相

7、同的放大器。 求谐振电压增益振幅u0和通频带0.7，并求回路电容是多少时, 才能使回路谐振？,所以 g,=gp+p21goe+p22gie =3.8410-5+40010-6+0.321210-3 =0.5510-3S,从而,因为,又,所以,可得,3.4多级单调谐回路谐振放大器,1.增益 若放大器有m级，增益分别为Au1，Au2，Aum,2.通频带,返回,3.选择性,级数越多，矩形系数越小，选择性变好，但频带变窄。反应了 放大倍数和频带之间的矛盾。,3.5 谐振放大器的稳定性与稳定措施,3.5.1 谐振放大器的稳定性,3.5.2 单向化,3.5.1 谐振放大器的稳定性,以上分析时，假定yre0

8、，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈yre的影响。,1. 放大器的输入导纳和输出导纳,引用4.2 结果，可知,如果放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的输出谐振回路)，那么输入导纳Yi并联在放大器输入端回路后(假定耦合方式是全部接入)，,2. 自激振荡的产生 (以输入导纳的影响为例),图3.5.1 放大器等效输入端回路,实际电路中，,3.5.1 谐振放大器的稳定性,所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。,此时，如果g= gs+ gie + gF

9、 0，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,（自激振荡）,3.5.1 谐振放大器的稳定性,如果反馈电导为负值，那么g= gs+gie1+gF= 0 可能存在，即发生自激振荡现象。,3.自激产生的原因(以输入导纳的影响为例),图3.5.2 反馈电导随频率变化 的关系曲线,此时，如果g= gs+ gie + gF 0，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,3.5.1 谐振放大器的稳定性,为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等幅自

10、激振荡的条件。,4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),回路谐振时，g= gs+ gie + gF = 0,= 0,分解为幅值和相位两个条件,3.5.1 谐振放大器的稳定性,不发生自激的条件，,3.5.1 谐振放大器的稳定性,回路谐振时，g= gs+ gie + gF = 0,回路谐振时，g= gs+ gie + gF 0,4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),稳定系数,如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果S 1，放大器不会产生自激。 S越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,3.5.1 谐振放大器的稳定性,4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),5. 稳定性分析

11、,假设放大器输入与输出回路相同，,(包括谐振回路),3.5.1 谐振放大器的稳定性,3.5.1 谐振放大器的稳定性,4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),假定,3.5.1 谐振放大器的稳定性,4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),返回,稳定系数,如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果S 1，放大器不会产生自激。 S越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,3.5.1 谐振放大器的稳定性,4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例),5. 稳定性分析,3.5.1 谐振放大器的稳定性,5. 稳定性分析,考虑到全部接入，即p1= p2=1,End,3.5.1 谐振放大器的稳定性

12、,返回,6 谐振放大器的稳定性 共射电路由于电压增益和电流增益都较大, 所以是谐振放大器的常用形式。 以上我们在讨论谐振放大器时, 都假定了反向传输导纳re, 即晶体管单向工作, 输入电压可以控制输出电流, 而输出电压不影响输入。实际上re0, 即输出电压可以反馈到输入端, 引起输入电流的变化, 从而可能引起放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大, 且在相位上满足正反馈条件, 则会出现自激振荡。 为了提高放大器的稳定性, 通常从两个方面着手。一是从晶体管本身想办法, 减小其反向传输导纳re值。,re的大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc（由混合型等效电路图可知, bc跨接在输入、 输出端之间

13、）, 所以制作晶体管时应尽量使其bc减小, 使反馈容抗增大, 反馈作用减弱。二是从电路上设法消除晶体管的反向作用, 使它单向化。 具体方法有中和法与失配法。 中和法是在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路（中和电路）, 以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。由于re的实部（反馈电导）通常很小, 可以忽略, 所以常常只用一个电容N来抵消yre的虚部（反馈电容）的影响, 就可达到中和的目的。,为了使通过N的外部电流和通过bc的内部反馈电流相位相差,从而能互相抵消, 通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器。图233（）所示为收音机常用的中和电路, （）是其交流等效电路。 为了直观,

14、 将晶体管内部电容bc画在了晶体管外部。,由于re是随频率而变化的, 所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用, 对其它频率只能有部分中和作用, 又因为re是一个复数, 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路, 但这给调试增加了困难。另外, 如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响, 中和电路的效果很有限。 失配法通过增大负载电导L, 进而增大总回路电导, 使输出电路严重失配, 输出电压相应减小, 从而反馈到输入端的电流减小, 对输入端的影响也就减小。可见, 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。 ,用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。 图

15、2.3.4是其结构原理图。 由于共基电路的输入导纳较大, 当它和输出导纳较小的共射电路连接时, 相当于使共射电路的负载导纳增大而失配, 从而使共射晶体管内部反馈减弱, 稳定性大大提高。,3.6 双调谐放大器性能参数,图 3-4 双调谐放大器原理图,忽略基极偏置电阻和晶体管的Yre，画出图3-5的高频等效电路,图3-5 双调谐放大器等效电路,设电路工作在最佳全谐振状态，初级与次级参数完全相同，即：,（1）谐振频率,（2）每个回路的固有品质因数,（3-17）,（3-18）,g,（3）电压增益 并联型互感耦合回路,在谐振时，,双调谐回路放大器的电压增益也与晶体管的正向传输导纳|yre|成正比，与回路

16、的电导G成反比。同时与耦合因数有关。根据的不同分为三种情况。,返回,图2-14 次级回路频率响应曲线, 过耦合（强耦合）。, 欠耦合 （弱耦合）。, 临界耦合 。,（4）频带宽度和选择性： 双调谐放大器的频带宽度和选择性就是耦合谐振回路的同样的结果，即：,返回,2.多级双调谐放大器 设多级双调谐放大器每级具有相同的频率特性, 谐振频率均为信号的中心频率。则：,（1）多级双调谐放大器的增益 在临界耦合时,（2）多级双调谐放大器的频带宽度,（3）多级双调谐放大器的选择性,可以看出，与单级单调谐放大器比较，多级放大器的带宽具有一个衰减因子，因此多级放大器的带宽比单级的要窄，而矩形系数要比单级小，即多

17、级放大器的选择性要比单级好。而且从表3-1和3-2分析可知道，多级双调谐放大器的带宽随级数衰减要比单调谐慢，而选择性改善要比单调谐要好的多。,表3-1 多级单调谐放大器的带宽和矩形系数,表3-2 多级双调谐放大器的带宽和矩形系数,2.8 工作频率f0=10.7MHz，调谐回路中频变压器L1-3=4H，Q0=100，其抽头为N1-3=20圈，N2-3=5圈， N4-5=5圈。晶体管3DG39，在Uce=8V，Ie=200mA和工作频率上测得： gie=286SCie=18pF gce=200SCoe=7pF |Yfe|=45msfe=-54。 |Yre|=0.31mS re=-88.6。 计算电压增益Auo、通频带B、功率增益、插入损耗和稳定系数S。,插入损耗：,通频带,稳定系数：,2.4 设有一级单调谐中频放大器，其增益Auo=10，通频带B=4MHz，如果用一级完全相同的中频放大器与之级联，这时两级中放的总增益和通频带为多少？若要求级联后的总通频带为4MHz，问每级放大器应该怎样改动？改动后的总增益为多少？,多级单调谐,答：,增益与带宽,用晶体管CG30做一个30MHz中频放大器，当工作电压VCE=8V， IE=2mA时，其Y参数是： Yie=(2.86+j3.4)m