高频小信号放大电路分析.ppt

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1、Charpter3 高频小信号放大器,3.1 概述 3.2 晶体管高频小信号等效电路与参数 3.3 单调谐回路谐振放大器 3.4 双调谐回路谐振放大器 3.5 谐振放大器的稳定性 3.6 调谐放大器的常用电路与集成电路 谐振放大器,3.1 概述,1、高频小信号放大器的特点 频率较高 中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几kHz到几十MHz 小信号 信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器),2、高频小信号放大器的分类 按所用的器件： 晶体管（BJT)、场效应管（FET)、集成电路（IC) 按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器 按电路形式：单级放大器和级联放大器 按负载性质：谐振放大器和非

2、谐振放大器 谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。非谐振放大器由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。,1)增益：（放大系数）,电压增益： 功率增益：,分贝表示：,2)通频带： 放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用B=2f 0.7表示。 2f 0.7也称为3分贝带宽。,3、高频小信号放大器的质量指标,0.5,为什么要求通频带？ 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谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号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

3、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。并且通频带愈宽，放大器增益愈小。,3)选择性 从各种不同频率的信号的总和（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。为了表示实际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。,2f 0.1, 2f 0.01分别为放大倍数下降至0.1和0.01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。,An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。 例 Av0

4、 = 100 An = 1 用分贝表示dn(dB) = 20 lgdn,5)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。故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。,4)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。 为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，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等。,3. 2 晶体管高频小信号等效电路与参数,3.2.1 形式等效电

5、路（网络参数等效电路）,将晶体管看成四端网路,式中：,Y参数等效电路,把晶体管内部的物理过程用集中器件RLC表示。用这 种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是混合参 数等效电路。,3.2.2 混合参数等效电路 (物理模拟等效电路),rbc与Cbc引起的容抗相比rbc可视为开路。 rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可以忽略（视为开路） rce与回路负载比较，可视为开路。,混合等效电路中，电容，电阻并联，在一定的频率下：,3.2.3 混合等效电路的简化,简化后的等效电路如图： 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。 频率低时可忽略电容的作用。,(

6、一) 令V2 = 0，求yie、yfe。 简化混合等效电路，如图所示。 (1),3.2.4 Y参数等效电路与混合等效电路参数的转换,(2),V1小引起I小,又,(二) 令 ，求yre、yoe (3),故(1)、(2)、(3)、(4)中的Ybe可认为相同。,(4),正向传输导纳,输入导纳,反向传输导纳,输出导纳,Y参数等效电路与混合等效电路参数的转换式,晶体管的高频参数,1）截止频率,由于0比1大的多,在频率为f时,|虽然下降到原来的0.707 但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。,2）特征频率,当频率增高，使|下降到1时的频率。,电流放大系数与f 的关系：,故可以粗略计算在某工作

7、频率下的电流放大系数。,3）最高振荡频率fmax,fmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当ffmax时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,晶体管的功率增益 时的工作频率,可以证明:,R1、R2、R3为偏置电阻，决定工作点， LF、CF为滤波电路，负压供电 C4、L组成L、C谐振回路 R4是加宽回路通频带用 Rp是并联回路本身的损耗,所谓单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联回路的组合。所以前面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用。,3.3 晶体管谐振放大器,3.3.1单级单调谐回路谐振放大器,(3) = (2),(4) 代入

8、(1),(4),放大器的输入导纳:,放大器的质量指标,1）电压指标,根据电压变比关系：,所以：,由于：,所以：,电压增益的相关结论,因为有载,，所以QL不能太低，否则增益AV较低。,单调谐回路放大器 谐振电压增益,2）功率增益,放大器的输入功率,谐振时,：,P,i,o,0,P,(,：,）；,i,o,P,P,P,A,=,3）放大器的通频带,当 和 为定值时（电路定了，其值也定了，带宽增益乘积为常数）决定于 与 ，因此选择管子时应选取 大的，应减少 ，但 也不能取的太小，因为不稳定的电容的影响大。,设 P1、P2 =1,带宽增益乘积为一常数,3、 对于宽带而言，要使 尽量大，因为频带很宽，谐振曲线

9、不稳定是次要的，对于窄带放大器， 尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。,2 、为了获得高增益，宽频带，除了选用 较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容 ，但是这样会导致系统的稳定性变差。,1、当 确定，p1和p2不变时， 只取决于 和 的乘积，电容越大，通频带越宽， 变小。,讨论：,4）单调谐放大器的选择性,所以单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。,4、多级单调谐回路谐振放大器,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。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。,1）增益,2）通频带,如果多级

10、放大器是由完全相同的单级放大器组成， 则 Am=,根据通频带的定义可以求m级放大器的通频带,上面的分析表明: 为了使总的通频带不变,每级的带宽都要增加为原来的X倍。 当每级通频带加宽X倍时,每级的增益都会降低为原来的1/X。,3）选择性(以矩形系数为例),结论:单调谐回路特点是电路简单,调试容易,但选择性差,增益和通频带的矛盾比较突出。,例3-1在图中，设工作频率f =30MHz，晶体管的正向传输导纳 y fe =58.3ms， gie=1.2ms,Cie=12PF, goe=400 s, Coe=9.5pF，回路电感L=1.4 H，接入系数P1=1，P2=0.3空载品质因数Q0=100（假设

11、yre=0） 求：1.单级放大器谐振时的电压增益,通频带2 f 0.7， 谐振时回路外接电容C 若R4=10 k，试计算并比较在回路中并上R4前后的通频带和增益。,分析：根据电压增益表达式 ，应先求出总电导g 首先将图中的负载画出其等效电路如图所示，,解：因为回路谐振电阻RP=QP0L=1006.28301061.410-626k,因此回路总电导g=Gp+,若下级采用相同晶体管时，即gie1=gie2=1.2ms 则,=0.038410-3+0.410-3+(0.3)21.210-3=0.5510-3S, 回路总电容为,故外加电容C应为,通频带为,电压增益为, 若R4=10k，则,因此并上电阻

12、R4后增益降低，带宽加宽。,故,而,则,3.4.1 自激产生的原因,gF改变了回路的QL值, bF引起回路失谐。,3. 4 谐振放大器的稳定性,gF是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，使回路的总电导减小，QL增加，通频带减小，增益也因损耗的减少而增加，即负电导gF供给回路能量，出现正反馈。当gF = gs + gie（回路原有电导）则回路总电导g = 0，QL ，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。,系统变得稳定。,变大,远离1，,，反馈变弱，等式左边,变的不稳定。,变小,接近于1，,，反馈变强，等式左边,y,讨论：,re,小,大,re,y,当Ys + Yi = 0 回路

13、总电导g = 0 放大器产生自激。 此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回路损耗的能量，且电纳部分也恰好得到抵消。,3.4.2 放大器产生自激的条件,因为讨论的是小信号，略去直流参数元件即可用Y参数等效电路模拟。 数学分析： YL代表由集电极C向右看的回路导纳,等效电路分析,还可推导稳定系数,3.4.3 Avo与S的关系,令接入系数P1=P2= 1,则,讨论： (Avo)s与f有关，f(Avo)s，f yre内反馈厉害。 选管应选 大些的为好 (Avo)s只考虑内部反馈，未考虑外部反馈。,当S = 5时，,(Avo)s是保持放大器稳定工作所允许

14、的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作，Avo不允许超过(Avo)s。,由于yre的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。 单向化的方法有： 中和法 消除yre的反馈 失配法 使GL或gs的数值增大，因而使输入或输出回路与晶体管失去匹配。 中和法: 外加一个电容抵消正反馈电容的作用. 失配法：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配； 晶体管输出端负载不与晶体管的输出阻抗匹配。 即以牺牲电压增益来换取放大器的稳定性,3.4.4 克服自激的方法,电桥平衡时，CD两端的回路电压 不会反映到AB两端, 即对应两边阻抗之比相等。,(1) 中和法： 在放大器线路中插

15、入一个外加的反馈电路，使它的作用 恰好和晶体管的内反馈互相抵消。 具体线路：,使Yi = yie，即使后项0，则必须加大YL,晶体管实现单向比，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发一共基级联放大。,则,信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配，晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。 原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。使增益下降，提高稳定性。,(2) 失配法,复合管y参数公式：,3. 中和法与失配法比较 中和法： 优点：简单，增益高 缺点： 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。 采用中和对放大器由于温度

16、等原因引起各种参数变化没有改善效果。 失配法： 优点： 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。 缺点：增益低。,下图表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中频放大器电路。,4. 谐振放大器电路举例,优点 : 1) 将选择性回路集中在一起，有利于微型化。例如，采用石英晶体滤波器和线性集成电路放大器后，体积能够做得很小。 2) 稳定性好，集中滤波器仅接在放大器的某一级，因此晶体管的影响很小，提高了放大器的稳定性。 3) 通常将集中滤波器接在放大器组的低信号电平处（例如，在接收机的混频和中放之间）。这样可使噪声和干扰首先受到大

17、幅度的衰减，提高信号噪声比。 4) 便于大量生产。集中滤波器作为一个整体，可单独进行生产和调试，大大缩短了整机生产周期。,3.5 非调谐式放大器与集成电路放大器,3.5.1 非调谐回路式放大器,器件MC1590具有工作频率高，不易自激的特点，并带有自动增益控制的功能。其内部结构为一个双端输入、双端输出的全差动式电路。,器件的输入和输出各有一个单谐振回路。输入信号Vi通过隔直流电容C4加到输入端的引脚“1”，另一输入端的引脚“3”通过电容C3交流接地，输出端之一的引脚“6”连接电源正端，并通过电容C5交流接地，故电路是单端输入、单端输出。由L3和C6构成去耦滤波器，减小输出级信号通过供电电源对输

18、入级的寄生反馈。,3.5.2 集成电路谐振放大器 1.由MC1590构成的选频放大器：,MC1110集成块是一种适合于放大频率高达100MHz信号的射极耦合放大电路，其内部电路及由它制成的100MHz调谐放大器的实用电路如图所示。 片内电路如虚线框内所示，两只晶体管VT1和VT2组成共集一共基组合放大电路，使电路的上限截止频率得以提高，且输入、输出阻抗均较高，故对外接调谐回路的影响减小。,2. MC1110制成的100MHz调谐放大电路,片内电容C约30pF，跨接在VT1的集电极与VT2的基极之间，对于100MHz以上的工作频率，C的容抗较小，以构成这两极间的高频短路，使VT1的集电极在管内经

19、C至VT2的基极，形成良好的高频接地，实现共集共基（CCCB）放大对。 由C1、C2、L1构成的回路调谐于信号频率，为了减弱信号源对回路的影响，信号是部分接入的。 L2、C3、C4组成并联谐振回路，RL是负载，阻值较小，也是部分接入回路的。,ULN2204是单片调频调幅收音机集成块，其内部包含中频放大器、调幅检波器、调幅混频器、调频鉴频器、AGC、AFC及音频功率放大器等电路。下图表示其中的中频放大器。,3. ULN2204集成电路中的放大器,本 章 小 结,一、高频小信号放大器是通常分为谐振放大器和非谐振放大器，谐振放大器的负载为串、并联谐振回路或耦合回路。 二、小信号谐振放大器的选频性能可

20、由通频带和选择性两个质量指标来衡量。用矩形系数可以衡量实际幅频特性接近理想幅频特性的程度，矩形系数越接近于1，则谐振放大器的选择性愈好。,三、高频小信号放大器由于信号小，可以认为它工作在管子的线性范围内，常采用有源线性四端网络进行分析。Y参数等效电路和混合等效电路是描述晶体管工作的重要模型。 Y参数与混合参数有对应关系，Y参数不仅与静态工作点有关，而且是工作频率的函数。 四、单级单调谐放大器是小信号放大器的基本电路，其电压增益主要决定于管子的参数、信号源和负载，为了提高电压增益，谐振回路与信号源和负载的连接常采用部分接入方式。,五、由于晶体管内部存在反向传输导纳Yre，使晶体管成为双向器件，在

21、一定频率下使回路的总电导为零，这时放大器会产生自激。 为了克服自激常采用“中和法”和“失配法”使晶体管单向化。保持放大器稳定工作所允许的电压增益称为稳定电压增益，用(Avo)s表示，(Avo)s只考虑了内部反馈，未考虑外部其他原因引起的反馈。 六、非调谐式放大器由各种滤波器和线性放大器组成，它的选择性主要决定于滤波器，这类放大器的稳定性较好。,七、集成电路谐振放大器体积小、工作稳定可靠、调整方便，其有通用集成电路放大器和专用集成电路放大器，也可和其它功能电路集成在一起。,3-1 一单调谐回路放大器如图， 已知：N12=5匝，N23=5匝，N45=5匝，晶体管的 =40mS，回路通频带为12kH

22、z，,1) 画出高频交流等效电路，并计算Av0； 2) 若不并联R4，求Avo， ，并说明R4的作用； 3) 不采用R4，若采用中和法使其稳定工作，问中和电容应如何接入？,接入系数,求：,(2) 不并联R4，则,并联R4后，使损耗增大， 值降低，通频带加宽，放大器增益降低，但可使放大器工作稳定性提高。,(3) 假设中和电容为CN，应如图所示接入电路。,某单调谐放大器交流等效电路如图所示， 工作频率为2MHz，回路电感L=200H， 晶体管的正向传输导纳 ，反向传输导纳 ， 取稳定系数 S=5，接入系数 ， 求：1）A点的谐振电压放大倍数 2）B点的谐振电压放大倍数 3）回路的有载QL=？ 4）回路的通频带 =？,课堂练习,3-2 某单调谐放大器如图所示，工作频率为2MHz，回路电感L=200H， 晶体管的正向传输导纳 ，反向传输导纳 ， 取稳定系数 S=5，接入系数 ， 求：1）A点的谐振电压放大倍数 2）B点的谐振电压放大倍数 3）回路的有载QL=？ 4）回路的通频带 =？,1) 因为式 即是指A点稳定的谐振增益， 而反向传输导纳 ，所以 2) B点稳定的谐振电压增益应将A点增益折合到回路端点，再折合到B点，,3) 回路的有载 此时的 应由稳定电压增益求得 即,4) 回路的通频带,