高频小信号放大器.doc

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1、第3章 高频小信号放大器第3章 高频小信号放大器3.1 概述 高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。前者对中心频率在几百千赫到几百兆赫, 频谱宽度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进行不失真的放大, 故不但需要有一定的电压增益, 而且需要有选频能力。后者对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大, 故要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流), 上限截止频率很高。 窄频带放大电路由双极型晶体管(以下简称晶体管)、场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益, LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。它有两种主要类型：以分

2、立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好, 而且在电路结构上采取了一些改进措施。 高频小信号放大电路是线性放大电路。Y参数等效电路和混合型等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具。3.2 晶体管高频小信号等效电路与参数3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析, 一是混合型等效电路，一是参数等效电路。 前者是从模拟晶体管的物理结构出发, 用集中参数元件、和受控源来表示管内的复杂关系。优点是各元件参数物理意义明确, 在较

3、宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随器件不同而有不少差别, 分析和测量不方便。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。 图3.2.1 晶体管共发射极电路短路导纳参数表示晶体管在输入端或输出端短路时的参数。只和晶体管的特性有关，与外电路无关，所以叫内参数。图322晶体管y参数等效电路3.2.2 混合等效电路 图中各元件名称及典型值范围如下： bb： 基区体电阻, 约。 be： 发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻, 约几十欧到几千欧。 bc：集电结电阻, 约kM。 ce：集电极发射极电阻, 几十千欧以上。 Cbe：发射结电容, 约 皮法到几百皮法。Cbc：集电结电容, 约几个

4、皮法。m：晶体管跨导, 几十毫西门子以下。rbe=(1+0)reCbe+Cbc =3.2.3 混合等效电路参数与形式等效电路y参数的转换3.2.4 晶体管的高频参数1)截止频率f图3.2.4 截止频率和特征频率2)特征频率fT3)最高振荡频率fmax当ffmax时，无论用什么办法都不能使晶体管产生振荡。3.3 单调谐回路谐振放大器(a)原理性电路图3.3.1单调谐回路谐振放大器的原理图与等效电路(b)等效电路图3.3.1单调谐回路谐振放大器的原理图与等效电路求输出导纳时,将电流源开路,电压源短路,从图中可得:3.3-1电压增益图3.3.2折合到LC回路的等效电路谐振时匹配时Gp很小3.3.2

5、功率增益ApP0是输出端负载gi2的功率，Pi是放大器的输入功率。3.3.5调谐时的简化电路两个晶体管相同时,如果回路本身损耗Gp与p12goe相比可以忽略，则匹配条件为：p12go1 =p22gi23.3.3 通频带与选择性电压增益还可用通频带表示:单调谐放大器的选择性。放大器的选择性是用矩形系数来表示的。例31 在图中, 已知工作频率MHz, 晶体管采用型高频管。CE, E mA时，其参数数值如下： gie=1.2mS,Cie=12pF；goe=400S,Coe=9.5pF；|yfe|=58.3mS, fe=-22；|yre|=310S, re=-88.8,回路电感.H, 接入系数p1,

6、p2., 0。 负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增益振幅v0和通频带2f07，并求回路电容是多少时, 才能使回路谐振？解：所以Gp/ =GP+p21goe+p22gie2=3.8410-5+40010-6+0.321210-3=0.5510-3S从而 Au0=例3-2 某单调谐回路谐振放大器如图所示，其晶体管T1、T2的Y参数为： yie=(1.2+j4.3)ms, yre=(-0.15-j0.05)ms, yfe=(44-j22)ms, yoe=(0.4+j0.8)ms。中频变压器的线圈匝数为：N12=5匝，N23=2匝，N45=3匝。外接电容为C=18pF,中心频率f0=34.75M

7、HZ,Q0=60。若要使通频带宽度2f0.7=6.5MHZ,试问需要外接多大的并联电阻R？计算第一级电路的谐振电压增益AV0。从对单管单调谐放大器的分析可知, 其电压增益取决于晶体管参数、 回路与负载特性及接入系数等, 所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益, 可采用多级放大器。 3.4 多级单调谐回路放大器如果要增大放大器的增益，则可以采用多级单调谐回路放大器。如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上, 则称为多级单调谐放大器。设放大器有m级, 各级电压增益振幅分别为u1, u2, , um, 则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即 mv1v2vm=Av1m(2f 0.7)m

8、=如果要保持通频带不变，则每级放大器的通频带都要增大x1倍。但是通频带增加x1倍后，其每级放大倍数却下降为原来的1/x1。3.5 双调谐回路谐振放大器改善放大器选择性和解决放大器的增益和通频带的矛盾的有效方法之一为采用双调谐回路谐振放大器。3.5-1 单级双调谐回路谐振放大器单级双调谐回路谐振放大器如图3.5.1所示。图3.5.1单级双调谐回路谐振放大器图3.5.2单级双调谐回路谐振放大器等效电路图3.5.3单级双调谐回路谐振放大器等效电路设单级双调谐回路谐振放大器中的两个回路的参数相同，L1=L2=L，C1+p12Coe C2+p22Cie=C，p12goe p22gie=g，1=2=0=

9、则:1) 电压增益2)通频带3)矩形系数3.5-2 多级双调谐回路谐振放大器题2-133.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施3.6.1 谐振放大器的稳定性以上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

10、效电路图可知, bc跨接在输入、 输出端之间）, 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y re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3.6.1（）所示为收音机

11、常用的中和电路, （）是其交流等效电路。为了直观, 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

12、方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。 图3.6.2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。 3.9 放大器中的噪声人们收听广播时, 常常会听到“沙沙”声； 观看电视时, 常常会看到“雪花”似的背景或波纹线, 这些都是接收机中的放大器和其它元器件存在噪声的结果。 噪声对有用信号的接收产生了干扰, 特别是当有用信号较弱时, 噪声的影响就更为突出, 严重时会使有用信号淹没在噪声之中而无法接收。噪声的种类很多。 有的是从器件外部窜扰进来的, 称为外部噪声；有的是

13、器件内部产生的, 称为内部噪声。只介绍内部噪声。内部噪声分为自然噪声和人为噪声，自然噪声有电阻热噪声、 散粒噪声和闪烁噪声三种。人为噪声有交流哼声、感应噪声和接触不良噪声等。 3.9.1电阻热噪声电阻热噪声是由于电阻内部自由电子的热运动产生的。 在运动中自由电子经常相互碰撞, 因而其运动速度的大小和方向都是不规则的。 温度越高, 运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时, 运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流, 这种电流呈杂乱起伏的状态, 称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。 由于起伏噪声电压的变化是不规则的, 其瞬时振幅和瞬时相位是随机

14、的, 所以无法计算其瞬时值。起伏噪声电压的平均值为零, 噪声电压正是不规则地偏离此平均值而起伏变化。但是, 起伏噪声的均方值是确定的, 可以用功率计测量出来。实验发现, 在整个无线电频段内, 当温度一定时, 单位电阻上所消耗的平均功率在单位频带内几乎是一个常数, 即其功率频谱密度是一个常数。 对照白光内包含了所有可见光波长这一现象, 人们把这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。 阻值为的电阻产生的噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度分别为： k=1.3810-23JK (3.9.1)其中k是波尔兹曼常数, 是电阻温度, 以绝对温度计量。 在频带宽度为内产生的热噪声均方值

15、电流和均方值电压分别为： =SI(f)BW (3.9.2) =SU(f)BW (3.9.3)所以, 一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示, 如图所示。 理想电抗元件是不会产生噪声的, 但实际电抗元件是有损耗电阻的, 这些损耗电阻会产生噪声。对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略, 而对于实际电容的损耗电阻一般可以忽略。3.9.2 天线热噪声天线等效电路由辐射电阻和电抗组成。辐射电阻只表示天线接收或辐射信号功率，它不同于天线导体本身的电阻（天线导体本身的电阻约为零），所以就天线本身来说，其热噪声是比较小的。但是天线周围的介质微粒处于热运动状态，这种热运动产生扰动的电磁波辐射，而这种辐射被

16、天线接收，然后由天线发射出去，当接收与辐射的功率相等时，天线和周围的的介质处于热平衡状态，因此天线中存在噪声的作用。 3.9.3晶体管噪声晶体管噪声主要包括以下四部分。 热噪声构成晶体管的发射区、基区、集电区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声, 其中以基区体电阻rbb的影响为主。 散弹噪声散弹噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过结的载流子数目随机起伏而造成的。人们将这种现象比拟为靶场上大量射击时弹着点对靶中心的偏离, 故称为散弹噪声。在本质上它与电阻热噪声类似, 属于均匀频谱的白噪声。 分配噪声在晶体管中, 通过发射结的非平衡载流子大部分到达集电结, 形成集电极电流, 而小部分在基区内

17、复合, 形成基极电流。 这两部分电流的分配比例是随机的, 从而造成集电极电流在静态值上下起伏变化, 产生噪声, 这就是分配噪声。 分配噪声实际上也是一种散弹噪声, 但它的功率频谱密度是随频率变化的, 频率越高, 噪声越大。 闪烁噪声产生这种噪声的机理目前还不甚明了, 一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的, 其特点是频谱集中在约k以下的低频范围, 且功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时, 可以忽略闪烁噪声。3.9.4场效应管噪声场效应管是依靠多子在沟道中的漂移运动而工作的, 沟道中多子的不规则热运动会在场效应管的漏极电流中产生类似电阻的热噪声, 称为沟道热噪声, 这是场效应管的主要噪声源。 其次便是栅极漏电流产生的散弹噪声。场效应管的闪烁噪声在高频时同样可以忽略。 17