高频小信号放大器

null3 高频小信号放大器3 高频小信号放大器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 多级单调谐回路谐振放大器 3.5 双调谐回路谐振放大器3.1 概述 3 高频小信号放大器3 高频小信号放大器3.7 谐振放大器的常用电路和 集成电路谐振放大器 3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施 3.1 概述3.1 概述 高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。几十μV～几mV1V左右3.1 概述3.1 概述 普通调幅无线电广播所占带宽应为９kHz，电视信号的带宽为６MＨz左右。 高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。3.1 概述3.1 概述高频小信号放大器 谐振放大器（窄带）非谐振放大器（宽带）LC集中滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器声面波滤波器（调谐与非调谐）高频小信号放大器的分类本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。3.1 概述3.1 概述高频小信号放大器的主要质量指标1) 增益：（放大系数） 电压增益：分贝表示： 功率增益： 2) 通频带：3.1 概述3.1 概述高频小信号放大器的主要质量指标3) 选择性① 矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。 ：从各种不同频率信号的总和（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。3.1 概述3.1 概述高频小信号放大器的主要质量指标② 抑制比：表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用dn表示。 3) 选择性 ：从各种不同频率信号的总和（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。3.1 概述3.1 概述高频小信号放大器的主要质量指标4) 工作稳定性：指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。 不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。3.1 概述3.1 概述 出于的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。高频小信号放大器的主要质量指标4) 工作稳定性：指放大器的工作状态(直流偏置)、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。3.1 概述3.1 概述高频小信号放大器的分析方法 晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。3.2 晶体管高频小信号等效电路与参数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）3.2.2 混合π等效电路3.2.3 混合π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3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路） 因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此, 引入晶体管的y（导纳）参数等效电路。3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）式中：称为输出短路时的输入导纳；称为输入短路时的反向传输导纳；称为输出短路时的正向传输导纳；称为输入短路时的输出导纳。3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）放大器输入导纳Yi输入导纳与负载导纳有关，反映晶体管有内部反馈，反馈由内部传输导纳yre引起。3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）3.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）放大器输出导纳Yo可知，正向传输导纳越大，放大器的增益越大。负号表示输入、输出电压相位差为180度。3.2.2 混合л等效电路3.2.2 混合л等效电路形式等效电路优点是，没有涉及晶体管内部的物理过程，因而不仅适用于晶体管，也适用于任何四端（或三端）器件。 缺点：没有考虑晶体管内部的物理过程。参数随频率变化；物理含义不明显。 把晶体管内部的复杂关系，用集中元件RLC表示，则每一元件与晶体管内发生的某种物理过程具有明显的关系。这种物理模拟的方法所得到的物理等效电路就是所谓的混合л等效电路 3.2.2 混合л等效电路3.2.2 混合л等效电路 y（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。优点： 各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。 缺点： 分析电路不够方便。3.2.2 混合л等效电路3.2.2 混合л等效电路 y（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。优点： 各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。 缺点： 分析电路不够方便。三个附结电容是由晶体管引线和封装等结构所形成，数值小，一般在高频状态下可忽略。3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换通常，当晶体管直流工作点选定以后，混合л等效电路各元件的参数便予确定，其中有些可由晶体管手册上直接查得，另一些也可根据手册上的其他数值计算出来。但在小信号放大器或其它电路中，为了简单和方便，却以y参数等效电路作为分析基础。因此，有必要讨论混合л等效电路参数与y参数的转换，以便根据确定的元件参数进行小信号放大器或其他电路的设计和计算。3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换图 4.2.5 ｙ参数及混合π等效电路3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换①②3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换则：3.2.3 等效电路参数的互换3.2.3 等效电路参数的互换3.2.4 晶体管高频参数3.2.4 晶体管高频参数1. 截止频率2. 特征频率 当f > fT后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。3.2.4 晶体管高频参数3.2.4 晶体管高频参数2. 特征频率图4.2.6 β截止频率和 特征频率可以粗略计算在某工作频率f >> fβ的电流放大系数。3.2.4 晶体管高频参数3.2.4 晶体管高频参数3. 最高振荡频率fmax f ≥fmax后， Gp<1，晶体管已经不能得到功率放大。 由于晶体管输出功率恰好等于其输入功率是保证它作为自激振荡器的必要条件，所以也不能使晶体管产生振荡。4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器4.3.1 电压增益4.3.2 功率增益4.3.3 通频带与选择性4.3.4 级间耦合网络4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器 通常需要多级放大器来提供足够高的增益和足够好的选择性，从而为下一级（例如混频和检波）提供性能良好的有用信号。几十μV～几mV1V左右4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器 高频小信号放大器的电路分析包括：1. 多级分单级，2. 静态分析，3. 动态分析，4. 整合系统几个基本步骤。1. 多级分单级 前级放大器是本级放大器的信号源；后级放大器是本级放大器的负载。4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器1. 多级分单级 前级放大器是本级放大器的信号源；后级放大器是本级放大器的负载。4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器 其简化规则：交流输入信号为零；所有电容开路；所有电感短路。结论：Rb1、Rb2、Re为偏置电阻，提供静态工作点；2. 静态分析 画出直流等效电路，4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器 其简化规则：有交流输入信号，所有直流量为零；所有大电容短路；所有大电感开路。（谐振回路L、C保留）1) 画出交流等效电路，3. 动态分析4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器+ u31 -+ v21 - 2) 画出交流小信号等效电路， 负载和回路之间采用了变压器耦合，接入系数 晶体管集、射回路与振荡回路之间采用抽头接入，接入系数 4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器图4.3.1 单调谐回路谐振放大器的 原理性电路与等效电路4.3 单调谐回路谐振放大器4.3 单调谐回路谐振放大器+ v54 -+ v31 -+ v21 - 出于分析的方便，假定晶体管不存在内反馈，即yre=0。4.3.1 电压增益4.3.1 电压增益L+ v54 -+ v31 -+ v21 -把晶体管集电极回路和负载 折合到振荡回路两端+ u54 -+ u31 -+ v31 -4.3.1 电压增益4.3.1 电压增益4.3.1 电压增益4.3.1 电压增益+ v31 -4.3.1 电压增益4.3.1 电压增益 谐振时4.3.1 电压增益4.3.1 电压增益4.3.2 功率增益4.3.2 功率增益 整个收、发机系统的功率增益是其一项重要性能指标，因此需要考虑高频小信号放大器的功率增益水平。由于在非谐振点上计算功率十分复杂，且一般用处不大，故主要讨论谐振时的功率增益： 4.3.2 功率增益4.3.2 功率增益讨论：则可得最大功率增益为： i)如果设LC调谐回路自身元件无损耗，且输出回路传输匹配。4.3.2 功率增益4.3.2 功率增益讨论： ii)如果LC调谐回路存在自身损耗，且输出回路传输匹配,则可得最大功率增益为： 4.3.2 功率增益4.3.2 功率增益插入损耗：4.3.2 功率增益4.3.2 功率增益4.3.3 通频带与选择性4.3.3 通频带与选择性 通过分析放大器幅频特性来揭示其通频带与选择性。可见ＱＬ越高，则通频带越窄。1. 通频带4.3.3 通频带与选择性4.3.3 通频带与选择性带宽增益积为一常数1. 通频带4.3.3 通频带与选择性4.3.3 通频带与选择性由上式可见，晶体管选定以后（即yfe值已经确定），接入系数不变时，放大器的谐振电压增益Av0只决定于回路的总电容C∑和通频带2△f0.7的乘积。电容愈大，通频带2△f0.7愈宽，则增益Av0愈小。显然，电容C∑愈大，通频带2△f0.7愈宽，则要求g∑大，亦即gp加大，使得QL/Q0的比值变大，所以电压增益就愈小。因此，要想既得到高的增益，又保证足够宽的通频带，除了选用 较大的晶体管外，还应该尽量减小谐振回路的总电容量C∑。4.3.3 通频带与选择性4.3.3 通频带与选择性2. 选择性（矩形系数）>>1 不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。4.3.4 级间耦合网络4.3.4 级间耦合网络图4.3.4 单调谐放大器的级间耦合网络形式4.4 多级单调谐回路谐振放大器4.4 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，就要采用多级放大器。如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则4.4 多级单调谐回路谐振放大器4.4 多级单调谐回路谐振放大器如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则4.4 多级单调谐回路谐振放大器4.4 多级单调谐回路谐振放大器1. 增益2. 通频带可求得n级放大器的通频带4.4 多级单调谐回路谐振放大器4.4 多级单调谐回路谐振放大器3. 选择性（矩形系数）通频带 当级数n增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。4.4 多级单调谐回路谐振放大器4.4 多级单调谐回路谐振放大器由上表可见，当级数m增加时，放大器的矩形系数有所改善。但是，这种改善是有限度的。级数愈多，Kr0.1的变化愈缓慢；即使级数无限加大， Kr0.1也只有2.56，离理想的矩形系数（Kr0.1=1）还有很大的距离。由以上分析可见，单调谐回路放大器的选择性较差，增益和通频带的矛盾突出。为了改善选择性和解决这个矛盾，可采用双调谐回路放大器和参差调谐放大器。4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器单调谐的选择性较差，增益和带宽矛盾突出。而双调谐回路谐振放大器具有频带较宽，选择性较好的优点。 4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器考虑三种耦合情况：图4.5.2 对应于不同的η双调谐回路 放大器的谐振曲线4.5 双调谐回路谐振放大器4.5 双调谐回路谐振放大器临界耦合的通频带与选择性QL相同情况下，临界耦合等于单调谐回路放大器通频带的 倍4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施4.6.1 谐振放大器的稳定性4.6.2 单向化 4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性 以上分析时，假定yre＝0，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4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性 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4.6.1 放大器等效输入端回路实际电路中，4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 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 ＝ 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）4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 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4.6.2 反馈电导ｇＦ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。4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 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4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性不发生自激的条件，回路谐振时，g∑= gs+ gie + gF = 0回路谐振时，g∑= gs+ gie + gF > 04. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例)4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性稳定系数 如果S＝1，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。4. 自激产生的条件(以输入导纳的影响为例)4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性5. 稳定性分析假设放大器输入与输出回路相同，(包括谐振回路)4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性5. 稳定性分析4.6.1 放大器的稳定性4.6.1 放大器的稳定性5. 稳定性分析考虑到全部接入，即p1= p2=1稳定的电压增益。4.6.2 单向化4.6.2 单向化 如前所述，由于晶体管内存在yre的反馈，所以它是一个“双向元件”。作为放大器工作时，yre的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除yre的反馈，变“双向元件”为“单向元件”。这个过程称为单向化。4.6.2 单向化4.6.2 单向化 避免自激的最简单做法是在回路两端并接电阻，即增加损耗。这就是“失配法”。 如果把负载导纳YL'取得比晶体管yoe大得多，即YL' >> yoe ，那么输入导纳不发生自激的条件，回路谐振时，g∑= gs+ gie + gF > 04.6.2 单向化4.6.2 单向化 同理，如果把信号源导纳Ys取得比晶体管yie大得多，那么输出导纳 因此，所谓“失配”是指：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。 如果把负载导纳YL'取得比晶体管yoe大得多，即YL' >> yoe ，那么输入导纳4.6.2 单向化4.6.2 单向化 典型电路：共发－共基电路。共发电路输出阻抗较大，共基电路输入阻抗低，输出阻抗高。利用共基电路的输入阻抗作为共发电路的负载 ，达到失配的目的。ic1<< 失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。4.6.2 单向化4.6.2 单向化优点： 既可保证放大器有较高的增益，又能稳定工作。 T2基极接地， 起隔离作用。 T2输出阻抗大，集电极不需抽头接入谐振回路。 共基电路输出导纳随工作点的变化比共发小。4.7 谐振放大器的蟾宫电路和集成电路谐振放大器4.7 谐振放大器的蟾宫电路和集成电路谐振放大器4.7.1 谐振放大器常用电路举例4.7.2 集成电路谐振放大器 4.7.1 谐振放大器常用电路举例4.7.1 谐振放大器常用电路举例图4.7.1 二级共发－共基级联中频放大器电路4.7.1 谐振放大器常用电路举例4.7.1 谐振放大器常用电路举例图4.7.2 窄带石英晶体滤波器电路4.7.1 谐振放大器常用电路举例4.7.1 谐振放大器常用电路举例图4.7.3 窄带晶体滤波器等效电桥电路4.7.2 集成电路谐振放大器4.7.2 集成电路谐振放大器图4.7.6 ULN－2204集成块的中放部分null3.9放大器中的噪声一、噪声的来源1、电阻热噪声 导体内的 带电粒子在一定温度下，受热激发做无规则的运动，所以通过导体任一截面的自由电子的数目是随时间变化的。这样即使导体两端不加电压，导体中也会由于这种热运动而引起瞬时电流，称为起伏电流。起伏噪声电流电流通过电阻本身就会在电阻两端产生起伏噪声电压。2、天线热噪声 接收端口的噪声有两个来源：第一是由于天线导体本身电阻产生的噪声(由于天线导体本身的电阻近似为0，可以忽略）；第二是天线周围的介质处于热运动状态，这种热运动产生扰动的电磁波辐射，被天线接收。null3、晶体管的噪声 （1）：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，其中主要存在于基区电阻内。 （2）：散粒噪声：散粒噪声是晶体管的主要噪声源。它是由单位时间内通过PN结的载流子数目起伏引起的。散粒噪声具体表现为发射极电流和集电极电流的起伏现象。 （3）：分配噪声：晶体管发射区注入基区的少数载流子中。一部分经过基区到达集电极形成集电极电流，一部分在基区复合。载流子复合时，其数量是随机起伏的。分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合的数量变化所引起的噪声。 （4）：闪烁噪声：主要在低频范围内产生影响（几千赫兹以下）。其产生的原因目前尚不清楚，一般认为是由于晶体管的清洁处理不好或缺陷造成的。null3、场效应管的噪声 （1）：由栅极内的电荷不规则起伏引起的噪声。 （2）：沟道内的电子不规则热运动所引起的热噪声。 （3）：漏极和源极之间的等效电阻噪声。 （4）：闪烁噪声。 null二、噪声的表示和计算可以用噪声系数、噪声温度、等效噪声频带宽度和灵敏度来表示噪声。1、噪声系数Fn：放大器的噪声系数Fn是指放大器输入端信噪比与输出端信噪比的比值。null2、噪声温度Ti：噪声温度是把网络内部噪声等效为由信号源内阻Rs在温度Ti时所产生的 噪声，通过网络后，在输出端得到的额定输出噪声功率正好等于网络内 部噪声在输出端得到的额定噪声功率。3、灵敏度：在保证系统输出一定信噪比时，输入端所需的最小有用信号功率。