高频小信号放大器

高频小信号放大器 高频电子线路首页上页下页退出2主要第一节概述第二节高频电路的基础知识第三节晶体管高频小信号谐振放大器第四节小信号谐振放大器的稳定性第五节场效应管高频放大器第六节线性宽带放大集成电路与集中滤波器高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学1、高频是指放大器的工作频率在几百KHz几百MHz必须考虑放大器件的极间电容.2、小信号指的是放大器输入信号小放大器件是在线性范围内工作3、高频小信号放大器的功能是实现对微弱高频信号进行不失真放大一、高频小信号放大器的功能高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学超外差接收机组成方框图以调幅广播为例混频中频放大检波低频电压放大低频功率放大本机振荡高频小信号放大有源放大器件无源滤波网络高频小信号放大器高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学高频小信号放大器功能的表示形式数学表达式频谱表示形式高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学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。二、高频小信号放大器的分类高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学ouiuAu输出电压输入电压opiPAP输出给负载的功率输入功率三、高频小信号放大器的主要技术指标1、电压增益与功率增益?功率增益Ap等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。?电压增益Au等于放大器输出电压与输入电压之比高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学定义放大器的电压增益下降到最大值的倍时所对应的频带宽度。常用表示。120.72f2、通频带2f 0.7也称为3分贝带宽。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学 f f0 2f0.7 0.7 1 f 2f0.7 0VVAA0.5210f0PPAA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取决于回路的形式和回路的等效品质因数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。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学放大器的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来表示。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。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学 f AV/AVo 2f0.1 2f0.7 理想 0.1 0.7 1 实际 其中2f 0.7为放大器的通频带 2f 0.1为放大器电压增益下降至最大值的0.1倍时所对应的频带宽度Kr愈接近于1越好。3、矩形系数选择性矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。0.10.10.722rfKf高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学4、噪声系数输出信噪功率比输入信噪功率比 nosonisiFPPPPN//nosonisiFPPPPN//lg10dB定义:用分贝表示:噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。对于放大器来说总是希望放大器本身产生的噪声越小越好。NF越接近1越好高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学一、滤波器选频回路的分类及功能1、滤波器的功能:根据某一特定的性能要求实现对信号的频谱进行处理的电路。?按频率特性分低通、高通、带通和带阻滤波器2、滤波器的分类滤波器的理想幅频特性高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学?按所用器件的特点可分为无源和有源滤波器。无源滤波器是由无源器件组成例如LC滤 波器、RC滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面滤波器等。?按处理的信号形式可分为模拟滤波器、数字滤波器和抽样数字滤波器。有源滤波器是指在所构成的滤波器中含有放大器等有源电路例如有源RC滤波器、开关电容滤波器等。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学1、电感线圈的高频特性1、电感元件在高频电路中不是理想无损电感它的损耗电阻是不能忽略的。2、一个实际的电感元件可以用一个理想无损电感L和一个串联的损耗电阻来等效。可用图b表示。由于集肤效应的影响损耗电阻随频率增高而增大。3、一个有损耗的电感线圈在工作频率下通过表可测得电感线圈的电感值和空载品质因数而的大小就反映损耗的大小。4、电感线圈的品质因数定义是ooQ0Q0Q0Q20200ILLQI无功功率有功功率一般情况下线圈的值通常在几十到三百左右。有损电感的等效关系高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学趋肤效应skin effect 当交变电流通过导线时电流密度在导线横截面上的分布是不均匀的并随着电流变化频率的升高电流将越来越集中于导线的表面附近导线内部的电流却越来越小的现象称为趋肤效应。slR式中R为物体的电阻欧姆ρ L为长度单位为米mS为截面积单位为平为物质的电阻率单位为欧姆米Ω. mm??/m。 方米mm??高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学5、一个实际电感可用串联电路等效。如图b00LQ6、一个实际电感可用并联等效。如图c01Q001gLQ当时高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、电容元件的高频特性一个实际的电容元件也是有损耗的电容元件的损耗电阻的值主要决定于介质材料。目前电容元件的Q值可达几千到几万的数量级与电感元件相比其损耗可忽略因而在高频电路中一般认为是无损元件。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学1、LC谐振回路有并联回路和串联回路两种形式属于无源滤波网络其作用是??1选频滤波从输入信号中选出有用频率分量抑制无用频率分量或噪声。??2阻抗变换电路及匹配电路??3实现频幅、频相变换将频率的变化转换为振幅或相位的变化将在频率调制中讲到。二、LC串并联谐振回路的特性高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、LC串联谐振回路LQLQLQ1、一个无负载电阻的串联LC电路由于电感L有损耗可等效为如图a所示的LCR串联电路。LLC串联谐振回路串联回路的阻抗01ZjLc谐振频率01LC串联回路的品质因数是表征回路谐振过程中电抗元件的储能与电阻元件耗能的比值。由于回路无负载电阻对应的品质因数称为空载品质因数。000001LQC串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性这个特定频率就叫做谐振频率。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学3、LC串联谐振回路LQLQLQL串联回路的阻抗1ZjLC式中0L谐振频率01LC接入负载电阻后的有载品质因数LLQ00001LLLLQC2、若接入负载电阻后可等效为如图b所示的LCR 串联电路。谐振电阻当回路谐振时的感抗或容抗称之为特性阻抗。用表示00001LCLXXLCCLC串联谐振回路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学有载品质因数Q谐振时回路感抗值或容抗值与回路电阻r的比值称为回路的品质因数以Q表示它表示回路损耗的大小。当谐振时因此串联谐振时电感L和电容C上的电压达到最大值且为输入信号电压的Q倍故串联谐振也称为电压谐振。因此必须预先注意回路元件的耐压问题。QVrVrVIsssoCoLovvCLrrcrrLQ11ooCL001高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学3、LC串联谐振回路的频率特性在串联回路两端加一恒压信号则流过电路的电流UIj1UUIjZjLC当谐振时流过电路电流最大称为谐振电流。00UIj用对进行归 一化得回路电流的相对值0IjIj00011LIjIjjQ高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学其相对电流值的模及相角为2020011LIjIjQ00LarctanQ相对幅频特性与相频特性00II2LQ1LQ QL1QL2幅频特性相频特性12LLQQ高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载Q空载Q值如式把接入信号源内阻和负载电阻的Q值叫做有载Q值用QL表示其中R为回路本身的损耗RS为信号源内阻RL为负载信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响LSLRRRLQ0ooQRLQ高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学结论串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小恒压源和负载电阻RL也不大的情况。 Rs – C RL L R 为空载时的品质因数为有载时的品质因数 QQQQLL可见高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学?阻抗特性时呈容性。时纯电阻。时呈感性000SUIr4、LC串联谐振回路01LC?电压特性谐振时电感线圈和电容两端的电压模值相等方向相反且等于外加电压的倍。即SLCLUQUULQ?电流特性:谐振时流过回路的电流的最大LQLQLQ?品质因数: 其中为特性阻抗SUIrSLCLUQUU?谐振频率 、一个无负载电阻CL001rQLLrrr0高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学1 的并联LC电路由于电感L有损耗可等效为如图a所示LC并联电路。LR并联回路的导纳为001YjcGjBjL式中2220LBcL002220GL5、LC并联谐振回路LC并联谐振回路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学在回路加电流源激励时定义能使回路端电压与激励电流同相的频率为并联回路谐振频率用表示令则得 I0UIp0B20020111pLCLQ式中为回路无阻尼振荡频率为回路的空载品质因数01LC0Q000001LQC当不很高时并联回路的谐振频率不等于回路无阻尼振荡频率。而当比较高时这对于多数通信电路近似条件是成立的。0Qp00Q0p若将并联电路等效为图b的形式则在条件下01Q2222200000000011LRQQG高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、若接入负载电阻则在的条件下回路两端等效电阻为与并联即。由于是并联回路其导纳为LR01QoRLRoLoLRRRRR111YjCRLgjCL式中11oLoLgggRR谐振频率01pLC有载品质因数0001LCRQLLgg高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学3、LC并联谐振回路的频率特性。并联谐振回路的导纳0011LYgjCgjQL220011LRZyQ00LarctanQ图2-9 并联回路的阻抗特性由图可以看出时回路谐振回路等效为纯电阻其阻值最大为R。随着偏离阻抗值越来越小。回路呈容抗特性回路呈感抗特性。0000高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学由于输出电压以时输出电压对归一化可得并联谐振回路的相对幅频特性和相位特性。0UIZ000Uj0Uj020020011LUjUjQ00LarctanQ高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学同相变化。与LSLRRQ、性。较高而获得较好的选择以使也较大的情况很大负载电阻内阻并联谐振适用于信号源LLSQRR C L Rs Rp RL 信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响sI1LppsLp此时有载Q值为 RQLGGGLLpsppppppp11RRRRQQGCLGQL故高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学?阻抗特性时呈感性。时纯电阻。时呈容性01pLC0005、LC并联谐振回路?谐振频率?电流特性谐振时流过电感线圈和电容的电流模值相等方向相反且等于外加电流源的倍。即LQ?电压特性:谐振时回路的输出电压最大LQLQ?品质因数: 其中为特性阻抗PSORIU01QSLCLIQIIRQLCL001LOLRRRRR0高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学1、回路谐振0ff时串联谐振回路的阻抗minsZZr并联谐振回路的阻抗maxpeoLZZRCr2、实际应用中串联回路适合于信号源和负载串接从而 使信号电流有效的送给负载。并联回路适合于信号源和负载并接使信号在负载上得到的电压振幅最大。串并联回路比较高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学三、串并联阻抗的等效互换1、“等效”的概念在工作频率相同的条件下AB两端的阻抗相等。、互换关系串并联电路等效互换2211RQ21211XXQ1Q221RQ21XX串联电路转换为等效并联电路后为的倍而与相同。2R1r2Q2X1X、结论串联转换为等效并联后Q值不变。1、“等效”的概念在工作频率相同的条件下AB两端的阻抗相等。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学四、并联谐振回路的耦合联接与接入系数并联谐振回路的作用:选频滤波、阻抗变换三极管或负载直接并联在LC回路中存在的问题谐振回路Q值下降通频带增宽选择性变差。影响中心频率且稳定性变差。阻抗不匹配0f高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学、变压器耦合联接的阻抗变换2211222LLLUNRRRUN因与是绕在同一磁芯上是紧耦合可认为是理想变压器。设次级负载电阻得到功率为它是由初级电压通过变压器耦合给次级的。根据功率关系初级提供。而故1L2LLR2P1U222LUPR211LUPR12PP高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、自耦变压器耦合联接的阻抗变换阻抗变比关系自耦变压器耦合联接方式适用于与晶体管的联接它除了能实现阻抗变换外还能为晶体管的集电极提供直流通路。LLRNNNR22212、自耦变压器耦合联接的阻抗变换高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2121LLCCRRC?上面变比关系推导的近似条件是Qc2??1Qc??1。3、电容分压式耦合联接与阻抗变换双电容分压的连接方式可以避免绕制变压器线圈时抽头的麻烦。在实际电路中这种方法被较多的使用。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学4、接入系数与阻抗变换关系?首先定义与变换有关的接入系数p的定义P转换前的圈数容抗转换后的圈数容抗?变比关系的通式:21LLRRp2LLgpg2CpCggIpI1ggUUp?利用以上的变比关系可以很方便地对电路进行各种变换。上面以电阻的等效变换推导了几种常用的联接方式的变换关系。为了在分析电路时运用的方便可将变换关系推广到电抗、电容、电流源和电压源的等效变换。LR高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析 一是参数等效电路 一是混合π型等效电路。混合π型等效电路:参数等效电路:物理参数模型参数物理意义明确在较宽的频带内参数值基本上与频率无关。适合于分析宽频带小信号放大器。网络参数模型Y参数与频率有关适合用于窄带小信号放大器的分析。高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学1、y参数等效电路一、晶体管高频小信号等效电路双端口网络1111122IyUyU2211222IyUyU根据二端口网络理论得到y参数系的方程高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学011112/UiUIyy输出短路时的输入导纳021121/UrUIyy输入短路时的反向传输导纳012212/UfUIyy输出短路时的正向传输导纳022221/UoUIyy输入短路时的输出导纳。?这四个参量具有导纳的量纲故称为导纳参数也叫y参数。y参数说明1111122IyUyU2211222IyUyU根据二端口网络理论得到y参数系的方程高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学 211UyUyIri212UyUyIof晶体管y等效电路高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学对于共射接法y参数用表示则:biebereceIyUyUcfebeoeceIyUyU对于共基接法y参数用表示则:eibebrbcbIyUyUcfbebobcbIyUyU对于共集接法y参数用表示则:bicbcrcecIyUyUefcbcocecIyUyUierefeyyyoe、、、yibrbfbobyyyy、、、icrcfcocyyyy、、、高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学2、混合等效电路?鞑问 奈锢硪庖 濉?基区纵向电阻。几十Ω100 Ωbb:结电阻。较小几十Ω几百Ωbe026beeI:结电容较大 100pf500pf。beC:结电阻很大。100KΩ100 MΩbc:结电容很小。2pf10pfbcC:受控电流 源而称为跨导单位为。mbegU/26mvmegIS:极间电阻很大。几十KΩce:极间电容很小。 ceC发射结正偏集电结反偏高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学晶体管 混合π等效电路可简化为因为的值在所讨论的频率范围内比的容抗值要大得多通常 对等效电路进行简化时常用代替和的并联电路。bcbcCbcCbcCbc高频电子线路退出 下页上页首页哈尔滨工程大学 b rbb gmVbe b Cbc Cbe c e I I2 I1 yie V1 V2 0 011ie2VVIyebbbebebbbcbebbbie11111YrYYrCCjrycbebebCCjY一 令V2 0求yie、yfe。 简化混合π等效电路如图所示。1 Y参数等效电路与混合π等效电路参数的转换高频电 子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学 2012fe2VVIyIVgIebm2eb2VgImebbb1ebebbb1eb11YrVYYrVVebbb1m21YrVgIebbbm012fe11YrgVIyVcbebebCCjYV1小引起I小又 b rbb gmVbe b Cbc Cbe c e I I2 I1 yie V1 V2 0 高频电子线路退出下页上页首页哈尔滨工程大学01V rbb gmVbe b Cbc Cbe c e I I2 I1 V1 c V2 021re1VVIybbeb1rVIebbbbbebbbebbbeb11/YrrIYrICjgIV2cbbbebcb2111VCjrYCjVIebbb2bbcbeb1YrVrCjVebbb2cbbbebbb2bbcb111YrVCjrYrVrCjIebbbcbre1YrCjyebebCjY二令求yre、yoe3