通信电路第2章

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1、第2章 高频小信号放大电路,2.1 概述 2.2 谐振放大器 2.3 宽频带放大器 2.4 集成高频小信号放大电路 2.5 章末小结,2.1 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兹到几吉赫兹, 频谱宽度在几千赫兹到几兆赫兹内的微弱信号进行线性放大, 故不但需要有一定的电压增益, 而且需要有选频能力。 后者对频带宽度为几兆赫兹甚至几吉赫兹以上的微弱信号进行线性放大, 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,

2、由LC谐振回路、 陶瓷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： 以分立元器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。,在接收机中， 天线接收到的微弱信号由高频小信号放大电路进行放大后送入混频电路， 混频后的中频信号又需经高频小信号放大电路进一步放大后进行解调。 由于天线接收到的信号强度起伏变化很大， 为了使放

3、大器工作正常， 提供给解调器的信号电压稳定， 必须对接收机中高频小信号放大电路的增益进行控制， 即接收信号强时使增益减小， 接收信号弱时使增益加大。 本章将要介绍的可控增益放大器是AGC电路中的重要环节之一， 完整的AGC电路将在第6章介绍。,2.2 谐 振 放 大 器,由晶体管、场效应管或集成电路与并联谐振回路组成的高频小信号谐振放大器广泛用于广播、电视、通信、雷达等接收设备中, 其作用是将微弱的有用信号进行线性放大并滤除不需要的噪声和干扰信号。 谐振放大器的主要性能指标是电压增益、 通频带、 矩形系数和噪声系数。 本节仅分析由晶体管和LC回路组成的谐振放大器。,由于谐振放大器的工作频段较窄

4、，因此采用晶体管Y参数等效电路进行分析比较合适。 现以共发射极接法的晶体管为例, 将其看作一个双口网络, 如图221所示, 相应的参数方程为,(2.2.1),其中, 输入导纳为,反向传输导纳为,正向传输导纳为,输出导纳为,图 2.2.1 晶体管共发射极Y参数等效电路,.,为了分析方便，晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和电容表示的直角坐标形式, 而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式, 即,yie=gie+jCie yoe=goe+jCoe yfe=|yfe|fe yre=|yre|re,（2.2.2）,（2.2.3）,2.2.1 单管单调谐放大器 电路组成及特点 图2.

5、2.2是一个典型的单管单调谐放大器。b与c分别是和信号源（或前级放大器）、负载（或后级放大器）的耦合电容, e是旁路电容。电容与电感组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载, 其谐振频率应调谐在输入有用信号的中心频率上。 回路与本级晶体管的耦合采用自耦变压器耦合方式, 这样可减弱晶体管输出导纳对回路的影响。 负载（或下级放大器）与回路的耦合采用自耦变压器耦合和电容耦合方式, 这样, 既可减弱负载（或下级放大器）导纳对回路的影响, 又可使前、 后级的直流供电电路分开。另外, 采用上述耦合方式也比较容易实现前、 后级之间的阻抗匹配。,图 2.2.2 单管单调谐放大电路,图 2.2.3 单管单调谐放

6、大器的等效电路,单管单调谐放大器的电压增益为,(2.2.4),设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为 , 则,(2.2.5),由于 是 上的电压, 且 与相位相反, 因此,由Y参数方程(2.2.1)可知,(2.2.6),(2.2.7),.,代入式(2.2.6)，可得,将式(2.2.8)和(2.2.9)代入式(2.2.4), 可得,(2.2.8),(2.2.9),(2.2.10),(2.2.11),根据式（2.2.2）, 将式（2.2.11）代入式（2.2.10）中, 则,其中与分别为谐振回路总电导和总电容：,g=n21goe+n22gie+ge0 C=n21Coe+n22Cie+C,谐振频率

7、为,或,回路有载值为,(2.2.14),回路通频带即放大器带宽为,(2.2.15),以上几个公式说明, 考虑了晶体管和负载的影响之后, 放大器谐振频率和值均有所变化。,谐振频率处放大器的电压增益为,其电压增益振幅为,根据N(f)定义和式（2.2.10）, 可写出放大器电压增益振幅的另一种表达式， 即,(2.2.18),(2.2.17),(2.2.16),由式（2.2.18）可知, 单管单调谐放大器的单位谐振函数（）与其并联谐振回路的归一化谐振函数相同, 且都可以写成,(2.2.19),由于fe是复数, 有一个相角fe, 因此一般来说, 图.2.2所示放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相

8、差180。 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1、2有关, 但不是单调递增或单调递减关系。由于1和2还会影响回路有载值e, 而e又将影响通频带,所以1与2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

9、, 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要宽（因为有载Q值小于空载Q值）。,【例2.1】 在图2.2.2中, 已知工作频率0MHz, UCC,emA。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=12 pF；goe=400S, Coe=9.5pF； |yfe|=58.3mS, fe=-22； |yre|=310 S, re=-88.8, 回路电感.H, 接入系数1, 2., 0。负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增益振

10、幅u0和通频带0.7。并问回路电容是多少时, 才能使回路谐振？,解: （忽略re的作用。）因为,所以,从而,因为,又,所以,2.2.2 多级单调谐放大器 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。 设放大器有级, 各级电压增益振幅分别为u1, u2, , un, 则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即 nu1u2un 如果每一级放大器的参数结构均相同, 根据式（2.3.15）, 则总电压增益振幅,(2.2.20),(2.2.21),谐振频率处电压增益振幅为,(2.2.22),单位谐振函数为,(2.2.23),级放大器通频带为,(2.2.24),由上述公式可知

11、, 级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了, 而通频带比单级放大器的通频带缩小了, 且级数越多, 频带越窄。 换句话说, 如多级放大器的频带确定以后, 级数越多, 则要求其中每一级放大器的频带越宽。 因此, 增益和通频带的矛盾是一个严重的问题, 特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说, 这个问题更为突出。 这一特性与低频多级放大器相同。,【例2.2】 某中频放大器的通频带为6MHz, 现采用两级或三级相同的单调谐放大器, 两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？ 解: 根据式（2.2.24）, 当n=2时, 因为,所以, 要求每一级带宽,同理, 当时, 要求每一级带宽,根据

12、矩形系数定义, 当0.1时, nn00.1, 由式（2.2.23)可求得,所以, 级单调谐放大器的矩形系数为,表2.2.1 单调谐放大器矩形系数与级数的关系,从表中可以看出, 当级数增加时, 放大器矩形系数有所改善, 但这种改善是有一定限度的, 最小不会低于.。,单级单调谐放大器的矩形系数较大， 多级单调谐放大器的频带较窄。 采用双调谐放大器可以同时改善矩形系数和频带宽度这两个性能参数。 双调谐放大器是指采用互感耦合或电容耦合的两个LC并联回路作为集电极负载， 两个回路调谐在同一频率上。 以临界互感耦合双调谐放大器为例， 在回路有载Q值相同的情况下， 它的矩形系数为3.16， 通频带为单级单调

13、谐放大器的 倍。双调谐放大器的主要缺点是调试比较困难， 从而限制了它的应用。,2.3.3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

14、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）, 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2.4

15、.4（）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, 将晶体管内部电容bc画在了晶体管外部。,图 2.2.4 放大器的中和电路,图 2.2.5 共射共基电路,2.3 宽频带放大器,在通信系统中，处于前端的前置低噪声放大器LNA和混频器之后的中频放大器需要采用宽频带放大器进行小信号放大，采用集中选频滤波器进行选频。 宽频带放大器中的晶体管特性宜采用混合型等效电路。图2.3.1是晶体管高频共发射极混合型等效电路。输出电容Cce很小， 可以忽略。,图 2.3.1 晶体管共发射极混合型等效电路,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, 约几十欧姆到几千欧姆。 bc： 集电结电阻, 约 k M。 ce： 集电极发射极电阻, 几十千欧姆以上。 Cbe： 发射结电容, 约十皮法到几百皮法。 Cbc：集电结电容, 约几皮法。 m ： 晶体管跨导, 几十毫西门子以下。,由于集电结电容Cbc跨接在输入、输出端之间, 是双向传输元件, 因此使电路的分析更加复杂。为了简化电路, 可以把Cbc折合到输入端b、e之间, 与电容Cbe并联,