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1、第3章 高频小信号放大器,3.1概述 放大高频小信号的放大器,称为高频小信号放大器。高频小信号的中心频率一般在几百kHz到几百MHz,频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内。 对高频小信号放大器提出如下的指标 1)增益 2)通频带:收音机 中频放大器通频带约为68kHz; 而电视接收机的中频放大器通频带 为6MHz左右。,第3章 高频小信号放大器,3)选择性 放大器从含有各种不同频率信号总和中选出有用信号,排除干扰信号的能力,称为放大器的选择性。 (1)矩形系数 放大器应该对通频带内的各种信号频谱分量有同样的放大能力,而对通频带以外的邻近波道的干扰频率分量,则应完全抑制,不予放大。所以理想的放
2、大器频率响应曲线应呈矩形。但实际的曲线形状往往与矩形有较大的差异,如图3-1-2所示 为了评定实际曲线的形状接近理想矩形的程度,引入“矩形系数”参数,第3章 高频小信号放大器,矩形系数参数用Kr表示 式中,BW0.7为放大器的通频带;BW0.1和BW0.01分别为相对放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽。,图3-1-2,第3章 高频小信号放大器,矩形系数愈接近1,则实际曲线愈接近理想矩形,选择性愈好,滤除干扰信号的能力愈强。通常,小信号谐振放大器的矩形系数约在25的范围内。 (2)抑制比 又称抗拒比,通常说明对 某些特定组合频率,如中频、 像频等选择性的好坏。,第3章 高频小信号放大器,4)
3、工作稳定性 工作稳定性是指放大器的工作状态、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程度。一般的不稳定现象是增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激,以致使放大器完全不能工作。为了使放大器稳定工作,必须采取稳定措施,如限制每级增益、选择内反馈小的晶体管、应用中和或失配方法、采取必要的工艺措施(元件布局、接地、屏蔽等),以使放大器不自激或远离自激,且在工作过程中主要特性的变化不超出允许范围。,第3章 高频小信号放大器,5)噪声系数 放大器的噪声性能可用噪声系数来表示。在放大器中,总是希望它本身产生的噪声愈小愈好,即要求噪声系数
4、接近1。在多级放大器中,最前面的一、二级对整个放大器的噪声起决定作用,因此,要求它们的噪声系数尽量接近1。为了使放大器的内部噪声小,在设计与制作时应当采用低噪声管,正确地选择工作点电流,选用合适的线路等等。,第3章 高频小信号放大器,在高频电子线路中常采用Y参数电路模型 高频工作时,考虑到结电容的影响,且信号的工作频率范围较窄时,常采用Y参数电路模型。如果把电压作为自变量,电流作为因变量,则可直接写出三极管的小信号Y参数线性方程为,第3章 高频小信号放大器,Y参数为短路参数,在Y参数电路模型中 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
5、路时的输出导纳。,第3章 高频小信号放大器,短路导纳参数仅表示晶体管在输入端或输出短路时的参数。它们是晶体管本身的参数,只与晶体管的特性有关,而与外电路无关,所以又称内参数。晶体管构成放大器后,由于输入端、输出端都接有外电路,晶体管和有关外电路被看成一个整体,于是得到相应的放大器参数。它们不仅与晶体管有关,而且与外电路有关,故又称外参数。 高频混合型模型 当工作频率较高,三极管两个结电容的影响不能忽略时,等效电路中还应包括两个结电容 和 在考虑了这两个结电容之后,共发射极电路的模型如图,第3章 高频小信号放大器,共发射极电路的高频混合型模型 按照Y参数的定义,得出 混合型电路的参数与Y参数 之
6、间的转换,第3章 高频小信号放大器,输入导纳 反向传输导纳 正向传输导纳 输出导纳,第3章 高频小信号放大器,单级单调谐回路谐振放大器 图1表示某接收机中频放大器的部分线路。它由三级放大器组成。,第3章 高频小信号放大器,由图3-3-1可见,单调谐回路共发射极放大器,就是晶体管共发射极电路和并联谐振回路的组合。高频交流通路,第3章 高频小信号放大器,图3-3-2为高频等效电路,第3章 高频小信号放大器,我们以晶体管T2这一级放大器为例,并应用y参数等效电路进行分析。从它的基极起(包括偏置电阻R1和R2)至耦合电容C2止,算是这一级放大器的线路。前一级放大器是本级的信号源,其作用由电流源 和放大
7、器输出导纳Ys代表,后一级放大器的输入导纳yie是本级的负载阻抗。通常,如G5(即1/R5)与G6(即1/R6)之和远小于yie时,其作用可忽略,否则就必须考虑其作用。 略去图中与交流等效电路无关的元件。假定G1(即1/R1)与G2(即1/R2)之和远小于本级的输入导纳yie,则电阻R1、R2、R3和电容C3仅决定直流工作点;LF和CF为滤波电路 ,其作用是消除各级放大器相互之间的有害影响,可得如图所示的单级共发射极谐振放大器的高频交流通路,第3章 高频小信号放大器,从图3-3-2的高频等效电路中可见 (3) 式中: 代表由集电极c向右看进去的回路总导纳将式(3)代入(2),得 所以 (4),
8、第3章 高频小信号放大器,将式(4)代入(1),得 所以,放大器的输入导纳Yi为 前面已经说明,yie为晶体管共发连接时本身(输出端短路)的输入导纳。而Yi则为晶体管接成放大器且输出端接有负载 时的输入导纳。,第3章 高频小信号放大器,在下面的分析中,我们暂时不考虑yre的作用,即令yre0,所以Yiyie。至于如何消除yre的作用问题,将在后面讨论。 下面逐项分析放大器的质量指标。 1)电压增益 由图3-3-2可见,放大器的输入电压为Vi,输出电压为V0,则电压增益为,第3章 高频小信号放大器,为了求出输出电压 ,必须先求晶体管的集电极电压 由式(4)可得 下面根据回路抽头时阻抗的变比关系来
9、计算 首先将下级的yie2从低抽头转换到全部回路上,变为 由图3-3-2可见,回路由L、C4和Rp组成。Rp代表并联回路的谐振电阻,化成电导形式时,Gp1/Rp。L为回路电感,C为回路电容(即C4),则ab两点间的导纳为,第3章 高频小信号放大器,再将YL从高抽头(ab点)转换到集电极上(cb点),得 式中,p1是集电极c的接入系数,p1Nbc/Nab;p2是下级输入导纳的接入系数,p2Nbd/Nab;Nab、Nbc、Nbd分别为图3-3-2中电感L各点ab、bc和bd间的线圈匝数。 同样,从电压变比关系得,第3章 高频小信号放大器,所以 将它带入到 因为 所以 上式是单调谐放大器电压增益的一
10、般表达式,第3章 高频小信号放大器,将yoe写成yoegoejCoe,yie2写成yie2gie2jCie2,并将 代入上式,经整理后得 式中,goe和Coe分别是放大器的输出电导和输出电容;gie2和Cie2分别是下级放大器的输入电导和输入电容。令,第3章 高频小信号放大器,则上式变为 式中的分母为并联回路的导纳,当角频率在谐振角频率附近时,可写成 式中,第3章 高频小信号放大器,f0为放大器调谐回路的谐振频率;fff0是工作频率f对谐振频率f0的失谐, 是回路的等效品质因数 当谐振时(f0),则 上式中的负号,表示输入和输出电压有180的相位差。,第3章 高频小信号放大器,有时,晶体管集电
11、极回路采用如图3-3-3所示的耦合回路。若电感L1与L2之间耦合很紧(耦合系数k1),则L2可以看成是L1在N2匝处抽的头。所以接入系数p1N1/N,p2N2/N。 由式(3-3-16)可见,单调 谐放大器在谐振时的电压增益和 晶体管的正传输导纳yfe成正比, 和回路的总电导g成反比。yfe愈 大,g愈小,则愈大。,第3章 高频小信号放大器,2)功率增益Ap 在谐振时功率增益 式中,Pi为放大器的输入功率;Po为输出端负载gie2上获得的功率。在谐振时可将图3-3-2右边简化成图3-3-4。 由图3-2和图3-4可见:,第3章 高频小信号放大器,所以谐振时的功率增益 式中,gie1和gie2分
12、别是本级和下一级晶体管的输入电导。 如果,回路本身损耗Gp与 相比可以忽略,则匹配条件为 则最大的功率增益为,第3章 高频小信号放大器,在实际情况下,回路本身损耗Gp不容忽略,考虑了Gp的作用后,最后功率增益可表示为 式中,QL1/(0Lg)为回路有载品质因数,Q01/(0LGp)为回路空载品质因数,而 称为回路插入损耗。,第3章 高频小信号放大器,3)放大器的通频带 与并联谐振回路相似,放大器 随f而变化的曲线,叫做放大器的谐振曲线,如图3-3-5所示。 因此,第3章 高频小信号放大器,当 时,得BW0.7因此,通频带 BW0.7 为 由上式可见,QL愈高,则通频带愈窄,反之愈宽。另外,电压
13、增益 Am也能用通频带BW0.7来表示。 因为回路有载品质因数,第3章 高频小信号放大器,所以 将上式代入Am的表达式,可得谐振时电压增益的另一种表示式:,第3章 高频小信号放大器,此式说明,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Am只决定于回路的总电容C和通频带BW0.7的乘积。电容愈大,通频带 愈宽,则增益愈小。 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 yfe 晶体管外,还应该尽量减小谐振回路的总电容量C。C也不可能很小。在极限的情况下,回路不接外加电容(图3-3-1中的C4),回路电容由晶体管的输出电容、下级晶体管的输入电容、电
14、感线圈的分布电容和安装电容等组成。另外,这些电容都属于不稳定电容(随着晶体管电压变化或更换晶体管等而改变),其改变会引起谐振曲线不稳定,使通频带改变。因此,从谐振曲线稳定性的观点来看,希望外加电容大,亦即C大,以使不稳定电容的影响相对减小。,第3章 高频小信号放大器,通常,对宽带放大器而言,要使放大量大,则要求C尽量小。这时谐振曲线不稳定是次要的,因为频带很宽。反之,对窄频带放大器,则要求C大些(外加电容大),使谐振曲线稳定(不会使通频带改变,以至引起频率失真)。这时因频带窄,放大量是足够大的。 4)单调谐放大器的选择性 放大器的选择性是用矩形系数表示的,第3章 高频小信号放大器,所以矩形系数
15、 上面所得结果表明,单调谐回路放大器的矩形系数远大于1。也就是说,它的谐振曲线和矩形相差较远,所以其邻道选择性差。这是单调谐振回路放大器的缺点 。 例 图3-3-1中,设工作频率f30MHz;晶体管用3DG47型NPN高频管。当VCE6V,IE2mA时,其y参数是 gie1.2mS,Cie12pF;goe400S,Coe9.5pF; 58.3mS,,第3章 高频小信号放大器,回路电感L=1.4H;接入系数p1=1,p2=0.3;回路空载品质因数Q0=100。 求单级放大器谐振时的电压增益Avm;通频带BW0.7;回路电容C是多少值,才能使回路谐振? 解:设暂不考虑yre的作用(yre =0)
16、因为 所以 回路总电导为,第3章 高频小信号放大器,gie为下级晶体管的输入电导。当下级采用相同晶体管时 电压增益为 回路总电容为,第3章 高频小信号放大器,故外加电容应为 通频带为,3.5 谐振放大器的稳定性,小信号放大器的工作稳定性是重要的质量指标之一。下面讨论和分析小信号调谐放大器工作不稳定性的原因,并提出一些改进放大器稳定性的措施。 假定放大器工作于稳定的状态,即输出电路对输入端没有影响(yre=0),但实际上,由于晶体管存在着反向传输导纳,输出电压可以反作用到输入端,引起输入电流的 Ii变化,即反馈作用。yre的反馈作用,可以从放大器输入导纳的式中看出,3.5 谐振放大器的稳定性,如果放大器输入端也接有谐振回路,那么输入导纳并联在放大器输入端回路上,如图3-5-1所示。当没有反馈导