第3章 高频谐振放大器

《第3章 高频谐振放大器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 高频谐振放大器（112页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第3章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号放大器 3.3 高频功率放大器的原理和特性 3.5 高频功率放大器的实际线路 3.7 高效功放、功率合成与射频模块放大器,3.1 高频小信号放大器 高频小信号谐振放大器的作用： 放大各种无线电设备中的高频小信号，以便作进一步的变换和处理。小信号主要是强调输入信号电平较低，放大器工作在它的线性范围。,高频小信号放大器的分类： 按频带宽度可以分为窄带放大器和宽带放大器。通常被放大的信号是窄带信号，比如说信号带宽只有中心频率的百分之几，甚至千分之几，因此，高频小信号放大器的基本类型是窄带放大器。频带放大器是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波的功能。

2、,按有源器件可以分为以分立元件为主的高频放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。以分立元件为主的高频放大器，由于单个晶体管的最高工作频率可以很高，线路也较简单，目前应用仍很广泛。集成高频放大器由高频或宽带集成放大器和选频电路(主要是集中滤波器)组成，它具有增益高、 性能稳定、 调整简单等优点，在高频电路中的应用也越来越多。,对高频小信号放大器的要求是： (1) 增益要高，也就是放大量要大。例如，用于各种接收机中的中频放大器，其电压放大倍数可达104105，即电压增益为80100 dB， 通常要靠多级放大器才能实现。 (2) 频率选择性要好。选择性就是描述选择所需信号和抑制无用信号的能力，这是靠

3、选频电路完成的，放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的两个重要参数。 (3) 工作稳定可靠。这要求放大器的性能应尽可能地不受温度、 电源电压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。 (4) 噪声系数要低。在放大微弱信号的接收机前级放大器中，还要求放大器内部噪声要小，因为放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力就越强。,一、 高频小信号谐振放大器的工作原理 高频小信号谐振放大器的电路结构：,图 3-1 高频小信号谐振放大器 (a) 实际线路; (b) 交流等效电路,直流偏置电路与低频放大器的电路完全相同，只是电容Cb、 Ce对高频旁路，它们的电容值比低频中小得多。采用抽头谐振回路作为放大器负载，

4、对信号频率谐振，即=0，完成阻抗匹配和选频滤波功能。由于输入的是高频小信号，放大器工作在A(甲)类状态。,二、放大器性能分析 1 晶体管的高频等效电路,1）晶体管混合等效模型 在分析高频小信放大器时，首先要考虑晶体管在高频时的等效模型。,(1) rbe是发射结的结层电阻。当发射结工作在正偏置时， rbe的数值比较小。它的大小与发射极电流IE的关系如下： (2) Cbe是发射结电容。Cbe包含势垒电容Cje和扩散电容CDe两部分，即 Cbe=CDe+Cje (3) rbc是集电结电阻。当集电结工作在反向偏置时， rbc较大，一般可忽略。,(4) Cbc是集电结等效电容。包含势垒电容和扩散电容两部

5、分。 (5) rbb是基极体电阻, 是基区半导体的电阻。 (6) gm 是晶体管等效电流源。 gm是晶体管的正向传输跨导且 (7) rce是集电极输出电阻, 一般很大。 (8) Cce是集电极与发射极电容, 一般很小。 ,双极型晶体管共射混合等效电路可以简化成下图。,双极型晶体管共射混合等效模型简化模型,2）晶体管的高频参数 电流放大系数 共发射极电路的电流放大系数与频率的关系：,0是低频率时的电流放大系数， 0比1大得多,随工作频率的上升而下降,截止频率,截止频率f 当频率f=f时，下降到 ， f为截止频率。截止频率f与晶体管rbe、Cbe、Cbc有关。其数学表示式为,特征频率fT 当|=1

6、时对应的频率称特征频率fT。,当ff时，,最高工作频率fmax 最高工作频率fmax是双极型晶体管所能使用的最高工作频率。当双极型晶体管的功率增益GP=1时的工作频率称为最高工作频率fmax，表示为 fmax、fT、 f三个工作频率之间的关系是：fmaxfTf。,3）晶体管参数等效模型 混合等效模型中各元件的数值不易测量，电路的计算比较麻烦，直接用混合等效模型分析高频放大器性能时很不方便。在分析高频小信号放大器时，采用参数等效模型进行分析是比较方便的。利用晶体管的参数等效模型进行分析可以不必了解晶体管内部的工作过程。晶体管的 Y 参数通常可以用仪器测出，有些晶体管的手册或数据单上也会给出这些参

7、数量,一个晶体管可以看成有源四端网络。取电压 和 作为自变量，取电流 和 作为应变量。得晶体管的参数的网络方程：,令 ，由晶体管的参数的网络方程得, Yie是晶体管输出端短路时的输入导纳。 Yie反映了晶体管放大器输入电压对输入电流的控制作用，其倒数是电路的输入阻抗。 Yie参数是复数，因此Yie可表示为Yie=gie+jCie，其中gie、 Cie分别称为晶体管的输入电导和输入电容。,Yfe是晶体管输出端短路时的正向传输导纳。Yfe反映晶体管输入电压对输出电流的控制作用。在一定条件下可把它看成晶体管混合等效电路的跨导gm。 令 ，由晶体管的Y参数的网络方程得, Yre是晶体管输入端短路时的反

8、向传输导纳。Yre反映了晶体管输出电压对输入电流的影响，即晶体管内部的反馈作用。 Yre对放大器来讲是一种有害的影响。在实际应用中应该尽量减小或消除。,Yoe是晶体管输入端短路时的输出导纳。Yoe反映了晶体管输出电压对输出电流的作用，其倒数是电路的输出阻抗。 Yoe是复数，因此，可表示为Yoe=goe+jCoe。其中 goe、Coe分别称为晶体管的输出电导和输出电容。,晶体管Y参数等效电路如下图。图中Yie、Yoe可用gie、Cie、goe、Coe表示： Yie=gie+jCie Yoe=goe+jCoe,晶体管参数等效电路,通常CbcCbe，共发射极放大电路混合等效电路参数和Y 参数等效电路

9、近似转换式如下：,2放大器的性能参数 图3-3是高频小信号放大器的高频等效电路：,图 3-3 高频小信号放大器的高频等效电路,忽略管子内部的反馈，即令Yre =0， 可得：,(3-6a),(3-6b),高频小信号放大器的主要性能指标：,(1) 电压放大倍数K,(3-7),(2) 输入导纳Yi：,式中，第一项为晶体管的输入导纳，第二项是反向传输导纳Yre引入的输入导纳。,(3) 输出导纳Yo：,(3-9),式中，第一项为晶体管的输出导纳，第二项也与Yre有关。,式中，f0为谐振回路的谐振频率， ，L为回路电感，C为回路的总电容，包括回路本身的电容以及Yoe等效到回路中呈现的电容； QL为有载品质

10、因数，QL=1/(0Lg)，g为回路的总电导，包括回路本身的损耗以及Yoe、RL等效到回路中的损耗。 由于图3-1是一单调谐回路放大器，故其矩形系数Kr0.1仍为9.95。,(3-10),(4) 通频带B0.7与矩形系数Kr0.1： 通频带B0.7为：,三、高频谐振放大器的稳定性 1 放大器的稳定性 放大器的稳定性是指：放大倍数及相移随信号频率的变化而变化。 影响放大器稳定性的原因：晶体管的反向传输导纳Yre（晶体管集基间电容Cbc ）而引起的。 理论分析：,由于三极管中Yre （Cbc ）的存在，使输出信号反馈到输入端，引起输入电流的变化， 如果这个反馈在某个频率相位上满足正反馈条件，且足够

11、大，则会在满足条件的频率上产生自激振荡。,分析输入导纳Yi中第二项，即反向传输导纳Yre引入的输入导纳，记为Yir：,忽略,忽略,将Yoe归入负载中，并考虑谐振频率0附近情况，有,(3-11),当回路谐振时=0，Yir为一电容； 当0时, Yir的电导为正，是负反馈； 当0时，Yir的电导为负，是正反馈，这将引起放大器的不稳定。,图 3-4 放大器的频率特性,2 提高放大器稳定性的方法 为了提高放大器的稳定性，通常从两个方面入手，一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳Yre，Yre的大小主要取决于bc，选择管子时尽可能选择Cbc小的管子，使其容抗增大，反馈作用减弱。二是从电路上设法消除晶体

12、管的反向作用，使它单向化，具体方法有中和法和失配法。,中和法是通过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)来抵消晶体管内部参数Yre的反馈作用。,图 3-5 中和电路 (a) 原理电路; (b) 某收音机实际电路,中和条件为：,(3-12),由于用 来表示晶体管的反馈只是一个近似，而 与 又只是在回路完全谐振的频率上才准确反相。因此，中和电路中固定的中和电容Cn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。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，则中和电路的效果是很有限的。,中和法的特点：,忽略,失配法通过增大负载导纳，进而增大总

13、回路导纳，使输出电路失配，输出电压相应减小，对输入端的影响也就减小，可见，失配法是用牺牲增益来换取电路的稳定。为了满足增益和稳定性的要求，常用的失配法是用两只晶体管按共发-共基方式连接成一个复合管，如图3-6所示。,图 3-6 共发共基电路,由于共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发电路连接时，相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配，从而使共发晶体管内部反馈减弱，稳定性大大提高。共发电路在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益减小，但电流增益仍很大，而共基电路虽然电流增益接近于1，但电压增益较大，所以二者级联后，互相补偿，电压增益和电流增益均较大。,1 多级单调谐放大器 多级单调谐放大器

14、的谐振频率相同，均为信号的中心频率。设各级谐振时的电压放大倍数为K01、 K02、 、 K0n，则放大器总的电压放大倍数 (3-13),四、多级谐振放大器,单振荡回路的归一化频率特性为：,(3-14),设多级放大器各回路的带宽及Q值相同，即相同，则有n个回路的多级放大器的归一化频率特性为 (3-15) 由此可以计算出多级放大器的带宽和矩形系数，如表3-1所示。由表3-1可见，随着n的增加，总带宽将减小，矩形系数有所改善。,2. 多级双调谐放大器 采用多级双调谐放大器可以改善放大器的频率选择性，设各级均采用同样的双回路，并选择临界耦合(耦合因子A=1)。,可以计算出多级放大器的带宽和矩形系数，如

15、表3-2所示。,3 参差调谐放大器（多级） 所谓参差调谐放大器，就是各级的调谐回路和调谐频率都彼此不同。采用参差调谐放大器的目的是增加放大器总的带宽，同时又得到边沿较陡峭的频率特性。图3-8是采用单调谐回路和双调谐回路组成的参差调谐放大器的频率特性。双调谐回路采用A1(如A=2.41) 的过临界耦合，由图可见，当两种回路采用不同的品质因数时，总的频率特性可有较宽的频带宽度，带内特性很平坦，而带外又有较陡峭的特性，这种多级参差调谐放大器常用于要求带宽较宽的场合，如电视机的高频头常用它。,图3-8 参差调谐放大器的频率特性 (a) 单、 双回路特性; (b) 总特性,3.1.5 高频集成放大器 高

16、频集成放大器具有线路简单、 性能稳定可靠、 调整方便等优点，应用也越来越广泛。 高频集成放大器有两类： 一种是非选频的高频集成放大器，主要用于某些不需要选频功能的设备中，通常以电阻或宽带高频变压器作负载； 另一种是选频放大器，用于需要有选频功能的场合，如接收机的中放就是它的典型应用。,图3-10 集中选频放大器组成框图,集成选频放大器一般采用集中滤波器作为选频电路，如晶体滤波器、 陶瓷滤波器或声表面波滤波器等。,图3-10(a)中，要求集成放大器与集中滤波器之间实现阻抗匹配。这有两重意义：一是获得最大的功率输出；二是可以保证滤波器的频率特性。当集成放大器的输出阻抗与滤波器输入阻抗不相等时，应在