高频电子线路课件刘光祖2012版 第三章 高频放大器

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1、第3章高频放大器 3 1引言3 2晶体管的高频小信号等效电路和参数3 3高频小信号宽带放大器3 4放大器的噪声 2 1 发射机中的高频 大信号 放大器 中间各级的宽带功率放大器 工作于甲类或甲乙类状态 负载通常为选频回路 末级功放 工作于丙类状态 大信号非线性电路 3 1引言 3 2 接收机中的高频 小信号 放大器 射频前端 RFFront end 电路 输入回路 高频放大 本地振荡器 混频器 中频放大 高频放大和中频放大是高频小信号放大器 具有低通传输特性的负反馈控制系统 自动增益控制AGC 4 3 高频小信号放大器的要求 工作频率高 目前广泛使用的GSM数字移动通信系统的手机中 为900M

2、Hz和1800MHz 1900MHz 负载是谐振回路和声表面波滤波器等 例 窄带放大器 5 例 宽带放大器 6 增益够大 多级级联时工作稳定性好 通频带够宽 因此 引出增益带宽乘积GBP作为衡量宽带放大器的质量指标 输出信号幅度保持稳定 用自动增益控制 AGC 电路 低噪声 目录 7 1 高频小信号放大器的实现问题 选用好器件 选用特征频率高和小的晶体管 采用频带较宽的电路 例如共基极放大电路 共发 共基放大电路 在线路上可以采用负反馈的方法 根据系统传输函数零点 极点的原理 进行展宽频带的设计 3 2晶体管的高频小信号等效电路和参数 8 2 双极型晶体管的混合 等效电路 基极体电阻 在共基电

3、路 会引起高频负反馈 集电结势垒电容 共发电路存在密勒效应 忽略 发射结扩散电容 发射结电阻 希望和尽量小 y参数等效电路 将晶体管等效为有源四端网路 用网络参数组成等效电路 P100 实际中较便于测量和计算 9 3 双极型晶体管的高频参数 1 的截止频率 共发电路的电流放大系数值下降至低频值的时的频率称为截止频率 用表示 10 特征频率高于截止频率 约等于的倍 特征频率也是静态工作点的函数 当时 存在近似关系 特征频率是可查手册的 也可由仪器测量得到 特征频率是晶体管在共发射极运用时能得到电流增益的最高频率极限 电流放大系数 但功率增益 1 指时的频率 2 特征频率 11 3 最高振荡频率

4、晶体管的功率增益时的工作频率称为最高振荡频率 最高 次之 最低 12 其中是低频时共基极短路电流放大系数 是下降到时的频率 因为 由上可得出三个频率参数 和的近似关系 4 的截止频率 晶体管的共基极电流放大系数 目录 13 3 3 1双极型晶体管共发射放大电路的高频特性 3 3高频小信号宽带放大器 14 根据密勒定理 用和代替 实际电路中 很小 15 由于很小 其容抗与相比较 可开路处理 等效输入电容为 应用式 得到 D称为密勒效应因子 16 增益带宽积GBP 源电压增益 共发放大器源电压增益的上限截止角频率为 17 结论 1 为获得较大的GBP和上限截止角频率值 应选用小 小而高的晶体管 2

5、 增大 可以增大中频源电压增益 但由于D因子增大 减小 因而的选择应兼顾和的要求 3 管子选完后 为提高值 信号源内阻应尽可能小 即放大器的输入信号尽量接近恒压源 18 3 3 2双极型晶体管共基放大电路的高频特性 高频小信号等效电路 19 值较小 忽略之 信号源内阻高 不带容性负载 20 双极型晶体管共基放大电路的高频特性 1 集电结电容是作为输出电容跨接在输出端 因而不存在密勒倍增效应 其输入电容就是 可见 共基放大电路输入电容要比共射放大电路输入电容小很多 2 共基电路的输入电阻为 它比共射电路输入电阻小很多 可见 输入电阻小 输入电容小是共基放大电路具有很好的高频响应特性的主要原因 3

6、 比高倍 因此 共基极放大器的频率特性比共发射极放大器好 21 4 由于共基放大器不存在密勒效应 在多级级联时可以大大减小晶体管内部反馈的作用 组成多级放大器时比较稳定 5 共基极放大器虽然具有上述这些优点 但是 由于集电极电流总是小于发射极电流 即它的电流放大倍数恒小于1 6 在多级级联时 常采用共发一共基组合电路 22 晶体管 分别构成共发 共基组态电路 共发 共基组合放大单元电路的特点 高频响应特性好 频带宽 工作稳定 3 3 3共发 共基级联电路 23 共发 共基电路的高频特性 组合放大电路的上限截止频率主要取决于共发电路 共基电路频带宽 现在利用共基电路输入阻抗低的特点 将它作为共发

7、电路的负载阻抗 使得共发电路的密勒效应因子D减小 从而有效地提高共发电路的高频边界频率 也就是提高了组合电路的高频边界频率 牺牲了共发电路的电压增益 共发 共基组合电路 功率增益高 24 例1 单管单调谐放大器 集电极负载为LC并联谐振回路 采用了部分接入方式和变压器耦合方式 25 部分接入方式和变压器耦合方式 a 减小管子输出阻抗对L C谐振回路的影响b 减小负载阻抗对L C谐振回路的影响C 谐振时放大器的负载为P2ReRe 为L C谐振回路的等效谐振电阻P 为部分接入方式的接入系数 26 例2 集中选频放大器 1 集中选频放大器的组成 第二种形式 第一种形式 27 2 声表面波滤波器应用实

8、例 V1是预中放部分 起前置放大作用 Z1为SAWF起集中选频作用 TA7680AP为彩电图像中频放大器IC 28 3 3 4场效应管高频小信号放大器 在高频应用时 场效应管有下列特点 2 由于场效应管具有十分接近平方律的转移特性 三阶以上的效应可以忽视 因此能减小交调 互调和各种组合频率干扰 在变频干扰中讨论 3 采用自动增益控制时所需要的功率很小 因此 用场效应管作为高频放大器的有源器件是比较理想的 1 场效应管放大器具有较高的输入和输出阻抗 对输入回路和输出电路的Q值影响较小 故回路选择性高 在用作高频放大器时 抗像频干扰和抗邻近电台干扰能力好 29 4 场效应管是多数载流子导电器件 所

9、以对核辐射的抵抗能力强 多数载流子在电场作用下作漂移运动 受核辐射影响小 5 场效应管的跨导小于双极型晶体管 因此用作放大器时 增益比较小 6 放大电路形式有MOS管共源 共栅组态基本放大电路和共源 共栅级联放大电路 30 3 3 5自动增益控制 AGC 电路 可控增益放大器 控制电压产生 低通 电平检测电路 比较器 参考电压 AGC电路的组成 自动增益控制电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下 使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范内变化的一种自动控制电路 自动增益控制是通过图中所示非线性闭合环路实现的 31 对AGC控制特性的要求 当输入信号小于门限电压时 系统无控制作用 此时 输出电压为输

10、入电压的线性函数 当输入信号较强而其幅度超过时 AGC作用才反映出来 此时 随着的增强 输出电压基本保持不变 或仅有极小的变化 当输入信号很强时 AGC的作用消失 上述AGC由于输入电压必须大于某一门限才起作用 因此又称为延迟AGC 32 对AGC控制特性的设计 AGC的控制作用 一般均在接收机前级实现 例如 对高频放大器的控制 对主中放的第一中放或第二级中放的控制等 放大器的受控级数 AGC控制n级放大器 通常取决于系统的要求 表示总放大器输入信号的动态范围 表示总放大器输出电压的容许变化量 动态范围 33 放大器的总增益控制倍数为 式中为总放大器的最大电压增益 其值一般出现在输入信号为最小

11、值时 为总放大器的最小电压增益 其值一般发生在输入信号为最大时 上式也可以用分贝值表示 34 例 某接收机输入信号的动态范围为60dB 输出电压容许变化范围为20 若单级放大器的增益控制倍数等于20dB 指出应控制放大器的级数 解 输出电压容许变化值为 接收机总增益控制范围为 故所需受控级数为 即应采用三级控制 35 AGC电路增益控制的实现 采用变跨导晶体管构成的可控增益放大电路 这种放大器 当控制电压使其静态工作点移动时 放大器的增益也随之改变 达到增益可控的目的 改变放大器的负反馈 或改变放大器的交变负载 均可实现对放大器增益的控制 36 差分放大器增益控制电路 图中 组成差分放大器 信

12、号从两个晶体管的基极输入 由两个集电极输出 增益控制电压VC经RA加于两二极管D1 D2的正极 D1 D2构成差分放大器的发射极负反馈电路 设每只二极管的动态内阻为 当通过电流为时 37 当时 发射极连通 两电阻R并联构成发射极电阻 增益大 因此 改变控制电压 即可改变放大器发射极等效电阻的阻值 达到控制增益的目的 当控制电压使得很小 即时 的发射极电路彼此独立 增益小 38 电控衰减器增益控制电路 f 30MHz 控制电压取负值 当越负 二极管正向电流越大 动态电阻越小 故传输系数越大 放大器的总增益越大 反之总增益减小 从而达到对总放大器的增益的控制 用二极管构成可变衰减器 应注意极间电容

13、的影响 图中 组成负反馈放大器电路形式 放大后的信号由发射极经二只二极管和电阻 组成的衰减器输出 目录 39 3 4放大器的噪声 1 电阻的热噪声2 电子器件的噪声 3 噪声系数4 级联网络的噪声5 接收机的灵敏度与最小可检测信号6 噪声温度7 天线噪声 40 干扰与噪声 通信系统的基本任务是传送信息 有用信号 干扰与噪声干扰与噪声不同的表现形式冲击窄脉冲 连续电振荡 随机噪声随机噪声 外部和内部外部 宇宙噪声 大气噪声内部 放大器 电阻 电缆的热噪声晶体管产生的噪声等 41 3 4 1电阻的热噪声 电阻热噪声是通信系统内部噪声的主要来源产生机理 自由电子的无规则热运动产生的自由电子与晶格碰撞

14、 产生持续时间 10 13 10 14s的电脉冲电阻热噪声是无数个电脉冲叠加的结果电阻热噪声电流 电压可被视为是一个平稳随机过程 42 1 电阻热噪声的特性 噪声功率可用噪声电压均方值表示 热噪声电流 电压在不同时刻的方向 幅度和持续时间都是随机分布的 其幅度呈现正态分布 在相当长的观测时间内 噪声电压或电流的平均值趋于零 而噪声功率则趋于一有限值 该噪声电压作用在1 电阻上 43 2 电阻热噪声的功率谱密度 1013 1014为自由电子每秒碰撞次数K为玻耳兹曼常数 T热力学温度R为电阻器的电阻值 电阻热噪声的频率覆盖范围很宽 但单位频带的噪声功率很小 单位频带的噪声功率 功率谱密度 W Hz

15、 一般来说 f 44 白噪声 有效频带内功率谱分布均匀 光学中 白色光功率谱在可见光频带内均匀分布 有色噪声 有效频带内功率谱分布不均匀 电阻器的热噪声的功率谱密度在很宽的频带范围内为常数 为白噪声 45 白噪声通过频带有限网络的功率谱密度 46 3 电阻器噪声电压均方值 用于表示功率 通过传输函数幅频特性为常数 归一化 的线性网络 时域定义 频域定义 噪声电压均方根值 有效值 47 4 电阻器的噪声等效电路 为了便于电路的噪声特性分析 实际电阻器一般被等效为一理想无噪声电阻与噪声功率源相串联的电路 适用于网络频带已确定的系统 48 噪声电压功率谱密度 噪声电流功率谱密度 两种噪声源的等效电路

16、 49 例3 4 1 p117 在常温 T 290K 下工作的1k 电阻 与带宽BW 100kHz的理想网络相连接 求该电阻的噪声电压均方值与噪声电压均方根值 电阻热噪声相当微弱 一般电路可忽略 接收机前级由于有用信号微弱 所以不可忽略 LNA低噪声放大器 50 串连电阻的噪声等效电路 如果两个电阻的工作温度不同 51 两个电阻并联 在df频带内R2从R1取得的平均噪声功率为dPn12 R1从R2取得的平均噪声功率为dPn21 两个电阻并联 一个电阻向另一个电阻输送部分噪声功率 同时也从该电阻获得同等的噪声功率 相互平衡 温度不变 52 不消耗功率的电抗元件不会产生噪声 理想电抗元件不会产生噪声 并联电阻的噪声等效电路 其中 53 理想RC网络的传递函数 输出噪声电压均方值 5 等效噪声带宽 R 54 等效噪声带宽和半功率点通频带 等效噪声带宽 宽度为BWn的矩形面积与曲线下面的面积是相等的 半功率点通频带 等效噪声带宽 把有色噪声功率等效为白噪声功率 得到的白噪声带宽 55 6 电阻器的噪声资用功率 额定功率 有噪电阻与其它元件或电路连接时 所给出的最大噪声功率 R 当时 取得最大值