射频电子线路电子教案：2.1 高频小信号调谐放大器

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1、第二章 射频电子系统中的放大器设计,高频放大器的种类丰富，应用范围非常广泛，高频放大器的 类型包括宽带和窄带功率放大器、低噪声放大器(LNA)、 对数放大器、运算放大器以及可变电压放大器。它们有芯片、 带表面贴(SMT)封装的器件等样式，最小的RF/微波放大器 是单片微波集成电路(MMIC)器件。,提供MMIC放大器芯片和带封装的MMIC放大器模块的 公司很多，包括ADI、Filtronic公司、Hittite微波公司、Cree 、 飞思卡尔(Freescale)、 Microwave Technology公司、 Mimix Broadband公司、Mini-Circuits公司和RFMD公司

2、等。,2.1 高频小信号调谐放大器,2.1.1 高频小信号放大器的基本要求,小信号：信号电平处在放大器的“线性”范围内部可认为是“小”信号。,“线性”：指非线性项在这里起的作用很小，可以忽略。,高频小信号放大器的分类： 所用器件不同：晶体管、场效应管、集成电路放大器。 通过频谱的宽窄：窄带、宽带放大器。 电路形式：单级、级联放大器。 负载性质：谐振、非谐振放大器。,谐振放大器 用串联或并联谐振回路或耦合谐振回路作为放大器的负载。 谐振回路的谐振频率(考虑晶体管影响后)位于输入信号的中心频率。 信号带宽与谐振回路的通频带基本一致。 放大器对信号有极大的增益，信号带宽外，增益迅速减小。谐振放大器具

3、有很好的选频能力。,性能指标 ：,电压增益 ：放大器的输出信号电压(负载上的电压) 与输入信号电压之比 。 功率增益 ：负载上输出信号功率与输入信号功率之 比 。,1增益,2. 通频带与选择性 小信号放大器的通频带与谐振回路相同，决定于回路的等效品质因数QL。通频带用三分贝带宽来描述。 放大器从含有各种不同频率的信号中选出有用信号排除有害(干扰)信号的能力，称为放大器的选择性。,选择性用矩形系数 或 ， 来表征,3. 噪声系数 通常用信噪比来表示噪声对信号的影响，电路中某处信号功率与噪声功率之比称信噪比。信噪比越大，信号质量越好。 噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号

4、的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1，说明放大器的抗噪能力越强，输出信号的质量越好。,4工作稳定 工作稳定性是指放大器的工作状态(直流院置)、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。一般的不稳定象是增益变化、中心频率偏移、通频带变化、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思完全不能工作。,1增益 2. 通频带与选择性 3. 噪声系数 4工作稳定 以上四项性能指标，相互间有联系也有矛盾。如增益和稳定性，通频带和选择性等。因此，应根据要求决定主次和取舍。,2.1.2 高频晶体管小信号等效电路模型与参数 1.高频晶体管网络参数模型,

5、网络参数模型实质上是将晶体管看成是四端网络，用网络参数等效晶体管特性，晶体管的内部物理过程不予考虑。,网络参数的物理含义,2.高频晶体管的物理模型混合型等效电路,3晶体管混合型电路参数与网络参数之间的转换,输出短路,计算yie和yfe,输入短路,计算yre和yoe,2.1.3 晶体管的高频参数,1.短路电流放大系数 和 截止频率f,即 时，Cbe，bc和rbe三者并联,式中 是低频 时的电流放大系数。,截止频率f 定义：当 的频率，即,解上述方程得：,2.特征频率fT 晶体管的放大性能还用特征频率fT表示。 fT是 时的频率.,解之得:,当0远远大于1时,共射阻态 高频电流 放大倍数,例:MR

6、F571， ， ，计算 时的 。,解：,当晶体管共射组态时，工作于远大于 的工作频率时，电流放大倍数的模值与fT的关系式(出厂参数有fT和0),最高振荡频率 : 晶体管功率增益 时的工作频率, 表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。在此频率工作时，晶体管已得不到功率放大。一般当工作频率大于最高振荡频率时，无论用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。,实际工作频率应小于等于最高振荡频率的1/31/4。,可以证明,高频晶体管各频率 参数的大小关系,2.1.4 晶体管高频小信号单调谐回路谐振放大器,“等效电路”法分析小信号调谐放大器三个主要步骤,首先是认识电路，包括

7、认清电路的组态（共射电路等）、各元器件的作用，这是电子线路读图的基础； 其次分析电路的直流通路(直流偏置)和交流通路，以便了解电路的实际功能； 最后在画出交流等效电路（如Y参数等效电路）的基础上，根据定义计算放大电路的各参数，以此分析放大器的电路特性、技术性能和频率响应等。,一级中放交流等效电路图,一级中放的y参数等效电路,书86页，图2-6中通过中周实现部分接入的方式， 以减小对回路Q值的影响,是初级回路自耦变压器的接入系数，,是一级中放输出与下一级放大电路之间变压器耦合 的接入系数,图2-7 一级中放 y参数等效电路,1. 放大器的输入导纳,由图2-7 b可得到：,所以,2. 电压增益,电

8、压放大 倍数的定义:,恒等变形可得,通过并联谐振 回路电压VP中转,实际晶体管的等效参数显容性,令,定义谐振放大器 的归一化抑制比,谐振 频率,有载品 质因数,广义 失谐,调整接入系数 求电压增益最大值,令,将p1带入2-28式,将p2带入2-28式,令,将p1opt p2opt带入2-28式,谐振时功率增益Ap,输出部分 谐振时,并联回路和输出都谐振时,令,功率增益的各项 表达式的物理含义,物理含义 1)失配损耗 2)回路损耗 3)失谐影响 4)最大增益,4. 小信号单调调谐回路谐振放大器的通频带与选择性,谐振放大器的归一化抑制比 与单调谐回路有相同表达式,故3dB通频带也与单调谐 回路有相

9、同表达式,(1-119),选择性(矩形系数)也与单调谐回路有相同表达式,例2.1 如图2-9所示单谐振回路放大器， 已知晶体管的y参数， 求1)放大器工作中心频率 2)谐振时电压增益 3) 放大器带宽,解： 1) 工作中心频率,2)谐振时电压增益,3) 放大器带宽,2.1.5 高频小信号单调谐回路谐振放大器的级联,当单级放大器的增益不能满足要求时,即可采取多级放大器。其中每一级可调谐在同一个频率上，称为同步调谐放大器;也可以调谐在不同的相近的频率点上,称为参差调谐放大器.,1.级联放大器的电压增益,总增益的模 |Av|=|Av1|*|Av2|*|Av3|Avn | 2.38 若各级放大器是完全

10、相同的单级放大器,则,2.级联放大器的通频带与选择性,若各级放大器是完全相同的 单级放大器，归一化抑制比,3dB带宽：令f0.7代表An/An0=0.707 时的频率偏移,则有,n是大于1的正整数, 称为级联放大器缩小因子。具体数值见表2.1所示。,表2.1 带宽缩小因子,级联放大器的选择性,按矩形系数的定义可得,表2-2 矩形系数与级数的关系,当级数n增加时,矩形系数有所改善，级数越多，Kr0.1变化越缓慢。 即当n趋于无穷时,Kr0.1也只有2.56。可见这种改善是有限度的。,随着级联级数的增加，增益变大，通频 带却变窄，通常需要大的增益又需要足 够的通频带，参差调谐放大器就是为了 解决这

11、个矛盾而提出的。,2.1.6 高频小信号双调谐回路谐振放大器,多级放大器级联时，虽然电压放大倍数增加较多，通频带却变窄，选择性虽有所改善，但与理想矩形相比，仍相差较大。为解决上述矛盾，晶体管集电极回路采用双调谐回路，可以使放大器具有较好的选择性和较宽的频带，这种放大器称为双调谐放大器。,双调谐 放大器 等效 电路,为分析方便，设一次、二次侧回路元件参数相同，则得到如图b所示的效电路，这是一个典型的互感耦合双调谐回路,考虑到两个回路的参数相同，可得到,当一次、二次侧回路谐振(=0)时, 放大器电压增益,双调谐谐振放大器归一化抑制比,双调谐放大器较常使用的是 临界耦合，谐振曲线表示为:,同样可得矩

12、形系数为:,场效应管调谐放大器,(1) 场效应管在正常工作时，栅极电流很小(A级)，所以场效应管的输入阻抗很高，一般在107以上。 (2) 场效应管的恒流特性比晶体管好，在恒流区内，场效应管的输出电阻比晶体管的输出电阻大。场效应管的输入、输出阻抗较大，有利于提高调谐回路的Q值，提高调谐放大器的选择性。,高频集成放大器,(1) 特性和参数的一致性好。常采用结构对称或元件参数匹配的电路形式(如差分放大器等)，利用参数补偿的原理来提高电路的性能，尤其是提高电路的高频特性。 (2) 采用电路性能好的复合结构电路。在模拟集成电路中，常采用复合晶体管：共射共基组合、共集共基组合或共源共栅组合等复合结构电路

13、。 (3)外接元件少、可靠性高。由于在半导体芯片上制作电感、大容量电容及高阻值电阻等较为困难，只需要在集成放大器外接入大电容、电感等少量元器件。,2.1.7 高频小信号调谐放大器的稳定性 1.放大器稳定性分析,放大器的输入导纳为：,振荡的临界条件为：,设输入、输出回路相同，,自激振荡条件,放大器不稳定,稳定性系数,放大器稳定的临界状态,放大器稳定,设,反馈电容,为考察增益与稳定系数之间的关系,作进一步分析.,稳定性系数 是与放大器的电压增益相关联的。,将放大器的电压最大增益表达式 带入前式,且分析特定情况,假定,2.提高放大器稳定性的措施,一是从晶体管本身想办法，选取反向传输导纳yre小的晶体

14、管。,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。,平衡条件,即,(2) 失配法,图2-13 共射共基级联放大器,习题讲解,习题 某晶体管在VCE=10V，IE=1mA时的fT=250MHz， 又 可忽略,求该晶体管在fT=10MHz时的共发射极电路的Y参数。,习题晶体管组成的单回路中频放大器，如图所示。已知fo=465kHz， 晶体管经中和后的参数为：gie=0.4mS,Cie=142pF，goe=55S， Coe=18pF，Yfe=36.8mS,Yre=0，回路等效电容C=200pF，中频变压 器的接入系数p1=N1/N=0.35，p2=N2/N=0.035

15、,回路无载品质因数Q0=80， 设下级也为同一晶体管，参数相同。试计算： （1）回路有载品质因数 QL和 3 dB带宽 B0.7;（2）放大器谐振时的电压增益；(3) 中和电容值。 （设Cbc=3 pF）,解：,根据已知条件可知,能够忽略中和电容和yre的影响。得：,1)有载品质因数 QL,答：品质因数QL为40.4,带宽为11.51kHz,谐振时的电压 增益为30.88,中和电容值为1.615pF,2）放大器谐振时的电压增益,3) 中和电容值,3 dB带宽 B0.7,习题 三级单调谐中频放大器，中心频率f0=465 kHz， 若要求总的带宽 B0.707=8 kHZ，求每一级回路的 3 dB

16、带宽和 回路有载品质因数QL值。,答：每级带宽为15.7kHz,有载品质因数为29.6。,解： 设每级带宽为B1，则：,习题如图所示中频调谐放大器采用3AG55作放大管，已知fo=465kHz，调谐回路 采用TTF-2-3型中频变压器，L=560H, Q0=100, N1-2=48匝， N1-3=162匝， N4-5=13匝。3AG55的参数为：gie=1.7mS,Cie=58pF，goe=290S， Coe=6.4pF，Yfe=32mS,Yre=0，试计算： （1）放大器的谐振电压增益； （2）谐 振功率增益； (3) 通频带； (4) 回路插入损耗。,解题思路 图 (a)的交流通路是图 (b) ，画出其输出通路等效电路如图 (c)所示，再化简为图 (d)即可进行计算：注意：下一级放大器的输入导纳就是上一级放大器的负载导纳，而本例的放大管为同型号，故有,解: （1）由已知条件可求得匝比 及,晶体管电导折算到回路端的等效电导,负载电导折