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1、第 3 章高频小信号放大器3.1 概述无线通信中到达接收机的信号可低至微伏级, 需要进行放大。它们的频率一般从几百千赫兹到几百兆赫， 信号的频谱宽度在几千赫到几十兆赫，对这类信号进行放大地放大器通称为高频小信号放大器。接收机（Receiver ）中的高频和中频电压放大器，都属于高频小信号放大器。这类放大器，按所用器件可分为：晶体管、场效应管和集成电路放大器等。高频小信号调谐放大器( 窄带 ) ，频宽与中心频率之比很小（如调幅中放，带宽为9KHz，中心频率为465KHz ，0/ff约为百分之几） ，另外，采用调谐放大还有利于滤除频带之外的各种干扰（ interference）和噪声。高频小信号调
2、谐放大器常可分为单调谐、多级参差调谐、 双调谐谐振放大器等。利用阻容耦合或使用集成电路构成的宽带放大器，配以各种滤波器（如LC集中选择滤波器、石英晶体滤波器、声表面波滤波器、陶瓷滤波器等）可构成选择滤波式高频小信号放大器。以下是衡量高频小信号放大器的几个主要性能指标。1.中心频率在无线通信系统中，高频小信号调谐放大器放大的信号一般为具有一定带宽的频带信号，例如普通调幅波就是以载波为中心频率并占据二倍调制信号的带宽。而对于高频宽带小信号放大器，则具有很宽的频率范围，其带宽由信号频率的上、下限决定。2.电压增益与功率增益电压增益 (Voltage gain)uA等于放大器输出电压与输入电压之比.0
3、/oiuAUU或020lg()o u iUAdBU(3-1)而功率增益 (Power gain)pA等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。0o p iPAP或010lg()o p iPAdBP(3-2)3.通频带通频带（ Pass band ）的定义是放大器的电压增益下降到最大值的1/2倍时所对应的频带宽度，亦称3dB 带宽，常用0.7BW来表示。4.选择性是指对通频带以外干扰信号的衰减能力，有两种表示方法：（1）矩形系数 (Rectangle coefficient) 它表示放大器实际调谐曲线接近理想矩形的程度, 说明放大器选取有用信号抑制无用信号的能力，是放大器的选择性指标。通常用0.
4、1rK来表示。其定义为0.1 0.1 0.7rBWKBW(3-3) 式中，0.1BW为放大器的通频带和其电压增益下降到0.1 倍时所对应的频宽。(2) 抑制比 d 如图 3-1 所示，抑制比 d 定义为对通频带内谐振信号的电压增益与通频带以外某一特定频率的电压增益的比取对数，单位dB 0.7020lguuBWd（A/A ） (3-4) 图 3-1 高频小信号放大器的抑制比图 3-2高频小信号放大器的1dB 压缩点5.线性范围线性范围主要由1dB 压缩点和三阶互调截点IP3（Third-order intercept point ）来度量。在高频小信号放大电路中，器件的跨导随输入信号幅度的增加而
5、减少，此现象称为增益压缩。如图 3-2 所示。 1dB 压缩点常用来度量放大器的线性特性。当两个频率接近的信号输入到放大器时，器件的非线性会产生组合频率分量，称为互调（Intermodulation 简称 IM ）失真。由三次方项引起的互调失真称为三阶互调失真，常用三阶互调截点IP3说明三阶互调失真的程度。三阶互调输出功率与输入功率Pi的三次方成正比。iPoiPoPGdBPPGdBPlg30lg10lg10lg103311(3-5) 6.工作稳定性工作稳定性 （stability）是指放大器的直流偏置、晶体管、电路元件等参数因其自身或环境发生可能变化时，放大器性能指标的稳定程度。不稳定现象表现
6、为增益变化、中心频率、通频带偏移、谐振曲线变形等。极端情况是放大器自激，以致不能工作，故应予特别注意。7.噪声系数噪声系数 (noise coefficient)是用来表征放大器的噪声性能好坏。对于放大器来说，总是希望放大器本身附加的噪声越小越好，即要求其噪声系数接近于1。本章首先讨论晶体管高频小信号等效电路与高频参数，然后重点分析晶体管单级谐振放大器。 同时也介绍其他器件( 如场效应晶体管、集成电路等 ) 组成的高频小信号放大器，对集中选择滤波器组成的高频小信号放大器的基本电路形式和特点也会予以讨论。3.2 晶体管高频小信号等效电路与高频参数晶体管是高频小信号放大器中的最重要器件，在低频电路
7、中，我们采用H 参数等效电路（微变等效电路）来分析低频小信号放大器，虽然，当晶体管高频性能的参数远大于工作频率时，采用H 参数等效电路仍然适用于高频小信号放大器中，我们将举例说明。但一般情况下这些参数和等效电路在分析和研究高频放大器时不再适宜，因为在低频时可被忽略的晶体管结电容的因素，在高频时将严重影响晶体管的特性。因此， 在本节将先介绍晶体管共射混合 等效电路，然后再讨论晶体管Y 参数等效电路，最后介绍反映晶体管高频性能的参数：f、Tf、和f。3.2.1晶体管共射混合等效电路从模拟晶体管的物理结构出发，用集中参数元件R、C 和受控源表示晶体管内的复杂关系，这种等效电路称为物理模拟等效电路。它
8、具有各元件参数物理意义明确、在较宽的频带内这些元件值基本上与频率无关的优点。缺点是依器件不同而有不少差别，且分析和测量不便。因此，混合等效电路比较适合分析宽频带放大器。由晶体管内部结构和它工作的物理过程，可采用图 3-3 所示的混合 等效电路对其描述。图 3-3 晶体管共射混合等效电路图 3-3 中b er是发射结电阻， 处于放大状态时它处于正向偏置，其值可表示为026/b eerI，故b er数值很小。0为共发射极组态时的低频电流放大系数，eI为发射极电流， 单位为mA。b eC是发射结的结电容，bbr是基区体电阻，bcr是集电结的结电阻。由于其处于反向偏置而具有较大数值，b cC是集电结的
9、结电容，其值很小。cer是集电极与发射极之间的电阻。ceC是集电极与发射极之间的电容。跨导（Tran conductance）/ 26megI，表示晶体管的放大能力，单位为S，而mb eg U表示晶体管放大作用的等效电流源。因为在所讨论的频率范围内b cr的值远大于b cC的容抗值，通常可进行简化，用b cC代替b cr和b cC的并联电路。确定晶体管混合型参数可先参阅晶体管手册。注意到手册中一般给出bbrb cC0Tf等参数，故可根据以上关系计算出其它参数。要注意到各参数均与静态工作点有关。3.2.2 Y 参数等效电路在小信号线性应用条件下，晶体管的特性近似为线性，可视为一有源线性四端网络，
10、通过晶体管输入与输出端口的电流和电压之间的关系，导出共射情况下的晶体管Y 参数等效电路。即用一组网络参数来构成其等效电路(形式等效电路 )。 采用 Y 参数等效电路的优点是，其网络参数的表达式具有普遍意义，且分析和测量方便；缺点是网络参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器的相对频带较窄，且只需在其工作频率上进行参数计算，故Y 参数等效电路尤其适用于分析高频小信号谐振放大器。设输入电压.bU和输出电压.cU为自变量，输入电流.bI和输出电流.cI为参变量，则描述它们之间的关系的线性方程组可以写成biebreccfeboecIy Uy UIy Uy U（3-6）式中ierefeoeyyyy、是描
11、述这些关系的四个参数，称为导纳参数，即Y 参数。式中0cb ieU bIyU称为输出短路时的输入导纳；0cc feU bIy U称为输出短路时的正向传输导纳；0bb reU cIyU称为输入短路时的反向传输导纳；0bc oeU cIyU称为输入短路时的输出导纳。图 3-4 晶体管有源线性四端网络与共射y参数等效电路根据式（ 3-6）可得出如图3-4（a）所示的共射y参数等效电路，其共发射极接法的有源线性四端网络如图3-4(b)所示。图 3-4(b)中fecy U和recy U是受控电流源，正向传输导纳fey越大，则晶体管的放大能力越强。而反向传输导纳rey越大则晶体管内部反馈越强。它是放大器工
12、作不稳定的根源，小的rey有利于放大器工作稳定。对于共基组态的晶体管，其y参数用ibrbfbobyyyy、表示。共集组态的晶体管，其y参数用icrcfcocyyyy、表示。表3-1 列出了晶体管三种组态的Y 参数之间的换算关系。表 3-1 三种组态的Y 参数的换算关系共射组态共集组态共基组态yieyreyfeyoeyie -(yie+yreo)-(yie+yfe)yie+yre+yfe+yoyie+yre+yfe+yoe -(yre+yoc) -(yfe+yoc)yoeYib+yrb+yfb+yob -(yrb+yob) -(yfb+yob) yobYib+yrb+yfb+yob -(yrb+
13、yob) -(yfb+yob) YibYib yrb yfb yobyic -(yic+yrc) -(yic+yfc) yic+yrc+yfc+yocyicyrcyfcyocyoc -(yfc+yoc) -(yrc+yoc) yic+yrc+yfc+yoc3.2.3晶体管的高频参数下面讨论晶体管高频参数，它们可以用下列几个高频参数表征，这些参数对于分析和设计各种高频电子线路时，对晶体管的选择是非常重要。1截止频率f由于晶体管内部电容的低通效应，其电流增益将是其工作频率的函数。晶体管共射短路电流放大系数值将随工作频率增高而下降。由图3-5(a)所示为 |下降到低频电流放大系数0的1/2倍时，所对
14、应的频率称为的截止频率 (cut-off frequency)f。由图3-5(b)，己知.0/cecbUII，又由于b cC很小，则流过b cC电流很小可忽略，故可近似认为.cmb eIg U。因为.1()bb e bebebcUIgjCC，所以()mb eb eb cggjCC（3-7）图 3-5 截止频率和特征频率及计算的等效电路当工作频率很低时，可忽略图中b eC和b cC，此时对应的0。所以0mb eg r。代入式（3-7）中，可得0 1()beb eb cjrCC（3-8）由f的定义， |=0/2对应的f为f。即21()2beb eb crCC，则12()beb eb cfrCC（
15、3-9）可看出f与()bebeb crCC成反比，而后者又与静态工作点,CQCEQIU有关，故f是,CQCEQIU的函数，且CQI越大,CEQU越高，则f越高。将式（3-9）代入式（ 3-8）中可得0011fjjf（ 3-10）取其模02|1()f f（ 3-11）由于0远大于 1，在频率为f时，|仍远大于1，故晶体管仍具有较大的放大作用。2.特征频率Tf当|下降到 1 时所对应的频率称为特征频率(Characteristic frequency)Tf。由定义， 可得0211()Tf f则2 01Tff（3-12）因为晶体管的01，所以有0Tff（ 3-13）特征频率Tf是晶体管共发射极运用时
16、具有电流增益所对应的最高频率的极限。但这并不代表晶体管已经没有放大作用，此时放大器电压增益还有可能大于1。 与f类似，特征频率Tf也与,CQCEQIU有关，即CQI越大，则Tf越高。3. 最高振荡频率maxf使晶体管的功率增益1pA时所对应的频率称为最高振荡频率maxf。可以证明max124mbbb ebcgfrC C（3-14）它表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。晶体管在maxf时已不可能得到功率放大。为了使电路工作稳定，应使其具有一定的功率增益，故晶体管的实际工作频率相对于它的最高振荡频率maxf应尽可能低。以上三个频率大小的顺序是maxTfff。3.3 晶体管高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器广泛用于通信雷达广播等接收设备中，其作用是放大接收到微弱的频带信号并滤除不需要的噪声和干扰信号。谐振放大器的放大元件可以是晶体管场效应管或集成电路等。放大器的谐振负载可以是单回路双回路或选择性能更好的滤波器。线路形式可以是共基共发共集或它们的组合电路。3
