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1、宽带放大器的匹配原则喻正元江西电子仪器厂引言宽带放大系统出现的各种高频振荡是设计宽带放大器的人经常遇到的头痛问题,为了排除这些振荡往往需要极大的代价令人遗憾的是至今还没有一套设计方法可以把各种高频振荡出现的可能性排除在放大系统 的安装与调试之前。甚至很多设计者还误认为高频振荡的出现仅仅是由于放大电路的引线过长或印刷板的布局不妥等纯工艺上的因素引起的里看来,宽带放大器的设计便带有相当大的盲目性。是否可以把各种高频振荡的可能性排除在宽带放大系统的安装与调试之前呢在解 决这一问题的过程中我们发现宽带放大系统的高频振荡往往是放大器之间的阻抗匹配 不当所引起的,从而使我们提出了宽带放大系统的匹配问题。本
2、文力图使设计者在设 计 宽带放大系统的过程中就能杜绝各种高频振荡出现的可能性,从而大大减轻调试过程中的紧张程度。作者希望广大的设计师与调试人员对本文出现的错误与不恰当之处给予批评指教。、宽带放大器间匹配的必要性在低频功率放大电路中,为使晶体管充份发挥其功耗潜力,要求在连续两级功率放大器间采用变压器进行祸合,以保证后级放大器的输人 电阻能折合为前级放大器晶体管的最佳负载。这就是低频功率放大器的匹配方法。在宽带放大系统中,为了最大限度地发挥晶体管的 高频 潜力,是否在放大器之间也有一定的匹配方法呢过去认为只要在连续两级宽带放大器之间能达到直流电位上的一致,简单地把它们连接起来就可以,或者至多在它们
3、中间加一级射极跟随器罢 了也就是说,它们之间似乎不存在什么匹配问题。现在考虑一个最简单也是最有代表性的放大器输人回路图。它可以代表任何一种宽带放大器的射极反馈回路如 果 把它的。理解为分布电容,又可代表为射极跟随器。这个放大器或跟随器 对前级的输人阻抗为,、,入盘十卢尸卢十育下,丁万石一声尸 下毋上飞它、,声了曰上十一十月。口功,卢。召十。田二、十下十卢。对于射极跟随器或各种组合放大器,上式可用等号连接,近似只对简单的未进行单向化的电流串联负反馈放大器成立。将上式通分化简,然后分开实部与虚部,并令二功,。的望了月。则实部,。凡。卜番月。 月。一一若 天去十切。办曰功八 十,犷一户石尹 饭十一下
4、齐, 、切备一、切东, ,二,、二,士十,。凡二卜番,二一,八八八 且日一二一件大性月,住孟, 、,八活,、一、若, 、刀示、忆口爪 ,、,它就是等效的输人电阻。当 番,一凡,。、二卜一汾,汾,时,放大器的输入电阻就可能成为负电阻。由于放大器的输人回路总存在一定的引线电感、分布电容,只要此槽路的谐振频率落在使输人电阻为负的频带内,则负阻效应就从电源吸收能量供振荡槽路维持振荡之用。既便放大器的输入回路经过精心设计、巧妙安装,不存在任何引线电感与分布电容,负阻效应引起的高频振荡仍可能发生,例如射极跟随器的输出阻抗约为十月,并联电压负反馈放大器的输出阻抗约为令,如将复数月的表示式代人,得到这两种低阻
5、输出电路的输出阻抗虚数部份分别为,田斋丁援淤与加斋不纂筛扮,皆为电感输出,此电感与下级放大器的输入电容组成的槽路由负阻效应提供能量即可引起振荡。因此,电路如果选择不当,也会产生振荡。例如一型示波器的触发放大器输入部份采用两级射极跟随器串接的形式,前级跟随器提供电感、后级跟随器提供电容与负电阻,因此极易引起振荡。如设后级跟随器的输入电容以及其他一切形式的分布电容总和为,则这种示波器的振荡频率约为厂丁一吻 忆口二二 二一二 丑 七一,万二二厂二二十吞 十山一里 飞丢七王这个频率高于示波器的最高使用频率。因此,称其为高频振荡。回到不等式、由于此峭,局凡,因此可将它化简为、。、一头一瑞。一,月。一 汾
6、月若,书犷孟 以历小小叫已目已,此不等式有两根为二丫一鱼粤彝一上了画享辱二些一鬓耳 切艺沙厂名在石卢言吞一丑一娜 嘴士杯。端 月。一。一石“户几、门一。一吞端,。名 月。一。一乃一,一尸 一乌、厂,了了一一兰牛拼一二扩业亡区卫卫三竺户又“一少八。一切甲,火。月。仁。一。一,石时,输人电阻处于负阻区。而输人电阻为正电阻 的频带只有如下的一段可供放大器运用。,十,、 弓、下二二 二二二尸二二二二 切望,户一找。一石从上式知,如需扩大正阻 区到整个频带只需一。一此时就不存在负电阻问题。于是、尹,曰了碑、。一。凡资田十资命 换句话说,只要或成立,就可以保证不发生负阻效应及由负阻效应引起的高频振荡。条件
7、或还可以减弱,以后再研究。总而言之,只要放大器之间不满足某种关系便易产生高频振荡。因此,放大器之间的联接不是没有讲究的。只有放大器联接后不发生振荡,才能谈得上怎样达到技术指标的要求。所以,必须把防止振荡的问题作为当务之急首先予以解决。县、高频振荡的消除一个放大系统产生振荡的原因,一般只有三个,其一是各级放大器间通过公用电源或电磁场相互祸合构成一个复杂的反馈系统弓起振荡。其二是单级放大器的传递函数极点出现虚根或不满足稳定性判据。其三是放大器晶体管的基极回路或发射极回路 出现负阻效应。前两种皆属于调节理论研究的对象,大家都很熟悉。由于示波器轴 系统每级放大器皆是单独供电,去祸措施相 当完善,因此由
8、第一个原因引起的振荡极少见,不必讨论。由第二个原因引起的振荡或不稳定现象很易消除,以后再研究。而第三个原因引起的振荡在轴 系统最常遇到,它几乎占各种振荡现象的百分之九十以上,因此,应该给予重视。先研究负阻效应在放大器输入回路引起的高频振荡及其消除办法。我们从合理地设计宽带放大器 出发,将排除负阻效应引起的高频振荡办法分为消极的与积极的两种。所谓消极的办祛指由于设计时考虑不周到,所设计的系统在安装调试过程中出现高频振荡,调试人员怎样采取措施排除振荡。所谓积极的办法指设计人员在设计宽带放大系统时,选择合理的电路方案、恰 当地匹配各放大级的负载阻抗,从而设计的放大系统本身就排除了振荡的可能性。消极
9、的办法串电阻。利用移相环节将负阻区移出谐振频率点晶体管的基极串电阻 图汉。这种办法是最常见的办法,广泛地为各种示波器的轴系统所采用。它相 当于增加。,设前级放大器的输出电阻与输出电容分别为,、已,方为所需串人的电阻,则二 不兀两西万十八而十一”宁下丁二莽淆拼举那胃器箭,二业或之些一一,、一一几伙。一,切。十川一于 七万 十瓜了“其中“应为发生振荡时的频率。为了应用上的方便,可以将吞的范围求出来,为此只须将发生负阻的两个极限频率代入前一式,经近似计算得到搬升。一下气一“西寸叫厂笠不 凸切一。一汽几,一一十丽而声许石万万这种排除振荡的办 法仅适用于放大器而不适用于射极跟随器,。皆很大,从而需。很大
10、,这严重的降低 了射极跟随器的频带。月补偿电容上 串电阻 图兀扁栗碧 攀丽因为对于射极跟随器凡、这种方法也经常被放大器所采用。显然,射极跟随器也无法采用这种办法。这个电路对前级的输人阻抗为切十卜入吞十月。月田将复数形式的月代入,是得到求 出上式 的 实 部,令蓄的系数大于 另就能保证实部大于“,于入杯二,。三竺筹易一如果计人。、的影响,丑还可以 比上式小,但计算复杂得多。、串磁芯、晶体管的基极 串磁芯。串磁芯的办法广泛地被应用于射极跟随器的消振,磁芯材料的产。值由所需 消振的频率而定,。磁芯可用等效的感抗与电阻串联表示,文献 列 出 了一些磁芯 的与之值,于是基极串磁芯 的消振办法图相当于基极
11、串电阻的办法电感还起了移相作用。只要我们根据振荡频率。决定了图刀的石,就可以由,选取适 当的磁芯。月、晶体管的发射极串磁芯。其等效电路画出在图,于是射极回路的阻抗为一 十十田十 切。 。理遥户“一省荟。圣 呈丑署 誉 片必句田乡丁下丽丽乙曹脚就不可能 出现负阻现象。我们可以由振荡频率 。及 、。定所需,然后选取磁芯。这种消振 的办法远比将磁芯 串在基极有效。它的另一优点是,对射极跟随器的频带影响不大。可惜这种消振办法不能在放大器中采用。因为它将补偿回路的作用抵消了。、并联串联移相环节。、晶体管基极间并联串联移相电路图。这个消振办法基于这样的原理设放大器的输入电阻为入,输人电容为入,于是它与串联
12、消振环节并联的等效阻抗为、 月人十,丁一月十,一下犷, 一 口入、功七入 户“入十十一一。丑入丑 。入入。入丑入。入 。入入“。入“只要它的实部大于另就能达到消振的目的。令实部的分子大于另得到。、一只火、夕一,二,甲一气二了二二 找月入儿入八又曰乙只要知道 了振荡频率,就可以由的入表示式求出入、入,然后选取一个的数值,的大小就可求出。刃、晶体管发射极间并联移相环节图尸。发射极间的等效阻抗为、 长叹十二一二丁 功十一,二二十 切,。基极输入阻抗为入,协月己月十将复数表示的,代入,为简单起见忽略,、的影响,并认为发生高频振荡时份局,于是可得二与。的限制条件为。,只。一。丑,凡 二下一内飞厂二一郁一
13、一二子二一一,二从气二二尸,十艺一仁一口一一乙又“一少丫云奈巧一箭攀黯二。笔箭卫干十杯票司只要知道了振荡频率,就可以选取、。如果计入石的影响,以上限制可以放宽,但计算将极其繁琐故略去。、晶体管的、极间并联小电容。这种排除振荡的办法经常用在射极跟随器带来的高频振荡 上。例如一示波器经常采用。这种办法的实质是降低晶体管的特征频率。从式知晶体管的特征频率。需小于十簇斗下片,如。二选得过大则。一。口过大,从式知,会产生负阻现象工亡艺己心引起振荡。那为什么不干脆选用低一些的晶体管呢这样做岂不既简单又经济吗是 的,如果每个设计人员都能掌握产生高频振荡的实质,就不会再做出象一那样的不经济的事情。如果宽带放大
14、器己经产生高频振荡,而且已经判明是负阻效应引起,那么采用以上七种办法来对付,是完全可以将其排除的。不过也得交待清楚,以上所讲的各种排除振荡的办法对放大器的频宽都会减小所以以上所讲的各种排除振荡的办法只适用于排除那种振荡频率高于示波器的最高使 用频率的振荡,出现这种振荡,放大器的调试工作才是有前途有希望 的。如果出现的振荡绷率低于示波器的最高使用频率,那么只有两种办法可供参考其一,可能振荡不是来自放大器的输人回路,例如共射共基放大器的共基管也会出现振荡甚至是低频振荡。其二,如果确是输人回路的负阻效应所引起,那就表明设计的电路有原则性的错误,应该将其推倒重来。、积极的办法使设计的电路不 出现负电阻
15、问题、选择合理的线路。无论从事设计宽带放大器或调试计算机的人都深有体会射极跟随器极易产生振荡可是,无论从书本上或课堂上都给人们一个根深蒂固的概念射极跟随器的最大优点是能够进行阻抗匹配。因此,凡是需要输出讯号的地方用射极跟随器做输出凡是需要输入讯号的地方用射极跟随器做输入。事实上这一概念的正确性是有条件的,它仅仅对低频而言才是正确的,如果把它推广到高频就会荒谬甚至使放大系统根本无法工作生一的触发放大器设计就是受上一错误概念指导产生的。该触发放大器的输人部分,由于射极跟随器提供的电感、电容、负电阻三者俱在,因此极易振荡。事实上,在宽带放大系统 中应尽可能不使用射极跟随器。除非在输人部分由于低频温度
16、稳定性的要求,非得在源跟随器的后面紧跟一级射极跟随器不可之外。如果 出现引线过长 的地方怎么办呢例如从放大器到触发放大器的引线、从示波管的偏转板到垂直放大器插件的引线。出现引线过长的时候应该采用下面的电路形式以高阻输出的电流源作讯号输出,然后是长引线接出,最后以低阻输人的放大器和长引线相接。具体的做法是电流串联负反馈放大器通过长 引线和并联电压负反馈放大器相联接。在采取了一定的措施后共射共基电路也能完成上述任务。之所以能这样做,是因为这种电路不怕电容性负载接在低阻输人的地方,也不怕引线 电感接在恒流源的输出处。因此它能避免引线过长引起的高频寄生振荡现象。所以把一切振荡的原因都归之于引线过长等纯工艺的因素是不恰 当的。显然,以上那种以高阻输 出接低阻输人的做法是和以低阻输 出接高阻输人的传统做法相对抗的。总而言之,电路的设计者立足于选择最合理的电路形式是最关键的事情。
