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1、高频电子线路,第四章高频小信号放大器,华南理工大学电子与信息学院 殷瑞祥 教授,4.2 晶体管高频小信号等效电路与参数,4.3 单调谐回路谐振放大器,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,4.5 双调谐回路谐振放大器,4.1 概述,Contents,4.7 谐振放大器的常用电路和集成电路谐振放大器,4.8 场效应管高频小信号放大器,4.9 放大器中的噪声,4.10 噪声的表示和计算方法,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,几十V几mV,1V左右,4.1 概述,普通调幅无线
2、电广播所占带宽应为9kHz 电视信号的带宽为6Mz左右。,高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,4.1 概述,高频小信号 放大器,谐振放大器(窄带),非谐振放大器(宽带),LC集中滤波器,石英晶体滤波器,陶瓷滤波器,声表面波滤波器,（调谐与非调谐）,高频小信号放大器的分类,本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器,4.1 概述,高频小信号放大器的主要质量指标,1) 增益（放大系数）,电压增益：,分贝表示：,功率增益：,2) 通频带,4.1 概述,高频小信号放大器的主要质量指标,3) 选择性, 矩形系数： 与理想
3、滤波特性的接近程度,从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。,4.1 概述, 抑制比： 对某个干扰信号fn 的抑制能力 用dn表示。,4.1 概述,4) 工作稳定性：放大器的工作状态(直流偏置)、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。,高频小信号放大器的主要质量指标,3) 选择性,不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使放大器完全不能工作。,高频小信号放大器的分析方法,晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。,4.1
4、 概述,因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此, 引入晶体管的y（导纳）参数等效电路。,4.2 晶体管高频小信号等效电路与参数,4.2.1 形式等效电路（网络参数等效电路）,式中Y参数,4.2.1 形式等效电路,晶体管高频Y参数模型,放大器输入导纳Yi,4.2.1 形式等效电路,放大器输出导纳Yo,4.2.1 形式等效电路,Y（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。,混合等效电路,优点： 各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。 缺点： 分析电路不够方便。,4.2.2 混合等效电路,4.2.3 等效电路参数的转换,4.2.3 等效电路参数的
5、转换,4.2.3 等效电路参数的转换,1. 截止频率,2. 特征频率,当f fT后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。,4.2.4 晶体管的高频参数,2. 特征频率,可以粗略计算在某工作频率f f的电流放大系数。,4.2.4 晶体管的高频参数,3. 最高振荡频率fmax,f fmax后， Gp1，晶体管已经不能得到功率放大。,由于晶体管输出功率恰好等于其输入功率是保证它作为自激振荡器的必要条件，所以也不能使晶体管产生振荡。,4.2.4 晶体管的高频参数,晶体管的功率增益Gp=1时对应的最高频率,频率参数的关系：fTffmax,通常需要多级放大器来
6、提供足够高的增益和足够好的选择性，从而为下一级（例如混频和检波）提供性能良好的有用信号。,几十V几mV,1V左右,4.3 单调谐回路谐振放大器,高频小信号放大器的电路分析包括： 1. 多级分单级 2. 静态分析 3. 动态分析 4. 整合系统,1. 多级分单级,前级放大器是本级放大器的信号源； 后级放大器是本级放大器的负载。,4.3 单调谐回路谐振放大器,交流输入信号为零；所有电容开路；所有电感短路。,Rb1、Rb2、Re为偏置电阻，提供静态工作点.,2. 静态分析,画出直流等效电路,4.3 单调谐回路谐振放大器,有交流输入信号，所有直流量为零； 所有大电容短路； 所有大电感开路。（谐振回路L
7、、C保留）,1）画出交流等效电路,3. 动态分析,4.3 单调谐回路谐振放大器,+ U31 -,+ V21 -,2）画出交流小信号等效电路,负载和回路之间采用了变压器耦合，接入系数,晶体管集、射回路与振荡回路之间采用抽头接入，接入系数,4.3 单调谐回路谐振放大器,4.3 单调谐回路谐振放大器,为方面便分析，忽略晶体管内反馈，即令yre=0。,4.3 单调谐回路谐振放大器,其他参数,把晶体管集电极回路和负载 折合到振荡回路两端,YL,+ u54 -,+ u31 -,p1yfevbe,+ v31 -,4.3.1 电压增益,4.3.1 电压增益,p1yfevbe,+ v31 -,4.3.1 电压增
8、益,谐振时,4.3.1 电压增益,整个收、发机系统的功率增益是其一项重要性能指标，因此需要考虑高频小信号放大器的功率增益水平。由于在非谐振点上计算功率十分复杂，且一般用处不大，故主要讨论谐振时的功率增益：,4.3.2 功率增益,则可得最大功率增益为：,如果设LC调谐回路自身元件无损耗，且输出回路传输匹配。,4.3.2 功率增益,如果LC调谐回路存在自身损耗，且输出回路传输匹配。,则可得最大功率增益为：,4.3.2 功率增益,通过分析放大器幅频特性来揭示其通频带与选择性。,可见越高，则通频带越窄。,1. 通频带,4.3.3 通频带与选择性,带宽增益积为一常数,1. 通频带,4.3.3 通频带与选
9、择性,2. 选择性（矩形系数）,不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。,4.3.3 通频带与选择性,单调谐放大器的级间耦合网络形式,4.3.3 通频带与选择性,单级放大器的增益不能满足要求，需采用多级放大器。,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,1. 总增益,2. 总通频带,n级放大器的通频带,4.4 多级单调谐回路谐振放大器,3. 选择性（矩形系数）,通频带,级数n增加，放大器矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。,4.4 多级单调谐回路谐振放大器
10、,单调谐回路放大器的选择性较差，增益和通频带的矛盾比较突出，为此，可采用双调谐回路放大器。,4.5 双调谐回路谐振放大器,相对单调谐回路，采用双调谐回路改善选择性和提高带宽。,借助3.5 双调谐回路频率特性的分析，可知=1时,4.5 双调谐回路谐振放大器,以上分析时，假定yre0，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈yre的影响。,1. 放大器的输入导纳和输出导纳,引用4.2 结果，可知,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,4.6.1 谐振放大器的稳定性,如果放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的输出谐振回路)，那么输入导纳Yi并联在放大器输入端回路后(假
11、定耦合方式是全部接入),2. 自激振荡的产生 (以输入导纳的影响为例),放大器等效输入端回路,实际电路中,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,所谓“谐振”，就能量关系而言，是指回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。,此时，如果g= gs+ gie + gF 0，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,（自激振荡）,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,如果反馈电导为负值，那么 g= gs+gie1+gF= 0 可能存在， 即发生自激振荡现
12、象。,3.自激产生的原因(以输入导纳的影响为例),反馈电导gF随频率变化关系曲线,如果g= gs+ gie + gF 0，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等幅自激振荡的条件。,4. 自激产生的条件 (以输入导纳的影响为例),回路谐振时 g= gs+ gie + gF = 0,= 0,分解为幅值和相位两个条件,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,不发生自激的条件,回路谐振时，g= gs+ gie + gF = 0,回路谐振时
13、，g= gs+ gie + gF 0,4. 自激产生的条件 (以输入导纳的影响为例),4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,稳定系数,如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果S 1，放大器不会产生自激。 S越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。,4. 自激产生的条件 (以输入导纳的影响为例),4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,5. 稳定性分析,假设放大器输入与输出回路相同,(包括谐振回路),4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,5. 稳定性分析,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,5. 稳定性分析,考虑到全部接入，即p1= p2=1,4.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,由于晶体管
14、内存在yre的反馈，它是一个“双向元件”。作为放大器工作时，yre的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除yre的反馈，变“双向元件”为“单向元件”。这个过程称为单向化。,4.6.2 单向化,避免自激的最简单做法是在回路两端并接电阻，即增加损耗。这就是“失配法”。,如果把负载导纳YL取得比晶体管yoe大得多，即YL yoe ，那么输入导纳,不发生自激的条件,回路谐振时，g= gs+ gie + gF 0,4.6.2 单向化,同理，如果把信号源导纳Ys取得比晶体管yie大得多，那么输出导纳,因此，所谓“失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体
15、管的输出阻抗匹配。,如果把负载导纳YL取得比晶体管yoe大得多，即YL yoe ，那么输入导纳,4.6.2 单向化,稳定系数,当Ys yie 和YL yoe ，稳定系数S大大增加。,但同时 ，增益必须减小。实际上，增益随gL增加而减小。,4.6.2 单向化,典型电路,ic1,4.6.2 单向化,失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。,二级共发共基级联 中频放大器电路,4.7 谐振放大器的常用电路,4.7.1 谐振放大器常用电路举例,窄带石英晶体滤波器电路,4.7.1 谐振放大器常用电路举例,窄带晶体滤波器等效电桥电路,4.7.1 谐振放大器常用电路举例,采用单片陶瓷滤波器的中放级,4.7.1
16、 谐振放大器常用电路举例,采用表面声波滤波器的预中放电路,4.7.1 谐振放大器常用电路举例,ULN2204集成块的中放部分,4.7.2 集成电路谐振放大器,集成电路HA1144的图像中放部分,4.7.2 集成电路谐振放大器,高频应用场效应管的特点,输入阻抗很高；,对核辐射的抵抗能力强；,恒流特性更好；,转移特性是平方律特性；,正向传输导纳远小于晶体管。,4.8* 场效应管高频小信号放大器,共源场效应管y参数等效电路,4.8.1 共源放大器,场效应管共源电路的模拟等效电路,4.8.1 共源放大器,共源极放大器,4.8.1 共源放大器,共栅极放大器,4.8.2 共栅放大器,共源共栅极放大器,4.8.3 共源共栅放大器,自然干扰,人为干扰,干扰与噪声,外部干扰,内部噪声,天电干扰,宇宙干扰,大地干扰,工业干扰,无线电台,自然噪声,人为噪声,有热噪声,散粒噪声,闪烁噪声,交流哼声,感应噪声,接触不良,4.9 放大器中的
