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1、Chapter 3 高频小信号放大器,3.1 概述 3.2 晶体管高频小信号等效电路与参数 3.3 晶体管谐振放大器 3.4 谐振放大器的稳定性,3.1 概述,定义： 中心频率在几百kHz到几百MHz，频带宽度在几khz到几十MHz，放大微弱信号的放大器称为高频小信号放大器。,高频小信号放大器工作在电子器件的线性范围（甲类放大器)，因此可将元件看成线性元件。,1. 高频小信号放大器的分类,按所用的器件：晶体管（BJT)放大器、场效应管（FET)放大器、集电电路（IC)放大器；,按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器；,按电路形式：单级放大器和多级放大器；,按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器。,主
2、要讨论晶体管、单级、窄带、谐振放大器。谐振放大器采用谐振回路作负载，同时具有放大和选频的作用。,2. 高频小信号放大器的性能指标,1）增益（放大倍数）,电压增益：,功率增益：,分贝表示：,自然我们希望放大器在中心频率及通频带内增益尽量大。,2）通频带,当放大器的负载是谐振回路时，放大器的谐振特性和谐振回路的特性一致。,放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用B=2f 0.7表示。B=2f 0.7也称为3dB带宽。,回路Q值越大，通频带越窄，放大器级数越多，通频带越窄，并且，通频带越宽，放大器的增益越小。,3）选择性,选择性是用来衡量放大器选出有用信号
3、，抑制干扰信号的能力。常采用矩形系数和抑制比来表示。, 矩形系数,通常用来说明对邻近波道干扰的抑制能力。,2f r 0.1, 2f r 0.01分别为增益下降至0.1和0.01处的带宽，可见Kr 1，Kr愈接近于1越好。通常Kr0.1在25之间。, 抑制比,主要用来表示对某个特定干扰信号fn （如中频、镜频等）的抑制能力，用dn表示。,An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。,例：Av0=100 ，An =1,4）工作稳定性,指在电源电压变化或器件参数变化时，放大器的主要参数的稳定程度。不稳定的表现是增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等，极端情况是放大器发生自激，
4、完全不能工作。,为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。,5）噪声系数,放大器的噪声性能可用噪声系数表示，定义为：,可见NF大于1，我们希望NF越接近1越好。,以上这些指标要求，相互之间即有联系又有矛盾。增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。,3.2 晶体管高频小信号等效电路与参数,晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。,在电路分析中，“等效电路”是一种很有用的方法，晶体管在高频运
5、用时，它的等效电路主要有两种表示方法，形式等效电路(Y参数等效电路)和物理模拟等效电路（混合型等效电路）。,一、形式等效电路（网络Y参数等效电路）,形式等效电路把晶体管看成一个四端的黑箱，它只在端口特性上等效，对外等效为一组参数。,该四端网络在工作时有四个参数，分别是输入电压V1，输入电流I1，输出电压V2，输出电流I2。,选两个电压为自变量，电流为参变量，则得到Y参数等效电路，即导纳参数。同样，还有Z参数（阻抗参数），H参数（混和参数）。,选V1， V2为自变量，I1，I2为自变量，即,式中：,称为输出短路时的输入导纳；,称为输入短路时的反向传输导纳，反映了输出电压对输入电流的影响，即电路的
6、反馈作用，是产生不稳定的因素，希望尽量小；,称为输出短路时的正向传输导纳，反映了输入电压对输出电流的控制作用，即电路的放大作用；,称为输入短路时的输出导纳。,由上面的等效电路方程，可以得到等效电路,注：这里得到的Y参数只是晶体管本身的短路参数，即自参数，它只与晶体管的特性有关，而与外电路无关，所以又称内参数。,晶体管作放大器用时，因为输入端或输出端接有信源与负载，此时Y参数与外接负载和信号源内阻有关，所以称为外参数。,二、物理模拟等效电路（混合型等效电路）,把晶体管内部的物理过程用集中元器件RLC表示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是所谓的混合型等效电路。,(1) 基极体电阻rb
7、b：不同类型的晶体管，rbb的数值也不一样，一般rbb = 1550。,(2) 发射结电阻rbe：晶体管放大时，发射结为正向偏置，所以rbe较小，一般为几百。,(3) 发射结电容Cbe： Cbe = Cj + CD 因为发射结为正向工作，所以Cbe主要为扩散电容CD ；一般约为10500PF。,(4) 集电结电阻rbc：因为集电结为反偏，所以较大，约为10k10M。,(5) 集电结电容Cbc：Cbc = Cj + CD 因为集电结为反偏置，所以Cbc Cj，Cbc约为几pF。Cbc引起交流反馈，可能引起自激，故希望其小些。,(6) 等效电流发生器gmVbe：是表示晶体管放大作用的 gm是晶体管
8、的跨导，反映晶体管的放大能力，即输入对输出的控制能力。 gm约为几十ms的数量。根据定义：,(7) 集射极电阻rce：rce较大，几十k ，常忽略。,三、混合等效电路的简化,在频率较高的情况下：,rbc与Cbc引起的容抗相比，rbc可视为开路；,rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可视为开路；,rce与回路负载比较，可视为开路。,这是对工作频率较高时的简化电路。 频率低时通常可忽略电容的作用。,四、Y参数等效电路与混合等效电路的转换,但在小信号放大器中，常以y参数等效电路作为分析基础。因此，有必要讨论混合等效电路参数与y参数的转换，以便根据确定的元件参数进行小信号放大器或其他电路的设计和计算。
9、,若工作状态确定，则型等效参数就确定了。可从手册上查得rbb、Cbe、Cbe等参数。,推导及公式略。,对图2列b,b,c三个点的电流方程，消去中间变量Vbe，可以得到与图1类似的方程形式。,Y参数等效电路,混合等效电路,将方程对比，可以得到:,考虑到前面讨论的混合等效电路的简化，以及ybe ybc , gce gbc , gmybc 等条件，上述公式可作简化。,五、晶体管的高频参数,1）截止频率f,由于0比1大的多,在频率为f时,|虽然下降到原来的0.707倍,但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。,2）特征频率fT,定义：当频率增高，使|下降到1时的频率。,电流放大系数与f 的关
10、系：,3）最高振荡频率fmax,fmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当ffmax时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,晶体管的功率增益Gp=1时的工作频率。,fT可查手册获得，因此可根据上式粗略估算该晶体管在某工作频率下的电流放大系数。,R1、R2、R3为偏置电阻，决定工作点； LF、CF为滤波电路，负压供电； C4、L组成LC谐振回路； C1、C2为耦合电容，隔直； C3为射极旁路电容；,可以看出，单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联回路的组合，其中回路采用了抽头的接入方式。,3.3 晶体管谐振放大器,3.3.1 单级单调谐回
11、路谐振放大器,画交流等效电路，如右图,再用Y参数等效，如下图,可得方程组,式(3)代入式(2)得,式(4)代入式(1)得,所以放大器的输入导纳为,yie为晶体管共发连接时的短路输入导纳（内参数），Yi为晶体管接成放大器且接有负载YL的输入导纳。,两者相差的部分为反馈导纳，它会引起放大器的不稳定，分析其他质量指标时暂不考虑yre。令yre =0，即Yi = yie。,放大器的质量指标,1）电压增益,根据抽头关系,YL代表由集电极C向右看的回路导纳。,在谐振点，f =0，可得小信号单级调谐放大器的谐振电压增益为：,电压增益的相关结论,2）功率增益,可知,其中：,3）放大器的通频带,通频带计算,当
12、和 为定值时（电路定了其值也定），带宽增益乘积为常数。,考查增益带宽积：,4）选择性,前面定义了矩形系数,说明单调谐回路放大器的邻道选择性比较差。,3.3.2 多级单调谐回路谐振放大器,若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。,1）增益,2）通频带,如果各级放大器是相同的,可见，级数越多，谐振曲线越尖锐。,3）选择性,对多级放大器,单调谐回路特点是电路简单,调试容易,但选择性差（矩形系数离1较远）,增益和通频带的矛盾比较突出。,m=2时，Kr0.1=4.66， m=3时，Kr0.1=3.75。极限2.56,3.4 谐振放大器的
13、稳定性,一、自激产生的原因,放大器的输入导纳,前面在分析的时候忽略了yre。令yre =0，即Yi = yie。但是实际上由于yre的存在会使得放大器不稳定，甚至自激。,gF改变了回路的QL值, bF引起回路失谐。这些都会使回路的增益、选择性、通频带、谐振曲线等发生变化。并且YF是频率的函数，所以上述的变化都是不稳定的。可能是正反馈也可能是负反馈。,特别的，gF在某些频率上呈负电导性，使回路的总电导减小，Q增加，通频带减小，增益也因损耗的减少而增加，理解为负电导gF供给回路能量，出现正反馈。,当总电导g = gF + gs + gie = 0时，反馈能量补偿了回路损耗的能量，等效为回路不消耗能
14、量，此时回路Q值 ， B0， 放大器失去放大性能（在无输入的情况下也有输出），即处于自激振荡工作状态。,二、放大器产生自激的条件,当Ys + Yi = 0时，回路总电导g = 0 放大器产生自激。,此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。,即自激条件为：,引入稳定系数,三、Avo与S的关系,在工程上做近似的计算，在工作频率f fT时：,当S = 5时，,(AV0)s是保持放大器稳定工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器稳定工作， AV0不允许超过(AV0)s 。,四、克服自激的方法,由于yre的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的
15、单向化。,单向化的方法有：,中和法：消除yre的反馈；,失配法：使gL或gs的数值增大，因而使输入和输出回路与晶体管失去匹配。,(1) 中和法,在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。,电桥平衡时，CD两端的回路电压 不会反映到AB两端, 即对应两边阻抗之比相等。,(2) 失配法,基本思想是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管的输出阻抗匹配。,由于阻抗不匹配，输出电压减小，反馈到输入电路的影响也随之减小。因此，此方法是牺牲增益来提高稳定性。,由,要使Yi = yie，即YF0，则必须加大YL ，失配法一般采用共发共基级联放大电路。,因为共发电路中输入、输出阻抗较高，共基电路中输入阻抗低（导纳高），输出阻抗高，而共基的输入阻抗是共发的负载，故YL大。,（3）中和法与失配法比较,中和法：,优点：简单，增益高。,缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带; 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不 适于批量生产; 采用中和对放大器由于温度等原因引起各种 参数变化没有改善效果。,失配法：,优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响； 频带宽，适合宽带放大，适于波段工作； 生产过程中无需调整，适于大量生产。,缺点：增益低。,作业：,3-7 3-8 3-9 3-10 3-15,
