第第2章章 高频小信号放大电路高频小信号放大电路.概述概述.谐振放大器谐振放大器.宽频带放大器宽频带放大器.集集成成高高频频放放大大电电路路的的选选用用与与实实例介绍例介绍.章末小结章末小结2.1 概述概述高频小信号放大电路分类：窄频带放大和宽频带放大窄带放大的特点窄带放大的特点1、中心频率在几百千赫到几百兆赫2、频谱宽度在几千赫到几十兆赫内3、对微弱信号进行不失真放大（晶体管、场效应管或集成电路等有源器件）4、具有选频能力（LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器）5、以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器宽带放大的特点宽带放大的特点1、对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大2、由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好,而且在电路结构上采取了一些改进措施高频小信号放大电路1、线性放大2、采用Y参数等效电路和混合型等效电路分析3、晶体管、场效应管和电阻引起的电噪声将直接影响放大器和整个电子系统的性能2.2 谐谐 振振 放放 大大 器器1、晶晶体体管管、场场效效应应管管或或集集成成电电路路与与并并联联谐谐振振回路组成高频小信号谐振放大器。
回路组成高频小信号谐振放大器2、用用于于广广播播、电电视视、通通信信、雷雷达达等等接接收收设设备备中中,其其作作用用是是将将微微弱弱信信号号进进行行线线性性放放大大并并滤滤除除噪噪声声和干扰信号和干扰信号3、主要指标是电压增益、主要指标是电压增益,通频带和矩形系数通频带和矩形系数用参数等效电路分析高频小信号谐振放大器用参数等效电路分析高频小信号谐振放大器2.2.1单管单调谐放大器单管单调谐放大器1、电路组成：、电路组成：b、c耦合电容,e旁路电容与组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载,谐振频率调谐在输入有用信号的中心频率上电路特点电路特点 并联谐振回路与本级晶体管耦合采用自耦变压器耦合方式,这样可减弱晶体管输出导纳对回路的影响负载与回路的耦合采用自耦变压器耦合和电容耦合方式,这样,既可减弱负载导纳对回路的影响,又可使前后级的直流供电电路分开另外,也容易实现前后级之间的阻抗匹配电路性能分析、电路性能分析给出单管单调谐放大器的参数等效电路忽略re信号源用电流源与并联源导纳s表示,负载为相同的单调谐放大器,则用晶体管ie表示单管单调谐放大器的电压增益为：先求与的关系式,然后求出与的关系,即可导出与之比,即电压增益。
因为负载的接入系数为n2,晶体管的接入系数为n1,所以负载等效到回路两端的导纳为n22yie设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为,则:据自耦变压器特性：可知：其中,YL=n21是等效到谐振回路两端的导纳,它包括回路本身元件L、C、ge0和负载导纳总的等效值,即:把此代入可得：其中g与C分别为谐振回路总电导和总电容:g=n21goe+n22gie+ge0;C=n21Coe+n22Cie+C谐振频率:回路有载值以上公式说明,考虑了晶体管和负载影响之后,放大器谐振频率与值均有变化谐振频率处放大器的电压增益：其电压增益振幅由N(f)定义可知放大器电压增益振幅的另一种表达式由此式可知：单管单调谐放大器的单位谐振函数N(f)与其并联谐振回路的单位谐振函数相同,且都可以写成：因fe是复数,存在相角fe,则图2.2.1放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差180据上述公式可知,电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：(1)为了增大u0,应选取|yfe|大,oe小的晶体管2)为了增大u0,要求负载电导小,如果负载是下一级放大器,则要求其ie小3)回路谐振电导e0越小,u0越大。
而e0取决于回路空载值0,与0成反比4)u0与接入系数1、2有关,但不是单调递增或单调递减关系由于1和2还会影响回路有载值e,而e又将影响通频带,所以1与2的选择应全面考虑,选取最佳值实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下,尽可能提高电压增益单管单调谐放大器中,选频功能由单个并联谐振回路完成,所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同,其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响,比单个并联谐振回路加宽,因为有载Q值小于空载Q值例2.1图2.2.1中,已知工作频率f030MHz,Vcc6,Ie2mA晶体管采用3DG47型高频管其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：gie=12mS，Cie=12pF；goe=400S,Coe=95pF；|yfe|=583mS,fe=-22；|yre|=310S,re=-888,回路电感L=14H,接入系数n1=1,n2=0.3,Q0=100负载是另一级相同的放大器求：谐振电压增益振幅u0和通频带07，并求回路电容是多少时,才能使回路谐振？解：设不考虑yre，因为所以g=ge0+n21goe+n22gie=37.910-6+40010-6+0.321210-3=0.5510-3S从而因为又所以由可得：从对单管单调谐放大器的分析可知,其电压增益取决于晶体管参数、回路与负载特性及接入系数等,所以受到一定的限制。
如果要进一步增大电压增益,可采用多级放大器2.3.2多级单调谐放大器多级单调谐放大器如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上,则称为多级单调谐放大器设放大器有级,各级电压增益振幅分别为u1,u2,un,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积,即nu1u2un如果每一级放大器的参数结构均相同,则总电压增益振幅谐振频率处电压增益振幅单位谐振函数级放大器通频带由此可知,级相同单调谐放大器的总增益比单级放大器增益提高了,而通频带比单级放大器通频带缩小了,且级数越多,频带越窄换句话说,如多级放大器的频带确定以后,级数越多,则要求其中每一级放大器的频带越宽所以,增益和通频带的矛盾是一个严重的问题,特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说,这个问题更为突出这一特性与低频多级放大器相同例2.2某中频放大器的通频带为MHz,现采用两级或三级相同的单调谐放大器,两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？解:根据式（2321）,当n=2时,因为所以,要求每一级带宽同理,当时,要求每一级带宽据矩形系数定义,当0.1时,nn00.1,可得:则级单调谐放大器的矩形系数表表2.3.1 单调谐放大器矩形系数与级数的关系单调谐放大器矩形系数与级数的关系级数级数n n1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010矩形系矩形系数数K Kn01n01 9.959.954.904.903.743.743.403.403.203.203.103.103.003.002.932.932.892.892.852.852.562.56从表可知,当级数增加时,放大器矩形系数有所改善,但这种改善是有一定限度的,最小不会低于2.56。
2.3.3谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性共射电路由于电压增益和电流增益都较大,所以是谐振放大器的常用形式以上我们在讨论谐振放大器时,都假定了反向传输导纳re,即晶体管单向工作,输入电压可以控制输出电流,而输出电压不影响输入实际上re0,即输出电压可以反馈到输入端,引起输入电流的变化,从而可能引起放大器工作不稳定如果这个反馈足够大,且在相位上满足正反馈条件,则会出现自激振荡为了提高放大器的稳定性为了提高放大器的稳定性通常从两个方面着手通常从两个方面着手一、是从晶体管本身想办法一、是从晶体管本身想办法,减小其反减小其反向传输导纳向传输导纳re值二、是从电路上设法消除晶体管的反向二、是从电路上设法消除晶体管的反向作用作用,使它单向化使它单向化具体方法有中和法具体方法有中和法与失配法与失配法re大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc（由混合型等效电路图可知,bc跨接在输入、输出端之间）,所以选晶体管时应尽量选bc小的,使反馈容抗增大,反馈作用减弱中和法在晶体管输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路（中和电路）,以抵消晶体管内部参数re的反馈作用由于re的实部（反馈电导）通常很小,可以忽略,则常常只用一个电容N来抵消yre的虚部（反馈电容）的影响,就可达到中和的目的。
为了使通过N的外部电流和通过bc的内部反馈电流相位相差,从而能互相抵消,通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器由于re是随频率而变化的,所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用,对其它频率只能有部分中和作用.又因为re是一个复数,中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路,但这给调试增加了困难另外,如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响,中和电路的效果很有限中和电路的效果很有限中和电路的效果很有限中和电路的效果很有限图2.3.3（）所示为收音机常用的中和电路（）是其交流等效电路失配法通过增大负载电导L,进而增大总回路电导,使输出电路严重失配,输出电压相应减小,从而反馈到输入端的电流减小,对输入端的影响也就减小可见,失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是常采用的一种失配法由于共基电路的输入导纳较大,当它和输出导纳较小的共射电路连接时,相当于使共射电路的负载导纳增大而失配,从而使共射晶体管内部反馈减弱,稳定性大大提高2.3 宽频带放大器宽频带放大器 宽宽频频带带放放大大器器既既要要有有较较大大的的电电压压增增益益,又又要要有有很很宽宽的的通通频频带带,所所以以常常用用电电压压增增益益A Au u和和通通频频带带BWBW的的乘乘积积作作为为衡衡量量其其性性能能的的重重要要指指标标,称称为为增增增增益益益益带带带带宽宽宽宽积积积积,写写成成GBW=GBW=A Auuf fH H。
增增益益带带宽宽积积越越大大的的宽宽频频带带放放大大器器的性能越好的性能越好宽宽频频带带放放大大器器既既可可由由晶晶体体管管和和场场效效应应管管组组成成,也也可以由集成电路组成可以由集成电路组成在通信系统中，前置低噪放大器和混频器之后的中频放大器一般采用宽带小信号放大器宽带放大器的晶体管特性一般采用混合型等效电路bb：基区体电阻,约be：发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻,约几十欧到几千欧bc：集电结电阻,约kMce：集电极发射极电阻,几十千欧以上be：发射结电容,约皮法到几百皮法bc：集电结电容,约几个皮法m：晶体管跨导,几十毫西门子以下由于集电结电容Cbc跨接在输入输出端之间,是双向传输元件,使电路分析复杂化为了简化电路,可以把Cbc折合到输入端b、e之间,与电容Cbe并联,其等效电容为：CM=(1+gmRL)Cbc即把Cbc的作用等效到输入端,这就是密勒效应这就是密勒效应这就是密勒效应这就是密勒效应其中gm是晶体管跨导,RL是考虑负载后的输出端总电阻,C CMM称为密勒电容称为密勒电容称为密勒电容称为密勒电容另外,由于rce和rbc较大,一般可视其开路这样可利用密勒效应简化高频混合型等效电路。
其中k为波尔兹曼常数,T是电阻温度(以绝对温度K计量),IEQ是发射极静态电流,0是晶体管低频短路电流放大系数,fT是晶体管特征频率确定晶体管混合型参数可以先查阅手册晶体管手册中一般给出rbb、Cbc、0和fT等参数,然后根据此式可以计算出其它参数注意各参数均与静态工作点有关2.2.3晶体管的高频参数晶体管的高频参数考虑电容效应后,晶体管电流增益是工作频率的函数1、共射晶体管截止频率、共射晶体管截止频率共射短路电流放大系数是指混合型等效电路输出交流短路时,集电极电流与基极电流的比值从图可以知,当输出端短路后,rbe、Cbe和Cbc三者并联其中：由此式可知,的幅值随频率的增高而下降当下降到时,对应的频率定义为共射晶体管截止频率f。