4高频小信号放大器

高频电子线路教案第四章高频小信号放大器有星号标注★的为重点内容，希望掌握4高频小信号放大器4.1概述一、高频调谐放大器：高频调谐放大器的作用用于接收设备，以提高信号的质量和抗干扰能力。◆按信号大小分：小信号、大信号调谐放大器；◆按调谐回路个数分：单调谐、双调谐放大器◆按器件分：有晶体管、场效应管放大器；◆按电路组态分：共e、共b、共c放大器。二、高频小信号放大器的分类：按负载的不同分为：◆谐振放大器：以谐振回路为负载（分为高射频放大器和中频放大器）。高频放大器又叫作调谐放大器，中频放大器又叫作频带放大器。◆非谐振放大器：以集中选择性滤波器为负载。三、性能指标1、谐振增益：Av（或是Ap）放大器在谐振频率上的电压(或功率)增益。放大器输出电压(成功率)与输入电压(或功率)之比，称为放大器的增益或放大倍数，用Av(或Ap，)表示(有时以dB数计算)。我们希望每级放大器在中心频率(谐振额率)及通额带处的增益尽量大，使满足总增益时级数尽量少。放大器增益的大小，取决于所用的晶体管、要求的通频带宽度、是否良好的匹配和稳定的工作等。图1放大器的通频带2、通频带：BW0.7=fH一fL当放大器的负载是谐振回路(或耦合回路)时，放大器的谐振特性和谐振回路的谐振特性是一致的。和谐振回路相同，放大器的电压增益下降到最大值的0.707时，所对应的频率范围，称为放大器的通频带，用2f0.7（或是BW0.7）表示。与谐振回路相同，放大器的通额带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且，通额带愈宽，放大器的增益愈小。3、选择性：是指谐振放大器从输入信号中选出有用信号并加以放大，抑制干扰信号的能力。选择性是针对抑制干扰而言的，衡量选择性的指标通常为：矩形系数和抑制比。矩形系数：7.01.01.022ffKr或是7.001.001.022ffKr抑制比：VVAAdBd0lg20)(显然，矩形系Kr愈接近1，则实际曲线愈接近理想矩形，邻近波道选择性愈好，滤除邻近波道干扰信号的能力愈强。通常，谐振放大器的矩形系数约在2—5的范围内。4、工作稳定性：工作稳定性是指放大器的工作状态(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程度。一般的不稳定现象是增益变化、中心频率偏移、通频带变窄、谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激，以致使放大器完全不能工作。为了使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，如限制每级增益、选择内反馈小的晶体管、应用中和或失配方法、采取必要的工艺措施(元件排列、接地、屏蔽等)，以使放大器不自激或远离自激、且在工作过程中主要特性的变化不超出允许范围。5、噪声系数：放大器的噪声性能可用噪声系数来表示(噪声系数的定义以后讨论)。在放大器中，总是希望它本身产生的噪声意小愈好，即要求噪声系数接近1。在多级放大器中．员前面的一、二级对整个放大器的噪声起决定作用，因此，要求它们的噪声系数尽量接近l。为了使放大器的内部噪声小，在设计与制作时应当采用低噪声管，正确地选绎工作点电流，选用合适的线路，等等。4.2晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管在高频小信号下工作时，等效电路可以分为两种：形式等效电路和物理模拟等效电路。高频电子线路教案第四章高频小信号放大器有星号标注★的为重点内容，希望掌握4.2.1形式等效电路（网络参数等效电路）这种电路是将晶体管等效地看成有源四瑞网络，用一些网络参数来组成等效电路。如选输入电压V1和输出电压V2为自变量，输入电流I1和输出电流I2为参变量，则得到y参数。在本书中主要采用y参数(导纳参数)分析电路。因晶体管是电流控制器件，输入、输出端都有电流，采用y参数较为方便，很多导纳并联可直接相加，运算简单。晶体管功发射极电路如图2所示。分析电路可得：211VyVyIri和212VyVyIof，整理即可得：2121VVyyyyIIofri0211ViVIy称为输出短路时的输入导纳；0121VrVIy称为输入短路时的反向传输导纳；0212VfVIy称为输出短路时的正向传输导纳；0122VoVIy称为输入短路时的输出导纳。由以上说明，可以得到晶体管的y参数等效电路，为下图所示：图2晶体管共发射极电路图3y参数等效电路4.2.2混合等效电路形式等效电路没有牵涉到晶体管的物理机构和工作的物理过程。因此它们不仅适用于晶体管，也适用于任何四端(或三端)器件。若把晶体管内部的复杂关系，用集中元件RLC表示，则每一元件与晶体管内发生的某种物理过程具有明显的关系。用这种物理模拟的方法所得到的物理等效电路就是所谓混合等效电路。典型晶体管的混合等效电路和元件数值如图4所示图中，rb’e是基射极间电阻，可表示为：EebIr/260'，式中，0为共发射极组态晶体管的低颠电流放大系数，IE为发射极电流，单位为mA。Cb’e是发射结电容；rb’c是集电结电阻；Cb’c(或称CC)是集电结电容；rb’b是基极电阻。高频电子线路教案第四章高频小信号放大器有星号标注★的为重点内容，希望掌握图4晶体管的混合等效电路gmVb’e表示晶体管放大作用的等效电流发生器。这里的gm是晶体管的跨导：可以表示为：26//'0CebmIrg。rce是集—射极电阻。4.2.3混合等效电路参数与形式等效电路y参数的转换图5y参数和混合参数等效电路则输入电压V1＝Vb；输出电压V2＝Vc；输入电流人I1＝Ib；输出电流I2＝Ic4.2.4晶体管的高频参数分析各种高频电子线路，必须了解晶体管的高频特性。下面为表征晶体管高频特性的参数。1)截止频率f：共发射极电路的电流放大系数A将随工作频率的上升而下降，当值下降至低频值0的1/2时的频率称为截止频率，用f表示，见图6。fjf/1020/1ff图6截至频率和特征频率在《低频电子线路)中已经证明，由于0比l大得多，在频率为f时，虽下降到0/2、但仍比1大得多，因此晶体管还能起放大作用。2)特征额率fT：当频率增高，使下降至l时，这时的频率称为特征频率：1/120ffT高频电子线路教案第四章高频小信号放大器有星号标注★的为重点内容，希望掌握用ffT120，当01时．上式可近似地写成ffT0。220/1//1ffffffT，当ff时，ffffT2/1。所以，可得ffT/或是ffT。上式表明：当ff时，特征频率fT等于工作频率f和晶体管在该频率的的乘积。因此，知道了某晶体管的特征频率fT(由手册查得)，就可以粗略地计算该管在某一工作频率f的电流放大系数。3)最高振荡频率fmax：（晶体管的功率增益Ap＝1时的工作频率称为最高振荡频率）可以证明有：cbebbbmCCrgf'''max421fmax表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。通常，为使电路工作稳定，且有一定的功率增益，晶体管的实际工作频率应等于最高振荡频率的l/3—1/4。以上三个频率参数的大小顺序是：fmax最高，fT次之，f最低。4)电荷存储效应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一、性能指标（m级相同电压增益的单调谐放大器级联）1.电压增益Am＝Av1Av2Av3Avn，谐振时2207.00211mLmmffQAA，它等于各级谐振曲线的乘积，级数愈多，谐振曲线越尖锐。这时的选择性变好，但通频带却变窄了。2.通频带的公式应满足：21212207.0mLffQ，即可得：LmmQff0/17.0122又因为7.002fQfL，则7.0/17.02*122ffmm，m1，所以12/1m必小于1，因此，级数愈多，通频带愈小。如果要求m级的总通频带等于原来单级的通频带，则每一级的通频带要加宽，即必须降低每级的QL，这时，7.00/1212ffQmL，则m级调谐放大器的矩形系数为：12110022/1/17.01.01.0mmmmrffK高频电子线路教案第四章高频小信号放大器有星号标注★的为重点内容，希望掌握4.5双调谐回路谐振放大器一、原理图二、性能指标1.电压增益（1）临界耦合的电压增益（2）强耦合及弱耦合时电压增益2.通频带临界耦合时双调谐放大器的通频带：7.02f＝BW0.7＝2f0QL3.选择性临界耦合双调谐放大器的矩形系数：Kr0.1=1.02f/7.02f=BW0.1/BW0.7＝411003.164.6谐振放大器的稳定性为提高放大器的稳定性，通常从两方面着手。一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳Yre值。二是从电路上设法消除晶体管的反向作用，使它单向化。具体方法有中和法和失配法。1.中和法:中和法通过在晶体管的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)，来抵消晶体管内部参数Yre的反馈作用。使通过CN的外部电流和通过Cb‘c的内部反馈电流相位相差1802.失配法:失配法通过增大负载电导YL，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，从而使输出端反馈到输入端的电流减小，对输入端的影响也就减小。用两只晶体管按共射一共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。4.9放大器的噪声干扰与噪声的分类：干扰一般是指外部干扰，分为：自然干扰（天电干扰、宇宙干扰、大地干扰）和人的干扰（工业干扰、无线电台的干扰）。噪声的种类很多。有的是从器件外部窜扰进来的，称为外部噪声；有的是器件内部产生的，称为内部噪声。内部噪声源主要有电阻热噪声、晶体管噪声和场效应管噪声三种。对于常用的正弦电压(或电流)，可用瞬时值，振幅值、平均值、有效值等来计量，而起伏噪市电压(或电流)则必须用其他值来计量。1)起伏噪市电压的平均值：起伏噪声电压的平均值可表示为：dttvTLimvTnTn01，起伏噪声电压的变化是不规则的，没有一定的周期，因此必须在长时间内(T趋近无穷)取平均值。2)起伏噪声电压的方均值：2022022)(1][1)()(nTnnTTnTnnnvdtvtvTLimdttvTLimvtvtv3)非周期噪声电压的频谱：一个非周期信号只要满足狄义赫利条件，而且在区间(,)的积分是有限的，就可以用傅里叶积分表示。其意义是：一个非周期性的电压可以看成是无穷多个频率不同、振幅无穷小的正弦波电压的总和。非周期性函数f（t）的傅里叶积分表示式为：dwewFtfiwt)(21，其中wiiwtewFdtetfwF)()(称为振幅频谱密度，它的模)(wF表示与不同频率相对应的振幅值；辐角w表示各频率分量的初始相位。4)起伏噪声的功率谱：高频电子线路教案第四章高频小信号放大器有星号标注★的为重点内容，希望掌握dttvTLimvtvTnTnn20221)(dttvTPTn201等于起伏噪声电压的均方值，则dttvTLimPLimvTnTTn2021若以S(f)表示频率在f与f+df之间的平均功率，则总的平均功率为：dfsSP0dffSdttvTLimvTnTn02021因此，起伏噪声可以用功率谱的来表征，即起伏噪声的频谱在极宽的频带内具有均匀的功率谱密度。5)白噪声由于起伏噪声的频谱在极宽的频带内具有均匀的功率谱密度，因此起伏噪声也称白噪声。“白”字借自光学，即白色光功率谱在可见光频段内有均匀分布的特点。而把在有效频带内功率谱分布不均匀的噪声称为“有色噪声”。可见，当S(f)为常数时，dffS0是无穷大，这是不可能的，