第2章 高频小信号放大电路

第2章高频小信号放大电路2.1概述2.2谐振放大器2.3宽频带放大器2.4集成高频小信号放大电路2.5章末小结2.1概述1.分类：⑴窄频带放大电路：对中心频率在102kHz~103MHz,频谱宽度在103Hz~103kHz内的微弱信号进行线性放大。功能要求：一定的电压增益、选频能力。⑵宽频带放大电路：对频带宽度为100MHz~103MHz以上的微弱信号进行线性放大。特点：下限截止频率很低（有些要求到0Hz即直流）,上限截止频率很高。2.放大器的组成：窄频带放大电路：双极型晶体管或场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益；LC谐振回路或陶瓷滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。两种主要类型：1、分立元器件为主的谐振放大器；2、集成电路为主的集中选频放大器。宽频带放大电路：由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为展宽工作频带,要求有源器件的高频性能好,而且在电路结构上采取一些改进措施。3.放大器的作用:（小信号）电压放大，选频。4.放大器工作特点和分析方法:特点：线性放大电路分析工具：窄带放大电路：Y参数等效电路宽带放大电路：混合π型等效电路5.窄带放大电路应用:超外差接收机中的高放、中放；发射机中的已调小信号放大等等……由于天线接收到的信号强度起伏变化很大，为了使放大器工作正常，提供给解调器的信号电压稳定，必须对接收机中高频小信号放大电路的增益进行控制，即接收信号强时使增益减小，接收信号弱时使增益加大。*可控增益放大器是AGC电路中的重要环节之一，完整的AGC电路在第6章介绍。2.2谐振放大器高频小信号谐振放大器广泛用于广播、电视、通信、雷达等接收设备中。作用：将微弱的有用信号进行线性放大并滤除不需要的噪声和干扰信号（选频放大）。主要性能指标：电压增益(功率增益)、通频带、矩形系数和噪声系数。本课程主要分析由晶体管和LC回路组成的谐振放大器。由于谐振放大器的工作频段较窄，多数用LC并联回路选频，故采用晶体管Y参数等效电路进行分析比较合适。图2.2.1晶体管共发射极Y参数等效电路be＋－bUbIcI＋－cUce(a)be＋bU－yiecreUybfeUyyoececU＋－cIbI(b)coebfeccrebiebUyUyIUyUyI(2.2.1)以共发射极接法（共射组态）的晶体管为例,将其看作一个双口网络,如图2．2．1所示,相应的Ｙ参数方程为：2.2.0晶体管Y参数等效电路：其中,输入导纳为0cUbbieUIy反向传输导纳为0bUcbreUIy正向传输导纳为0cUbcfeUIy输出导纳为0bUccoeUIy图中:受控电流源yreUc：输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；yre越大,表示晶体管的内部反馈越强。yre的存在对实际工作危害很大,是谐振放大器自激的根源,也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其减小或削弱它的影响。yfeUb：输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。ｙfe越大,表示晶体管的放大能力越强。晶体管的Ｙ参数可以通过测量得到。通过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管的Ｙ参数。注意：Ｙ参数不仅与静态工作点的电压、电流相量值有关,而且是工作频率和静态工作点的函数。例如，当发射极电流Ie增加时,输入与输出电导都将增大。当工作频率较低时,电容效应的影响逐渐减弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册,都应注意工作条件和工作频率。.为了分析方便，晶体管Ｙ参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和电容表示的直角坐标形式,而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式,即yie=gie+jωCieyoe=goe+jωCoeyfe=|yfe|∠φfeyre=|yre|∠φre在图2.2.1（b）Y参数等效电路中，若c、e极之间接有负载YL，现利用Y参数推导晶体管b、e极之间的输入导纳Yi。LoerefeiebbiYyyyyUIY(2.2.2)(2.2.3)因为Ic=-YLUc，代入式（2.2.1）后，经过整理，可求得说明：1.如果反向传输导纳Yre足够小，则式（2.2.3）中第二项可以忽略，可以得到：Yi≈yie，（其他参数表达式在同样条件下也可作类似简化）；2.由式（2.2.2）可知晶体管导纳参数与信号角频率ω有关，频率越高，影响越明显；3.表达式中的电导和电纳（物理意义）与晶体管结电阻、结电容有关。2.2.1单管单调谐放大器１．电路组成及特点组成：图2.2.2——典型的单管单调谐放大器。Ｃb、Ｃc：和信号源（或前级放大器）、负载（或后级放大器）耦合的电容；Ｃe：旁路电容。（较大）电容Ｃ（较小）与电感Ｌ组成并联谐振回路作为晶体管的集电极负载,其谐振频率应调谐在输入有用信号的中心频率上。图2.2.2单管单调谐放大电路LCcCR2UCCCbR3CeR1Ｃb、Ｃc：耦合电容（较大）Ｃe：旁路电容（较大）LC并联谐振回路：集电极负载（C较小）特点：回路与本级晶体管的耦合：自耦变压器耦合方式,减弱晶体管输出导纳对回路的影响。回路与负载（或下级放大器）的耦合：自耦变压器耦合和电容耦合方式,既可减弱负载（或下级放大器）导纳对回路的影响,又可使前、后级的直流供电电路分开。上述耦合方式也比较容易实现前、后级之间的阻抗匹配。LCcCR2UCCCbR3CeR1２.电路性能分析为了分析放大器电压增益，图2.2.3给出其高频等效电路。晶体管部分采用Ｙ参数等效电路,并忽略反向传输导纳ｙre的影响。要注意等效电路中各部分与原理电路的对应！YsbIiUyieifeUyyoecUCn1pUge0cIn2LyieoULY图2.2.3单管单调谐放大器的等效电路YsbIiUyieifeUyyoecUCn1pUge0cIn2LyieoULY前级电路或信号源简化的Y参数等效电路LC并联谐振回路负载：下一级电路的输入导纳输入信号源用电流源Is并联导纳Ｙs表示负载假定为另一级相同的单调谐放大器,所以用晶体管输入导纳ｙie表示。单管单调谐放大器的电压增益为iouUUA(2.2.4)先求Uc与Ui的关系式,然后求出Uc与Uo的关系,即可导出Uo与Ui之比,即电压增益Au。..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'LY)1(122021'ieeLynLjCjgnY(2.2.5)由于是上的电压,且与相位相反,因此cU'LYcUcI'LccYUI由Y参数方程(2.2.1)可知coeifecUyUyI(2.2.6)(2.2.7)代入式(2.2.6)，可得cfeLoeiUyYyU'根据自耦变压器特性21/,/nUUnUUpopc,有coUnnU12将式(2.2.8)和(2.2.9)代入式(2.2.4),可得(2.2.8)(2.2.9)LoefeiouYynynnUUA2121(2.2.10)其中,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'21LLYnY'LY2021LeieYgjCnyjL(2.2.11)根据晶体管4个导纳关系式（2.2.2）,将式（2.2.11）代入式（2.2.10）中,则121feunnyAgjCjL其中ｇΣ与ＣΣ分别为谐振回路总电导和总电容：gΣ=n21goe+n22gie+ge0CΣ=n21Coe+n22Cie+C谐振频率为LCf210或LC10回路有载Ｑ值为001eCQgLg(2.2.14)回路通频带即放大器带宽为02egfBWQC(2.2.15)以上几个公式说明,考虑了晶体管和负载的影响之后,放大器谐振频率和Ｑ值均有所变化。谐振频率处放大器的电压增益为gynnUUAfeiu21000其电压增益振幅为12000feuinnyUAUg(2.2.17)(2.2.16)由上式可知,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，所以：(1)为了增大Ａu0,应选取|yfe|大,ｇoe小的晶体管。(2)为了增大Ａu0,要求负载电导小,如果负载是下一级放大器,则要求其ｇie小。(3)回路谐振电导ｇe0越小,Ａu0越大。而ｇe0取决于回路空载Ｑ值Ｑ0,与Ｑ0成反比。(4)Ａu0与接入系数ｎ1、ｎ2有关,但不是单调递增或单调递减关系。由于ｎ1和ｎ2还会影响回路有载Ｑ值Ｑe,而Ｑe又将影响通频带,所以ｎ1与ｎ2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。在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要宽（因为Qe值小于Qo值）。基本解题步骤：1、先按原理图画出交流等效电路；2、画出高频等效电路；3、对信号源及负载进行等效折算，简化电路；4、按已知条件和基本公式进行演算。【例2.1】在图2.2.2中,已知工作频率ｆ0＝３０MHz,UCC＝６Ｖ,Ｉe＝２mA。晶体管采用３ＤＧ４７型高频管。其Ｙ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=400μS,Coe=9.5pF；|yfe|=58.3mS,∠φfe=-22°；|yre|=310μS,∠φre=-88.8°,回路电感Ｌ＝１.４μH,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Ａu0和通频带ＢＷ0.7。并问回路电容Ｃ是多少时,才能使回路谐振？解:（忽略ｙre的作用。）因为SLQge666000109.37104.110210011所以Sgngnggieee332662202101055.0102.13.010400109.37从而321055.0103.583.033210gynnAefu因为pFLC20104.1)10302(1162620又ieoeCnCnCC2221所以pFCnCnCCieoe4.9123.05.920222213120.55104.38223.142010gBWMHzC加例2.1：某单级小信号调谐放大器的交流等效电路如题图所示。如果要求谐振频率f0=10MHz，通频带B=500KHz，谐振电压增益Au0=100。在工作点和工作频率上测得晶体管Y参数为：yie=(2+j0.5)mS,yre=0，yfe=(20–j5)mS,yoe=(20+j40)μS。若线圈Qo=60，试计算：谐振回路参数L、C及外接电阻R的值。UiCLR加例2.2:单调谐放大器如图所示。已知中心频率f0=5MHz，晶体管静态工作电流IEQ=1.5mA时的参数goe=50μS，Coe=6pF，电感线圈L=20μH，Q=80。试求：⑴画出该电路的交流通路及Y参数等效电路；（2）求放大器的谐振电压增益及通频带；（3）求回路外接电容C的大小。加例2.3某单调谐放大器如图所示，已知f0=465kHz，L=560μH，Q0=100，N12=46，N13=162，N45=13，晶体管3AG31的y参数如下：gie=1.0ms，goe=110μs，Cie=400pF，Coe=62pF，yfe=28∠340°ms，试计算：（1）谐振电压增益Auo;（2）通频带BW；（3）回路电容C。2.2.2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ｎ级,各级电压增益振幅分别为Ａu1,Ａu2,…,Ａun,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积,即Ａn＝Ａu1Ａu2…Ａun如果每一级放大器的参数结构均相同