山东大学高频电子线路[第三章高频小信号放大器]山东大

山东大学期末考试知识点复习第三章高频小信号放大器3．2．1高频小信号放大器的主要质量指标1)增益输出电压(或功率)与输入电压(或功率)之比。2)通频带通常以放大器的电压增益下降为最大值的0．7倍所对应的频率范围为通频带，以2△f0.7表示，如图3．2．1所示。有时也称为3dB带宽。3)选择性放大器从含有各种频率的信号总和(有用的和有害的)中选出有用信号，排除有害(干扰)信号的能力，称为放大器的选择性。表示选择性的指标有：矩形系数和抑制比。图3．2．2表示矩形系数Kr的定义为显然，Kr越小越好，理想情况是Kr=1。山东大学期末考试知识点复习抑制比亦称抗拒比，图3．2．3表示抑制比的定义为d=Av0/Av放大器除了上述三个主要质量指标外，还有工作稳定性、噪声系数等，应有一般了解。3．2．2晶体管高频小信号等效电路与参数1)形式等效电路(网络参数等效电路)形式等效电路是将晶体管等效为有源线性四端网络，优点是通用，导出的表达式具有普遍意义，便于分析电路；缺点是网络参数与频率有关。根据选用的自变量与参变量的不同，可以有不同的参数系：在低频时，最常用h参数系；在高频时，则用y参数系比较方便。图3．2．4所示为晶体管放大器及其y参数等效电路。在该等效电路[图(b)]中，可列出电路方程：式中各y参数第二个脚标e表示这是共发射极电路的参数；若为共基极或共集山东大学期末考试知识点复习电极电路，则第二个脚标即用b或c。因此输入导纳为上式说明，输入导纳Yi与负载导纳YL有关，这反映了晶体管有内部反馈，而这个内部反馈是由反向传输导纳Yre所引起的。山东大学期末考试知识点复习上式说明，晶体管的正向传输导纳)，yoe越大，则放大器的增益越大。2)混合π等效电路图3．2．5是晶体管的混合，π等效电路。图中参数数值举例：gm=β0/rb'c=Ic(mA)／26(3．2．12)山东大学期末考试知识点复习三个附加电容Cbe、Cbc和Cce表示晶体管引线和封装等结构所形成的电容，其值很小，在一般情况，可以忽略。3)混合π等效电路参数与形式等效电路y参数的转换为了进行两种等效电路参数的互换，可将图3．2．4(b)与图3．2．5(略去Cbe、Cbc、Cce)重绘如图3．2．6所示。则山东大学期末考试知识点复习将式(3．2．16)、(3．2．17)与式(3．2．3)、(3．2．4)相比较，并考虑到下列条件gm＞＞｜yb'c｜，yb'e＞＞yb'c及gce＞＞gb'c通常是满足的，所以可得由上式可见，四个参数都是复数，为以后计算方便，可表示为山东大学期末考试知识点复习式中gie、goe分别称为输入、输出电导；Cie、Coe分别称为输入、输出电容。根据复数运算，并令a=1+rbb'gb'e；b=ωCb'erbb'，由式(3．2．18)至式(3．2．21)可得4)晶体管的高频参数截止频率fβ特征频率fT最高振荡频率fmax山东大学期末考试知识点复习3．2．3单调谐回路谐振放大器图3．2．7(a)是原理性电路，图(b)是它的形式等效电路，它是等效电流源与线性网络的组合。1)电压增益由式(3．2．11)可得放大器的电压增益为式中yoe=yo1=go1+jωCo1为晶体管的输出导纳。YL'为晶体管在输出端l、2两点之间的等效负载。若令p1=N1/N，p2=N2/N，经等效阻抗的转换，在LC回路a、b两端看来的总等效导纳为Y’=p12(yoe+YL')式(3．2．33)可写成山东大学期末考试知识点复习在谐振点ω=ω0时，Y’=Gp'，因此在阻抗匹配时，可得最大的电压增益为2)功率增益原书中已证明，谐振时的功率增益为在匹配时，由式(3．2．37)得在考虑谐振回路的损耗后，原书已证明，此时的插入损耗为山东大学期末考试知识点复习此时的匹配最大功率增益为电压增益则为3)通频带与选择性单调谐回路谐振放大器的通频带为它的选择性仍用矩形系数来表示。3．214多级单调谐回路谐振放大器m级单调谐回路谐振放大器的总增益是各级增益的乘积，即Am=Av1·Av2·…·Avm(3．2．45)当各级完全相同时，则山东大学期末考试知识点复习Am=Av1m(3．2．46)此时的谐振曲线由下式表示：图，3．2．8所示为多级放大器的谐振曲线。显然，级数越多，选择性越好，但通频带越窄。此时，m级放大器的通频带为它的矩形系数为3．2．5双调谐回路谐振放大器山东大学期末考试知识点复习在谐振时，ξ=0，得山东大学期末考试知识点复习根据η值的不同，也可有：弱耦合，临界耦合与强耦合三种情况。三种情况的曲线如图3．2．10所示。下面是在三种情况下，双调谐回路放大器的谐振曲线表示式为：弱耦合η＜1时有强耦合η＞1时有临界耦合η=1时有这是较常用的情况。因此，很容易求出临界耦合时的通频带由式(3．2．43)知，单调谐放大器的通频带是f0/QL。与式(3．2．55)对比可见，在回路有载品质因数QL相同的情况下，临界耦合双调谐回路放大器的通频带等于单调谐回路放大器通频带的倍，而且选择性也优于单调谐回路谐振放大器。山东大学期末考试知识点复习3．2．6谐振放大器的稳定性与稳定措施以上讨论的放大器都是假定放大器工作于稳定状态，即输出对输入没有影响，也即)yre=0。但实际上，晶体管具有反向传输导纳)，yre因而有反馈作用。由式(3．2．6)已知，此时的输入导纳为式中：第一部分yie是输出端短路时，晶体管(共发连接时)本身的输入导纳；第二部分YF是通过yre的反馈引起的输入导纳，它反映了负载导纳YL的影响。如果放大器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如图3．2．11所示。当没有反馈导纳YF时，输入端回路是调谐的。yie中电纳部分bie的作用，已包括在L或C中；而yie中电导部分gie以及信号源内电导gs作用则是使回路有一定的等效品质因数QL值。由于YF的在，就改变了输入端回路的正常工作情况。回到图3．2．11，这时总导纳为Ys+Yi。当总导纳Ys+Yi=0(3．2．57)时，表示放大器反馈的能量抵消了回路损耗的能量，且电纳部分也恰好抵消。这时放大器产生自激。所以，放大器产生自激的条件是为了使放大器稳定工作，必须使它远离自激条件。对式(3．2．58)进行一系山东大学期末考试知识点复习列推导后(见原书§3．6节)，得出作为判断谐振放大器工作稳定性的依据，S称为谐振放大器的稳定系数。若S=1，放大器将自激，只有当S＞1时，放大器才能稳定工作，一般要求稳定系数S≈5～10。同时原书还证明，放大器稳定工作的增益为失配法的典型电路是共射一共基级联放大器，其交流等效电路如图3．2．12所示。图中由两个晶体管组成级联电路，前一级是共射电路，后一级是共基电路。由于共基电路的特点是输入阻抗很低(亦即输入导纳很大)和输出阻抗很高(亦即输出导纳很小)，当它和共射电路连接时，相当于共射放大器的负载导纳很大。根据前一小节讨论已知，在YL'很大(yoe＜＜YL')时，Yi≈yie，即晶体管内部反馈的影响相应减弱，甚至可以不考虑内部反馈的影响，因此，放大器的稳定性就得到提高。所以共射一共基级联放大器的稳定性比一般共射放大器的稳定性高得多。共射级在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益很小，但电流增益仍较大，而共基级虽然电流增益接近1，但电压增益却较大，因此级联后功率增益较大。山东大学期末考试知识点复习下面对共射一共基级联放大器进行简单的定量分析。分析的方法是把两个级联晶体管看成一个复合管，如图3．2．13所示。这个复合管的y参数由两个晶体管的电压、电流和y参数决定。如两个级联晶体管是同一型号的，它们的y参数可认为是相同的。我们只要知道这个复合管的等效y参数，就可以把这类放大器看成是一般的共射级放大器。可以证明，复合管的等效导纳参数为式中，yi'、yr'、yf'、yo'分别代表复合管的四个y参数，有y∑=yie+yre+yfe+yoe△y=yieyoe-yreyfe在一般的工作频率范围内，下列条件是成立的，即yie＞＞yre；yfe＞＞yie；yfe＞＞yoe；yfe＞＞yre因此y∑≈yfe山东大学期末考试知识点复习由此可见，输入导纳yi'和正向传输导纳yf'大致与单管情况相等，而反向传输导纳(反馈导纳)yr'远小于单管情况的反馈导纳)yre(｜yr'｜约为｜yre｜的三十分之一)。这说明级联放大器的工作稳定性大大提高。其次，复合管的输出导纳yo'也只是单管输出导纳yoe的几分之一。这说明级联放大器的输出端可以直接和阻抗较高的调谐回路相匹配，不再需要抽头接入。另外，由于yf'基本上和单管情况的yfe相等，因此，用谐振回路的这类放大器的增益计算方法也和单管共发电路的增益计算方法相同。失配法的优点是工作稳定，在生产过程中无需调整，因此非常方便，适用于大量生产。并且这种方法除能防止放大器自激外，对电路中某些参数的变化(如yoe)还可起改善作用。两管组成的级联放大电路与单管共发放大器的总增益近似相等。此外，共射一共基电路的另一主要优点是噪声系数小。这是由于共发射极的输入阻抗高，可以保证输入端有较大的电压传输系数，这对于提高信噪比有利。而且共射一共基电路工作稳定，可以允许有较高的功率增益，更有利于抑制后面山东大学期末考试知识点复习各级的噪声。因此，共射一共基电路已成为典型的低噪声电路。3．2．7场效应管高频小信号放大器1)共源放大器图3．2．14为场效应管y参数(共源)等效电路。图中虚线框内为管子本身的等效电路。和Ys分别为信号源和信号源内导纳；YL为负载导纳；yis和yfs分别为管子本身输出端短路时的输入导纳和正向传输导纳；yrs和yos分别为管子本身输入端短路时的反向传输导纳和输出导纳。图3．2．15表示场效应管共源电路的模拟等效电路。图中Cgd表示栅漏极之间的电容；Cds、gds表示漏源极之间的电容和电导；gfs、表示栅源电压经放大后的漏源等效电流源。由图3．2．14和图3．2．15求得场效应管共源电路的y参数与管子参数(模拟参数)之间的关系为与单回路晶体管共发射极放大器相同，在yrs=0的情况下(单向化后)，单回山东大学期末考试知识点复习路场效应管共源放大器的电压增益为在谐振时，电压增益为通常gds＜＜GL，所以式中，RL为负载电阻。图3．2．16表示场效应管共源极放大器电路。L1C1为输入回路，L2C3为输出回路，分别调谐于信号频率。场效应管共源电路的输入、输出阻抗都很高，对回路的影响可以忽略，因此回路不需抽头接入。R1和C2组成自给偏压电路，供给需要的直流偏压。R2和C4组成去耦电路，消除高频通过公共电源的反馈。C5、C6为耦合电容，分别与后级和前级耦合。当频率低时，该电路尚能正常工作。但由于场效应管的yrs=-jωCgd不能忽略，因此可能产生自激。这时须采用与晶体管谐振放大器相同的中和电路。2)共栅放大器可以证明，场效应管共栅电路的y参数为山东大学期末考试知识点复习与共源电路的)，参数相比较可见，共栅电路的输入导纳yig很大(即输入阻抗很小，约100～1000Ω)，反向传输导纳yrg较小(gds较小，Cds＜＜Cgd)。因此，共栅电路的反馈小，电路稳定性高。正向传输导纳yfg和输出导纳yog与共源电路相近。类似于共射-共基级联电路，将上述两种电路级联，也可以组成共源一共栅级联电路。3．2．8放大器中的噪声1)噪声的表示方法起伏噪声的平均值表示为起伏噪声的均方值表示为a)非周期噪声的频谱对于一个脉冲宽度为τ，振幅为1的单位脉冲，如图3．2．17(a)所示，可求得其振幅频谱密度为山东大学期末考试知识点复习式(3．2．82)表示的｜F(∞)｜与频率f的关系曲线如图3．2．17(b)所示，它的第一个零值点在1/τ处。由于电阻和电子器件噪声所产生的单个脉冲宽度τ极小，在整个无线电频率f范围内，τ远小于信号周期T，T=1/f，因此πfτ=πτ/T＜＜l，这时sinπfτ≈πfτ，式(3．2．82)变为｜F(ω)｜≈τ(3．2．83)式(3．2．83)表明，单个噪声脉冲电压的振幅频谱密度｜F(ω)｜在整个无线电频率范围内