射頻模擬電路_No3_第一章 選頻放大器

1、第一章 選頻放大器電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院 電子科技大學(xué) 2第1章 選頻放大器要點(diǎn) 諧振電路串并聯(lián)諧振回路的主要特性兩種諧振回路的阻抗互換及抽頭變換了解雙調(diào)諧耦合諧振回路諧振放大器高頻小信號(hào)諧振放大器的基本要求晶體管高頻小信號(hào)等效電路模型和參數(shù)調(diào)諧回路放大器及其級(jí)聯(lián)功率放大器諧振功率放大器的原理諧振功率放大器的折線分析法諧振功率放大器的種類、電路構(gòu)成及匹配網(wǎng)絡(luò)1-2 高頻小信號(hào)諧振放大器主要內(nèi)容：高頻小信號(hào)諧振放大器的基本要求晶體管高頻小信號(hào)等效電路模型和參數(shù)調(diào)諧回路中諧振放大器及其級(jí)聯(lián)什么是高頻小信號(hào)放大器?高頻小信號(hào)放大器是放大器最基本的一大類，放大器工作在“線性區(qū)”；頻率范圍覆蓋相當(dāng)寬

2、泛，從幾百kHz到幾千MHz(幾乎包含所有能用集總參數(shù)分析的電路)；帶寬：幾kHz到幾十MHz。 電子科技大學(xué) 31-2 高頻小信號(hào)諧振放大器 電子科技大學(xué) 4什么是諧振放大器?諧振放大器是指放大器的負(fù)載為諧振電路（串聯(lián)、并聯(lián)或耦合諧振電路）的一類放大器；諧振放大器具有選頻和濾波的能力。高頻小信號(hào)放大器的分類所用器件不同：晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路放大器。通過頻譜的寬窄：窄帶、寬帶放大器。電路形式：?jiǎn)渭?jí)、級(jí)聯(lián)放大器。負(fù)載性質(zhì)：諧振：以諧振回路作為負(fù)載； 非諧振放大器：高頻放大器 + 集中選擇性濾波器。1-2 高頻小信號(hào)諧振放大器 電子科技大學(xué) 5高頻小信號(hào)放大器的特點(diǎn)用串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路或耦合

3、諧振回路作為放大器的負(fù)載；諧振回路的諧振頻率(考慮晶體管影響后)位于輸入信號(hào)的中心頻率；信號(hào)帶寬與諧振回路的通頻帶基本一致；放大器對(duì)信號(hào)有極大的增益，信號(hào)帶寬外，增益迅速減??；諧振放大器具有很好的選頻能力。1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 61）增益電壓增益 ：放大器的輸出信號(hào)電壓(負(fù)載上的電壓) 與輸入信號(hào)電壓之比 分貝表示：功率增益 ：負(fù)載上輸出信號(hào)功率與輸入信號(hào)功率之 比 分貝表示： 1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 72）通頻帶定義：電壓增益下降到最大值的0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍：3dB帶寬BW-3dB ， 20.707與諧振回路相同，放

4、大器的通頻帶決定于回路的形式和回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL。此外也取決于電路用途：收音機(jī)IF：68kHz，電視機(jī)IF：6MHz左右放大器的總通頻帶，隨著級(jí)數(shù)的增加而變窄。并且，通頻帶愈寬，放大器的增益愈小。1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 83）選擇性定義：從各種不同頻率信號(hào)（有用的和有害的）中選出有用信號(hào)，抑制干擾信號(hào)的能力稱為放大器的選擇性。與諧振回路相同，放大器的選擇性仍然用矩形系數(shù)表示： 1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 9矩形系數(shù)表示與理想濾波特性的接近程度！越接近于1，放大器的選擇性越好。其中：20.707為放大器的通頻帶；20.1為相對(duì)放大倍

5、數(shù)下降到0.1處對(duì)應(yīng)的帶寬；20.01為相對(duì)放大倍數(shù)下降到0.01處對(duì)應(yīng)的帶寬。1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 104）噪聲系數(shù)反映放大器對(duì)輸入信噪比SNR惡化的一個(gè)指標(biāo)。定義為放大器輸入信噪比 與輸出信噪比 之比。在放大器中，總是希望它本身產(chǎn)生的噪聲愈小愈好。1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 11第一級(jí)放大器的噪聲大小對(duì)接收系統(tǒng)總噪聲系數(shù)的影響最嚴(yán)重，因此這一級(jí)放大器的低噪聲設(shè)計(jì)常常放在首要位置。接收機(jī)接收靈敏度(接收機(jī)能夠正確接收的最小信號(hào))： 了解噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)計(jì)算。 1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 125）工作穩(wěn)定性

6、工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時(shí)，放大器的主要特性的穩(wěn)定程度；一般的不穩(wěn)定象是增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變化、諧振曲線變形等。不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激以致使放大思完全不能工作；提高穩(wěn)定性采取的措施：限制每級(jí)放大器的增益，選取Yre小的BJT，中和法、失配法，設(shè)計(jì)與加工工藝控制（PCB良好接地、布局、屏蔽等）。1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 136）其他常用指標(biāo)輸入輸出端口回波損耗S11、S22；輸出功率1dB壓縮點(diǎn)：P-1dB；帶內(nèi)增益波動(dòng)、增益溫度波動(dòng)特性；最大輸入功率；工作頻率范圍、工作溫度范圍；工作

7、電壓、電流等。1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 14 實(shí)際射頻放大器性能參數(shù)：1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 15 實(shí)際射頻放大器性能參數(shù)：1-2-1 高頻小信號(hào)諧振放大器性能指標(biāo) 電子科技大學(xué) 16 實(shí)際射頻放大器性能參數(shù)：1-2-2高頻晶體管小信號(hào)等效電路模型與參數(shù) 電子科技大學(xué) 17晶體管在高頻線性運(yùn)用時(shí)，晶體管的內(nèi)部參數(shù)將隨工作頻率而變化。因而必須討論晶體管的高頻等效電路。等效方法是：把晶體管看作四端（兩端口）網(wǎng)絡(luò)，四個(gè)參量 中兩個(gè)作自變量，另兩個(gè)作為參變量的函數(shù)。在本課程所討論的頻率范圍內(nèi)，用的最多的是 晶體管高頻Y 參數(shù)等效電路和混合

8、等效電路。用Y參數(shù)等效晶體管特性進(jìn)行放大器的分析時(shí)晶體管內(nèi)部的物理過程不予考慮，以簡(jiǎn)化分析過程。 電子科技大學(xué) 181、等效的概念數(shù)學(xué)模型、電路模型2、Y參數(shù)等效電路Y參數(shù)電路模型1-2-2高頻晶體管小信號(hào)等效電路模型與參數(shù) 電子科技大學(xué) 19Y參數(shù)等效電路1-2-2高頻晶體管小信號(hào)等效電路模型與參數(shù) 電子科技大學(xué) 20輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納 輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納 輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納 輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納 3、Y參數(shù)等效電路與各個(gè) Y參數(shù)定義：1-2-2高頻晶體管小信號(hào)等效電路模型與參數(shù)4、Y參數(shù)模型的特點(diǎn)：易于測(cè)量；Y參數(shù)是頻率的函數(shù)（是復(fù)數(shù)）；Yre表明了晶體管是一個(gè)雙向器件：內(nèi)部

9、存在反饋：越小越好！晶體管不同的組態(tài)有不同的Y參數(shù)。 電子科技大學(xué) 211-2-2高頻晶體管小信號(hào)等效電路模型與參數(shù)1-2-2 高頻晶體管混合模型 電子科技大學(xué) 22混合等效電路：實(shí)際高頻小信號(hào)放大器外形圖：1-2-2 高頻晶體管混合模型與Y參數(shù) 電子科技大學(xué) 23混合模型與Y參數(shù)模型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系1-2-3 晶體管的高頻參數(shù) 電子科技大學(xué) 241、截止頻率：2、特征頻率：3、最高振蕩頻率：1-2-3 晶體管的高頻參數(shù) 電子科技大學(xué) 25共射組態(tài)時(shí) ，電流放大倍數(shù)表示晶體管共射組態(tài)的截止頻率是 下降到 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。 1、截止頻率11-2-3 晶體管的高頻參數(shù) 電子科技大學(xué) 26當(dāng)滿足：那么當(dāng)

10、時(shí)低頻電路已經(jīng)證明從而當(dāng)時(shí)2、 特征頻率1-2-3 晶體管的高頻參數(shù) 電子科技大學(xué) 27 當(dāng)f fT后，共射接法的晶體管將不再有電流放大能力，但仍可能有電壓增益，而功率增益還可能大于1。11-2-3 晶體管的高頻參數(shù) 電子科技大學(xué) 283、最高振蕩頻率 :晶體管功率增益 時(shí)的工作頻率。fmax表示一個(gè)晶體管所能適用的最高極限頻率。實(shí)際工作頻率應(yīng)等于最高振蕩頻率的1/31/4。f fmax后， GpVBVEPN：VVBV2）中間級(jí)直流通路及其靜態(tài)分析： 求Q點(diǎn)（IB、IC、IE 、VCE等 ）1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TL

11、VCC交流輸入信號(hào)為零；所有電容開路；所有電感短路。Rb1、Rb2、Re為偏置電阻，提供靜態(tài)工作點(diǎn)。Rb1Rb2ReVCC1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器畫法：有交流輸入信號(hào)，所有大電容C短路，所有大電感L開路（關(guān)注諧振回路的電容與電感）。正常工作時(shí)的判斷條件：信號(hào)能正常加到放大器件的輸入端而不被短路；輸出信號(hào)能正常加到下一級(jí)的輸入端或者負(fù)載上而不被短路；BJT能正常放大信號(hào)而不被旁路。）中間級(jí)交流通路：1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC有交流輸入信號(hào)，所有直流量為零；所有大電容短路；所有大電感開路。（

12、諧振回路L、C保留）交流通路：32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+u31-+v21-）畫出交流小信號(hào)等效電路： 負(fù)載和回路之間采用了變壓器耦合，接入系數(shù) 晶體管集、射回路與振蕩回路之間采用抽頭接入，接入系數(shù) 1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器輸入信號(hào)1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器前述中間級(jí)放大器交流分析輸入信號(hào)1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器前述中間級(jí)放大器交流分

13、析1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器高頻交流參數(shù)等效電路1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器 電子科技大學(xué) 44YL由集電極向右看進(jìn)去的回路的總導(dǎo)納。1-2-4 諧振放大器輸入導(dǎo)納 電子科技大學(xué) 45、放大器輸入導(dǎo)納的計(jì)算： L由集電極向右看進(jìn)去的回路的總導(dǎo)納。1-2-4 諧振放大器輸入導(dǎo)納 電子科技大學(xué) 46代表由集電級(jí)C向右看進(jìn)去的回路總導(dǎo)納。解以上聯(lián)立方程得：1-2-4 諧振放大器輸入導(dǎo)納 電子科技大學(xué) 47放大器的輸入導(dǎo)納不但與 有關(guān)，還與輸出參數(shù)及 、 、 有關(guān)。當(dāng) 時(shí)， ，此時(shí)晶體管成為單向器件。所以有：、放大器的電壓增益YL由集電極向右看進(jìn)去的回路的總導(dǎo)

14、納。YL 由回路兩端向右看進(jìn)去的回路的總導(dǎo)納。1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器設(shè)放大器的負(fù)載并聯(lián)諧振回路的空載品種因數(shù)為，諧振電阻為諧振回路端向右看的總導(dǎo)納（不包括）為：等效到端的導(dǎo)納為：1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器所以端的總導(dǎo)納為： 所以： 1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器可令： 1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器再令： 并聯(lián)諧振回路導(dǎo)納！1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器令廣義失諧有：諧振時(shí)歸一化抑制比 1-2-4 晶體管高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器 電子科技大

15、學(xué) 54放大器的調(diào)諧回路的諧振頻率工作頻率對(duì) 的失諧回路的有載品質(zhì)因數(shù)廣義失諧說明：高頻小信號(hào)單調(diào)諧諧振放大器的歸一化抑制比的表達(dá)式與簡(jiǎn)單諧振回路表達(dá)式完全一樣，因此它們的3dB帶寬和矩形系數(shù)完全一樣。 1-2-4 諧振放大器電壓增益 電子科技大學(xué) 551-2-4 諧振放大器電壓增益 電子科技大學(xué) 56影響放大器放大倍數(shù)的因素令 ，求得極值點(diǎn)同理1-2-4 諧振放大器電壓增益 電子科技大學(xué) 57放大器的最大電壓增益僅決定于晶體管參數(shù) ， ， 以及諧振回路的性質(zhì) ，即 的比值。 越大越好，也就是說諧振回路的空載品質(zhì)因數(shù)越高， 越大。1-2-4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 58折合到a、b端

16、的等效電路：1-2-4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 59輸入功率輸入電壓的有效值輸出功率功率增益：1-2-4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 60諧振時(shí)令1-2-4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 61失配損耗插入損耗失諧狀態(tài)的程度對(duì)功率的影響諧振時(shí)的最大功率增益1-2-4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 62諧振時(shí)定義失配損耗 它表征的是負(fù)載與晶體管的失配程度，其最大值為1。負(fù)載與晶體管完全匹配時(shí)有此時(shí)1-2-4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 63定義插入損耗 它表征回路固有損耗使功率增益降低的比例。若回路本身?yè)p耗為零，則 , 此時(shí)回路對(duì)功率增益無(wú)影響。一般情況下 。1-2-

17、4 諧振放大器功率增益 電子科技大學(xué) 64放大器有最大的功率增益它僅與晶體管本身的參數(shù)有關(guān)因子 表示失諧狀態(tài)的程度對(duì)功率增益的影響。當(dāng)電路諧振、負(fù)載匹配并且電路本身有很大的空載品質(zhì)因素時(shí)，即1-2-4 諧振放大器通頻帶與選擇性 電子科技大學(xué) 65因此，3dB通頻帶與簡(jiǎn)單諧振回路相同 歸一化抑制比 其中 1-2-4 諧振放大器通頻帶與選擇性 電子科技大學(xué) 66電壓增益 增益帶寬乘積 當(dāng)晶體管選定，電路完全確定以后，放大器的帶寬增益乘積是一個(gè)常數(shù)。帶寬愈窄，增益愈高，反之亦然。1-2-4 諧振放大器通頻帶與選擇性 電子科技大學(xué) 67諧振回路電容取決于不穩(wěn)定， 因此外接電容C必不可少 帶寬增益乘積與

18、回路總電容 成反比，容值越大，帶寬增益乘積越小由于矩形系數(shù) 因此頻率選擇性與簡(jiǎn)單諧振回路相同1-2-5 諧振放大器級(jí)聯(lián) 電子科技大學(xué) 68 級(jí)聯(lián)放大器的電壓增益 若級(jí)聯(lián)的每級(jí)放大器都相同，那么總的電壓增益總的歸一化抑制比1-2-5 諧振放大器級(jí)聯(lián) 電子科技大學(xué) 69總的通頻帶由于 因此，放大器級(jí)聯(lián)后總的通頻帶比單級(jí)放大器窄，其中稱為級(jí)聯(lián)放大器3dB帶寬縮小因子1-2-5 諧振放大器級(jí)聯(lián) 電子科技大學(xué) 70總的矩形系數(shù)n增加時(shí)， 迅速減小，因此級(jí)聯(lián)放大器選擇性優(yōu)于單級(jí)放大器。但是即使 ， 也只能到2.56解決辦法：參差調(diào)諧；放大器分立濾波器1-2-5 諧振放大器級(jí)聯(lián) 電子科技大學(xué) 71高頻小信號(hào)

19、放大器例題講解：1-2-5 諧振放大器級(jí)聯(lián) 電子科技大學(xué) 72高頻小信號(hào)放大器例題講解：1-2-5 諧振放大器級(jí)聯(lián) 電子科技大學(xué) 73高頻小信號(hào)放大器例題講解：1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 74晶體管是雙向器件， 是反應(yīng)內(nèi)反饋大小的參量。放大器的輸入導(dǎo)納為：為了描述方便，設(shè) 1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 75的值可能為負(fù)值 1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 76當(dāng) 為負(fù)值時(shí)，回路的總電導(dǎo)減小，QL增加，通頻帶減小，增益因損耗的減小而增加。當(dāng)正負(fù)電導(dǎo)完全抵消時(shí)，QL趨向無(wú)窮大，放大器處于自激振蕩狀態(tài)，失去放大性能。因此振蕩的臨界條件為：從而1-2-6

20、諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 77即其中1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 78從而輸出回路參數(shù) 其中 由于 1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 79設(shè)輸入、輸出回路相同，即 于是即1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 80可得自激振蕩條件 于是 1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 81放大器不穩(wěn)定定義穩(wěn)定性系數(shù)放大器穩(wěn)定的臨界狀態(tài)放大器穩(wěn)定工程實(shí)際應(yīng)用中一般使用參數(shù)測(cè)試與計(jì)算！1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 82 設(shè) 反饋電容輸入、輸出回路都是部分接入接入系數(shù)1-2-6 諧振放大器的穩(wěn)定性 電子科技大學(xué) 83穩(wěn)定性系數(shù) 是與放大器的電壓增益相關(guān)聯(lián)的。增益太高，會(huì)引起電路穩(wěn)定性惡化。 晶體管選定后(即 和 給定)工作頻率確定，則確定電壓增益 就被限定了1-2-6 提高諧振放大器的穩(wěn)定性措施 電子科技大學(xué) 84為保證放大器的穩(wěn)定性，增益不能太高；為了提高放大器增益，應(yīng)選 大且 小的晶體管。 在晶