射頻電子線路電子教案：2.1.2高頻晶體管小信號等效電路模型與參數(shù)

1、射頻電子線路 第四講1. 回顧上一講內(nèi)容2.高頻小信號放大器的基本要求3.高頻晶體管小信號等效電路模型與參數(shù)4.晶體管的高頻參數(shù)5.晶體管高頻小信號單調(diào)諧回路諧振放大器交作業(yè):1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-7第二章 射頻電子系統(tǒng)中的放大器設(shè)計并聯(lián)電容為C電感線圈的總電感 (忽略回路互感的影響) 電感線圈 的匝數(shù)電感線圈 的匝數(shù)接入系數(shù)令變換前后的諧振頻率不變 諧振時阻抗串并互換 由中間抽頭向高抽頭轉(zhuǎn)換時，等效阻抗提高 倍。由高抽頭向中間抽頭轉(zhuǎn)換時，等效阻抗降低 倍電容分壓式部分接入,阻抗變比折合關(guān)系電流折合關(guān)系幾種常見的部分接入的并聯(lián)諧振回路的接入系數(shù)如下： (a) (

2、b) (c) 有互感：（抽頭到回路）（回路到抽頭）電阻的折算：電導(dǎo)的折算：（抽頭到回路）（回路到抽頭）阻抗的折算：（抽頭到回路）（回路到抽頭）電壓源的折算：（回路到電源）（電源到回路）（電源到回路）電流源的折算：（回路到電源）補充題某接收機輸入回路的簡化電路如下圖所示。 已知1=5pF，2=15pF，s=75 ， L=300 。若使負載L等效到回路輸入端的電阻Ls， 線圈初、次級匝數(shù)比12應(yīng)該是多少？習(xí)題解答:已知1=5pF，2=15pF，s=75 ，L=300。若使負載L等效到回路輸入端的電阻Ls， 線圈初、次級匝數(shù)比12應(yīng)該是多少？L等效到兩端的電阻RL=L等效到輸入端的電阻 RL=如要求

3、Ls， 則16(N1/N2)2 RL=Rs。 所以1.5.7.3 雙調(diào)諧耦合諧振回路的頻率特性：設(shè)初次級具有相同的參數(shù)，即初次級具有相同的參數(shù)，即廣義失諧令列出2個節(jié)點方程聯(lián)立求解可得于是有定義耦合因子求出V2的極大值全諧振時 于是求得歸一化抑制比為耦合因子1時，諧振曲線是雙峰曲線，還出現(xiàn)凹坑，這種情況稱為強耦合凹坑的幅度第二章 射頻電子系統(tǒng)中的放大器設(shè)計高頻放大器的種類豐富，應(yīng)用范圍非常廣泛，高頻放大器的類型包括寬帶和窄帶功率放大器、低噪聲放大器(LNA)、對數(shù)放大器、運算放大器以及可變電壓放大器。它們有芯片、帶表面貼(SMT)封裝的器件等樣式，最小的RF/微波放大器是單片微波集成電路(MM

4、IC)器件。提供MMIC放大器芯片和帶封裝的MMIC放大器模塊的公司很多，包括ADI、Filtronic公司、Hittite微波公司、Cree 、飛思卡爾(Freescale)、 Microwave Technology公司、Mimix Broadband公司、Mini-Circuits公司和RFMD公司等。2.1 高頻小信號調(diào)諧放大器2.1.1 高頻小信號放大器的基本要求小信號：信號電平處在放大器的“線性”范圍內(nèi)部可認為是“小”信號?！熬€性”：指非線性項在這里起的作用很小，可以忽略。高頻小信號放大器的分類：所用器件不同：晶體管、場效應(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

5、形式：單級、級聯(lián)放大器。 負載性質(zhì)：諧振、非諧振放大器。 諧振放大器用串聯(lián)或并聯(lián)諧振回路或耦合諧振回路作為放大器的負載。諧振回路的諧振頻率(考慮晶體管影響后)位于輸入信號的中心頻率。信號帶寬與諧振回路的通頻帶基本一致。放大器對信號有極大的增益，信號帶寬外，增益迅速減小。諧振放大器具有很好的選頻能力。性能指標 ：電壓增益 ：放大器的輸出信號電壓(負載上的電壓) 與輸入信號電壓之比 。 功率增益 ：負載上輸出信號功率與輸入信號功率之 比 。1增益2. 通頻帶與選擇性小信號放大器的通頻帶與諧振回路相同，決定于回路的等效品質(zhì)因數(shù)QL。通頻帶用三分貝帶寬來描述。放大器從含有各種不同頻率的信號中選出有用信

6、號排除有害(干擾)信號的能力，稱為放大器的選擇性。選擇性用矩形系數(shù) 或 ， 來表征3. 噪聲系數(shù) 通常用信噪比來表示噪聲對信號的影響，電路中某處信號功率與噪聲功率之比稱信噪比。信噪比越大，信號質(zhì)量越好。 噪聲系數(shù)是用來反映電路本身噪聲大小的技術(shù)指標。其定義為輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值。噪聲系數(shù)越接近于1，說明放大器的抗噪能力越強，輸出信號的質(zhì)量越好。4工作穩(wěn)定工作穩(wěn)定性是指放大器的工作狀態(tài)(直流院置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，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

7、大思完全不能工作。1增益 2. 通頻帶與選擇性 3. 噪聲系數(shù) 4工作穩(wěn)定以上四項性能指標，相互間有聯(lián)系也有矛盾。如增益和穩(wěn)定性，通頻帶和選擇性等。因此，應(yīng)根據(jù)要求決定主次和取舍。 2.1.2 高頻晶體管小信號等效電路模型與參數(shù) 1.高頻晶體管網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型實質(zhì)上是將晶體管看成是四端網(wǎng)絡(luò)，用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效晶體管特性，晶體管的內(nèi)部物理過程不予考慮。輸出短路時的輸入導(dǎo)納 輸出短路時的正向傳輸導(dǎo)納 輸入短路時的反向傳輸導(dǎo)納 輸入短路時的輸出導(dǎo)納 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的物理含義短路導(dǎo)納參數(shù)僅表示晶體管在輸入端或輸出端短路時的參數(shù)。它們是晶體管本身的參數(shù)只與晶體管的特性有關(guān)而與外電路無關(guān)所以又稱內(nèi)參數(shù)。晶體

8、管構(gòu)成放大器后，由于輸入端、輸出端都接有外電路晶體管和有關(guān)外電路被看成一個整體，于是得到相應(yīng)的放大器y參數(shù)它們不僅與晶體管有關(guān)而且與外電路有關(guān)，故又稱外參數(shù)。2.高頻晶體管的物理模型混合型等效電路3晶體管混合型電路參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換輸出短路,計算yie和yfe輸入短路,計算yre和yoe2.1.3 晶體管的高頻參數(shù) 1.短路電流放大系數(shù) 和 截止頻率f即 時，Cbe，bc和rbe三者并聯(lián) 式中 是低頻 時的電流放大系數(shù)。截止頻率f 定義：當 的頻率，即解上述方程得： 2.特征頻率fT晶體管的放大性能還用特征頻率fT表示。 fT是 時的頻率. 解之得: 當0遠遠大于1時共射阻態(tài)高頻電流放大

9、倍數(shù)例:MRF571， ， ，計算 時的 。解：當晶體管共射組態(tài)時，工作于遠大于 的工作頻率時，電流放大倍數(shù)的模值與fT的關(guān)系式(出廠參數(shù)有fT和0)最高振蕩頻率 :晶體管功率增益 時的工作頻率, 表示一個晶體管所能適用的最高極限頻率。在此頻率工作時，晶體管已得不到功率放大。一般當工作頻率大于最高振蕩頻率時，無論用什么方法都不能使晶體管產(chǎn)生振蕩。 表示一個晶體管所能適用的最高極限頻率。實際工作頻率應(yīng)小于等于最高振蕩頻率的1/31/4?？梢宰C明高頻晶體管各頻率參數(shù)的大小關(guān)系2.1.4 晶體管高頻小信號單調(diào)諧回路諧振放大器“等效電路”法分析小信號調(diào)諧放大器三個主要步驟首先是認識電路，包括認清電路的

10、組態(tài)（共射電路等）、各元器件的作用，這是電子線路讀圖的基礎(chǔ)；其次分析電路的直流通路(直流偏置)和交流通路，以便了解電路的實際功能；最后在畫出交流等效電路（如Y參數(shù)等效電路）的基礎(chǔ)上，根據(jù)定義計算放大電路的各參數(shù)，以此分析放大器的電路特性、技術(shù)性能和頻率響應(yīng)等。 一級中放交流等效電路圖一級中放的y參數(shù)等效電路圖2-7 一級中放y參數(shù)等效電路 1. 放大器的輸入導(dǎo)納 由圖2-7 b可得到： 所以 放大器的輸入導(dǎo)納為 (2-21) 2. 電壓增益 (2-22) 圖中電壓放大倍數(shù)的定義: 先求的集電極電壓，由右圖可知恒等變形可得通過并聯(lián)諧振回路電壓VP中轉(zhuǎn)實際晶體管的等效參數(shù)顯容性令當時 (2-28)

11、 定義諧振放大器的歸一化抑制比 諧振頻率有載品質(zhì)因數(shù)廣義失諧調(diào)整接入系數(shù)求電壓增益最大值 令 將p1帶入2-28式將p2帶入2-28式令 將p1opt p2opt帶入2-28式諧振時功率增益Ap輸出部分諧振時并聯(lián)回路和輸出都諧振時令功率增益的各項表達式的物理含義物理含義1)失配損耗 2)回路損耗3)失諧影響 4)最大增益 4. 小信號單調(diào)調(diào)諧回路諧振放大器的通頻帶與選擇性諧振放大器的歸一化抑制比與單調(diào)諧回路有相同表達式 故3dB通頻帶也與單調(diào)諧回路有相同表達式 (1-119)選擇性(矩形系數(shù))也與單調(diào)諧回路有相同表達式 例2.1 如圖2-9所示單諧振回路放大器， 已知晶體管的y參數(shù)，求1)放大

12、器工作中心頻率2)諧振時電壓增益 3) 放大器帶寬解： 1) 工作中心頻率2)諧振時電壓增益3) 放大器帶寬2.1.5 高頻小信號單調(diào)諧回路諧振放大器的級聯(lián)當單級放大器的增益不能滿足要求時,即可采取多級放大器。其中每一級可調(diào)諧在同一個頻率上，稱為同步調(diào)諧放大器;也可以調(diào)諧在不同的相近的頻率點上,稱為參差調(diào)諧放大器.1.級聯(lián)放大器的電壓增益總增益的模 |Av|=|Av1|*|Av2|*|Av3|Avn | 2.38若各級放大器是完全相同的單級放大器,則2.級聯(lián)放大器的通頻帶與選擇性若各級放大器是完全相同的單級放大器，歸一化抑制比3dB帶寬：令f0.7代表An/An0=0.707時的頻率偏移,則有

13、 解上式得(2.41) n是大于1的正整數(shù), 稱為級聯(lián)放大器縮小因子。具體數(shù)值見表2.1所示。表2.1 帶寬縮小因子級數(shù)n123456781.00.640.510.430.380.350.320.30級聯(lián)放大器的選擇性按矩形系數(shù)的定義可得表2-2 矩形系數(shù)與級數(shù)的關(guān)系級數(shù)n12345910K0.19.954.903.753.403.202.892.852.56當級數(shù)n增加時,矩形系數(shù)有所改善，級數(shù)越多，Kr0.1變化越緩慢。即當n趨于無窮時,Kr0.1也只有2.56?？梢娺@種改善是有限度的。隨著級聯(lián)級數(shù)的增加，增益變大，通頻帶卻變窄，通常需要大的增益又需要足夠的通頻帶，參差調(diào)諧放大器就是為了解

14、決這個矛盾而提出的。2.1.6 高頻小信號雙調(diào)諧回路諧振放大器 多級放大器級聯(lián)時，雖然電壓放大倍數(shù)增加較多，通頻帶卻變窄，選擇性雖有所改善，但與理想矩形相比，仍相差較大。為解決上述矛盾，晶體管集電極回路采用雙調(diào)諧回路，可以使放大器具有較好的選擇性和較寬的頻帶，這種放大器稱為雙調(diào)諧放大器。 雙調(diào)諧放大器等效電路 為分析方便，設(shè)一次、二次側(cè)回路元件參數(shù)相同，則得到如圖b所示的效電路，這是一個典型的互感耦合雙調(diào)諧回路 考慮到兩個回路的參數(shù)相同，可得到 式中, 是回路耦合因數(shù), 是回路的相對表示回路的耦合程度，稱為回路耦合系數(shù)。 失諧, 當一次、二次側(cè)回路諧振(=0)時, 放大器電壓增益 雙調(diào)諧諧振放

15、大器歸一化抑制比雙調(diào)諧放大器較常使用的是臨界耦合，諧振曲線表示為: 令 = 0.707，得通頻帶為: 同樣可得矩形系數(shù)為: 場效應(yīng)管調(diào)諧放大器 (1) 場效應(yīng)管在正常工作時，柵極電流很小(A級)，所以場效應(yīng)管的輸入阻抗很高，一般在107以上。 (2) 場效應(yīng)管的恒流特性比晶體管好，在恒流區(qū)內(nèi)，場效應(yīng)管的輸出電阻比晶體管的輸出電阻大。場效應(yīng)管的輸入、輸出阻抗較大，有利于提高調(diào)諧回路的Q值，提高調(diào)諧放大器的選擇性。 高頻集成放大器 (1) 特性和參數(shù)的一致性好。常采用結(jié)構(gòu)對稱或元件參數(shù)匹配的電路形式(如差分放大器等)，利用參數(shù)補償?shù)脑韥硖岣唠娐返男阅?，尤其是提高電路的高頻特性。(2) 采用電路性

16、能好的復(fù)合結(jié)構(gòu)電路。在模擬集成電路中，常采用復(fù)合晶體管：共射共基組合、共集共基組合或共源共柵組合等復(fù)合結(jié)構(gòu)電路。(3)外接元件少、可靠性高。由于在半導(dǎo)體芯片上制作電感、大容量電容及高阻值電阻等較為困難，只需要在集成放大器外接入大電容、電感等少量元器件。 2.1.7 高頻小信號調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性 1.放大器穩(wěn)定性分析 前面分析小信號諧振放大器時曾假定放大電路中晶體管的。但在實際應(yīng)用中，晶體管的反向傳輸導(dǎo)納，放大器的輸出電壓可通過反饋到輸入端，使輸入電流發(fā)生變化。 放大器的輸入導(dǎo)納為：振蕩的臨界條件為：設(shè)輸入、輸出回路相同， 自激振蕩條件 放大器不穩(wěn)定穩(wěn)定性系數(shù)放大器穩(wěn)定的臨界狀態(tài)放大器穩(wěn)定 設(shè)

17、反饋電容輸入、輸出回路都是部分接入接入系數(shù)為考察增益與穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系,作進一步分析.穩(wěn)定性系數(shù) 是與放大器的電壓增益相關(guān)聯(lián)的。電壓增益 就被限定了晶體管選定后(即 和 給定)增益太高，會引起電路穩(wěn)定性惡化。 若工作頻率確定且確定將放大器的電壓最大增益表達式 帶入前式 且分析特定情況,假定2.提高放大器穩(wěn)定性的措施 一是從晶體管本身想辦法，選取反向傳輸導(dǎo)納yre小的晶體管。 二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用，使它單向化，具體方法有中和法與失配法。平衡條件 即 圖2-12諧振回路的中和電路(1) 中和法 (2) 失配法 圖2-13 共射共基級聯(lián)放大器習(xí)題講解 習(xí)題 某晶體管在VCE=10V

18、，IE=1mA時的fT=250MHz，又 可忽略,求該晶體管在fT=10MHz時的共發(fā)射極電路的Y參數(shù)。習(xí)題晶體管組成的單回路中頻放大器，如圖所示。已知fo=465kHz，晶體管經(jīng)中和后的參數(shù)為：gie=0.4mS,Cie=142pF，goe=55S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS,Yre=0，回路等效電容C=200pF，中頻變壓器的接入系數(shù)p1=N1/N=0.35，p2=N2/N=0.035,回路無載品質(zhì)因數(shù)Q0=80，設(shè)下級也為同一晶體管，參數(shù)相同。試計算： （1）回路有載品質(zhì)因數(shù) QL和 3 dB帶寬 B0.7;（2）放大器諧振時的電壓增益；(3) 中和電容值。（設(shè)Cbc=3 pF）解：根據(jù)已知條件可知,能夠忽略中和電容和yre的影響。得：1)有載品質(zhì)因數(shù) QL答：品質(zhì)因數(shù)QL為40.4,帶寬為11.51kHz,諧振時的電壓增益為30.8