第2章 高頻小信號放大器

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第二章高頻小信號放大器

第一節(jié)概述第二節(jié)高頻電路的基礎知識第三節(jié)高頻小信號調(diào)諧放大器第四節(jié)小信號諧振放大器的穩(wěn)定性本章教學主要內(nèi)容

超外差式接收機方框圖

無源濾波器有源放大器

第一節(jié)概述一、高頻小信號放大器的功能、用途“高頻”是指放大器的工作頻率在幾百KHz～幾百MHz，必須考慮放大器的極間電容；“小信號”指的是放大器輸入信號小，放大器件是在線性范圍內(nèi)工作，分析電路時可將其等效為四端口網(wǎng)絡；“功能”是實現(xiàn)對微弱高頻信號進行不失真放大；高頻小信號放大器功能的表示形式：

主要用途是在接收機中做高頻放大器和中頻放大器。

按放大信號的頻帶寬窄分為寬帶放大器和窄帶放大器；按放大器的負載性質(zhì)分為諧振式放大器和非諧振式放大器；按器件分為晶體管放大器、場效應管放大器和集成電路放大器；本章重點研究窄帶、晶體管、諧振小信號放大器。二、高頻小信號放大器的分類

三、高頻小信號放大器的主要技術指標電壓增益功率增益1.電壓增益與功率增益2.通頻帶定義：放大器的電壓增益下降到最大值的倍時所對應的頻帶寬度。常用表示。

放大器的通頻帶

3.矩形系數(shù)（選擇性）

矩形系數(shù)是表征放大器選擇性好壞的一個參量，而選擇性是表示選取有用信號，抑制無信號的能力。放大器理想的頻率響應曲線應是矩形，矩形系數(shù)用來表示實際曲線形狀接近理想矩形的程度，通常用Kr0.1來表示：

4.噪聲系數(shù)

5.工作穩(wěn)定性

由于晶體管的反向傳輸導納不為0（yre≠0），內(nèi)部反饋會造成放大器工作不穩(wěn)，常用穩(wěn)定系數(shù)來表示放大器的穩(wěn)定性能。總結:技術指標之間既有聯(lián)系又有矛盾，增益和穩(wěn)定性是一對矛盾，通頻帶和選擇性是一對矛盾。故應根據(jù)需要決定主次，進行分析和討論。表征信號經(jīng)放大后，信噪比變壞的程度。噪聲系數(shù)的定義是放大器的輸入信噪比（輸入端的信號功率與噪聲功率之比）與輸出信噪比之比，即

第二節(jié)高頻電路的基礎知識一、濾波器（選頻回路）的功能及分類1.功能:根據(jù)某一特定的性能要求實現(xiàn)對信號的頻譜進行處理的電路；本課中用的較多的是低通和帶通濾波器。按頻率特性分：低通、高通、帶通和帶阻濾波器。2.分類：

濾波器的理想幅頻特性按所用器件可分為無源和有源濾波器；按處理的信號形式可分為模擬濾波器、數(shù)字濾波器和抽樣數(shù)字濾波器。

1.電感線圈的高頻特性二、LC諧振回路的特性

LC諧振回路是高頻電路中應用很廣的無源網(wǎng)絡，特別是并聯(lián)諧振回路是構成高頻放大器、振蕩器和頻率變換器的主要部件，具有信號耦合傳輸、選頻、阻抗變換、濾波以及負載等的作用。電感元件在高頻電路中不是理想無損電感，它的損耗電阻是不能忽略的；一個實際的電感元件，可以用一個理想無損電感L和一個串聯(lián)的損耗電阻r0來等效；一個有損耗的電感線圈在工作頻率w0下通過Q表可測得電感線圈的電感值和空載品質(zhì)因數(shù)Q0，而Q0的大小就反映損耗的大小，即Q0=w0L/r0

，一般情況下，線圈的Q0值通常在幾十到三百左右；

當Q0>>1時，一個實際的電感也可以用一個無損電感L和一個并聯(lián)電導g0來等效，此時Q0=1/w0Lg0；帶載情況下的有載品質(zhì)因數(shù)QL的計算。

2.電容元件的高頻特性在高頻電路所討論的頻率范圍內(nèi)，電容元件損耗很小，因而認為它是理想的無損元件。3.LC串聯(lián)諧振回路一個無負載電阻rL的串聯(lián)LC電路，由于電感L有損耗，可等效為LCr0的串聯(lián)電路。

串聯(lián)回路的阻抗Z：

諧振頻率w0：空載品質(zhì)因數(shù)Q0：

若接入負載電阻rL后，可等效為如下圖所示的LCr串聯(lián)電路。串聯(lián)回路的阻抗Z：

諧振頻率w0：有載品質(zhì)因數(shù)QL：

LCR串聯(lián)諧振回路的頻率特性電流：諧振電流：

相對電流/：L

相對幅頻特性與相頻特性其相對電流值的模及相角為：

結論：當w=w0時，相對電流值的模為1；當w偏離w0時，相對電流值的模減小，其減小的速度隨Q值的增大而增大；當w>w0時，<0，回路呈感抗特性；當w<w0時，>0，回路呈容抗特性。4.LC并聯(lián)諧振回路（與串聯(lián)為對偶關系）

若接入負載電阻，則在的條件下回路兩端等效電阻為與并聯(lián)，即。并聯(lián)回路其導納為：諧振頻率：有載品質(zhì)因數(shù)QL：

并聯(lián)諧振回路的導納

由圖可以看出，時，回路諧振，回路等效為純電阻，其阻值最大為R。隨著偏離，阻抗值越來越小?；芈烦嗜菘固匦?，回路呈感抗特性。并聯(lián)回路的阻抗特性

表2-1串并聯(lián)回路的特性

三、串并聯(lián)阻抗的等效互換

“等效”的概念：在工作頻率相同的條件下，AB兩端的阻抗相等。

結論：當時，串并聯(lián)電路等效互換

并聯(lián)諧振回路作為放大器的負載時，其連接方式直接影響放大器的性能。并聯(lián)諧振回路耦合連接方式可分為變壓器耦合、自耦變壓器耦合和雙電容分壓耦合。并聯(lián)諧振回路除了具有選頻功能外，還要完成阻抗交換，因此通常采用部分接入方式實現(xiàn)阻抗變換。

四、并聯(lián)諧振回路的耦合聯(lián)接與阻抗變換

三極管ce直接接入諧振回路的缺點：1.Q值下降，通頻帶變大，導致選擇性變差；2.影響中心頻率f0，穩(wěn)定性變差；3.阻抗不匹配。

1.變壓器耦合聯(lián)接的阻抗變換

變壓器耦合聯(lián)接的變換

2.自耦變壓器耦合聯(lián)接的阻抗變換阻抗變比關系：

自耦變壓器耦合聯(lián)接方式適用于與晶體管的聯(lián)接，它除了能實現(xiàn)阻抗變換外，還能為晶體管的集電極提供直流通路。

3.雙電容分壓耦合連接的變比關系

1.接入系數(shù)P的定義：2.變比關系的通式:五、接入系數(shù)與變換關系

例1如圖，L=0.8μH,Q0=100,C=5pF,C1=20pF,C2=20pF,R=10kΩ,RL=5kΩ,試計算回路的諧振頻率，諧振電阻。C2C1RLLCRQ0‘C2C1g’LLCg0g

諧振頻率為電阻RL的接入系數(shù)等效到回路兩端的電導為解：由圖可知,回路電容為電感的損耗電導為電阻R等效電導為C2C1g’LLCg0g

回路總電導為回路諧振電阻為

C2C1g’LLCg0g

例２某接收機輸入回路的簡化電路如圖例1.2所示。已知Ｃ1=5pF，Ｃ2=15pF，Ｒs=75Ω，ＲL=300Ω。為了使電路匹配，即負載ＲL等效到ＬＣ回路輸入端的電阻ＲL′＝Ｒs，線圈初、次級匝數(shù)比Ｎ1／Ｎ2應該是多少？

解：由圖可見，這是自耦變壓器電路與電容分壓式電路的級聯(lián)。ＲL等效到Ｌ兩端的電阻為

圖例1.2

ＲL″等效到輸入端的電阻如要求ＲL′＝Ｒs，則 。所以在以上介紹的四種常用阻抗變換電路中，所導出的接入系數(shù)ｎ均是近似值，但對于實際電路來說，其近似條件容易滿足，所以可以容許引入的近似誤差。

2-5電路如下圖所示，給定參數(shù)如下：f0=30MHz，C=20PF，線圈L13的Q0=60,N12=6，N23=4，N45=3。R1=10kΩ，Rg=2.5kΩ，RL=830Ω，Cg=9PF，CL=12PF。求L13、QL

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第三節(jié)晶體管高頻小信號諧振放大器

（一）y參數(shù)等效電路

根據(jù)二端口網(wǎng)絡理論，得到y(tǒng)參數(shù)系的方程：一、晶體管高頻小信號等效電路y參數(shù)等效電路是網(wǎng)絡參數(shù)模型，y參數(shù)與f有關，適合小信號窄帶放大器的分析。

輸出短路時的輸入導納；輸入短路時的反向傳輸導納；輸出短路時的正向傳輸導納；輸入短路時的輸出導納?！镞@四個參量具有導納的量綱，故稱為導納參數(shù)，也叫y參數(shù)。

*對于共射接法,y參數(shù)用表示,則:說明:1.表示輸出電壓對輸入電流的控制作用（反向控制）；2.

表示輸入電壓對輸出電流的控制作用（正向控制）；3.越大表示晶體管的放大能力越強。

對于共基接法，y參數(shù)用表示,則:對于共集接法，y參數(shù)用表示,則:晶體管是RC參數(shù)的元件，y參數(shù)表示晶體管內(nèi)部極間電阻和電容的組合方式，它隨工作頻率f變化而變化，因而y參數(shù)等效率電路不能充分說明晶體管內(nèi)部的物理過程。

（二）混合π參數(shù)等效電路

混合π參數(shù)等效電路用集中參數(shù)元件RC表示，物理過程明顯，在分析電路時用的較多。1.rbb’是基區(qū)擴展電阻。其值幾十歐姆到幾百歐姆。

2.rb’e是發(fā)射結電阻。發(fā)射結正偏時數(shù)值較小。3.Cb’e是發(fā)射結電容。其值較大，100pf～500pf。4.rb’c是集電結結電阻。由于集電結處于反向偏置，rb’c的數(shù)值很大。5.Cb’c是集電結結電容。其數(shù)值較小。6.gmUb’e表示晶體管放大作用的電流源，而gm=Ie/26mv，稱為跨導。

7.rce是集電極與發(fā)射極之間的電阻，數(shù)值一般很大。8.Cce是集電極與發(fā)射極之間的電容，數(shù)值一般很小。

混合π等效電路中，電容、電阻并聯(lián)，在較高的工作f下：rb’c與Cb’c的容抗相比，可視為開路；

rb’e與Cb’e的容抗相比，可視為開路；rce與回路負載相比，可視為開路。（三）y參數(shù)等效電路與混合π等效電路參數(shù)的轉換舉例：求yie，令V2=0，簡化混合π等效電路，如圖所示。

二、單調(diào)諧回路諧振放大器

1.電路形式

2.電路分析由共射組態(tài)的晶體管和并聯(lián)諧振回路組成；R1、R2、Re為偏置電阻，確定三級管的靜態(tài)工作點；Cb、Ce為高頻旁路電容，輸入信號Ui相當于加在T1的b、e之間；兩級放大器的信號傳輸是利用高頻變壓器來實現(xiàn)的，輸出信號電壓Uo是由變壓器次級4、5兩端取出，它也是相當于加在T2的b、e之間。晶體管ce與諧振回路采用自耦變壓器耦合。3.直流/交流等效通路

45123R1R2ReyLCbCeCB1B2TLEcR1R2ReEc32145B1B2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管電路圖

放大器的等效電路的畫法首先畫晶體管T1的y等效電路，標明電流Ib、Ic與電壓Ui、Uo的參考方向；畫并聯(lián)諧振回路及負載；前級信號源Ui用Is和Ys來等效；確定并聯(lián)回路的交流接地點及負載，1和5端接地，負載為下一級輸入導納Yie2。4.放大器的等效電路及簡化

計算放大器的輸入導納Yi和輸出導納Yo計算過程如下：晶體管的內(nèi)部特性：

（1）（2）接入后的外部特性：（3）由式（2）和（3）得（4）把式（4）代入式（1）得放大器的輸入導納Yi為：（5）

式（5）表明由于yre的存在，使得放大器的輸入導納Yi不僅與晶體管的輸入導納yie有關，而且還與放大器的負載導納

有關。同理，由式（1）、（2）和式（3），可得放大器的輸出導納Yo由于yre的存在，使得放大器的輸出導納Yo不僅與晶體管的輸出導納yoe有關，而且還與放大器輸入端的信號源內(nèi)導納Ys有關。

=0時的放大器簡化等效電路

三、放大器的主要技術指標1.電壓增益

任意頻率的電壓增益諧振時的電壓增益結論：

諧振時電壓增益與晶體管正向傳輸導納yfe成正比，與回路兩端總電導gΣ成反比；負號表示輸出電壓與輸入電壓相位差180°，由于yfe為復數(shù)，因此放大器輸出電壓與輸入電壓的相位差是180°+φfe。

對于窄帶諧振放大器，通常討論的f與f0相差不會太大，即可認為f在f0附近變化，則式中，，稱為一般失諧。

令，稱為廣義失諧。則可得:取其模

取其模2.諧振曲線

下圖是分別用、和表示的放大器的諧振特性曲線。

用頻率表示用一般失諧表示用廣義失諧表示

3.放大器的通頻帶

通頻帶與諧振電壓增益的關系:定義:時對應的為放大器的通頻帶。電路參數(shù)一定時，常數(shù)通頻帶越寬,諧振電壓增益越小.在寬帶放大器的設計中這種矛盾特別突出。

4.放大器的矩形系數(shù)根據(jù)矩形系數(shù)的定義：

其中，是時所對應的頻帶寬度。

單級單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠大于1，說明它的選擇性差，這是它的一大缺點。矩形系數(shù):

四、多級單調(diào)諧回路諧振放大器

1.多級單調(diào)諧諧振放大器的總電壓增益

若多級放大器是由完全相同的單級放大器組成時，各級電壓增益相等，則m級放大器的總電壓增益為

假如，放大器有m級，各級電壓增益分別為，則總電壓增益是各級電壓增益的乘積。即

2.多級單調(diào)諧諧振放大器的諧振曲線

m級相同放大器級聯(lián)時，它的諧振曲線等于各單級諧振曲線的乘積，總諧振曲線為m越大曲線越尖銳

3.多級單調(diào)諧諧振放大器的通頻帶m級相同的放大器級聯(lián)時，根據(jù)定義總通頻帶應滿足

可得

總通頻帶比單級放大器通頻帶要小，級數(shù)越多，總通頻帶越小。

4.多級單調(diào)諧諧振放大器的矩形系數(shù)

根據(jù)矩形系數(shù)的定義

其中，可由求得

故m級單調(diào)諧諧振放大器的矩形系數(shù)

可見，級數(shù)越多，矩形系數(shù)越小。

第四節(jié)小信號諧振放大器的穩(wěn)定性一、引起放大器不穩(wěn)定的原因

前面分析電路曾假定晶體管的yre=0。但是，在實際運用中，晶體管存在著反向傳輸導納yre，放大器的輸出電壓可通過晶體管的yre反向作用到輸入端，引起輸入電流的變化，這種反饋作用將可能引起放大器產(chǎn)生自激等不良后果。

二、放大器的穩(wěn)定系數(shù)

（1）（2）穩(wěn)定系數(shù)S的定義：

S越大，放大器越穩(wěn)定；S=1為維持自激振蕩的條件；對于一般的放大器來說，S≥5就可以認為是穩(wěn)定的。

三、提高諧振放大器穩(wěn)定性的措施

由于yre的反饋作用，晶體管是一個雙向器件。使晶體管yre的反饋作用消除的過程稱為單向化。單向化的目的就是提高放大器的穩(wěn)定性。單向化的方法有中和法和失配法。

（一）中和法

所謂中和，是在晶體管放大器的輸出與輸入之間引入一個附加的外部反饋電路，以抵消晶體管內(nèi)部yre的反饋作用。

應特別注意的是，嚴格的中和很難達到。因晶體管的yre是隨頻率變化的，而CN不隨頻率變化。所以，只能對一個頻率點起到完全中和的作用。

2-14試畫出下圖所示電路的中和電路，標出線圈的同名端，寫出中和電容的表示式。+---..

（二）失配法

失配法的實質(zhì)是降低放大器的電壓增益，以確保滿足