高頻小信號放大器-高頻電子線路

11三月2024高頻小信號放大器-高頻電子線路了解高頻小信號放大器的主要質量指標；熟悉晶體管高頻小信號的兩種等效電路；掌握單調諧回路諧振放大器的增益、通頻帶與選擇性的計算；了解多級單調諧回路諧振放大器與雙調諧回路諧振放大器的特點;理解諧振放大器穩(wěn)定與否的判據(jù)和可采取的穩(wěn)定措施；了解集成電路諧振放大器的特點；了解噪聲的來源；理解噪聲的表示方式：噪聲系數(shù)、噪聲溫度、靈敏度、等效噪聲頻帶寬度的意義與表示式。學習目的 學習重點 晶體管在高頻小信號時的等效電路--形式等效電路與混合等效電路；單調諧回路諧振放大器的電壓增益、功率增益、通頻帶與選擇性的計算；諧振放大器工作不穩(wěn)定的原因及措施；了解集成電路諧振放大器的特點；晶體管產生噪聲的來源；理解噪聲的表示方式：噪聲系數(shù)、噪聲溫度、靈敏度、等效噪聲頻帶寬度。

學習難點 噪聲的各種計算方法；掌握單調諧回路諧振放大器的增益、通頻帶與選擇性等的計算；4高頻小信號放大器4.2晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù) 4.3單調諧回路諧振放大器 4.4多級單調諧回路諧振放大器 4.5雙調諧回路諧振放大器4.1

概述 4.7諧振放大器的常用電路和集成電路諧振放大器4.8場效應管高頻小信號放大器 4.9放大器中的噪聲 4.10噪聲的表示和計算方法4.6

諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施

高頻小信號放大器的特點：放大高頻小信號(中心頻率在幾百kHz到幾百MHz，頻譜寬度在幾kHz到幾十MHz的范圍內)的放大器。4.1概述幾十μV～幾mV1V左右普通調幅無線電廣播所占帶寬應為９kHz，電視信號的帶寬為６MＨz左右。

高頻小信號放大器的特點：放大高頻小信號(中心頻率在幾百kHz到幾百MHz，頻譜寬度在幾kHz到幾十MHz的范圍內)的放大器。音頻射頻微波單振蕩回路耦合振蕩回路高頻小信號放大器諧振放大器（窄帶）非諧振放大器（寬帶）LC集中濾波器石英晶體濾波器陶瓷濾波器聲表面波濾波器（調諧與非調諧）高頻小信號放大器的分類有源器件諧振回路窄帶諧振放大器寬帶非諧振放大器濾波器高頻小信號放大器本章重點討論晶體管單級窄帶諧振放大器。高頻小信號放大電路分為窄頻帶放大電路和寬頻帶放大電路兩大類。前者對中心頻率在幾百千赫到幾百兆赫,頻譜寬度在幾千赫到幾十兆赫內的微弱信號進行不失真的放大,故不但需要有一定的電壓增益,而且需要有選頻能力。后者對幾兆赫至幾百兆赫較寬頻帶內的微弱信號進行不失真的放大,故要求放大電路的下限截止頻率很低(有些要求到零頻即直流),上限截止頻率很高。窄頻帶放大電路由雙極型晶體管(以下簡稱晶體管)、場效應管或集成電路等有源器件提供電壓增益,LC諧振回路、陶瓷濾波器、石英晶體濾波器或聲表面波濾波器等器件實現(xiàn)選頻功能。它有兩種主要類型：以分立元件為主的諧振放大器和以集成電路為主的集中選頻放大器。寬頻帶放大電路也是由晶體管、場效應管或集成電路提供電壓增益。為了展寬工作頻帶,不但要求有源器件的高頻性能好,而且在電路結構上采取了一些改進措施。高頻小信號放大電路是線性放大電路。Y參數(shù)等效電路和混合π型等效電路是分析高頻晶體管電路線性工作的重要工具,晶體管、場效應管和電阻引起的電噪聲將直接影響放大器和整個電子系統(tǒng)的性能。高頻小信號放大器的主要質量指標1)增益：（放大系數(shù)）

電壓增益：分貝表示：

功率增益：2)通頻帶：高頻小信號放大器的主要質量指標3)選擇性①矩形系數(shù)：表示與理想濾波特性的接近程度。 ：從各種不同頻率信號的總和（有用的和有害的）中選出有用信號，抑制干擾信號的能力稱為放大器的選擇性。選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。②抑制比：表示對某個干擾信號fn的抑制能力，用dn表示。4)工作穩(wěn)定性：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，放大器的主要特性的穩(wěn)定?；竟采錁O放大電路穩(wěn)Q共射極放大電路不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激（主要由晶體管內反饋引起），使放大器完全不能工作。出于分析的方便，將把穩(wěn)定性問題及其改善放至最后討論。低頻小信號模型高頻小信號模型AFAEnd高頻小信號放大器的分析方法晶體管工作在線性區(qū)，可看成線性元件，可用有源四端網絡參數(shù)微變等效電路來分析。幾十μV～幾mV1V左右4.2晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)4.2.1形式等效電路（網絡參數(shù)等效電路）4.2.2混合π等效電路4.2.3混合π等效電路參數(shù)與 形式等效電路ｙ參數(shù)的轉換4.2.4晶體管的高頻參數(shù)4.2.1形式等效電路因為放大器由信號源、晶體管、并聯(lián)振蕩回路和負載阻抗并聯(lián)組成，采用導納分析比較方便，為此,引入晶體管的y（導納）參數(shù)等效電路。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管圖4.2.1晶體管共發(fā)射極電路圖4.2.2ｙ參數(shù)等效電路式中：稱為輸出短路時的輸入導納；稱為輸入短路時的反向傳輸導納；稱為輸出短路時的正向傳輸導納；稱為輸入短路時的輸出導納。圖4.2.2ｙ參數(shù)等效電路放大器輸入導納Yi圖4.2.3晶體管放大器及其ｙ參數(shù)等效電路放大器輸出導納Yo4.2.2混合π等效電路y（導納）參數(shù)的缺點：隨頻率變化；物理含義不明顯。圖4.2.4混合π等效電路優(yōu)點：各個元件在很寬的頻率范圍內都保持常數(shù)。缺點：分析電路不夠方便。eb'rcerb'creeCb'eCb'crbb'rb'ecrccbgm

vb‘eEndy（導納）參數(shù)的優(yōu)點：沒有涉及晶體管內部的物理過程，適用于任何四端（三端）器件。y（導納）參數(shù)的缺點：隨頻率變化；物理含義不明顯。圖4.2.4混合π等效電路優(yōu)點：各個元件在很寬的頻率范圍內都保持常數(shù)。缺點：分析電路不夠方便。圖4.2.5ｙ參數(shù)及混合π等效電路4.2.3等效電路參數(shù)的轉換yieyoeyreuceyfeubeCiegiegoeCoeEnd1.截止頻率12.特征頻率當f>fT后，共發(fā)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。4.2.4晶體管的高頻參數(shù)12.特征頻率圖4.2.6β截止頻率和特征頻率可以粗略計算在某工作頻率f>>fβ的電流放大系數(shù)。3.最高振蕩頻率fmax f≥fmax后，Gp<1，晶體管已經不能得到功率放大。由于晶體管輸出功率恰好等于其輸入功率是保證它作為自激振蕩器的必要條件，所以也不能使晶體管產生振蕩。4.3單調諧回路諧振放大器4.3.1電壓增益4.3.2功率增益4.3.3通頻帶與選擇性4.3.4級間耦合網絡通常需要多級放大器來提供足夠高的增益和足夠好的選擇性，從而為下一級（例如混頻和檢波）提供性能良好的有用信號。幾十μV～幾mV1V左右高頻小信號放大器的電路分析包括：1.多級分單級，2.靜態(tài)分析，3.動態(tài)分析，4.整合系統(tǒng)幾個基本步驟。1.多級分單級前級放大器是本級放大器的信號源；后級放大器是本級放大器的負載。1.多級分單級前級放大器是本級放大器的信號源；后級放大器是本級放大器的負載。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC 其簡化規(guī)則：交流輸入信號為零；所有電容開路；所有電感短路。結論：Rb1、Rb2、Re為偏置電阻，提供靜態(tài)工作點；2.靜態(tài)分析 畫出直流等效電路，Rb1Rb2ReVCC45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC 其簡化規(guī)則：有交流輸入信號，所有直流量為零；所有大電容短路；所有大電感開路。（諧振回路L、C保留）1)畫出交流等效電路，3.動態(tài)分析32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+u31-+v21- 2)畫出交流小信號等效電路，負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)圖4.3.1單調諧回路諧振放大器的原理性電路與等效電路32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-出于分析的方便，假定晶體管不存在內反饋，即yre=0?！陡哳l電子線路》（第四版）張肅文主編高等教育出版社32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-把晶體管集電極回路和負載折合到振蕩回路兩端yfeubeyoeYLYLyfeubeyoe+u54-+u31-p1yfevbe+v31-p1yfevbe+v31-32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-4.3.1電壓增益p1yfevbe+v31-p1yfevbe+v31- 諧振時Endgp+v31-4.3.2功率增益整個收、發(fā)機系統(tǒng)的功率增益是其一項重要性能指標，因此需要考慮高頻小信號放大器的功率增益水平。由于在非諧振點上計算功率十分復雜，且一般用處不大，故主要討論諧振時的功率增益：p1yfevbe+v31-討論：則可得最大功率增益為：i)如果設LC調諧回路自身元件無損耗，且輸出回路傳輸匹配。gp+v31-gp+v31-討論：ii)如果LC調諧回路存在自身損耗，且輸出回路傳輸匹配,則可得最大功率增益為：4.3.2功率增益End4.3.3通頻帶與選擇性 通過分析放大器幅頻特性來揭示其通頻帶與選擇性?？梢姡眩淘礁?，則通頻帶越窄。1.通頻帶帶寬增益積為一常數(shù)帶寬和增益為一對矛盾。1.通頻帶2.選擇性（矩形系數(shù)）>>1不論其Q值為多大，其諧振曲線和理想的矩形相差甚遠。End4.3.4級間耦合網絡圖4.3.4單調諧放大器的級間耦合網絡形式4.4多級單調諧回路諧振放大器若單級放大器的增益不能滿足要求，就要采用多級放大器。Av1Av2Avn如果各級放大器是由完全相同的單級放大器所組成，則如果各級放大器是由完全相同的單級放大器所組成，則1.增益2.通頻帶可求得n級放大器的通頻帶3.選擇性（矩形系數(shù)）通頻帶當級數(shù)n增加時，放大器的矩形系數(shù)有所改善，但這種改善是有限度的。表4.4.1列出了Ｋr0.1與m的關系。4.4.1單調諧放大器矩形系數(shù)與級數(shù)的關系

級數(shù)m12345678910矩形系數(shù)Kr01

9.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56從表中可以看出,當級數(shù)m增加時,放大器矩形系數(shù)有所改善,但這種改善是有一定限度的,最小不會低于2.56。4.5雙調諧回路諧振放大器單調諧回路放大器的選擇性較差，增益和通頻帶的矛盾比較突出，為此，可采用雙調諧回路放大器。1、Y參數(shù)等效電路單級雙調諧回路諧振放大器goeVi·YfeVi·YieC1L1p1+-p2L2C2CoeCiegieVo·+-Vi·YieC1L1+-L2C2p2Cie2p2Coe1p2gie2p2goe1p1YVi·feVo·+-p21假設兩個回路的元件參數(shù)都相同：LLCgCgYVi·fep1Vo·+-2p1Vi·YieC1L1+-L2C2p2Cie2p2Coe1p2gie2p2goe1YVi·fep1Vo·+-2p12、質量指標1）電壓增益LLCgCgYVi·fep1Vo·+-2p12、質量指標1）電壓增益LLCgCgYVi·fep1Vo·+-2p1在諧振時2）通頻帶單級雙調諧回路諧振放大器的通頻帶比單級單調諧回路放大器的加寬了倍。23）矩形系數(shù)單級雙調諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)比單級單調諧回路放大器的小，其諧振曲線更接近于矩形。臨界耦合時可見，相對單調諧回路，采用雙調諧回路改善選擇性和提高帶寬。End借助§3.5雙調諧回路頻率特性的分析，可知圖4.5.2對應于不同的η雙調諧回路放大器的諧振曲線多級雙調諧回路諧振放大器AV

=A1A2A3……1、電壓增益K

2、通頻帶B0.7

=0KK442x+m

21=B0.7

=L0Qf12m1-42帶寬縮減因子表示雙調諧放大器級聯(lián)時，要使總的通頻帶保持不變，須將每級的通帶加寬x2倍。121BBm17.07.0-=S=x243、矩形系數(shù)K0.1

雙調諧回路級聯(lián)后，總的通頻帶變窄，

矩形系數(shù)得到改善。7

.0BBK1

.01

.0=121100m1m1--=44B0.1

=L0Qf1100m1-424.6諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施4.6.1諧振放大器的穩(wěn)定性4.6.2單向化 4.6.1諧振放大器的穩(wěn)定性以上分析時，假定yre＝0，即輸出電路對輸入端沒有影響，放大器工作于穩(wěn)定狀態(tài)。下面，討論內反饋yre的影響。1.放大器的輸入導納和輸出導納 引用§4.2結果，可知如果放大電路輸入端也接有諧振回路(或前級放大器的輸出諧振回路)，那么輸入導納Yi并聯(lián)在放大器輸入端回路后(假定耦合方式是全部接入)，2.自激振蕩的產生

(以輸入導納的影響為例)圖4.6.1放大器等效輸入端回路實際電路中，所謂“諧振”，就能量關系而言，是指：回路中儲存的能量是不變的，只是在電感與電容之間相互轉換；外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路的等幅振蕩。此時，如果g∑=gs+gie+gF

＝0，即整個回路的能量消耗為零，回路中儲存的能量恒定，在電感與電容之間相互轉換，回路中的等幅振蕩得以維持，而不需外加激勵。（自激振蕩）如果反饋電導為負值，那么g∑=gs+gie1+gF=0可能存在，即發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象。3.自激產生的原因(以輸入導納的影響為例)圖4.6.2反饋電導ｇＦ隨頻率變化的關系曲線此時，如果g∑=gs+gie+gF＝0，即整個回路的能量消耗為零，回路中儲存的能量恒定，在電感與電容之間相互轉換，回路中的等幅振蕩得以維持，而不需外加激勵。為了消除自激以及提高放大器的穩(wěn)定性，下面確定產生等幅自激振蕩的條件。4.自激產生的條件(以輸入導納的影響為例)回路諧振時，g∑=gs+gie+gF

=0=0分解為幅值和相位兩個條件不發(fā)生自激的條件:回路諧振時，g∑=gs+gie+gF

=0回路諧振時，g∑=gs+gie+gF

>0穩(wěn)定系數(shù)如果S＝1，放大器可能產生自激振蕩；如果S>>1，放大器不會產生自激。S越大，放大器離開自激狀態(tài)就越遠，工作就越穩(wěn)定。5.穩(wěn)定性分析假設放大器輸入與輸出回路相同，(包括諧振回路)增益和穩(wěn)定性為一對矛盾。考慮到全部接入，即p1=p2=14.6.2單向化 如前所述，由于晶體管內存在yre的反饋，所以它是一個“雙向元件”。作為放大器工作時，yre的反饋作用可能引起放大器工作的不穩(wěn)定。下面，討論如何消除yre的反饋，變“雙向元件”為“單向元件”。這個過程稱為單向化。AFCb'erbb'Cb'crb'crb'evb'ercegmvb’eAF避免自激的最簡單做法是在回路兩端并接電阻，即增加損耗。這就是“失配法”。如果把負載導納YL'取得比晶體管yoe大得多，即YL'>>yoe，那么輸入導納不發(fā)生自激的條件，回路諧振時，g∑=gs+gie+gF

>0同理，如果把信號源導納Ys取得比晶體管yie大得多，那么輸出導納因此，所謂“失配”是指：信號源內阻不與晶體管輸入阻抗匹配；晶體管輸出端負載阻抗不與本級晶體管的輸出阻抗匹配。如果把負載導納YL'取得比晶體管yoe大得多，即YL'>>yoe，那么輸入導納穩(wěn)定系數(shù) 可知，當Ys>>yie和YL′>>yoe，穩(wěn)定系數(shù)S大大增加。 但同時，增益必須減小。實際上，增益隨gL增加而減小。失配法以犧牲增益為代價換取穩(wěn)定性的提高。

典型電路ic1yoeyie<<

失配法中和法4.7諧振放大器的常用電路和集成電路諧振放大器4.7.1諧振放大器常用電路舉例4.7.2集成電路諧振放大器 4.7.1諧振放大器常用電路舉例圖4.7.1二級共發(fā)－共基級聯(lián)中頻放大器電路圖4.7.2窄帶石英晶體濾波器電路圖4.7.3窄帶晶體濾波器等效電橋電路圖4.7.4采用單片陶瓷濾波器的中放級圖4.7.5采用表面聲波濾波器的預中放電路4.7.2集成電路諧振放大器圖4.7.6ULN－2204集成塊的中放部分圖4.7.7集成電路HA1144的圖像中放部分End4.9放大器中的噪聲4.9.2電阻熱噪聲 4.9.3天線熱噪聲 4.9.4晶體管的噪聲 4.9.5場效應管的噪聲4.9.1

內部噪聲的來源與特點

自然干擾人為干擾干擾與噪聲外部干擾內部噪聲天電干擾宇宙干擾大地干擾工業(yè)干擾無線電臺自然噪聲人為噪聲有熱噪聲散粒噪聲閃爍噪聲交流哼聲感應噪聲接觸不良4.9.1內部噪聲的來源與特點這種無規(guī)則運動具有起伏噪聲的性質，是一種隨機過程，即在同一時間（０～Ｔ）內，這一次觀察和下一次觀察會得出不同的結果放大器的內部噪聲主要是由電路中的電阻、諧振回路和電子器件內部所具有的帶電微粒無規(guī)則運動所產生的。圖4.9.1隨機過程示意圖 隨機過程的特征通常用它的平均值、均方值、頻譜或功率譜來描述。1.起伏噪聲電壓的平均值圖4.9.2起伏噪聲電壓的平均值2.起伏噪聲電壓的均方值3.非周期噪聲電壓的頻譜 起伏噪聲電壓是一種隨機過程，其對應頻譜也是隨機過程，沒有確定的描述。4.起伏噪聲的功率譜式中，Ｓ(f)稱為噪聲功率譜密度，單位為Ｗ/Ｈz。 電阻中的帶電微粒（自由電子）在一定溫度下，受到熱激發(fā)后，在導體內部作大小和方向都無規(guī)則的運動（熱騷動）。電阻的熱噪聲的功率譜密度噪聲電壓均方值噪聲電流均方值 以上各式中，ｋ為玻耳茲曼常數(shù)，T為電阻的絕對溫度，Δfn為電路的等效噪聲帶寬，Ｒ（或Ｇ）為Δfn內的電阻（或電導）值。圖4.9.6電阻的噪聲等效電路4.9.3天線熱噪聲 熱平衡狀態(tài)下，噪聲電壓的均方值 天線等效電路由輻射電阻ＲＡ和電抗ＸＡ組成。ＴＡ為天線等效噪聲溫度。若天線無方向性，且處于絕對溫度為Ｔ的無界限均勻介質中，則4.9.4晶體管的噪聲 晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和１/f噪聲。圖4.9.10包括噪聲電流與電壓源的Ｔ型等效電路散粒噪聲熱噪聲分配噪聲圖4.9.11晶體管的噪聲特性4.9.5場效應管的噪聲1.由柵極內的電荷不規(guī)則起伏所引起的噪聲2.溝道內的電子不規(guī)則熱運動所引起的熱噪聲ＩＧ為柵極漏泄電流ｇfs為場效應管的跨導3.漏極和源極之間的等效電阻噪聲4.閃爍噪聲4.10噪聲的表