《高頻電子電路》課件-第2

2.2晶體管高頻小信號諧振放大電路的分析方法-------小信號分析法分析步驟1：認識電路，包括認清電路的組態(tài)、各元件的作用；步驟2：分析電路的直流通路和交流通路，了解電路的實際功能；步驟3：由放大器的直流通路決定晶體管的靜態(tài)工作點，確定晶體管的高頻小信號時的模型參數(shù)；步驟4：將交流通路中的晶體管用線性電路等效，建立放大器的高頻小信號等效電路，依據(jù)電路理論，分析放大器的電路特性及技術(shù)性能，估算放大電路的技術(shù)指標等。2.3.1晶體管的高頻小信號混合π型等效電路模型rbb’是基區(qū)擴展電阻，其值為幾十到幾百歐姆；rb’e是發(fā)射結(jié)電阻，

rb’e=26β0/Ie；

β0是晶體管的低頻電流放大系數(shù)，Ie是發(fā)射極靜態(tài)電流(mA)；

Cb’e是發(fā)射結(jié)電容；rb’c是集電結(jié)電阻，其值很大；

Cb’c是集電結(jié)結(jié)電容，數(shù)值較??；

gmUb’e表示晶體管的放大作用，其中g(shù)m=Ie/26(mV)，稱為跨導(dǎo)；

rce是集電極與發(fā)射極之間的電阻，數(shù)值一般很大；Cce是集電極與發(fā)射極之間的電容，數(shù)值一般很小。注：在本課所討論的頻率范圍內(nèi)，rb’c的值比Cb’c的容抗值大得多，故視作斷路。2.3晶體管高頻小信號模型電流放大系數(shù)為即時的工作頻率晶體管的靜態(tài)工作點不同，其頻率參數(shù)值略有不同。通常，為使電路工作穩(wěn)定、有一定的功率增益，晶體管的實際工作頻率應(yīng)等于最高振蕩頻率的1/3~1/4。即時的工作頻率3）最高振蕩頻率頻率參數(shù)即晶體管的功率增益等于1時的工作頻率頻率參數(shù)大小關(guān)系：1）截止頻率

2）特征頻率2.3.2晶體管高頻小信號Y參數(shù)模型

用混合π等效電路能充分表達晶體管內(nèi)部的物理過程，但在電路分析時不夠簡單，因而常將晶體管視作二端口網(wǎng)絡(luò)，并用Y

參數(shù)來描述。共發(fā)射極工作時的Y參數(shù)等效電路如圖所示。也就是說，在電路分析時將共發(fā)射極工作的三極管用它來等效。

Y參數(shù)可以通過實驗方法測定，也可由混合π等效電路計算獲得，且它的值是隨工作頻率變化的。

Y參數(shù)的特點：①晶體管在高頻運用時，參數(shù)yie、yfe、yre、yoe均是頻率的復(fù)函數(shù)，且頻率越高yie和yoe的值越大、yfe的值越小。只有在工作頻率低時，Y參數(shù)可認為是實常數(shù)，并且晶體管手冊無法給出所有頻率點上的Y參數(shù)值。②|yfe|越大，晶體管的放大能力越強；|yre|越大，晶體管的內(nèi)部反饋作用越強。為計算方便，可表示

③yie和yoe均是容性的，因而可以表達為由共射組態(tài)的Y參數(shù)等效電路獲得共基組態(tài)的Y參數(shù)1）高頻小信號諧振放大器的功能實現(xiàn)對微弱的高頻信號進行不失真的放大，即有用信號的頻譜不變。2）高頻小信號諧振放大器的主要技術(shù)指標

電壓增益、3dB通頻帶、矩形系數(shù)、工作穩(wěn)定性等。3）晶體管高頻小信號諧振放大器的分析方法為小信號分析法，即a）由放大器的直流通路決定晶體管的工作點，進而確定晶體管的交流小信號時的模型參數(shù)（物理結(jié)構(gòu)模型中的等效電阻、電容、受控源的參數(shù)值，進而確定Y參數(shù)）；b）由放大器的交流通路決定放大器對交流小信號的放大能力，這時晶體管用高頻小信號條件下的線性模型等效（常用Y參數(shù)等效電路）。2.4單調(diào)諧晶體管高頻小信號放大電路2.4.1原理電路為晶體管提供直流偏置放大器件---晶體管

高頻旁路電容選頻回路作負載輸入回路在只考慮直流激勵的作用時，所有的電容相當于斷路，而所有的電感相當于短路。1.直流通路圖：由直流通路可確定晶體管的靜態(tài)工作點，進而獲得晶體管的交流小信號時的物理模型參數(shù)并獲得等效電路的Y參數(shù)值。斷路

短路斷路斷路短路2.4.2工作原理2.交流通路在只考慮交流激勵的作用時，耦合電容和旁路電容均相當于短路，而大電感（例高頻扼流圈）相當于斷路，工作電容和工作電感應(yīng)保留。共發(fā)射極組態(tài)放大環(huán)節(jié)由輸入回路、放大器件和輸出回路三部分組成。3.放大器的工作原理依據(jù)交流通路，可以獲得系統(tǒng)對交流成分的放大能力，選頻能力等。有效輸入信號ui加在共射組態(tài)晶體管的基、射極之間；由于晶體管為甲類工作方式且ui為小信號，則在ui的控制下得到不失真的集電極電流ic；由于高頻輸出變壓器原邊電感線圈L13與集總電容C組成的并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在ui的頻率上，故負載獲得與ui同頻的信號，即實現(xiàn)對ui的放大。2.4.3性能分析高頻小信號諧振放大器的交流通路圖

高頻小信號條件下的等效電路：

gL是放大器的負載（gL=1/RL）線圈損耗電導(dǎo)1.放大器的輸入導(dǎo)納Yi解得說明放大器的輸入導(dǎo)納Yi，不僅與晶體管的輸入導(dǎo)納yie有關(guān)，而且還與放大器的負載導(dǎo)納Y’L有關(guān)，導(dǎo)致負載變時放大器的有效信號變，工作不穩(wěn)定。若yre=0，則Yi=yie2.放大器的輸出導(dǎo)納Yo解得說明放大器的輸入導(dǎo)納Yo，不僅與晶體管的輸出導(dǎo)納yoe有關(guān)，而且還與放大器輸入信號源的導(dǎo)納Ys有關(guān)，導(dǎo)致Ys變時放大器的輸出信號變，工作不穩(wěn)定。若yre=0，則Yo=yoe3.理想高頻小信號諧振放大器的等效電路理想條件：1）yre=0

Yi=yie

，Yo=yoe2)

yie=gie+jωCie

，yoe=goe+jωCoe理想條件下放大器的等效電路負載端接入系數(shù)信號源端接入系數(shù)將電源、負載折算到LC回路的兩端合并同類元件顯然，這是一個LCR并聯(lián)諧振回路，且回路的有載品質(zhì)因數(shù)為放大器的理想最簡等效電路2.4.4技術(shù)指標估算1.中心頻率調(diào)諧放大器在正常工作時應(yīng)調(diào)諧在輸入信號的中心頻率f0處，即或表達為2.電壓增益由圖知：

諧振于輸入信號的中心頻率時

當工作頻率f0較低時，yfe可視作實數(shù)，這時，輸出電壓與輸入電壓反相。諧振電壓增益解得：①式中的負號表示180

的相位差。在工作頻率較低時，yfe可以看作實數(shù)，輸出電壓和輸入電壓可看做反相；②由于ui是高頻窄帶信號，且放大器工作于諧振狀態(tài)，故電壓增益指標指的是諧振電壓增益的大小，即|Au0|；③|Au0|的大小與晶體管參數(shù)、負載電導(dǎo)、回路諧振電導(dǎo)和接入系數(shù)有關(guān)。若欲增大|Au0|，應(yīng)選用|yfe|大、goe小的晶體管，負載電導(dǎo)gL要小，線圈損耗并聯(lián)電導(dǎo)g0盡可能?。碤0要大）。④接入系數(shù)p1和p2的值會影響回路諧振電導(dǎo)的值，且與電壓增益幅值的關(guān)系不是單調(diào)的。歸一化電壓增益為

|Au/Au0|隨頻率變化的關(guān)系為放大器的諧振曲線3.通頻帶由LC并聯(lián)回路特性知放大器的3dB通頻帶寬度為小信號調(diào)諧放大器的增益帶寬積為此式說明，①在晶體管選定、電路元件參數(shù)確定后，放大器的增益帶寬積就是一個常量。②在保證足夠帶寬的條件下欲得到高增益，需盡可能選擇|yfe|大、Coe和Cie小的晶體管，并減小回路總電容C。4.矩形系數(shù)①表示選取有用信號，抑制無用信號的能力；②理想的頻帶放大器的頻率響應(yīng)曲線是矩形，即通帶內(nèi)的頻譜分量有同樣的放大倍數(shù)，而通帶以外的頻譜分量被完全抑制；③實際放大器的頻率響應(yīng)曲線越接近矩形越好；④定義矩形系數(shù)為因為顯然，Kr0.1≈9.95>>1，說明放大器的頻率選擇性較差。

理想值為1【例2.1】在圖示電路中，晶體管直流工作點是VCE=8V，IE=2mA，工作頻率為f0=10.7MHz，此時，gie=2860μS；Cie=18pF；goe=200μS；Coe=7pF；|yfe|=45mS；φfe=-54o；yre=0；調(diào)諧回路采用中頻變壓器，L13=4μH；Q0=100；N13=20；N23=5；N45=5。并且，下一級采用與本級相同的電路。1）畫出其高頻小信號等效電路；2）計算諧振電壓增益；

3）計算3dB通頻帶寬度。解：（1）高頻小信號等效電路如圖示:由于yre=0，電路可變?yōu)橛捎谙乱患夒娐放c本級相同，故本級電路的負載為下一級電路的輸入導(dǎo)納Yi。由于yre=0，Yi=yie

g0=1/（2πf0L13Q0）=37.2μS。（2）計算諧振電壓增益p1=N2~3/N1~3=0.25；|Au0|=12.3g∑=p12goe+p22gie+g0=228.45μSp2=N4~5/N1~3=0.25；3）計算3dB通頻帶3dB通頻帶：2Δf0.7=f0/

QL=0.66kHz

【例2.2】高頻放大電路如圖所示。其中，各級電路的參數(shù)相同。畫出單級放大電路的小信號等效電路圖。在yre=0時，寫出計算電壓增益、中心頻率及3dB通頻帶的表達式。解：單級放大電路的交流通路圖：故，單級放大電路的高頻小信號等效電路為理想最簡等效電路2.4.5工作穩(wěn)定性1.影響放大電路不穩(wěn)定的因素

反向傳輸導(dǎo)納yre≠0，使得放大器的輸出電壓被反向作用到輸入端，表現(xiàn)為放大器的輸入導(dǎo)納將隨負載導(dǎo)納的變化而變化，回路的品質(zhì)因數(shù)因此改變而使電路中心頻率偏移、通頻帶變窄、諧振曲線變形、增益變化等。使輸入電流變化，有可能引起放大器產(chǎn)生自激振蕩等不良后果。

如前分析，放大器的輸入導(dǎo)納2.放大電路的穩(wěn)定條件放大電路離自激條件愈遠愈穩(wěn)定。

由前面討論所得放大器的等效電路如圖所示Uc通過yre反向傳輸?shù)玫?/p>

如果反饋電壓U’i在相位上與Ui相同，且U’i≥Ui

，這意味著放大器的有效輸入信號增大，要產(chǎn)生自激振蕩。因此定義穩(wěn)定系數(shù)為

由圖知，在信號源提供Ui后，通過正向傳輸?shù)玫斤@然，S=1是維持自激振蕩的條件，只有S>1時放大器才可能穩(wěn)定，且S越大越穩(wěn)定。對于一般放大器，S≥5就可以認為是穩(wěn)定的?？梢宰C明，在對晶體管不加任何穩(wěn)定措施的情況下，滿足穩(wěn)定系數(shù)S要求時，諧振放大器工作于諧振頻率的最大電壓增益（稱為穩(wěn)定電壓增益）可以表達為：由此可見，放大器的穩(wěn)定與增益的提高是相互矛盾的。實際中，取|S|=5時的電壓增益為最大穩(wěn)定增益|Au0|max，只要放大器的電壓增益|Au0|不超過|Au0|max就一定可以穩(wěn)定工作了。【例2.3】一單調(diào)諧回路放大器如圖所示，工作頻率465kHz，晶體管抽頭接入負載回路之接入系數(shù)p1=1/3，負載回路電容C∑=510pF，現(xiàn)測出放大器的諧振電壓增益|Au0|=50，通頻帶10kHz。

若放大器的穩(wěn)定電壓增益|Au0|S=23，欲使其穩(wěn)定工作，應(yīng)在負載回路上并聯(lián)多大的電阻？并將它畫在電路圖上。分析：原電路的總電導(dǎo)為g

。則并聯(lián)電阻R后總電導(dǎo)變?yōu)榻猓河杉碦≤27

kΩ又再由解得解得3.提高放大電路穩(wěn)定性的方法

提高穩(wěn)定性，就是要消除晶體管yre的反饋作用，使其單向化。通常采用的方法是：中和法：在晶體管放大器的輸出與輸入之間引入一個無源網(wǎng)絡(luò)，使它產(chǎn)生的反饋作用抵消晶體管內(nèi)部yre的反饋作用。方法一：改善晶體管的制作工藝，盡量使集電極與基極之間的結(jié)電容Cb’c減小，使反向傳輸系數(shù)yre減小。方法二：從電路結(jié)構(gòu)上設(shè)法消除晶體管的反向傳輸作用，使晶體管單向化。具體方法有中和法和失配法。即：若YN選電容元件，則

如圖所示為具有中和電路的放大器的交流等效電路。2端與5端為同名端因而與反相

放大器的輸入電壓經(jīng)晶體管放大在諧振回路得到電壓通過yre的內(nèi)部反饋，產(chǎn)生反饋電流

，而中和電路采用取自于的YN，其電流為

。從抵消yre的反饋來說，這兩個電流應(yīng)是大小相等。如圖，為中和電路的實際電路形式。內(nèi)部反饋外部反饋通過變壓器耦合的同名端選取確保取得的內(nèi)、外反饋電壓反相。交流‘地’2端與5端為同名端，則如圖，為又一較常用的中和電路形式。為交流‘地’，確保內(nèi)、外反饋電壓反相。內(nèi)部反饋外部反饋【例2.4】圖示電路中，CN為中和電容。確定輸出變壓器Tr2初、次級線圈的同名端,并寫出CN與晶體管內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)系式。

中和法的優(yōu)點是電路簡單，增益不受影響；其缺點是只能在一個頻率點上完全中和，且不適于批量生產(chǎn)（晶體管參數(shù)的離散性較大）。失配法

其實質(zhì)是降低放大器的電壓增益，以確保滿足穩(wěn)定的要求。

降低電壓增益的常用方法：選用合適的接入系數(shù)或在諧振回路兩端并聯(lián)阻尼電阻。在實際運用中，較多采用復(fù)合管的方法。如圖為共射—共基形式。共基：輸入導(dǎo)納較大，輸出電阻很大。復(fù)合管：輸入導(dǎo)納和正向傳輸導(dǎo)納大致和單管參數(shù)相等，反向傳輸導(dǎo)納y'r遠小于單管，輸出導(dǎo)納只是單管的幾分之一。高頻小信號諧振放大電路交流通路圖：復(fù)合管

失配法的優(yōu)點是性能穩(wěn)定，頻帶寬，適于批量生產(chǎn)，且能改變由于溫度等原因引起的各種參數(shù)變化的影響。其缺點是增益較低?！纠?.5】圖示電路中，已知工作頻率為f0=10.7MHz，回路電容C=50pF，中頻變壓器接入系數(shù)為p1=N12/N13=0.35、p2=N45/N13=0.03，線圈品質(zhì)因數(shù)為Q0=100。晶體管在工作頻率上的Y參數(shù)為gie=1.0mS，Cie=41pF，goe=45

S，Coe=4.3pF，yre=-j180

S，yfe=40mS。設(shè)后級輸入電導(dǎo)為gie。求：1）回路的有載品質(zhì)因數(shù)、3dB通頻帶、電壓增益和中和電容CN的值；2）若電路不接中和電容CN，則放大器穩(wěn)定工作所需的負載電導(dǎo)及穩(wěn)定電壓增益。分析：電路的交流通路為中和電容CN的作用是抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)yre的影響，故可等效為yre=0時的交流等效電路【例2.5】f0=10.7MHz，C=50pF，p1=N12/N13=0.35、p2=N45/N13=0.03，Q0=100，gie=1.0mS，Cie=41pF，goe=45

S，Coe=4.3pF，yre=-j180

S，yfe=40mS。求：1）回路的有載品質(zhì)因數(shù)、3dB通頻帶、電壓增益和中和電容CN的值；解：回路的總電容為總電導(dǎo)有載品質(zhì)因數(shù)3dB通頻帶電壓增益中和電容【例2.5】f0=10.7MHz，C=50pF，p1=N12/N13=0.35、p2=N45/N13=0.03，Q0=100，gie=1.0mS，Cie=41pF，goe=45

S，Coe=4.3pF，yre=-j180

S，yfe=40mS。求：2）若電路不接中和電容CN，則放大器穩(wěn)定工作所需的負載電導(dǎo)及穩(wěn)定電壓增益。解：2)若電路不接中和電容CN，取穩(wěn)定系數(shù)S=6，則放大器的穩(wěn)定電壓增益顯然，。這時，欲電路穩(wěn)定工作，也可如圖在LC回路并接一個電阻R，使得回路總電導(dǎo)增大，使放大器的電壓增益降低到|Au0|S，即2.4.6單調(diào)諧放大器的級聯(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。如圖所示為三級單調(diào)諧放大器的級聯(lián)。其中每一級都調(diào)諧在同一個頻率f0上，故多級級聯(lián)單調(diào)諧放大器也稱為同步諧振放大器。1.多級級聯(lián)放大器的電壓增益與諧振曲線

總增益總諧振曲線2.若各級放大器是結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同的諧振放大器，則意味著，總諧振曲線比任一級放大器的諧振曲線尖銳。

因為N是大于1的正整數(shù)，故N級級聯(lián)使用時，總通頻帶比單級放大器的通頻帶要窄。表:多諧調(diào)諧放大器縮減因子與級聯(lián)數(shù)N的關(guān)系級聯(lián)數(shù)N123456781.00.640.510.430.390.350.320.3由

解得總3dB通頻帶寬度單級放大器的通頻帶頻帶縮減因子表:單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)與級數(shù)關(guān)系

從表上可以看出，當級聯(lián)數(shù)N增加時,矩形系數(shù)有所改善，但這種改善是有限度的，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。和理想的矩形還有很大距離。級聯(lián)數(shù)N12345678910∞Kr0.19.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56多級放大器的總矩形系數(shù)由

解得2.5電路元件的選擇

實際放大器的設(shè)計是要在滿足通頻帶、選擇性和穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高電壓增益。①根據(jù)工作頻率，選用|yfe|大、gie小、|yre|

0、fT高的高頻小功率晶體管作為放大器件，并獲得晶體管的靜態(tài)工作點的電壓VCE、電流IEQ及Y參數(shù)值；②依據(jù)靜態(tài)工作點的電壓、電流值估計直流偏置電阻的值；③依據(jù)待放大信號的中心頻率、頻帶寬度選擇LC回路的參數(shù)；④合理選擇接入系數(shù)；⑤合理選擇各種輔助元件；⑥用中和電路或采用的復(fù)合管或降低電壓增益等方法提高電路的工作穩(wěn)定性；⑦在工藝結(jié)構(gòu)方面使放大器遠離自激。按電路靜態(tài)工作點調(diào)試、動態(tài)調(diào)諧與數(shù)據(jù)測量的順序逐級進行電路的調(diào)試。2.6其它電路形式2.6.1雙調(diào)諧放大電路原理電路集電極采用互感耦合雙調(diào)諧回路作為負載。理想等效電路為理想最簡等效電路為若一次側(cè)、二次側(cè)回路都調(diào)諧在同一個中心頻率f0處，且一次側(cè)、二次側(cè)回路元件參數(shù)相同，則電路的電壓增益為回路的耦合因數(shù)回路的相對失諧放大器的歸一化電壓增益①當=1時，臨界耦合，雙調(diào)諧放大器達到匹配，諧振曲線為單峰；②當<1時，弱耦合，諧振曲線為單峰但頻率選擇性差；③當>1時，強耦合，諧振曲線雙峰。放大器的3dB通頻帶寬度矩形系數(shù)雙調(diào)諧放大電路的特點1）在臨界耦合時，頻率選擇性比單級單調(diào)諧放大器好。一般來說，5~6級單調(diào)諧放大器級聯(lián)的矩形系數(shù)才相當于1級雙調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)。2）在強耦合，通頻帶明顯加寬，但中心處出現(xiàn)凹陷且回路調(diào)整比較困難。在要求放大器通頻帶較寬、放大器級數(shù)不宜多的情況下，可采用一級強耦合的雙調(diào)諧