通信电子线路课件第2章 小信号谐振放大器（廖惜春）.ppt

第2章小信号谐振放大器1本章基本要求n掌握:小信号谐振放大器的电路组成、原理及分析方法；n熟悉放大器的噪声系数、高频集成放大器的特点22.1 概述 在无线通信过程中，通信信道数多，所占频段范围较宽, 工作频率也较高(从几百kHz到几百MHz，如卫星通信系统中, 工作频率可达数GHz)同一通信频段内，存在着许多被传送的无线电信号及噪声，而接收机则只选择出所需要的信号进行放大 因此，接收机中的放大器除了要有足够的增益外, 还应具有选择不同频率的信号的能力，于是便产生了各种各样的选频放大器，但无论是哪一种类型的电路，它们主要由两部分组成: 一部分是其核心器件放大器件另一部分是用作选择信号的线性选频网络 32.1.1 小信号调谐放大器的分析方法 n小信号调谐放大器常作为选频放大器，用来放大微弱的高频信号n所谓“小信号”是指两种情况: 一是信号幅度足够小，使得所有有源器件(晶体三极管、 场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路模型代替; 二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系 42.1.2 小信号调谐放大器的主要技术参数 1. 增益 2. 通频带 通常规规定: 当 从1降到0.707处时处时 ，对应对应 的频频率 和之间间的频频率范围围称为为通频带，用符号表示。

3. 选择性 4. 噪声系数 5. 稳定性 52.2有源器件的高频小信号等效电路 n在小信号放大器的分析和设计中, 通常是采用等效电路法, 即假定放大器工作于线性状态, 把电路中的有源器件用线性等效电路来代替, 以便采用经典电路理论来进行分析、计算 n根据导出的方法不同，器件的等效模型可分为两类：n第一类是根据器件内部的物理结构及其物理模型所得出的模拟等效电路，其等效模型为混合型等效电路n第二类是把器件等效为有源四端网络，用一些网络参数组成的等效模型，主要有H 参数等效电路、Y参数等效电路等 2.2.1 BJT、FET器件的混合型等效模型及其参数 6 1 BJT、FET器件的混合型等效模型及其参数7 1 BJT高频混合型等效模型及其参数 图2-2-1(a)为BJT的共发射极接法, 根据晶体三极管的物理结构及物理过程可得其小信号高频混合型等效模型如图2-2-1(b)所示 (2-2-1) 式中, 表示对对的控制能力, 称为正向传输电导或跨导 (2-2-2) 8 2 FET的高频混合等效模型及其参数 9 它表示栅栅源电压电压对对漏极电电流场场效应应管的放大能力 其值值一般比BJT小一个数量级级。

的控制能力, 反映了称为为交流短路时时的漏极输输出电电阻, 定义为义为 : (2-2-4) 102.2.2 混合型参数与Y 参数的关系 11(2-2-6) (2-2-7) (2-2-8) (2-2-9) 12由于 ，故有 由于,它对电路的稳定性影响较大，因此在设计电路时将采取措施减小或消除其影响.因此，分析电路时可采用简化Y参数等效电路13称为输出短路时的输入导纳 称为输为输 出短路时时的正向传输导纳 称为输为输 入短路时时的反向传输导纳 称为输为输 入短路时时的输出导纳 14 (2-2-11) 15晶体三极管的4个Y参数都是复数，为了计算方便，可表示为 (2-2-12) 16 由于晶体管在高频运用时, 其放大特性与工作频率有关, 因而常引用晶体管的频率特性参数来表明它的高频特性 (1) 截止频频率和特征频频率是晶体管低频频运用时时的共射极电电流放大系数 17当值值下降到0dB时时所对应对应 的频频率称为为特征频率, 用符号表示 182.3 小信号调谐放大器 n小信号调谐放大器常作为选频放大器，用来放大微弱的高频信号 n所谓“小信号”是指两种情况: n一是信号幅度足够小，使得所有有源器件(晶体三极管、 场效应管或IC)都可采用二端口Y参数或线性等效电路模型代替; n二是放大器的输出信号与输入信号成线性比例关系。

19“等效电路”法的主要步骤n用“等效电路”法分析小信号调谐放大器，可分为三个主要步骤：n首先是认识电路，包括认清电路的组态（共射电路等）、各元器件的作用，这是电子线路读图的基础；n其次分析电路的直流通路(直流偏置)和交流通路，以便了解电路的实际功能；n最后在画出交流等效电路（如Y参数等效电路）的基础上，根据定义计算放大电路的各参数，以此分析放大器的电路特性、技术性能和频率响应等 202.3.1 晶体管调谐放大器 2.3.1.1 单调谐放大器 21调谐放大器的基本原理 图图b中、等组组成直流偏置 电电路，、为为旁路电电容 2）交流分析：在交流等效电路中，由于晶体管的输入、输出导纳与调谐回路并联，使回路值降低，回路谐振频率也改变为使电路获得最大的功率增益，还要求放大器前后级之间阻抗匹配 1）直流工作状态的分析方法 3）交流等效电路22Y参数等效电路 23图图2-3-1中Tr2一次侧侧采用部分接入的方式，以减小对回路的影响，而与之间间的信号传递传递的输出导纳则采用变压器互感耦合 是集电电极调谐调谐 回路损损耗电导电导 ， 是初级级回路自耦变压变压 器的接入系数，是一次、二次侧侧之间变压间变压 器耦合的接入系数 将下一级级放大器的输输入导纳导纳和回路导纳导纳 都等效为为集电电极回路的等效负载导纳负载导纳24图2-3-2 单调谐放大器等效电路 25图2-3-2 单调谐放大器等效电路 261. 放大器的输入导纳 由图2-3-2 b可得到： 所以 放大器的输入导纳为 (2-3-4) 272. 电压增益 (2-3-1) 由图2-3-2 c中 由电压放大倍数的定义有: (2-3-5) 先求的集电极电压，由图2-3-2 c中 (2-3-6) 28根据变压器电压变换关系，由图2-3-2 a 可得 于是， (2-3-8) 29求电压增益的方法之二也可以将图2-3-2 b 等效为图2-3-2 e ，从图中得到 “”号表示共射极放大器的反相作用 30考虑虑到在调谐调谐 放大器中， 通频带频带与调谐调谐 放大器中心通常满满足关系式: ， 这时这时 将时时晶体管的Y参数表示为为: 工作频率当时时 (2-3-12) 313. 通频带与选择性 单调谐单调谐 放大器随频频率f而变变化的曲线线如图图2-3-3(a)所示，称为放大器的谐振曲线(幅频特性)令，可得到单单调谐放大器的通频带为:图2-3-3 单调谐放大器的频率特性32由回路的有载载品质质因数 可得到: 由此可得到放大器通频带频带与之间间的关系 (2-3-16) 当晶体管参数且回路参数、及也确定时时: 一定 (2-3-17) 334. 功率增益 在满满足条件时时 将全部参数折合并等效为一个典型的LC并联回路,只是一种工程近似，若不满足这个条件，这种等效折合将带来较大误差。

当电电路谐谐振时时，图图2-3-2 e 所示等效电电路中只留下与输输入之比，为为放大器的功率增益 总电导G ，放大器输送到下一级放大器的功率激励功率 (2-3-18) 34当回路本身固有损损耗时时，配匹的条件是： 由式（2-3-18）可得最大功率增益为： （2-3-19 其中， 实际电实际电 路中，回路本身固有损损耗不容忽略，因此实际实际功率增益可表示为 (2-3-20) 35谐谐振时时36令，称为为失配系数 且谐谐振时时， 称为为回路的插入损耗， 称为为失配损耗 37例2-3-1 解: 设的影响暂暂不考虑虑, 则则回路总电导为总电导为 : 110.4(0.3)21.5=1.54 (mS) 由已知参数，可得到谐振时的电压增益为: 回路总电容为 pF 回路外接电容应为 通频带为频带为 : MHz pF 385. 计算接入系数的考虑 、的设计设计 有多种考虑虑， 在功率配匹条件下， 由功率配匹的条件 由上述两式可解得 396. 多级单调谐放大器的级联 假设设一个放大电电路由n级级放大器级联级联 而成，各级级的电压电压， 则总则总 放大倍数为为: 增益分别为如果n级级放大器通频带频带 一样样、增益相同， 即有 当即(=0)时时，n级级放大器总总放大倍数:，谐谐振曲线表示为 40多级放大器谐振特性及通频带令 求得: 式中，是单级单级 放大器的通频带频带 412.3.1.2 双调谐放大器 多级放大器级联时，虽然电压放大倍数增加较多，通频带却变窄，选择性虽有所改善，但与理想矩形相比，仍相差较大。

为解决上述矛盾，晶体管集电极回路采用双调谐回路，可以使放大器具有较好的选择性和较宽的频带，这种放大器称为双调谐放大器 图2-3-5所示是一种常用的双调谐放大电路 42其中等是直流偏置电电路 4344典型的双回路等效电路 图2-3-6 双调谐放大器等效电路 45为为分析方便，设设一次、二次侧侧回路元件参数相同，即:则则得到如图图2-3-6 b所示的效电电路，这这是一个典型的、）互感耦合双调谐调谐 回路 (未考虑46(1) 电压放大倍数 由图2-3-6 b，并根据电路分析理论列出下列方程: (2-3-31) 47考虑到两个回路的参数相同，可得到 式中, 是回路耦合因数, 是回路的相对对表示回路的耦合程度，称为为回路耦合系数 失谐, 当一次、二次侧侧回路谐谐振( =0)时时, 放大器电压电压 增益 48双调谐放大器谐振特性曲线和电压放大倍数的一般表达式分别为 （ =1 时） 当=1时时，称为临为临 界耦合，双调谐调谐 放大器已达到匹配 当1时时， 称为为强耦合， 放大器谐谐振曲线为线为 双峰 49双调谐放大器谐振曲线 50(2) 通频带与选择性 双调谐放大器较常使用的是临界耦合，这时的谐振曲线为: 令 = 0.707，得通频带为频带为 : 同样样可得矩形系数为为: 51（3） 多级双调谐放大器 根据上式， 可求得n级双调谐放大器的通频带为: 称为为通频带缩小系数。

522.3.2 场效应管调谐放大器 (1) 场效应管在正常工作时，栅极电流很小(A级)，所以场效应管的输入阻抗很高，一般在107以上 (2) 场效应管的恒流特性比晶体管好，在恒流区内，场效应管的输出电阻比晶体管的输出电阻大场效应管的输入、输出阻抗较大，有利于提高调谐回路的Q值，提高调谐放大器的选择性 532.3.3 调谐放大器的稳定性 2.3.3.1谐振放大器不稳定的原因 前面分析小信号谐谐振放大器时时曾假定放大电电路中晶体管的但在实际应实际应 用中，晶体管的反向传输导纳传输导纳，放大器的输输出电压电压可通过过反馈馈到输输入端，使输输入电流发生变化 54如前所述，放大器的输入导纳是频率的函数 式中，第一项项反映晶体管的输输入导纳导纳 ，第二项项表示由反向引入的输输出回路对输对输 入回路的影响，即由引入了反馈馈 传输导纳设 令 当时时 时时， 55然而与频频率有关，它可能为负值为负值 ，即负电导负电导 若满满足，则电则电 路产产生振荡荡 2.3.3.3 提高谐振放大器稳定性的措施 为为了减小内部反馈对馈对 放大器稳稳定性的影响，在选选用晶体管小的器件，频频率很高时时，应选应选 用砷化时，应尽量选用镓器件。

此外也可在电路上采取措施消除晶体管内部反馈作用，常用的方法是中和法以及失配法 例2-3-2 56(1) 中和法 平衡条件为 即 57(2) 失配法 例2-3-3 582.4 高频集成放大器 2.4.1 高频集成放大器的特点 n(1) 电路结构与元器件参数具有对称性在集成电路的制作工艺中，相同元器件制作工艺相同，特性和参数的一致性好往往采用结构对称或元件参数匹配的电路形式(如差分放大器等)，利用参数补偿的原理来提高电路的性能，尤其是提高电路的高频特性n(2) 用有源器件代替无源器件由于集成化的晶体管有源器件占用的芯片面积小，参数也易匹配，在模拟集成电路中，通常用晶体管或FET等有源器件代替电路中的电阻、 电容等无源器件n(3) 采用复合结构的电路由于复合结构电路的性能好，因而在模拟集成电路中，常采用复合晶体管：共射共基组合、共集共基组合或共源共栅组合等复合结构电路n(4) 外接元件少、可靠性高由于在半导体芯片上制作电感、大容量电容及高阻值电阻等。