第3章-高频小信号放大电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1、增益（gain）：,放大器输出电压（或功率）与输入电压（或功率）之比，,记为,A,u,（或,A,p,）。,2、通频带（passband）：,通频带是指信号频率偏离放大器的谐振频率,f,o,时，放大器,的电压增益A,u,下降到谐振电压增益,A,uo,的,0.707时，所对应的频率范围，用BW,0.7,表示。,3、选择性（selectivity）：,放大器从各种不同频率的信号中选出有用信号抑制,干扰信号的能力。,矩形系数,K,0.1,：,2f,0.1,与,2f,0.7,之比。,二、,高频小信号放大器的主要性能指标,谐振电压增益,是指放大器在谐振频率上的电压增益，记为,A,uo,。,抑制比,d：,谐振电压增益,A,uo,与干扰电压增益,A,un,之比。,4、工作稳定性（stability）：,指放大器的工作状态（偏置）、晶体管参数、电路元件参数等发生变化时，放大器的增益、中心频率、通频带、特性曲线等稳定程度。,5、噪声系数N,F,：,指放大器,输入端信噪比,(P,si,/P,ni,),与,输出端信噪比,(P,so,/P,no,),的比值。,放大器的,噪声系数,N,F,越小越好，,理想值为,1,。,1、增益（gain）：放大器输出电压（或功率）与输入电压（或,3.2 BJT的高频小信号模型与参数,一、混合,等效电路,C,b,e,C,b,c,+,_,b,e,e,c,b,+,_,+,_,混合,型等效电路,3.2 BJT的高频小信号模型与参数一、混合等效,二、三极管的,Y参数等效电路,三极管处在小信号线性放大状态时，可以近似为线性器件。因此，我们避开三极管的内部结构，将其看成一个线性二端口网络，如下图所示，从而可以用网络参数等效电路来等效三极管。,+,_,y,oe,y,fe,U,be,I,b,I,c,+,_,U,be,U,ce,+,y,ie,y,re,U,ce,Y参数等效电路,U,ce,b,e,c,e,I,b,I,c,U,be,+,_,_,三极管的二端口模型,二、三极管的Y参数等效电路 三极管处在小信号线性,已知线性二端口网络的,y参数方程为：,得到三极管共发射极接法的,y参数电流方程：,并由这个电流方程画出三极管的交流,Y参数等效电路如图：,_,y,oe,y,fe,U,be,I,b,I,c,+,_,U,be,U,ce,+,y,ie,y,re,U,ce,已知线性二端口网络的y参数方程为：得到三极管共发射极接法的y,是输入端交流短路时的输出导纳，即受控电流源的内导纳。,是输出交流短路时的输入导纳；,是输入交流短路时的反向传输导纳，这是造成三极管输入回路与输出回路耦合的主要因数，也称为反馈导纳；,其中：,是输出端交流短路时的正向传输导纳，这是体现三极管电流控制作用的参数，其作用相当于,H参数等效电路中的,；,混合,等效电路和Y参数等效电路所反映的是同一只三极管，所以两种等效电路之间存在着确定的关系，根据Y参数的上述定义，从混合等效电路可以推导出：,是输入端交流短路时的输出导纳，即受控电流源的内导纳。是输出,第3章-高频小信号放大电路课件,1、共射截止频率f,:,下降到,0,的,0.707所对应的,工作,频率。,三、三极管的,参数,共射电流放大倍数,2、特征频率f,T:,下降到1时的,工作,频率。,f,T,0,f,f,3、最高振荡频率f,max:,三极管的功率增益为,1时的工作频率。,f,max,f,T,f,1、共射截止频率f:下降到0的0.707所对应的工,3.3 单调谐回路谐振放大器,1、采用分压式稳定偏置电路；,一、电路和工作原理,2,1,3,4,5,C,L,+,_,U,i,+,_,U,o,+,_,U,i,交流通路,2、T工作在甲类放大状态；,4、信号输入与输出为实现阻抗匹配、满足最大功率传输均采用变压器耦合。,3、输出端采用并联谐振电路，起选频作用，T的集电极采用部分接入，以提高谐振回路的有载Q值；,3.3 单调谐回路谐振放大器1、采用分压式稳定偏,二、主要参数分析计算,n,1,y,fe,U,i,+,_,g,C,L,U,o,将,12和45分别折算到,13端后的等效电路,y,fe,U,i,+,_,y,ie,U,i,C,2,3,1,4,5,C,oe,g,oe,g,L,C,L,+,_,U,o,L,Y参数等效电路,二、主要参数分析计算n1yfeUi+_gCLUo将1,1、电压增益（电压放大倍数）,当输出回路谐振时，,=0，即为纯电导。因此，谐振电压增益A,uo,为：,n,1,y,fe,U,i,+,_,g,C,L,U,o,将,12和45分别折算到,13端后的等效电路,2、功率增益（谐振时功率放大倍数）,1、电压增益（电压放大倍数）当输出回路谐振时，=0，即为,a、,失配损耗,：如果负载失配导致输出功率减小引起的功率损耗。此时，,若谐振回路理想、无损耗，则g,o,=0，当,输出端匹配时,n,1,2,g,oe,=n,2,2,g,L,，输出功率最大，功率增益最大，记为,A,Pomax,：,b、,插入损耗,：由于谐振回路的接入而引起功率增益下降，称为谐振回路的插入损耗,1/（1Q,e,/Q）,2,。这样任意态下的功率增益表述为下式：,下降的程度，称为失配,功率损耗,。,反映了失配时功率增益,2,),1,(,4,P,P,+,，,称为,失配系数,；,其中,2,1,2,2,g,n,g,n,P,oe,L,=,2,max,),1,(,4,P,P,A,A,Po,Po,+,=,a、失配损耗：如果负载失配导致输出功率减小引起的功率损耗。此,3、通频带,4、矩形系K,r0.1,理想和实际的选频曲线,BW,0.7,BW,0.,1,0,f,0.707,A,u,A,u0,1,0.1,K,r0.1,越接近于,1，选频特性越好!,3、通频带4、矩形系Kr0.1理想和实际的选频曲线BW0.7,5、增益带宽积,当增益带宽积一定时，放大器的带宽越宽，则其谐振电压增益越小。,三、级间耦合网络,见课本,75页,例,1：见课本,7677页,四、例题,5、增益带宽积当增益带宽积一定时，放大器的带宽越宽，则其谐振,例,2：单调谐回路放大器如图所示。设负载是与该放大器完全相同的下一级放大器，BJT的参数为：g,ie,=1.1,10,3,S，g,oe,=1.110,-4,S，,|,y,fe,|,0.08S，C,ie,=25pF，C,oe,=,6pF，N,12,=16圈，N,13,20圈，N,45,4圈，L,13,=,1.5uH,，,C=12pF，Q,0,=100,。,求：,f,0,，,A,ou,，,BW,0.7,1、负载是与该放大器完全相同的下一级放大器，所以g,L,=g,ie，,C,L=,C,ie,S,g,g,n,g,n,g,S,L,Q,g,g,y,n,n,A,L,oe,fe,ou,4,0,2,2,2,1,0,0,0,2,1,10,48,.,1,34,1,85,2,回路总电导：,回路空载时的电导为：,倍,、,+,+,=,=,=,S,S,m,w,例2：单调谐回路放大器如图所示。设负载是与该放大器完全相同的,3.4 多级单调谐放大器,目的,：提高增益（各级增益相乘）；改善频率选择性。,一、同步调谐多级放大器,1、电压放大倍数：,A,u,=A,u1,A,u2,A,un,A,u1,n,（每一级都相同）,级数,n,1,2,3,4,B,n,/B,1,1.0,0.64,0.51,0.43,Kr0.1,9.95,4.8,3.75,3.4,3、矩形系数：,，,单级,1,2,),(,),(,1,2,),(,7,.,0,1,1,0,0,-,=,=,=,=,+,S,S,n,BW,BW,A,A,A,A,n,n,n,u,u,u,u,x,2、通频带：,级数越多，总通频带越窄。,级数越多，矩形系数变化越缓慢。,3.4 多级单调谐放大器目的：提高增益（各级增益相乘,二、参差调谐放大器,将若干个单级谐振放大器级连，但每个谐振放大器的调谐频率不同，称为,参差调谐放大器。,f,o,f,o1,f,o2,f,|K|,f,s,f,s,双,参差,f,o,f,o1,f,o2,f,|K|,三,参差,合成曲线更接近于矩形,参差调谐放大器可以增加带宽，同时又得到边沿较陡峭的频率特性。因,此，它用于宽带和高选择性的场合。,二、参差调谐放大器 将若干个单级谐振放大器级连，但每个,第3章-高频小信号放大电路课件,第3章-高频小信号放大电路课件,第3章-高频小信号放大电路课件,结论：,双参差调谐放大器的矩形系数远比两级同步调谐放大器小得多。,结论：双参差调谐放大器的矩形系数远比两级同步调谐放大器小得,3.5 双调谐回路谐振放大器,缺点,:,电路较复杂；调整比较困难。,优点,:,通频带宽，选择性好。,双调谐放大器等效电路,3.5 双调谐回路谐振放大器缺点:电路较复杂；调整,临界耦合状态,(,=1)时的最大电压放大倍数为：,级数,n,1,2,3,4,B,1,/B,2,1.0,0.8,0.71,0.66,K,r0.1,3.15,2.16,1.9,1.8,p,1,p,2,双调谐放大器等效电路,临界耦合状态(=1)时的最大电压放大倍数为：级数n1234,A,u,y,re,增大,自激,y,re,=0,f,f,0,y,re,对放大器幅频特性的影响,3.6 谐振放大器的稳定性与稳定措施,在前面对小信号谐振放大器的分析中把三极管当成单向化器件对待,但是,实际上三极管的高频小信号模型是,双向传输,的,。,一、谐振放大器的输入导纳,Y,i,及稳定性分析,y,re,的影响将在小信号谐振放大器中产生两个问题：,1、,影响小信号谐振放大器的谐振频率，特别是当输入端也接有谐振回路时，,y,re,中的电容成分会引起放大器的频率特性发生明显的畸变，使得多级调谐放大器调整变得很困难。,2、,y,re,中的电导成分会引起放大器自激，使放大器不稳定。,Auyre增大自激yre=0ff0yre对放大器幅频特性的影,c,e,b,y,oe,y,ie,+,_,+,_,y,s,y,L,y,i,cebyoeyie+_+_ysyLyi,二、提高放大器稳定性的方法,1、选择高频性能好的三极管。,通常,C,b,c,(即C,)越小越好。,2、中和法。,在晶体管外部接一个中和电容,C,N,来抵消内部反馈有害的影响。,N,1,N,2,C,b,c,C,N,如果中和电路使 和 相等，此时，正反馈的影响被抵消。起到使放大器稳定工作的作用。,优点：,方法简单,。,缺点：,难以完全中和。,二、提高放大器稳定性的方法1、选择高频性能好的三极管。通常C,采用,共射,共基,级联组合放大电路,V,1,V,2,V,2,管的,C,b,/,c,不构成正反馈，而,V,1,管由于负载阻抗很小，导致该级增益很低，,V,1,和,V,2,之间处于严重失配状态，不会构成自激振荡。,3、失配法：,是一种通过适当降低放大器的增益，提高放大器的稳定性的方法。,优点：,工作稳定，无需调试，适宜大量生产,。,应用电路见课本,90页。,采用共射共基级联组合放大电路V1V2 V2管,3.7 常用谐振放大器,一、常用分立元器件谐振放大器,二级共射共基级联中频放大器电路,3.7 常用谐振放大器一、常用分立元器件谐振放大器二,石英晶体滤波器窄带放大器电路,窄带晶体滤波器等效电桥电路,陶瓷滤波器构成的放大器,石英晶体滤波器窄带放大器电路 窄带晶体滤波器等效电桥电路陶瓷,由集成放大器和具有一定带宽的选频网络构成。,二、集成电路谐振放大器,见课本,96页,采用表面声波滤波器的预中放电路,由集成放大器和具有一定带宽的选频网络构成。二、集成电路谐振放,+12,V,XG1590,U,o,R,L,=50,u,AGC,39,PF,110,pF,2,6,T,2,U,s,R,s,=50,T,1,1,5,5,1,4,4,3,3,8,8,7,7,6,2,XG1590,24,pF,110,pF,110,pF,10,H,10,H,10,k,51,k,0.002,F,0.002,F,0.002,F,两级,60MHz中频放大器,XG1590是通用型高频线性集成放大器芯片，带有自动增益控制功能。当芯片调谐在60,MH,z工作时，功率增益为45,dB,，非调谐工作时,BW,0.7,=10,MHz,，当自动增益控制电压,U,AGC,=57,V,时，控制范围达,60,dB,，芯片采用单电源供电，最大电源电压,18,V,。,+12VXG1590UouAGC39PF110pF26T2,3.8 放大电路中的噪声,噪声（,noise）：,在放大电路或电子设备中与有用信号同时存在的一种,随机变化,的,电流或电压，没有有用信号是时它也存在。,一、噪声的特点和表示方法,特 点：,起伏性,和,随机性,自然干扰：,天电干扰、宇宙干扰、大地干扰等,干扰,人为干扰：,工业干扰、无线电干扰等,自然噪声：,热噪声、散粒噪声、分配噪声和闪烁噪声,人为噪声：,交流哼声、感应噪声、接触不良噪声等,噪声,白 噪 声：,噪声功率谱密度,不随频率变化的噪声,有色噪声：,噪声功率谱密度,随频率变化的噪声,表示方法：,平均值,、,均方值,、,均方根值,和,功率谱密度,S(f),（单位噪声带宽内的噪声功率）,3.8 放大电路中的噪声 噪声（noise）：,二、电路内部噪声的来源,电路的内部噪声主要来源于,电阻的热噪声,和,放大器件的噪声,噪声功率谱密度,S(f)=4kTR,单位为,W/H,Z,噪声电压的均方值,（一）电阻的热噪声,电阻材料中的自由电子因无规则的热运动而产生的起伏电流,(电压)称为电阻的,热噪声,=4kTR,f,n,噪声电流的均方值,=4kTgf,n,二、电路内部噪声的来源电路的内部噪声主要来源于电阻的热噪声和,电阻的热噪声可以用一个,噪声电压源,和一个无,噪声的电阻,R,串联来等效，也可以用一个,噪声电流源,和一个,无噪声的电导,g,并联来等效。,电阻热噪声的等效电路,串并联电路的等效噪声电路,两个并联电阻所输出的总噪声电压均方值相当于两个电阻的并联阻值所产生的热噪声,两个串联电阻所输出的总噪声电压均方值相当于两个电阻的串联阻值所产生的热噪声,电阻的热噪声可以用一个噪声电压源和一个无噪声,1、热噪声（thermal noise）,2、散粒噪声（shot noise）,(二)三极管的噪声,3、分配噪声（distribution noise）,4、闪烁噪声（flicker noise）或,1/f噪声,晶体三极管的热噪声主要是基区电阻,r,b,/,b,产生的热噪声。,用噪声功率谱密度表示为,S(f)=4kTr,b,/,b,由于少数载流子由发射区通过,PN结注入基区时，在单位时间内注人的载流子数不同，,是随机起伏的。这种起伏会影响到集电极电流的起伏，由此引起的噪声叫散粒噪声。,晶体管发射区注入到基区的少数载流子中，一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流，一部分在基极区复合。载流子复合时，其数量是随机起伏的。分配噪声就是集电极电流随基区载流子复合数量的变化而变化所引起的噪声。,它主要在低频(几千赫以下)范围起主要作用，其噪声频谱与频率近似成反比。这种噪声产生的原因与半导体材料制作时表面清洁处理和外加电压有关，在高频工作时通常不考虑它的影响。,(三)场效应管的噪声,1、热噪声（thermal noise）2、散粒噪声（sh,3.9 噪声的表示及计算方法,一、噪声系数,N,F,放大电路的输出噪声功率p,no,是由两部分组成的，一部分是P,no1,=A,p,P,ni,，另一部分是放大电路本身产生的噪声在输出端呈现的噪声功率,p,no2,表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度。,噪声系数的概念仅仅适用于线性电路，可用功率增益来描述。,3.9 噪声的表示及计算方法一、噪声系数NF,额定输入信号功率（）：,信号源内阻,R,s,与放大电路的输入电阻,R,i,相,等时，信号源的最大功率输出。,当R,i,R,s,时，额定信号功率和额定噪声功率的数值不变。但这时的额定功率不表示实际的功率。,额定功率增益,(A,pH,)：,指放大电路的输入和输出都匹配时,(即 R,S,=R,i,，,R,0,=R,L,时),的功率增益。,额定输入信号功率（）：信号源内阻Rs与放大电路的输,二、噪声温度,T,i,（,noise temperature）,三、多级放大器的噪声系数,两级放大器的总噪声系数为,噪声温度,T,i,：把放大电路的内部噪声看作是由信号源内阻,R,s,在温度为,T,i,时所产生的噪声。也就是说，在放大电路的输入端虚设一个噪声源,4KT,i,R,s,f,n,。它经过放大电路放大后，在输出端得到的额定输出噪声功率正好等于放大电路内部噪声在输出端得到的额定输出噪声功率。,。,。,多级放大器的总噪声系数为,二、噪声温度Ti（noise temperature）三、多,多级放大器总的噪声系数主要取决于前面两级，而和后面各级的噪声系数几乎没有关系。通常，要求第一级的噪声系数N,F1,要小而额定功率增益,A,PH1,要大。,五、等效噪声带宽,设二端口网络的电压传输系数为 A(f)，输入端的噪声功率谱密度为S,i,(f)。把输入时噪声功率谱密度乘以网络的功率传输系数A,2,(f)，即可得输出端的噪声功率谱密度S,o,(f)=A,2,(f)S,i,(f),四、灵敏度（,sensitivity）,。,灵敏度：,系统的输出信噪比给定时的,有效输入信号功率,。,与之相对应的输入电压为,最小可检测信号,。,多级放大器总的噪声系数主要取决于前面两级，而,线性网络输出端的噪声电压方均值为,。,因为,S,i,(f)=4kTR，所以,线性网络的等效噪声带宽 与信号通频带 是不同的两个概念。前者是从噪声的角度引出来的，而后者是对信号而言的。但是二者之间有一定的关系。对于常用的单调谐并联谐振回路来说，。随着回路级数m的增加，等效噪声带宽与信号通频带的差别越来越小。,线性网络输出端的噪声电压方均值为。因为Si(f)=4kT,六、减小噪声的措施,3、选择合适的晶体管静态工作点,4、选择合适的工作带宽,1、选用低噪声的元器件,。,2、选择合适的信号源内阻,6、选择合适的放大器：多级放大器的前级要选用低噪声、高增益的放大器；使用场效应管放大器,5、降低晶体管的工作温度,六、减小噪声的措施3、选择合适的晶体管静态工作点 4、选择合,