09级高频电子技术课件第2章_ 高频小信号放大器

EXIT,EXIT,通信电子线路,合肥工业大学,*,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,*,第,2,章 高频小信号放大器,第,2,章 高频小信号放大器,高频电路的基础知识,小信号谐振放大器,小信号谐振放大器的稳定性,集中选频放大器,概 述,2.1,概 述,一、高频小信号放大器的功能,是对高频小信号实现不失真地放大。,指所放大信号的中心频率在几百,KHz,几百,MHz,指放大器输入信号小，,有源器件,工作,在线性,范围内，,分析电路时可采用有源四端网络,分析法分析,高频小信号放大器功能的表示形式,:,输入信号频谱与输出信号频谱相同,高频,:,小信号,:,2.1,概 述,二、高频小信号放大器的分类,按负载性质分：,谐振放大器,（又称调谐放大器）,用,LC,谐振回路作负载,非谐振放大器,按放大信号的频谱宽窄分,窄带放大器,宽带放大器,（如,集中选频放大器）,用,LC,谐振回路或集中选频滤波器,做负载,用纯阻或变压器做负载，,带宽较宽，,f,1,定义：放大器的电压增益下降到最大值的 倍时所对应的频带宽度。常用,2f0.7(,或,BW0.7),表示。,2.1,概 述,三、高频小信号放大器的,主要技术指标,1,、电压增益与功率增益,电压增益,功率增益,2,、通频带,2,f,0.7,f,2,0.707,时所对应的频带宽度,2.1,概 述,三、高频小信号放大器的,主要技术指标,3,、选择性：,表示选取有用信号，抑制无用信号的能力。,0.1,2,f,0.1,f,0,f,1.0,0.707,2,f,0.7,用来表示实际曲线形状接近理想矩形的程度,矩形系数：,，,选择性越好。,理想,实际,2.1,概 述,三、高频小信号放大器的,主要技术指标,4,、工作稳定性：,一般的不稳定现象是：增益变化，中心频率偏移，通频带变窄等，不稳定的极端情况是,放大器发生自激，放大器不能正常工作。,指放大器的工作点，管子参数，电路元件参数等变化时，,放大器主要性能指标的稳定程度。,5,、噪声系数：,指输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值,2.2,高频电子线路的基础电路,一、,LC,谐振回路,分为：,主要特点：,选频、滤波作用,（一）,LC,并联谐振回路,I,s,.,L,r,C,L,的等效损耗电阻,1.,回路阻抗,回路导纳,Z,G,0,（,R,0,）,（一）,LC,并联谐振回路,2.,回路谐振特性,（,1,）谐振条件：,当回路的电纳等于,0,时（即虚部为,0,），回路呈谐振状态,（,2,）谐振阻抗：,（达到最大值，且为纯阻性）,谐振电阻：,（,3,）谐振频率：,谐振时，由于,B=0,，即,（,4,）谐振电压：,谐振时电压达到最大值且 与同相,（一）,LC,并联谐振回路,3.,品质因数,它反映谐振回路损耗的大小,物理意义：,谐振时,（谐振回路的特性阻抗）,谐振电阻,结论：谐振时电感和电容中的电流幅值为外加电流源的,Q,倍,并联谐振回路中的电流,4.,回路阻抗特性,0,Z,R,P,阻抗幅频特性,，回路呈纯阻性,时，,，回路呈容性,时，,，回路呈感性,阻抗相频特性,z,90,-90,0,0,时，,当,L,C,在谐振时，回路相移为零,，,阻抗最大，导纳最小，且为纯阻性,失谐时，回路有相移，且回路阻抗下降。,5,谐振曲线,（回路两端电压幅值与工作频率之间的关系）,当,在,附近时，,为失谐量,5,谐振曲线,常用的谐振曲线为归一化谐振曲线，即为,Q,1,Q,2,在谐振点,f,=0,，,U,/,U,0,=1,。随着,|,f,|,的增大，,U,/,U,0,将减小。,Q,2,Q,1,对于同样的偏离值,f,，,Q,越高，,U,/,U,0,衰减就越多，谐振曲线就越尖锐，即,回路两端电压衰减越快，对外加信号的选频作用越显著，即选择性越好,结论：,Q,值越高，谐振曲线就越尖锐，回路选择性越好,6,通频带,结论：通频带与,Q,成反比，,Q,越高，回路选择性越好，,但通频带越窄。,定义,:,回路电压下降到最大值的 倍时所对应的频率范围，,用 （ ）表示。,可得出,空载品质因数,7,负载与信号源内阻对回路影响,考虑,s,和,L,后的并联谐振回路，如图所示。,谐振频率,不变,回路谐振电阻,有载品质因数,（考虑,s,和,L,）,（不考虑,s,和,L,）,由于,，所以,结论：,考虑,s,和,L,Q,下降，选择性变坏，但通频带加宽。,注：一个有损耗的电感线圈在工作频率,0,下通过 表可测得线圈的电感值,和空载品质因数 ，而 的大小就反映损耗的大小。,（二）,LC,串联谐振回路,回路阻抗,:,Z,谐振频率：,阻抗特性,:,0,Z,r,阻抗幅频特性,阻抗相频特性,z,90,-90,0,0,，回路呈纯阻性,时，,，回路呈感性,时，,，回路呈容性,时，,当,（谐振电阻）,电流最大,L,C,特点：,（作为陷波器）,（二）,LC,串联谐振回路,空载品质因数：,有载品质因数：,谐振曲线：,（回路中电流幅值与外加信号源频率之间的关系）,通频带：,LC,串并联相比较,LC,串并联相比较,i,s,L1,L2,u,s,i,s,*,(,三）,双耦合谐振回路,u,s,L1,L2,i,s,+,u,2m,-,+,u,2m,-,广义失谐因子,其中：,i,s,L1,L2,曲线为单峰。,曲线也为单峰，但峰值小于,1,。,1,0,曲线为双峰，,特性曲线的最大值应位于 处。,例,1,已知,LC,并联谐振回路的电感,L,在,时测得,试求谐振频率,时的,C,和,并联谐振电阻,解：,例,2,下图中，,L,= 586,H,C,= 200,PF,r,= 12,R,S,=,R,L,= 100 k,，试,分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。,1.,计算无,R,S,、,R,L,时回路的固有特性：,f,0,、,Q,0,、,R,P,、,BW,0.7,解,L,r,U,s,.,C,R,L,R,S,R,0,例,2,下图中，,L,= 586,H,C,= 200,PF,r,= 12,R,S,=,R,L,= 100k,，试,分析信号源及负载对谐振回路特性的影响。,2.,计算有,R,S,、,R,L,时回路的特性：,f,0,、,Q,、,R,P,、,BW,0.7,解,L,r,U,s,.,C,R,L,R,S,由于,L,、,C,基本不变，故谐振频率,f,0,465kHz,不变,二、阻抗变换电路,（,1,）谐振回路的值大大下降,（,2,）信号源和负载电阻常常是不相等的，即阻抗不匹配，,当两者相差 较多时，负载上得到的功率可能很小,（,3,）信号源内阻或负载不一定是纯电阻，可能还包括电抗,部分如果考虑信号源输出电容,和负载电容，会影响回路,的谐振频率。,信号源内阻或负载直接并联在,LC,回路两端，该接法存在的问题：,解决方法：可用阻抗变换电路。,（,2,）若,则 ，实现从低阻向高阻的变换，,实现阻抗匹配，同时回路品质因数大大提高,注：（,1,） 反映电压比,R,L,N,1,N,2,M,+,u,1,-,+,u,2,-,C,1.,变压器阻抗变换电路,设变压器为无耗的理想变压器，,则等效到初级回路的电阻,R,L,上所消耗的功率应和次级负载,R,L,上所消耗功率相等，即,则,二、阻抗变换电路,设接入系数,则,2.,自耦变压器阻抗变换电路,则,二、阻抗变换电路,设接入系数,则,接入系数的定义：,3.,双电容分压阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,4.,双电感抽头阻抗变换电路,二、阻抗变换电路,和,是各自屏蔽的（令,M=0,）,二、阻抗变换电路,在实际应用中，除了,阻抗需要变换外,，有时,电压源，电流源，电容,电感,需要折算，根据接入系数的定义，可得到其他量的变比关系：,三、,串并联阻抗的等效互换,等效互换前的电路与等效互换后的电路阻抗相等,结论：串并联等效互换后,Q,不变。,三、,串并联阻抗的等效互换,结果表明,:,串联电路转换为等效并联电路后，电抗元件性质不变，,且在高,Q,时，,电抗值,基本不变,，而并联电路的,电阻,为串联电路的,Q,2,倍,例,3,下图所示电路为一等效电路，其中,计算回路的谐振频率、谐振电阻。,解：由上图画出等效电路,分析：此题是基本等效电路的计算,其中,L,为有损电感，应考虑损耗电阻,R,0,其次应进行抽头电路等效变换。,谐振电阻：,I,s,C,U,o,1,2,3,+,R,L,R,s,5,4,解：,将,I,s,、,R,S,、,R,L,均折算到并联谐振回路,1-3,两端,例,4,下图中线圈匝数,N,12,= 10,匝,N,13,= 50,匝,N,45,= 5,匝,L,13,= 8.4,H,C,= 51,PF,Q,0,=100,I,s,= 1 mA ,R,S,=10 k,R,L,= 2.5 k,求,有载品质因数,Q,L,、通频带,BW,0.7,、,谐振输出电压,U,o,。,BW,0.7,=,f,0,/,Q,L,=103 kHz,小结（,要求掌握以下知识点,),串并联谐振,电路结构、谐振频率、谐振阻抗及其特点、,空载品质因数、有载品质因数、空载通频带、,有载通频带、阻抗特性、负载特性,阻抗变换：,接入系数、不同元件的等效变比关系,（电阻、电导、电容、电抗、电流源、电压源）,串并联阻抗的等效互换：,R1,、,X1,串联、,R2,、,X2,并联：,R2Q,2,R1 , X2 X1,2.3,晶体管高频小信号谐振放大器,2.3.1,晶体管的频率参数和高频等效电路,1.,晶体管的混合,型等效电路,2.,晶体管的,Y,参数,3,、,BJT,的高频参数（高频特性）,2.3.2,单级调谐放大器,1.,电压压放大倍数,2.,功率放大倍数,A,p,3.,晶体管最高振荡频率,f,max,4.,放大器的通频带,5.,放大器的选择性,2.3.3,多级单调谐放大器的级联,1.,多级放大器的电压放大倍数和通频带,2.,多级放大器的矩形系数,2.3.1,晶体管的频率参数和高频等效电路,高频小信号放大器可放大,中心频率,为几百千赫兹到几,百兆赫兹,频带,为几千赫兹到几十兆赫兹,几百毫伏以下的,输,入信号,它具有选频和放大功能。高频小信号放大器包括高,频小信号调谐放大器和选频滤波式高频小信号放大器。,下图,画出了晶体管共射极混合,等效电路。根据器,件材料和工艺不同，图中等效元件的参数也不一样。对于,高频管而言：,图,2-13,1.,晶体管的混合,等效电路,混合,等效电路,其中， 表示晶体管放大作用的等效电流源。其中,g,m,为晶体管微变跨导，它也是发射极 的函数。,r,ce,反映了集电极电压 对电流 的影响。在放大状态,工作时这个影响很微弱,r,ce,值很大，一般在几十千欧以上。,三个附加电容,Cbe,，,C,b,c,，,Cce,属引线和封装结构所形成的电容，数量很小，其影响一般可以忽略。,频率较高时，,Cb,c,的容抗较小，可它并联的电阻,rbc,较大，相比之下,rbc,可以忽略。简化后的等效电路,如图所示,。,混合,等效电路的简化,2,晶体管的,Y,参数等效电路,混合,型等效电路,是从模拟晶体管的物理结构出发，用集中参数元件,r,，,C,和受控源表示晶体管内的复杂关系。,这种等效电路称为,物理模拟等效电路,。,它的优点是：各元件参数物理意义明确，在较宽的频带内这些元件值基本上与频率无关。缺点是：随着器件不同有不少的差别，分析和测量不便。因此，混合,型等效电路,比较适合宽频带放大器,。,Y,参数等效电路,是从测量和使用的角度出发,，,把晶体管看作一个,有源线性四端网络,，,用一组网络参数来构成其等效电路，这种等效电路称为,形式等效电路,。,Y,参数等效电路,优点：,导出的表达式具有普遍意义，分析和测量方便；缺点是网络参数与频率有关。但,由于,高频小信号谐振,放大器,的,频带较窄,，一般只需在,工作频率,f,0,上进行,参数计算,。故,分析高频小信号谐振放大器时采用,Y,参数等效电路,是合适的。,图,(a),将共射接法的晶体管等效为有源线性四端网络。图,中 表示晶体管输入和输出电压， 为其对应电流。以,为自变量， 为因变量，则描述它们之间的关系的线性方程为：,（,1,）,b,e,+,-,c,e,+,-,图（,a,）,式中,Y,ie,，,Y,re,，,Y,fe,，,Y,oe,是,Y,参数，具有导纳量纲，故又,称为四端网络的导纳参数。其中,输出交流短路时的,输入导纳,输出交流短路时的,正向传输导纳,输入交流短路时的,反向传输导纳,输入交流短路时的,输出导纳,根据式（,1,）可以很容易得到,如图所示,的,Y,参数等效电路。其中 是受控电流源,正向传输导纳,Y,fe,越大,晶体管的放大能力越强；反向传输导纳,Y,re,越大,晶体管的内部反馈越强。减小,Y,re,有利于放大器的稳定工作。,+,-,+,-,图（,b,）,3,、,BJT,的高频参数（高频特性）, 截止频率 （共射）,当 下降为低频段值 的 分之一时，所对应的工作频率称为截止频率。,通常 ，所以 处的 ，晶体管仍具有电流放大作用。, 特征频率,当 下降为,1,时，所对应的工作频率称为特征频率。,尽管 ，无电流放大作用，但,BJT,可能还有电压放大作用，所以仍有功率放大。, 最高振荡频率,当功率增益为,1,时，所对应的工作频率称为最高振荡频率。,为使电路工作稳定，且保证一定的功率增益：,2.3.2,单级调谐放大器,高频小信号谐振放大器是由,放大电路,（由晶体管、场效应管或集成电路组成）与,选频电路,（主要是,LC,谐振回路）组成，作用是将微小的高频信号进行线性放大，选出中心频率（输入信号对应）的信号，并滤除不需要的干扰频率信号。,主要讨论高频小信号谐振放大器的主要性能指标：,电压增益,、,功率增益,、,通频带,和,矩形系数,等。,高频小信号谐振放大器的分析方法主要采用,Y,参数等效电路法,线性分析方法。,1.,单级单调谐放大器,1,）电路组成与特点,(1) V,放大管；,(2),变压器耦合输入；,(3)R,b1,、,R,b2,直流偏置，提供静态工作点；,(4)C,b,、,C,e,高频旁路；,(5),部分接入式,LC,谐振回路：,作,放大器,负载,，对输入,信号,的,中心频率谐振,，完成,阻抗匹配,和,选频滤波,，同时也可,减小,本级放大器输出导纳以及负载（或下级放大器）对,LC,回路的,影响,。,绘制交流等效电路的原则：,把直流电压源短路,把大电容（耦合电容、旁路电容）短路,把大电感（高频扼流圈等）短路,d.,把大电阻忽略（即开路），以简化交流等效电路。,e.,晶体管保留,f.,确定公共端，按规范整理,2,）放大电路的交流等效电路,忽略管子内部的反馈,即令,Y,re,=0,（,1,）,（,2,）,（,3,）,（,4,）,3,）放大器的性能指标,(1),电压增益,由等效电路（,4,）可得：,由电压增益定义可得：,当放大器谐振时：,谐振时电压增益,：,（,2,）,（,3,）,（,4,）,增益幅值：,相角：,谐振频率：,回路有载品质因数：,（,5,）,（,6,）,（,7,）,（,8,）,谐振时电压增益：,(2),谐振时的功率增益,若前后级放大器采用相同型号的晶体管，且工作电流相同，则：,（,6,）,（,10,）,(3),通频带,(4),增益带宽积,通频带和电压增益的乘积是一定值，反映了两者之间的矛盾性。,(5),矩形系数,反映了单级单调谐放大器的选择性很差。,（,11,）,（,12,）,（,13,）,单级调谐放大器的,性能指标计算步骤,：,1.,画出已知调谐放大器的高频等效电路（即晶体管用,Y,参数等效电路代替后的交流等效图,）,2.,根据接入系数，将所有元件等效至谐振回路两端（即谐振回路电容和电感的两端）,3.,根据第,2,步得到的等效谐振回路，计算相关参数（ 等），并代入相关公式求解所需结果。,总结：,2.,多级单调谐放大器,多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。,1,）电压增益,多级单调谐放大器的总电压增益是各级电压增益的乘积。若由完全相同的单级放大器组成，各级电压增益相等，则,m,级放大器的总电压增益为,（,15,）,（,16,）,2.,多级单调谐放大器,多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。,2,）单位谐振函数,m,级相同的放大器级联时，它的单位谐振函数等于各单级放大器单位谐振函数的乘积。,（,17,）,3,）通频带,多级放大器级数越多，通频带越窄。,4,）矩形系数,多级放大器级数越多，矩形系数越小，与理想矩形特性越接近。,（,18,）,（,19,）,例,6,：采用完全相同的三级单调谐放大电路组成的中放电路，其谐振总电压增益为,66dB,，,3dB,带宽为,5kHz,，,工作频率为,455kHz,。,求每级放大电路的谐振电压增益、,3dB,带宽及每个回路的有载,Q,值为多少？,解：因三级放大器的谐振总电压增益为,故每级放大器的谐振电压增益为,因三级放大器的总通频带为,故每级放大器的带宽为,则每个回路的有载,Q,值为,本章小结,概念：,谐振，,串、并联回路谐振时的特性（谐振频率、谐振电阻、通频带、选择性）,计算：,不同接入方式下的阻抗变换,用,Y,参数等效电路分析计算单调谐放大器的性能指标（电压增益,，,选频特性参数）,了解：,晶体管的频率参数,掌握 ：,单调谐回路谐振放大器的分析方法,