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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,*,*,Chapter,4,高频小信号放大器,4.1,概述,4.2,晶体管高频小信号等效电路与参数,4.3,单调谐回路谐振放大器,4.4,双调谐回路谐振放大器,4.5,谐振放大器的稳定性,4.6,放大器中的噪声,10/31/2024,1,4.1,概述,1,高频小信号放大器的特点,频率较高,中心频率一般在几百kHz几百MHz,频带宽度在几kHz几十MHz, 小信号,信号较小故工作在线性范围内(甲类,放大器),10/31/2024,2,谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，具,有放大、滤波和选频的作用。非谐振放大器由阻容,放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。,2,高频小信号放大器的分类,按所用的材料：晶体管BJT)、场效应管FET)、,集成电路IC),按频谱宽度：,窄带放大器和宽带放大器,按电路形式：单级放大器和多级放大器,按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器,10/31/2024,3,放大器的电压增益下降到最大值的0.707（即1/ )倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用 表示。2,f,0.7,也称为3分贝带宽。,3,高频小信号放大器的质量指标, 增益放大系数,通频带,分贝表示：,10/31/2024,4,0.5,与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数,Q,L,。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄。并且通频带愈宽，放大器增益愈小。,为什么要求通频带？,放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号频谱分量通过放大器。,10/31/2024,5,选择性,从各种不同频率信号的总和中,选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。,选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。,矩形系数,表示对邻道干扰的抑制能力。,2,f,0.1, 2,f,0.01,分别为放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽，,K,r,愈接近于1越好。,10/31/2024,6,表示对某个干扰信号,f,n,的抑制能力，用,d,n,表示。,例：,A,v0,=100 ，,A,v,n,=1，用分贝表示,d,n,(dB) = 20 lgd,n,抑制比(抗拒比),A,v,n,：为干扰信号的放大倍数，,A,v0,：为谐振点,f,0,的放大倍数。,10/31/2024,7,为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反响小的晶体管，应用中和或失配方法等。,指当放大电路的工作状态、元件参数等发生可能的变化时，放大器主要性能的稳定程度。,4,工作稳定性：,5,噪声系数：,放大器的噪声性能可用噪声系数表示：,N,F,越接近1越好,在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。,10/31/2024,8,一、形式等效电路(网络参数等效电路),4. 2,晶体管高频小信号等效电路与参数,10/31/2024,9,二、混合参数等效电路,参数等效电路：把晶体管内部的物理过程用集中元器件,RLC,表示的这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路。,Cbc将输出的交流电压反响一局部到输入端，可能引起自激， rbb在共集电极电路中引起高频反响，降低晶体管的电流放大系数，所以希望它们尽量小。,10/31/2024,10,混合,等效电路中，电容、电阻并联，在一定频率下：,三、混合,等效电路的简化,rbc与Cbc引起的容抗相比，rbc可视为开路。,rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可以忽略(视为开路),rce与回路负载比较，可视为开路。,简化后的等效电路如图：,对工作频率范围不同时，等效电路可进行不同的简化。频率低时可忽略电容的作用。,10/31/2024,11,四、,Y,型等效电路与混合,型等效电路的转换,简化混合等效电路，如下图。,(一) 令,V,2,= 0，求,y,ie,、y,fe,。,(1),10/31/2024,12,(2),V,1,小引起,I,小,10/31/2024,13,(二),令 ，求,y,re,、,y,oe,(3),10/31/2024,14,(4),10/31/2024,15,随着工作频率下降到低频值,0,的 时的频率,五、晶体管的高频参数,1),截止频率,:,虽然,0,1，在频率为,f,时,|,|虽然下降到原来的,但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。,10/31/2024,16,电流放大系数,与,f,的关系：,故可以粗略计算在某工作频率下的电流放大系数。,2) 特征频率,f,T,:,当频率增高，,|,|,下降到,1,时的频率。,由于,0,1,，所以,f,T,0,10/31/2024,17,3),最高振荡频率,f,max,当,f,f,max,时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,可以证明:,晶体管的功率增益A,p,=1时的工作频率,f,max,表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大。,10/31/2024,18,作业：,4-5,10/31/2024,19,R,1,、,R,2,、,R,3,为偏置电阻，决定静态工作点；,L,F,、,C,F,为滤波电路，消除各级放大器相互之间的有害影响；,C,4,、,L,组成,LC,谐振回路；,R,4,是加宽回路通频带用；,R,p,：并联回路本身的损耗。,4,. 3,单调谐回路谐振放大器,1. 单级单调谐回路谐振放大器,10/31/2024,20,等效电路分析,因为讨论的是小信号，略去直流参数元件即可用Y参数等效电路模拟。,由图可知：,10/31/2024,21,(3) = (2),将(4),代入,(1),放大器的输入导纳,:,10/31/2024,22,放大器的质量指标,1),电压增益,所以：,由于：,所以：,根据电压变比关系：,10/31/2024,23,其中：g,oe,和C,oe,分别是放大器的输出导纳和输出电容,g,ie2,和C,ie2,分别是下一级放大器的输入出导纳和输入电容,10/31/2024,24,式中分母为并联回路的导纳,当角频率,在谐振角频率,0,附近时, 可写成：,10/31/2024,25,电压增益的相关结论,和 的相位差,=,180,+,fe,，,当频率较低时，,fe,=0,，,=180, 与晶体管正向传输导纳y,fe,成正比，和回路的总电导g,成反比。,10/31/2024,26,2) 功率增益A,p,用db表示为：,忽略回路本身的损耗，那么匹配条件为：,此时，最大功率增益为：,10/31/2024,27,式中：,在实际情况下，,G,p,不能忽略，考虑到,G,p,的作用：,10/31/2024,28,3),放大器的通频带,随,f,而变化的曲线，叫做放大器的谐振曲线。,可见：品质因数越高，通频带越窄；反之越宽。,A,V0,与通频带的关系：,10/31/2024,29,当,y,fe,和C,为定值时(电路定了，其值也定了，带宽增益乘积为常数)，谐振电压增益,A,V0,仅决定于,C,与2,f,0,.7,，因此选择管子时应选取,y,fe,大的，且应减少C,，,但,C,也不能取得太小，因为不稳定的电容的影响大。,设,p,1,、,p,2,=1,带宽增益乘积为一常数,10/31/2024,30,结论：,当,y,fe,确定，,p,1,和,p,2,不变时,A,V0,只取决于,C,与2,f,0,.7,的乘积，电容越大，通频带越宽，,A,V0,越小；,为了获得高增益，宽频带，除了选用,y,fe,较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容,C,，但是这样会导致系统的稳定性变差；,对于宽带而言，要使,A,V,尽量大，谐振曲线不稳定是次要的，因为频带很宽；对于窄带放大器，,C,尽量大，使谐振曲线稳定(不会使通频带改变，以免引起频率失真)。,10/31/2024,31,4),单调谐放大器的选择性,所以单调谐回路放大器的矩形系数远大于,1,，故其邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。,10/31/2024,32,2 .,多级单调谐回路谐振放大器,假设单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。,1),增益,2),通频带,如果放大器有m级，各级的增益为AV1 、AV2 、 AVm ，那么总增益为： Am = AV1 AV2 AVm,如果各级放大器的增益相同，那么,10/31/2024,33,上面的分析说明:,为了使总的通频带不变,每级的带宽都要增加为,原来的,X,倍。,当每级通频带加宽,X,倍时,每级的增益都会降低为,原来的,1/,X,。,根据通频带的定义可以求,m,级放大器的通频带,10/31/2024,34,3选择性(以矩形系数为例),结论:单调谐回路特点是电路简单,调试容易,但选择,性差,增益和通频带的矛盾比较突出。,根据定义：,10/31/2024,35,例,4.1,f,=30MHz,晶体管为3DG47型NPN高频管.当V,ce,=6V,I,e,=2mA时,g,ie,=1.3mS,C,ie,=12pF,g,oe,=400,S,C,oe,=9.5pF;|Y,fe,|=58.3mS,fe,=-2.2; |Y,re,|=310 S, ,re,=-88.8;,L=1.4,H;,p,1,=1,p,2,=0.3, Q,0,=100.,求单级放大器的A,V0,; 2,f,0.7,;,回路电容C=?才能使回路谐振?,解:,设暂不考虑,Y,re,的作用.,10/31/2024,36,10/31/2024,37,单极放大器的Y参数微变等效电路,折合后的微变等效电路,10/31/2024,38,它是改善放大器选择性和解决放大器增益与,通频带之间矛盾的有效方法之一。,4,. 4,双调谐回路谐振放大器,本局部的内容自学,10/31/2024,39,一、自激产生的原因,g,F,改变了回路的,Q,L,值,b,F,引起回路失谐。,4,. 5,谐振放大器的稳定性,y,re,的存在会导致自激的产生,是不稳定的原因。,gF呈负电导性时，g,QL ,通频带,增益也因损耗的减少而增加，即负电导gF供给回路能量，出现正反响。当gF = gs + gie回路原有电导那么g = 0，QL ，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。,10/31/2024,40,二、放大器产生自激的条件,当,Y,s,+,Y,i,= 0 时,回路总电导,g,= 0,放大器产生自激。,假定输入回路和输出回路相同,产生自激的条件,10/31/2024,41,当S=1时产生自激；,当S1时，放大器稳定工作。,一般要求S=510。,10/31/2024,42,三、,A,v0,与,S,的关系,实际上:由于,f,f,T,fe,0,因此y,fe,=|y,fe,|，且y,re,中,电纳起主要作用，即,代入相位条件,得:,=,1,当,f,在低于,f,0,的某一点 (,=,1),时,可能产生自激.,如果令g,s,+g,ie,=g,1,，g,oe,+G,L,=g,2,，代入稳定系数S,当,S,=5,时，,10/31/2024,43,用晶体管CG30做一个30MHz的中频放大器，当工作电压V,ce,=8V，I,e,=2mA时，其Y参数是：,Y,ie,=(2.86+j3.4)mS; Y,re,=(0.08-j0.3)mS;,Y,fe,=(26.4-j36.4)mS;Y,oe,=(0.2+j1.3)mS。,求此放大器的稳定电压增益A,v0,，要求稳定系数S5。,例,4.2,解：,依题意，取S=5;,10/31/2024,44,由于,y,re,的存在，晶体管是一个双向的器件，增强放大器的稳定性可以考虑晶体管的单向化。,单向化的方法有：,中和法 消除yre的反响,失配法 增大,G,L,或,g,s,的数值，使输入和输,出回路与晶体管匹配。,四、克服自激的方法,10/31/2024,45,电桥平衡时，CD两端的回路电压 不会反射到AB两端,即对应两边阻抗之比相等。,(1) 中和法：,在放大器线路中插入一个外加的反响电路，使它的作用恰好和晶体管的内反响互相抵消。,具体线路：,10/31/2024,46,信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；,晶体管输出端负载不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,原理：由于阻抗不匹配，输出电压减小，反响到输入,电路的影响也随之减小。使增益下降，提高稳定性。,晶体管实现单向化，只与管子本身参数有关，失配法一般采用共发共基级联放大.,那么,(2),失配法,10/31/2024,47,中和法：,优点：简单，增益高,缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带,因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不,适于批量生产。,对放大器由于温度等原因引起各种参数变,化没有改善效果。,(3)中和法与失配法比较,失配法：,优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；,频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；,生产过程中无需调整，适于批量生产。,缺点：增益低。,10/31/2024,48,作业：,4-9,10/31/2024,49,4,.6,放大器中的噪声,自然噪声,人为噪声,噪声,干扰,噪声与干扰的分类,热噪声、散粒噪声、闪烁噪声,交流噪声、感应噪声、接触不良噪声,自然干扰,人为干扰,天电干扰、宇宙干扰、大地干扰,工业干扰、无线电器的干扰,10/31/2024,50,一,、,噪声的来源及特点,1.电阻热噪声,电阻内由电子热运动造成的噪声。,(1)电阻热噪声的特点及计算,在一段相当长的观测时间内，噪声电流,(,或电压,),的平均值趋于零；,频谱极宽,，,且各个频率分量的强度都相等；,衡量起伏噪声的强度用噪声电压均方值表示：,热噪声功率谱密度：,10/31/2024,51,假设Bn为放大器的等效带宽，那么电阻热噪声电压的均方值：,频带越宽，温度越高，阻值越大，噪声电压就越大。,例4.3,一放大器的等效噪声带宽为100kHz，求1k电阻工作在300K时的热噪声电压为多少？,解：,10/31/2024,52,例,4.4,试求两个处于相同温度的电阻R,1,和R,2,并联后，在频带B,n,内总的均方值噪声电压。,解：,(2)电阻的噪声等效电路,10/31/2024,53,各电极的体电阻(基极体电阻)自由电子热运动产生的噪声。,(1) 晶体管的噪声, 电阻热噪声, 散粒(弹)噪声,由于载流子随机起伏流动产生的噪声。, 分配噪声,载流子在基区分配比例随机变化所产生的噪声。,由于半导体材料及制造工艺水平造成外表清洁处理不好而引起的噪声。,2、电子器件的噪声*,(白噪声),(白噪声),闪烁噪声,( 噪声),(有色噪声),10/31/2024,54,(2) 场效应管的噪声, 沟道热噪声,由导电沟道内的电子的不规那么热运动所引起的噪声。,g,fs,：场效应管的转移跨导。,栅极散粒噪声,由于栅极内电荷不规那么起伏引起的噪声。,I,G,：栅极漏泄电流。, 栅极感应噪声,沟道中的起伏噪声通过沟道与栅极之间的电容，在栅极上感应产生的噪声。,与晶体管一样，场效应管也存在 噪声，其产生机理和形态与晶体管大致相同。, 闪烁噪声,( 噪声),10/31/2024,55,放大器的噪声性能可用噪声系数表示：,N,F,越接近1越好,用分贝数表示：,噪声系数通常只适用线性放大器。因非线性电路会产生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附加的噪声性能。,二、,噪声系数的计算方法,10/31/2024,56,三、,降低,噪声系数的措施,选用低噪声器件和元件,选用 和噪声系数小的晶体管。,选用场效应管砷化镓金属半导体场效应管。,谨慎选用电阻元件，选用金属膜电阻。,正确选择晶体管放大器的直流工作点,对不同的信号源内阻，最正确的IE 是不同的。,用改变,I,E,的方法来获得低噪声放大。,选择适宜的信号源内阻,信源内阻有最正确值，使噪声系数最小。,10/31/2024,57,选择适宜的工作带宽,选用适宜的放大电路,降低工作温度,热噪声是主要,来,源之一，所以降低接收机前端主,要器件的工作 温度，对减小噪声系数是有意义的。,共发,-,共基放大器和共源,-,共栅放大器是低噪声电路。,适当减少接收天线的馈线长度,。,带宽过窄，不能满足信号通过时对失真的要求；,带宽过宽，信噪比就会下降。,10/31/2024,58,作业：,4-20,10/31/2024,59,本 章 小 结,1.质量指标,小信号谐振放大器的选频性能可由通频带和选择,性两个质量指标来衡量。,2.,高频小信号放大电路的分析,高频小信号放大器由于信号小，可以认为它工作,在管子的线性范围内，常采用有源线性四端网络,进行分析。,10/31/2024,60,3.单级单调谐放大器,单级单调谐放大器是小信号放大器的根本电路，,其电压增益主要决定于管子的参数、信号源和,负载，为了提高电压增益，谐振回路与信号源,和负载的连接常采用局部接入方式。,4. 谐振放大器的稳定性和稳定措施,克服自激常采用“中和法和“失配法使晶体管,单向化。,10/31/2024,61,电阻热噪声,场效应管的噪声,5.噪声,来源,电阻热噪声,散粒噪声,分配噪声,闪烁噪声,晶体管的噪声,电子器件的噪声,沟道热噪声,栅极散粒噪声栅极感应噪声闪烁噪声,6.噪声系数的计算,7.降噪的主要措施,10/31/2024,62,
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