高频电子线路概要

,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,高频电子线路,第二章 高频小信号放大器,本章重点：,高频小信号谐振放大器的工作原理及性能指标计算。,难 点：,谐振放大器的性能分析。,2.1 概述,一、高频放大器的作用与分类,高频放大器的分类,1、按信号大小分：,高频功率放大器，（,大信号,，通常用于发射机中）；,高频,小信号,放大器（接收机前端的主要部分）；,2.1,高频放大器的作用：,放大高频信号。,工作频率范围,：（300K-300M）Hz 。,2、按负载分,谐 振 放大器：LC谐振回路作负载。,非谐振放大器：以传输线变压器作负载。,高频小信号放大器：,用以,放大微弱的高频小信号,。,一.,按负载性质分：,1.,小信号调谐放大器：,用LC谐振回路作负载。,又可分为谐振放大器（频率可调，主要做高频放大级，接收天线后第一级放大器）和中频（频带）放大器（频率固定的中放电路）；,2.,集中选频放大器,：用,集中选择性滤波器,做负载。,二.按带宽分：,1.,窄频带放大器：,窄带放大器用LC谐振回路或集中选频滤波器做负载，具有放大、选频的功能。其中心频率在（几百-几百M）Hz范围内，频带宽度约（几,几十M）Hz。,2.,宽带放大器：,用纯阻或变压器做负载，带宽较宽，越（几M,几百M）Hz。,高频小信号放大器的特点：,放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。,图0.2.3 典型超外差式接收机框图,2.1.1 高频小信号调谐放大器的主要质量指标,1、增益,（1） 电压放大倍数,或,电压增益,（2）功率放大倍数,或 功率增益,，而在其它频率处增益减小，,处及带宽,对高频小信号放大器的要求是在中心频率,内，有足够大的电压增益,图 调谐放大器电压增益的频率特性曲线,2通频带,通频带也称为3dB带宽：指放大电路的电压增益比中心频率 处的增益下降3dB时的上、下限频率之间的频带，用 表示，如图所示。,决定于负载回路,值及形式；且随级数的增加,要求的带宽,也各,带宽越来越窄。同时用途不同，,不相同。如,中波广播：,=（68）KHz,电视信号：,=6MHz,图2.1.1 调谐放大器电压增益的频率特性曲线,3、选择性,表示放大电路从各种干扰信号中选择有用信号，抑制干扰信号的能力，等于在中心频率,上的电压放大,与偏离,为,处的放大倍数,倍数,的比值，即,显然，S值越大表明电路的选择性越好。,图 调谐放大器电压增益的频率特性曲线,实际中，也可用矩形系数来衡量放大器的频率特性与理想矩形的接近程度。,矩形系数,定义为,式中,为放大电路增益下降到最大值的0.1时的,）宽度。,失谐（偏离,理想情况下，选频特性,应为矩形,图 调谐放大器电压增益的频率特性曲线,4工作稳定性,指放大器的工作状态，晶体管参数，电路元件,放大器的不稳定现象表现为增益,的变化，中心频率,的偏移，通频带,变窄，谐振曲线变形等，其极限,状态是放大器产生自激。,参数等发生可能变化时，其主要质量指标的稳定程度。,5噪声系数,表征信号经放大后，信噪比变坏的程度。,噪声系数的定义是放大器的输入信噪比（输入端的信号功率与噪声功率之比）与输出信噪比之比，即,通常是大于1的，,越接近于1，放大器,的输出,噪声越小。,放大器中产生噪声的原因有放大器本身产生的噪声。在多级级联的放大器中，前一、二级放大器的噪声对整个放大器的噪声起决定作用。为了减少放大器的内部噪声，在设计与制作时应当采用低噪声管，正确的选择工作点电流，选用合适的电路等。,2.2 高频小信号调谐放大器,高频小信号调谐放大器的电路组成：,晶体管,和,LC谐振回路。,晶体管高频等效电路,参数等效电路）。,另一是形式,等效电路（,）等效电路。,一是物理模拟（混合,2.2,低频电路回顾,晶体三极管：NPN PNP,工作模式：饱和、放大、截止,输入特性曲线、输出特性曲线,图解分析,基本,共射极放大电路,低频,小信号模型,放大电路：,性能参数：输入电阻、输出电阻、,放大倍数,组态：共基、共射、共集,低频电路回顾,共射极电路具有较高的电压放大倍数和电流放大倍数，同时输入输出电阻又比较适中，所以在对输入输出电阻没有特殊要求的地方，被普遍采用。广泛应用于低频放大电路的输入级、中间级和功率输出级。,共集电路的特点是输入电阻大，输出电阻小，电压放大倍数小于1，输入输出电压同相，常用作多级放大器的输入级、输出级或需要阻抗变换的场合。,共基电路虽然电流放大倍数小于1，但它具有较高的电压放大倍数，且输入、输出电压信号同相位，输入电阻小，高频特性好，常用于宽频放大器中。,低频电路回顾,一、混合,型等效电路,图2.2.1 晶体管高频共发射极混合型等效电路,；,基区体电阻, 约,发射结电阻,折合到基极回路的等效电阻,约,几十欧到几千欧；,（晶体管混合等效电路及其单向化动画）,e,b,r,ce,r,bc,r,ee,C,be,C,bc,r,bb,r,be,c,r,cc,b,g,m,v,be,：发射结电容, 约10皮法到几百皮法；,：集电结电阻, 约10k10M；,：集电结电容, 约几个皮法；,：晶体管跨导, 几十毫西门子以下；,其中:,是发射极静态电流,是晶体管低频短路电流,是晶体管特征频率。,放大系数,注意:各参数均与静态工作点有关。,另外，常用的晶体管高频共基极等效电路如图图（a）所示，图 (b)是简化等效电路。,图2.2.2 晶体管高频共基极等效电路及其简化电路,优点： 各个元件在很宽的频率范围内都保持常数。,缺点： 分析电路不够方便。,二、参数等效电路,双口网络即具有两个端口的网络，如图所示。,参数方程是选取各端口的电压为自变量, 电流为应变量, 其方程如下,图2.2.3 双口网络,其中,四个参量均具有导纳量纲。,所以参数又称为短路导纳参数, 即确定这四个参数时必须使某一个端口电压为零, 也就是使该端口交流短路。,图 共发射极接法的晶体管参数等效电路,如共发射极接法的晶体管, 相应的参数方程为,式中，,分别称为输入导纳、反向传输导纳,正向传输导纳和输出导纳。,其中,三、参数与混合 参数的关系,1. 截止频率,1,2. 特征频率,当,f f,T,后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。,补充： 晶体管的高频参数,1,2. 特征频率,图3.2.6 截止频率和,特征频率,可以粗略计算在某工作频率,f f,的电流放大系数。,3. 最高振荡频率,f,max,f,f,max,后，,G,p,1，,晶体管已经不能得到功率放大。,由于,晶体管输出功率恰好等于其输入功率是保证它作为自激振荡器的必要条件，所以,也不能使晶体管产生振荡。,2.2.2 单管单调谐放大器,一、电路组成及工作原理,图2.2.5 高频调谐放大器的典型线路,（a）原理电路 （b）交流通路,1、各元件的作用,构成晶体管的分压式电流反馈直流偏置电路，,以保证晶体管工作在甲类状态。,电容C,B,、C,E,对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。,LC振荡回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供选频回路。振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。,图2.2.5 高频调谐放大器的典型线路,（a）原理电路 （b）交流通路,2、简单工作原理,信号由输入端的高频变压器引入，晶体管放大器的负载为部分接入的振荡回路，该回路对输入信号频率谐振，即 。此时，回路呈现的阻抗最大，而对其它频率的阻抗很小，因而输入信号频率的电压得到放大，而其它频率信号受到抑制。同时振荡回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集电极所需要的负载电阻，从而在负载（下一级晶体管的输入）上得到最大的电压输出。所以，,振荡回路的作用是实现选频滤波及阻抗匹配。,二、电路性能分析,1、放大器的小信号等效电路及其简化,图2.2.6 单管放大器的小信号,（a）小信号等效电路 （b）简化电路,图中设,得到的小信号等效电路如下图所示。其中,（,高频小信号放大器分析过程动画,）,其中,由图知：,所以,2、电路性能分析,（1）电压放大倍数（增益）,谐振电压放大倍数（增益）,式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差,。,同时，由于,是复数，其相角为 故放大器在回路谐振时，,。当工作频率较低时，,和,相位才相差,，即输出电压,和输入,电压,反相位。,谐振电压放大倍数（增益）的振幅值,和输入电压,之间,，而是,的相位差并不是,输出电压,结论：,电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关：,（,A,） 为了增大, 应选取,大,小的晶体管。,（,B,） 为了增大, 要求负载电导小, 如果负载是下,小。,一级放大器, 则要求其,（,C,） 回路谐振电导,越小,越大。而,取决于,值, 与,成反比。,回路空载品质因数,（,D,）,与接入系数,有关, 但不是单调递增或,单调递减关系。由于,还会影响回路有载品质因数值,而,又将影响通频带,所以,的选择应全面考虑, 选取,最佳值。,（2）、放大器的频率特性,其中幅频特性表达式为,图2.2.7 放大器的谐振曲线,放大器的频率特性曲线如图示。,（3）放大器的通频带,令 ，得到放大器的通频带为,越高，放大器的通频带越窄，反之越宽。,（4）放大器的增益带宽积,将,代入,得到放大器的增益带宽积为,（5）矩形系数,（6）结论,A、晶体管选定以后（,值已经确定），接入系数,不变时，放大器的谐振电压增益,只决定于回路的总,电容,和通频带,的乘积。电容,越大，通频带,越宽，则增益,越小。,B、要想既得到高的增益，又保证足够宽的通频带，除,了选用 大的晶体管外，还应该尽量减小谐振回路的总,电容 。,C、,的减小与电路的稳定性相矛盾，减小,即应该,减小外接电容C ，但分布参数的影响将加大，会造成电路不稳定。解决的方法采用,部分接入的方式。,例2.2.1,在图2.2.5中, 已知工作频率 = 30MHz,cc6, 2mA。晶体管采用3DG47型NPN高频管，其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：,，,，,；,；,，,；,，,；,回路电感14H, 接入系数,，,，回路,空载品质因数,100，,负载是另一级相同的放大器。求放大器的谐振电压增益 、通频带 ，且回路电容C取多少时，回路谐振？,解,：暂不考虑,的作用（,）。,根据已知条件可得,回路总电导,电压增益为,回路总电容,故外加电容C,通频带,例：单级小信号调谐放大器的交流电路如图所示。要求谐振频率,10.7 MHz,，,500kHz，,100。晶体管参数为,（2+j0.5）ms；,（20j5）ms；,（20+j40）ms，如果回路空载品质因数,100，试计算谐振,图2. T.1,题2.8图,回路的,解：根据电路图可画出放大器的高频等效电路如下图所示。,2.2.3 多级单调谐回路谐振放大器,当多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上时，称为多级单调谐放大器。n级放大器级联，则,总电压增益的振幅值,为,：,一、,电压增益,若每一级参数均相同，则,谐振电压增益,（放大器多级级联动画）,所以，单位谐振函数,二、通频带,n 级放大器的通频带,由上式知，,级联的放大器级数越多，总增益,越大，,但通频带,越窄。换句话说，当多级放大器带宽,确定后，级数越多，要求每一级的带宽越宽。,例2.2.2 某中频放大器的通频带为 6MHz，现采用两级或三级相同的单调谐放大器，对每一级放大器的通频带要求各是多少？,解,：根据式(2.2.25)，当n=2时,所以要求每一级放大器的带宽,同理，当n=3时，要求每一级放大器的带宽,三、矩形系数,n级单调谐放大器的矩形系数为,由该表知，级联的放大器级数越多，,虽有所改善，但,效果不大。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,9.95,4.8,3.75,3.4,3.2,3.1,3.0,2.94,2.92,2.9,2.56,由以上分析知，单调谐放大器的选择性差，增益和通频带的矛盾突出。改善放大器选择性和解决其增益与通频带之间的矛盾的有效方法之一是采用参差调谐放大器。,矩形系数与级数n的关系如下表所示：,补充： 双调谐回路谐振放大器,单调谐回路放大器的选择性较差，增益和通频带的矛盾比较突出，为此，可采用双调谐回路放大器。,可见，相对单,调谐回路，采用双调谐回路改善选择性和提高带宽。,借助双调谐回路频率特性的分析，可知,图 对应于不同的,双调谐回路放大器的谐振曲线,2.2.4 参差调谐放大器,一、 双参差调谐放大器,所谓双参差调谐，是将两级单调谐回路放大器的谐振频率，分别调整到略高于和略低于信号的中心频率。,图2.2.8 双参差调谐放大器的频率特性曲线,(a) 双参差调谐放大器的交流通路 (,b,) 双参差调谐放大器的频率特性曲线,（参差调谐动画）,两级放大器的谐振频率分别为,对于单个谐振电路而言，它是工作于失谐状态的。,相应的广义参差,失谐量分别是,参差调谐的综合频率特性与参差失谐量,有关，即与,有关。,平坦的情况。,）,(,愈大，则双峰的距离愈远，且中间,下凹愈严重。,理论推导表明，当,时综合频率特性曲线为单峰；,时为双峰；,为两者的分界线，相当于单峰中最,二三参差调谐放大器,三参差调谐回路，是使其中的两级工作于参差调谐的双峰状态，第三级调谐于 。,合成的谐振曲线就比较平坦。,图2.2.9 三参差调谐放大器的频率特性曲线,由合成谐振曲线可见：利用三参差调谐电路，并适当地选择每个回路的有载品质因数 和,，就可以获得双,参差调谐所不能得到的通频带。,（三参差调谐动画）,需要指出，由于参差调谐在,处失谐，故其在,倍数小。可以证明它们有如下关系：,例如，设,，则上式等于,即双参差调谐放大的谐振放大倍数等于调谐于同一频率的两级放大器的放大倍数的一半。,点的放大,倍数,要比调谐于同一频率的两级放大器的放大,2.3 调谐放大器的稳定性,2.3.1 晶体管内部反馈的影响,前面的讨论中，假设了,，实际上,，,因而将,引起内部反馈，使放大器不稳定甚至自激。,一、放大器调试困难,由于晶体管的结电容,，使,从而形成内部反馈，且随着工作频率的升高，这种反馈越来越强。内部反馈使放大器的输入和输出导纳分别与负载及信号,。,2.3,源导纳有关，在调整输出回路时（即改变Y,L,），放大器的输入端就受到影响；同样，调整输入回路时，Y,S,改变了，放大器的输出导纳也随之改变，这时输出电路的调谐和匹配又发生了影响。因此调整工作需要反复进行多次。,二、放大器工作不稳定,晶体管内部反馈的另一有害影响是使放大器的工作不稳定，如图所示。,图2.3.1 晶体管内部负反馈对频率特性的影响,（晶体管内部反馈对放大器输入、输出阻抗的影响动画）,2.3.2 解决的方法,一、上述问题的两个解决途径,1、从晶体管本身想办法，因为,主要由,决定，,从晶体管制造工艺的着手，减小,达到减小反向,传输导纳,的目的。,2、在电路上想办法把,的作用抵消或减小。也就,是说，从电路上设法消除晶体管的反向传输作用，使它变为单向器件。单向化的方法有两种，即中和法和失配法。,二、单向化方法,1.中和法,这种方法是在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵消,内部反馈的影响，称为中和。,这相当减小,了晶体管的,，放大器可以稳定地工作。,如图所示。,图2.3.2 中和原理,必须指出：,与频率有关，为了在所有频率下使,必须使,与,电路的单向化，使输出完全不受输入的影响。但是，要使,与,率点起到中和作用。,的频率特性相同，才能实现放大,一样是不可能的，实际电路中只能在一个频,图2.3.3 放大器中的中和电路,图是接收机中常用的中和电路。,2. 失配法,失配是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配、晶体管输出端的负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,用失配法实现晶体管单向化常用的办法是采用共射共基级联电路组成的调谐放大器，其稳定性较高，得到了广泛的应用。,图2.3.4 共发射极共基极级联的复合管,放大器的输入导纳和输出导纳,共基电路虽然电流放大倍数小于,1,，但它具有较高的电压放大倍数，输入电阻小，即输入导纳大。,2.4 高频集成放大器,高频集成放大器有两类：,1、非选频的高频集成放大器，它用于某些不需有选频功能的设备中，如某些发射机和仪器设备中，通常以电阻或宽带高频变压器作负载。,2、集成选频放大器，用于需要有选频功能的场合，比如，接收机的中放就是它的典型应用。,集成选频放大器通常都采用前面讨论的集中滤波器作为选频电路，比如采用晶体滤波器、陶瓷滤波器或声表面波滤波器。,2.4,与高频调谐放大器比较，它的主要优点是：,（,1,）采用集中放大与集中滤波，使高频放大器的两个主要功能分别由集成放大器与集中滤波器担任，这就使线路简单、性能稳定可靠，调整方便。,（,2,）采用专门的选频滤波器，比调谐放大器有更好的频率特性，比如得到更小的矩形系数。还可以满足特殊频率特性的要求，如得到相对带宽为千分之几的窄带电路（晶体滤波器）和相对带宽大于百分之五十的宽带电路（声表面滤波器），或者有特殊选频要求的滤波器（如电视中频滤波器）。,（,3,）高频集成电路和集中选频滤波都是由专门单位设计生产的，对于线路和设备设计人员主要是选用和正确使用它。这就大大简化了放大器的设计和调整，从而缩短了线路和设备的设计和制作的周期。,2.4,图 集中选频放大器的组成示意图,2.4,图（a）中，集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面，这是一种常用的接法。这种接法要注意的问题是，需要使集成放大器与集中滤波器之间实现阻抗匹配。,图 (b),是另一种接法。集中滤波器放在宽带集成放大器的前面。,图,是国产FZ1集成放大电路，是属于利用负反馈展宽频带的放大器。它是两个晶体管组成的直接耦合放大器，电路中具有两级电流并联负反馈。从T,2,的发射极,电阻,R,e2,上取,图2.4.2 集成宽频带放大器FZI内,部电路和 典型外接电路,得反馈信号经 R,f,反馈到输入端，而电容Ce和（R,e1,+R,e2,）并联，是为了使高频工作时反馈最小，以改善高频特性。另外，改变外接元件还可以调节放大器的其他性能。例如，在引线8和6之间接入电阻与R,f,并联，可以增强反馈；在8和9之间串入不同阻值的电阻可以减小反馈；在2和3或3和4之间连接电阻，可以改变放大器的电压增益。,2.4,图,是国产ER4803是共射共基集成宽频带放大器。该电路是由T,1,、T,3,（或T,4,）与T,2,、T,6,（或T,5,）组成共射共基放大器，输出电压的特性由外电路控制。若外电路使I,b2,=0，而 I,b1,0时，D,2,和T,4,、T,5,截止。这时信号经T,1,、T,3,与T,2,、T,6,组成的共射共基差分对放大后输出。若外电路使I,b1,=0，而 I,b2,0时，D,1,和T,3,、T,6,截止。这时信号经T,1,、T,4,与T,2,、T,5,组成的共射共基差分对放大后输出。输出电压极性与上相反。Ce是MOS电容，用来补偿高频特性以展宽频带。这种集成电路常用于350MHz以上的宽带示波器中实现高、中、视频放大。,2.4,图2.4.3 国产ER4803的内部电路,2.4,图,是集成宽带放大器F733的内部电路，图中，T,1,、T,2,组成电流串联负反馈差分放大器，T,3,T,6,组成电压并联负反馈差分放大器（T,5,和T,6,兼做输出级），T,7,T,11,为恒流源电路。改变第一级差放的负反馈电阻，可以调节整个电路的电压增益。将引出端9和4短接，增益可达400倍；将引出端10和3短接，增益可达100倍。各引出端均不短接，增益为10倍。以上三种情况的上限频率依次为40MHz、90MHz、120MHz。,2.4,图2.4. 4 集成宽带放大器F733的内部电路,2.4,图,给出了F733用作可调增益放大器时的典型接法。图中电位器R是用于调节电压增益和带宽的。当R调到零时，与短接，片内T,1,、T,2,发射极短接，增益最大，上限截止频率最低；当R调到最大时，片内T,1,、T,2,发射极之间共并接了5个电阻，即片内 、 、 、 和外,接电位器R，这,时交流负反馈,最强，增益最,小，上限截止频,率最高。可见，,这种接法使得电,压增益和带宽连,续可调。,图2.4.5 F733外接电路图,2.4,