严国萍版通信电子线路第三章高频小信号放大器.ppt

第三章高频小信号放大器 电路性质 线性 甲类放大器基础知识 并联谐振回路 抽头等效变换 本章内容 3 1概述 3 2晶体管高频小信号等效电路和参数 3 3晶体管谐振放大器 3 4谐振放大器的稳定性 3 5非调谐式与集成电路放大器 第三章高频小信号放大器 射频前端电路 RFFront EndIC 输入回路 高频放大 本地振荡器 混频器 输出中频信号 高频放大和中频放大是高频小信号放大器 具有低通传输特性的负反馈控制系统 自动增益控制AGC 3 1概述 一 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到几百MHz频带宽 2 f0 7 在几khz到几十MHz 小信号信号较小 所以工作在线性范围内 甲类放大器 第三章高频小信号放大器 把这一段近似看作一段直线 二 高频小信号放大器分类 按所用的材料分类 晶体管 BJT 场效应管 FET 集电电路 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 以谐振电路作为负载 非谐振放大器 以阻容耦合电路作为负载 3 1概述 第三章高频小信号放大器 通过学习基于晶体管的谐振放大器来掌握基本原理 其他类型的放大器原理基本相同 三 高频小信号放大器的质量指标 3 1概述 1 增益 放大倍数 第三章高频小信号放大器 2 通频带 定义 放大器的电压增益下降到最大值的0 7 即1 倍时 上 下限频率之间的频率范围称为放大器的通频带 用表示 也称为3dB带宽 第三章高频小信号放大器 3 1概述 三 高频小信号放大器的质量指标 后面将会证明谐振放大器的通频带与谐振回路的通频带是类似的 3 选择性 定义 表示放大电路从混合信号 有用信号与干扰信号的叠加信号 中选出有用信号 并抑制干扰信号的能力 衡量指标矩形系数抑制比 第三章高频小信号放大器 3 1概述 三 高频小信号放大器的质量指标 矩形系数越小 曲线越接近矩形 选择性越好 矩形系数最小值为1 4 工作稳定性 一个理想的放大器其主要指标 如增益 通频带 中心频率等 应不随时间和外界变化而变化 谓之稳定 反之则为不稳定 不稳定的极限情况是自激 无规则的 失控的正反馈 提高稳定性 避免自激的措施有合理选择器件 合理设计PCB布局布线单级的增益不要过高加入稳定电路 如负反馈电路 等 第三章高频小信号放大器 3 1概述 三 高频小信号放大器的质量指标 5 噪声系数 定义 第三章高频小信号放大器 3 1概述 三 高频小信号放大器的质量指标 高频小信号放大器 此信号功率为Psi 此信号功率为Pni 此信号功率为Pso 此信号功率为Pno 3 2晶体管高频小信号等效电路和参数 为什么要提出小信号等效电路 回答 由于信号幅度很小 mv级 所以可认为晶体三极管工作于线性区 如果把它等效成我们学过的线性元件的组合电路 那么就可以用我们学过的线性电路知识进行分析了 等效方法形式等效电路 如y参数 h参数 物理模拟等效电路 参数 第三章高频小信号放大器 把这一段近似看作一段直线 3 2 1形式等效电路 主要介绍y参数 图中 若以V1和V2为自变量 I1和I2为参变量 列出表达式 第三章高频小信号放大器 3 2晶体管高频小信号等效电路和参数 V1 V2 其中的yi yr yf yo合称为y参数 可以看出4个参数均为导纳量纲 故其称为y参数 y参数的求法和含义 第三章高频小信号放大器 3 2 1形式等效电路 y参数 y参数可能是复数 如 25 10j ms课上思考 复数意味着什么物理含义 根据y参数公式画出y参数等效电路 这个等效电路非常重要 希望同学们记住 第三章高频小信号放大器 3 2 1形式等效电路 y参数 V1 V2 等效 利用y参数求单纯三级管放大电路的电压增益 第三章高频小信号放大器 3 2 1形式等效电路 y参数 V1 V2 yie和yoe的其他表示方法 第三章高频小信号放大器 3 2 3混合 参数和y参数的转换 由于yie和yoe均为复数 而且虚部 电纳 通常为正数 所以在图中 我们可以将其看作一个电导g与一个电容C的并联 3 2 2混合 等效电路 rbb 基区体电阻 rb e 发射结电阻 Cb e 发射结电容 Cb c 集电结电容 rb c 集电结电阻 rce 集 射极电阻 gm 晶体管跨导 反映放大能力 gm IC 26 0 rb e 三个附加电容 Cbe Cce和Cbc 数值很小 可忽略 与静态工作点有关 3 2 2混合 等效电路 rbb 25 rb e 150 Cb e 500pF Cb c 5pF rb c 1M rce 100K 3 2 3混合 参数和y参数的转换 为什么要进行转换 回答 拿到一个三极管时 往往只知道其物理 参数 而不知道y参数 而且 由后面的推导 同学们可知 y参数不仅与 参数有关 还与工作频率有关 转换方法由 参数电路出发 推出与y参数方程形式上一样的表达式 则其系数即为y参数了 第三章高频小信号放大器 3 2晶体管高频小信号等效电路和参数 经常用的是将 参数转换成y参数 由 参数推出y参数的原理 b e c e Cce 由 参数推出y参数的原理 续 第三章高频小信号放大器 3 2 3混合 参数和y参数的转换 3 2 4晶体管的高频参数 为什么要了解晶体管的高频参数 回答 晶体三极管在高频下放大性能出一定的衰减特性 观察 参数电路图不难看出 与低频下的一些参数不一样 主要的高频参数有 截止频率特征频率最高振荡频率 第三章高频小信号放大器 3 2晶体管高频小信号等效电路和参数 第三章高频小信号放大器 3 2 4晶体管的高频参数 由于 0比1大的多 在频率为f 时 虽然下降到原来的0 707但是仍然比1大的多 因此晶体管还能起到放大的作用 第三章高频小信号放大器 3 2 4晶体管的高频参数 续 第三章高频小信号放大器 3 2 4晶体管的高频参数 低频时能放大电流100倍的三极管工作在50MHz的高频时只能放大3倍了 第三章高频小信号放大器 3 2 4晶体管的高频参数 了解即可 3 3单调谐回路谐振放大器 本节主要内容单调谐回路谐振放大器的典型电路 3 3 1电压增益的分析 3 3 2功率增益及插入损耗 3 3 3通频带与选择性 第三章高频小信号放大器 单调谐回路谐振放大器的典型电路 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 一 实际电路图 如何求增益 带宽等 分析第 步 直流变交流 即画小信号等效电路 直流变交流的画法原则 i 地与Vcc都接入交流地 ii 旁路电容视为短路 iii 大电阻可视为开路 放大 单调谐回路谐振放大器的典型电路 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 二 交流 小信号 等效电路图 单调谐回路谐振放大器的典型电路 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 三 将三极管用y参数模型等效后的电路图 单调谐回路谐振放大器的典型电路 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 四 忽略yre参数 不考虑反馈 后的电路图 yfeVi1 yoe YL 1 2 3 4 5 单调谐回路谐振放大器的典型电路 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 五 L1与L2紧耦合时 相当于抽头 的电路图 yfeVi1 yoe YL 1 2 3 5 单调谐回路谐振放大器的典型电路 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 六 将yoe和YL看作实际器件 电导与电容的并联 后的电路图 yfeVi1 go1 1 2 3 5 Co1 gi2 Ci2 Vi2 3 3 1电压增益的分析 分析目标 Av Vi2 Vi1采用两种方法分析 方法一 彻底等效法 即将所有从抽头接入电路的元件都进行 去抽头等效变换 方法二 教材上的方法 两级分析 先分析Vo1 Vi1 再分析Vi2 Vo1 推荐同学们按方法一分析 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 分析方法一 电路 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 yfeVi1 1 2 3 5 Vi2 p1yfeVi1 Co1 go1 gi2 Ci2 分析方法一 计算任意频率下电压增益Av 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 此为任意频率下的电压增益 分析方法一 计算谐振频率下Av0 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 我们通常只关心其幅度 例3 3 1第1问 三极管T1与T2同型号 三极管的参数如下 求谐振电压增益 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 例3 3 1 续 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 例3 3 1 续 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 分析方法二 教材的方法 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 yfeVi1 go1 1 2 3 5 Co1 gi2 Ci2 Vi2 如何求这一项呢 分析方法二 续 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 分析方法二 续 第三章高频小信号放大器 3 3 1电压增益的分析 上页已经求出 从而两种方法得到了相同的结果 后面的推导一样了但是方法二有点绕弯 3 3 2功率增益及插入损耗 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 三者并联为G p 小信号放大器功率增益表达式 第三章高频小信号放大器 3 3 2功率增益及插入损耗 插入损耗K1 定义 第三章高频小信号放大器 3 3 2功率增益及插入损耗 Gp 插入损耗K1 续 第三章高频小信号放大器 3 3 2功率增益及插入损耗 注意 K1是大于1的数 例3 3 1 续 第2问 电路图和已知不变 求功率增益及插入损耗 第三章高频小信号放大器 3 3 2功率增益及插入损耗 通过QL及K1的大小 可对计算进行验证 QL一定小于Q0 但一定远远大于1 K1一定大于1 而且一般不超过10 3 3 3通频带与选择性 在讲谐振回路的通频带时 我们引入了归一化谐振曲线 同样在研究小信号放大器的通频带时 我们引入 归一化增益曲线 的概念 即 第三章高频小信号放大器 3 3单调谐回路谐振放大器 与串并联回路谐振曲线形式上完全一样 只不过要用有载时的QL 千万不要用Q0 高频小信号放大器的通频带 第三章高频小信号放大器 3 3 3通频带与选择性 一定要注意此处是QL不是Q0 高频小信号放大器的选择性 第三章高频小信号放大器 3 3 3通频带与选择性 单调谐回路放大器的矩形系数远大于1 故其选择性差 这是单调谐回路放大器的缺点 注意它与QL和f0无关 即 只要是单级单调谐放大器 矩形系数均为9 95 例3 3 1 续 第3问 电路图和已知不变 求通频带与矩形系数 第三章高频小信号放大器 3 3 3通频带与选择性 单级单调谐回路放大器解题思路 此项可能有 也可能没有 具体要看电路 单级单调谐回路放大器解题思路 3 4多级单调谐回路谐振放大器 多级单调谐放大器通频带 第三章高频小信号放大器 3 4多级单调谐回路谐振放大器 根据通频带的定义可以求m级放大器的通频带 带宽缩减后如何恢复 及恢复后的副作用 第三章高频小信号放大器 3 4多级单调谐回路谐振放大器 多级单调谐放大器的选择性 仍以矩形系数衡量 第三章高频小信号放大器 3 4多级单调谐回路谐振放大器 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 以上在讨论谐振放大器时 都假定了反向传输导纳yre 0 即晶体管单向工作 输入电压可以控制输出电流 而输出电压不影响输入电流 实际上yre 0 即输出电压可以反馈到输入端 引起输入电流的变化 从而可能使放大器工作不稳定 如果这个反馈足够大 且在相位上满足正反馈条件 则会出现自激振荡现象 1 谐振放大器的稳定性 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 b c b c e YL YS YL YS e 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 以下引出稳定电压增益的概念 由于内反馈的存在 在放大器的输入端将产生一个反馈电压 稳定系数S的定义 输入电压与反馈电压的比值 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 以下引出稳定电压增益的概念 由于内反馈的存在 在放大器的输入端将产生一个反馈电压 放大器的稳定系数 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 放大器的稳定系数 当S为正实数时 表明二者同相 满足自激振荡的相位条件 当 S 1时 不满足自激振荡的振幅条件 放大器不会自激 当 S 1 放大器不稳定 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 放大器的稳定系数 当S为正实数时 表明二者同相 满足自激振荡的相位条件 当 S 1时 不满足自激振荡的振幅条件 放大器不会自激 当 S 1 放大器不稳定 为使放大器远离自激状态而稳定地工作 单级放大器通常选 S 5 10 若 S 过大 将导致增益下降太多 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 为使放大器远离自激状态而稳定地工作 单级放大器通常选 S 5 10 若 S 过大 将导致增益下降太多 S与Av0之间的关系 稳定电压增益 结论 放大器的稳定与增益的提高是相互矛盾的 为保证放大器能稳定工作 其电压增益Av0不允许超过稳定电压增益 Av0 S 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 2 单向化 由于yre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 中和法 失配法 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 Prev Next 中和法 消除yre的反馈 中和法是指在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个附加的外部反馈电路 以抵消反馈作用 晶体管内部yre的 C 2 4 1 3 L1 CN Cb c 中和电路的原理图 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 中和法 消除yre的反馈 C 2 4 1 3 L1 CN Cb c 中和电路的原理图 接收机中常用的中和电路 中和电路只能对一个频率点实现完全中和 因晶体管参数是随频率变化的 而CN不随频率变化 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 失配法 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 失配法原理图 参见P93式4 2 6 VT2 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 失配法原理 VT1 内反馈的影响体现 失配法的思想 让YL变得很大 这样由yre引起的内反馈的影响就很小了 实际上 由于共基电路的输入导纳较大 当它和输出导纳较小的共发电路连接时 意味着二者失配 相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配 从而使共发晶体管内部反馈减弱 稳定性大大提高 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 失配法 原理的进一步说明 还可以将 共射 共基 级联晶体管看成一个复合管 通过计算可知 这个 复合管 的4个Y参数如上 结论 复合管的和大致与单管情况相等 而远小于单管情况的 二者之比约为1 30 这说明级联放大器的工作稳定性大大提高 其次 复合管的也只是单管的几分之一 这说明级联放大器的输出端可以直接和阻抗较高的调谐回路相匹配 不再需要抽头接入 3 6谐振放大器的稳定性与稳定措施 3 中和法与失配法比较 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 采用中和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 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 适于大量生产 缺点 增益低