1、第四章 高频小信号放大器高频电子技术高频电子技术第四章 高频小信号放大器4.1 概述低频放大器:工作频率较低,但带宽较宽;高频放大器:工作频率很高(中心频率在几百千赫至几百兆赫以上,但带宽很窄。故高频放大器一般都是采用选频网络组成谐振放大器或非谐振放大器。(1谐振放大器:采用谐振回路(串、并联或耦合回路作负载的放大器。它又分为调谐放大器(高频放大器和频带放大器(中频放大器。(2非调谐放大器:由滤波器和阻容放大器组成的各种窄带、宽带放大器。 高频小信号放大器的主要质量指标:(1增益:放大器输出电压与输入电压之比;(2通频带:放大器的电压增益下降到最大值的0.7倍(2/1时对应的频率范围:3db
2、带宽; 放大器的电压增益下降到最大值的0.5倍(2/1时对应的频率范围:6db 带宽; (3选择性:抑制干扰的能力。(4工作稳定性:电路元件参数发生改变时放大器的稳定程度。(5噪声系数:噪声系数=输入端信噪比/输出端信噪比,如放大器内部噪声接近于零,则噪声系数接近于1,说明放大器本身引入的噪声很小。4.2 晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管高频小信号等效电路的两种形式:形式等效电路和物理模拟等效电路。形式等效电路:将晶体管等效为有源线性四端网络。优点:分析电路方便,具有普遍意义;缺点:网络参数与频率有关。物理模拟等效电路:用RLC 元件表示晶体管内部的复杂关系,即每一元件与晶体管内发生的某种
3、物理过程有明显的关系,用这种物理模拟的方法得到的物理等效电路就是混合等效电路。优点:各个元件在很宽的频率范围内保持常数;缺点:分析电路不够方便。4.2.1 形式等效电路(网络参数等效电路(P91 一、双口网络压控型伏安关系V AR (y 参数: 1V 2端口1和端口2都外接电压源。端口电流1I 的表示式:sc1212111111211y y 1N (1(1(I V V I I IV V I +=+=+=产生的电流口中所有独立源作用在端只由网络产生的电流单独作用在端口电压源产生的电流单独作用在端口电压源端口电流2I 的表示式: sc21212222y y I V V I +=其中,0,01111
4、12=sc I V V I y 为端口1(输出短路策动点(输入导纳;i y,0211211=sc IV V I y 为端口1(输入短路反向转移导纳;r y0,0122122=sc I VV I y 为端口2(输出短路正向转移导纳;f y,0222221=sc IV V I y 为端口2(输入短路策动点(输出导纳;o y0,01sc121=V V I I 为两端短路时端口1的短路电流; 0,02sc221=V V I I 为两端短路时端口2的短路电流;写成矩阵形式:sc I V Y I +=,即+=21212221121121sc sc I I V V y y y y I I一个双口网络可以用短
5、路导纳矩阵Y 和短路电流向量scI 来表征,矩阵Y 中的各元素称为y 参数。 二、双口网络流控型伏安关系V AR (z 参数:端口1和端口2都外接电流源。 写成矩阵形式:oc V I Z V +=,即+=21212221121121oc oc V V I I z z z z V V0,0111112=oc V I I V z 为端口1开路策动点阻抗;0,0211211=oc V I I V z 为端口1开路反向转移阻抗;0,0122122=oc V I I V z 为端口2开路正向转移阻抗;0,0222221=oc V I I V z 为端口2开路策动点阻抗;0,01oc121=I I V V
6、 为两端开路时端口1的开路电压; 0,02oc221=I I V V 为两端开路时端口2的开路电压;一个双口网络可以用开路阻抗矩阵Z 和开路电压向量ocV 来表征,矩阵Z 中的各元素称为z 参数。 三、双口网络混合型伏安关系V AR (h 参数:1.混合I 型:端口1电流源,端口2电压源 写成矩阵形式:+=21212221121121sc oc I V V I h h h h I V 0,0111112=oc VV I V h 为端口1短路策动点阻抗;0,0211211=oc V I V V h 为端口1开路反向电压转移比;0,0122122=sc I V I I h 为端口2短路正向电流转移
7、比;0,0222221=sc I I V I h 为端口2开路策动点导纳;0,01oc121=V I V V 为端口2短路时端口1的开路电压; 0,02sc221=V I I I 为端口1开路时端口2的短路电流;矩阵H 中的各元素称为h 参数。2.混合II 型:端口1电压源,端口2电流源 四、晶体管y 参数等效电路如果双口网络内部不含独立电源(如晶体管,则压控型VAR 为=21212221121121V V y y y y V V y y y y I I o f r i 211V y V y I r i +=212V y V y I o f +=得y 参数等效电路:图4.2.2(P92 此时,
8、短路导纳参数仅与晶体管的参数有关,与外电路无关,所以称为内参数。如果晶体管接入外电路,由于输入端和输出端接有外电路,此时得出的y 参数不仅与晶体管有关,而且与外电路有关,所以称为外参数。以晶体管共射电路(带外电路为例:图4.2.3(P93 s I Y L211V y V y I re ie +=(4.2.3212V y V y I oe fe +=(4.2.4 22V Y I L -=(4.2.5由以上公式消去2I ,2V 可得11V y y y y y I L oe fe re ie +-= 因此输入导纳:Loe fe re ie i y y y y y V IY +-=11 可见,输入导纳
9、i y 与负载导纳L y 有关,晶体管内部有反馈 。求输出导纳时,应由以上公式消去1I ,1V 求2I ,2V 的关系,此时应将电流源开路(电压源短路,有(理解:求伏安关系实际上是求电路本身的阻抗或导纳特性,此时电路中的电压和电流为设定的虚拟量,并不真实存在,因此应去除电路中存在的的有固定值的电压、电流源的影响。 求输出电阻两种方法:一、输出开路电压和短路电流,实际上测电流时输出加负载;二、将输入信号短路,保留信号源内阻,在输出加电压,求此时的电流,由电压和电流得到输出电阻11V Y I s -=,代入211V y Vy I re ie +=(4.2.3可得 21V y y y V sie r
10、e +-=,代入212V y V y I oe fe +=(4.2.4可得22V Y y y y y I s ie fe re oe +-= 输出导纳:sie fe re oe o Y y y y y V I Y +-=22可见,输出导纳o y 与信号源导纳s y 有关,也反映了晶体管内部有反馈 。由212V y V y I oe fe +=(4.2.4和22V Y I L -=(4.2.5消去2I ,可得电压增益:Loe fe v Y y y V V A +-=12与正向转移导纳有关,导纳越大,阻抗越小,放大器增益越大。 4.2.2 混合等效电路 图4.2.4(P95 bcb b r :基极
11、电阻; e b r :基-射极间电阻; e b C :发射结电容;c b r :集电结电阻; c b C :集电结电容; ce r :集-射极间电阻;eb m V g :晶体管放大作用的等效电流发生器,m g 称为晶体管跨导。4.2.3 混合等效电路参数与形式等效电路y 参数的转换 bc 根据混合等效电路可得(1eb be b b b V V r I -= (1ce e b c b e b e b e b be b b V V y V y V V r -+=-(即可以分成c b 和e b 两条支路电流的和 (1eb cec b ce cee b m c V V y V r V g I -+=
12、其中,e b e b e b e b eb eb e b e b e b C j g C j r C j r C j r y +=+=+=111,c b c b c b C j g y += 另be b V V =,cec V V =,整理得 c c b e b b b cb bc b e b b b c b e b b V y y r y V y y r y y I (1(1+-+=(消掉eb V c c b e b b b c b m b b c b c b ce b c b e b b b cb m cV y y r y g r y y g V y y r y g I (1(1+-+-=
13、(消掉eb V 对照c r b i b V y V y I +=和c o b f c V y V y I +=,并满足c b m y g ,c b e b y y ,c b ce g g 可得b b e b e b b b eb e b e b b b e bc b e b b b c b e b ie i r C j g r C j g y r y y y r y y y y +=+=1(1(1 b b e b e b b b c b c b e b b b c b c b e b b b c b re r r C j g r C j g y r y y y r y y y +-=+-+-=
14、1(1(1 b b e b e b b b me b b b m c b e b b b c b m fef r C jg r g y r g y y r y g y y +=+-=1(1(1b b e b e b b b cb c b mb bc b ce eb b b mb bc b c b ce c b e b b b c b m b b c b c b ce oe o r C j g r C j g g r C j g y r gr y y g y y r y g r y y g y y +-+=1(1(1(四个参数均为复数,可以表示为ie ie ie C j g y +=oe oe
15、oe C j g y +=fe fe fe y y =re re re y y =令e b b b g r a +=1,b b e b r C b =则22b a C b ag g e b e b ie +;22b a C C eb ie+= 22b a r g C b ag g g b b m c b c b ce oe +;22b a bg r g aC C C cb b b mc b cb oe +-+ 22b a g y m fe +;abfe arctan-= 22b a C y cb re +;arctan2(ab re +-= 4.2.4 晶体管的高频参数(P981.截止频率f共
16、射电路的电流放大系数随工作频率的上升而下降,当降低至低频值0的2/1时的频率称为截止频率,用f 表示。f j+=10,绝对值2/(1f f +=随着f 从直流0逐渐增大,分母逐渐增大,逐渐减小,当f f =时,减小为0的2/1。2.特征频率T f频率增加,使下降至1时,这时的频率称为特征频率,用T f 表示(单位增益带宽。由1/(12=+f f T 得特征频率f f f T 0201-=由上式可得22/(1/(1f f f f f f T +=+=当f f 时上式可变为ff T=或f f T = 即特征频率T f 等于工作频率和晶体管在该频率的的乘积(增益带宽积。 3.最高振荡频率max f晶
17、体管的功率增益1=p A 时的工作频率称为最高振荡频率max f 。它表示晶体管所能适用的最高极限频率,在此频率,晶体管得不到功率放大。4.电荷储存效应PN 结两端加正向电压,即PN 结正向偏置时,电子由N-P ,并在P 区内形成一定的浓度分布,并形成P-N 的正向电流,如果此时突然出现电压反转,则P 区内的电子在反向电压的作用下突然向N 区流动(电子流向P-N ,瞬间形成了较大的N-P 的反向电流,这种现象叫做电荷储存效应。电荷储存效应会引起放大器波形失真,对高频性能产生负面影响。4.3 单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器原理性电路图:图4.3.1(a(P100 输入信号L负载LC 构
18、成并联回路作为集电极负载,调谐于放大器的中心频率; LC 回路与集电极的联结采用抽头电路的形式(自耦变压器;LC 回路与下级负载Y L 的联接采用变压器耦合的方式,用来减弱本级输出导纳和下级晶体管输入导纳Y L 对LC 回路的影响;通过选择初级线圈抽头位置与初次级线圈的匝数比,可以使负载导纳与晶体管的输出导纳相匹配,以获得最大的功率增益。* *最大功率传递定理(电路分析上册第四章4-8(P232:负载应与戴维南(诺顿等效电阻相等。功率L L o oc L R R R u R i p 22(+=,使p 最大,则0(32=+-=L o L o oc L R R R R u dR dp ,解得o L
19、 R R =*正弦稳态最大功率传递定理(电路分析下册第十二章12-7(P102负载阻抗与电源内阻抗互为公轭复数。(j (L s L s sX X R R V I+=模22(L s L s sX X R R V I +=功率L L s L s s L R X X R R V R I p 2222(+=若要使P 最小,首先必须有s L X X -=,再根据最大功率传递定理得o L R R =*阻抗匹配:是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。(1在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。(2当激励源内阻抗和负载阻
20、抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份绝对值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。*变压器两端的电压、电流、阻抗变换关系理想变压器:耦合系数121=L L M k ,R 1=R 2=0,L 1,n N N=12 设变压器变比(次级线圈与初级线圈的匝数比为n :1,则 电压比n V V =12,电流比n I I 112=,次级负载R L 变到初级变为L R n 21,初级串联电阻R 变到次级变为L R n 2(匝数少的一边得到的输入电阻是减小的,匝数多的一边则是增大的 *单调谐回路谐振放大器等效电路:图4.3.1(b(P100 负载Y
21、(1图中仅画出集电极部分的等效电路(参考y 参数与混合模型:11i fe o V y I =晶体管放大作用的等效电流源;11o o oe C j g y +=,分别表示晶体管输出电导与输出电容;(2pp R G 1=代表并联谐振回路本身的损耗; (322i i L C j g Y +=代表负载导纳(下一级晶体管的输入导纳。 4.3.1 电压增益由晶体管y 参数等效电路(式4.2.10,p94可得放大器的电压增益Loe fe i o v Y y y V VA +-=11 其中,LY 是晶体管从输出端12之间看出去的负载导纳(负载L Y 与LC 谐振回路折算至12两点间的等效导纳。由等效电路可知,
22、若把fe y 视为等效电源导纳,则Loe Y y +可视为12两点之间的总等效导纳。将等效电路图4.3.1(b的所有元件参数折算到LC 回路两端:图4.3.2(p101 i2g L L Y p Y =1oeo y p Y 11=L 1(a(b令初级线圈抽头与初级线圈匝数比N N p 11=,次级线圈与初级线圈匝数比NNp 22=,则有: 晶体管输出电导1211o og p g =,输出电容1211o o C p C = 即晶体管输出导纳oe oy p y 211= 负载电导2222i i g p g =,负载电容2222i i C p C = 等效到LC 回路两端的总电导21i o p p g
23、 g G G +=,总电容21i o C C C C +=从LC 回路两端看的总等效导纳(21Loe Y y p Y += 则增益Yy p Y y y V V A fe L oe fe i o v -=+-=2111实际上从整体电路输入和负载Y L 来看的电压增益应为Y y p p Y y p p p V V p p V V N N V V A fe fe i o i o i i v -=-=2121121112111212(4.3.3由于并联谐振曲线中电压与并联等效阻抗是正比例关系(与导纳反比例,而上式中的电压增益与LC 并联等效阻抗也是一样,故电压增益曲线与回路的谐振曲线形式相同。 其中,
24、由图4.3.2(b 可知1(1L C j G Y p -+= 电路谐振时(0=,1001L C =,p G Y =,故谐振时的电压增益 2121210i o p fep fe v g g G y p p G y p p A +-=-=(4.3.4 根据最大功率传递定理,应选取适当的1p 和2p 值,使负载导纳L Y 与晶体管的输出导纳相匹配,即需要满足负载阻抗与电源内阻抗互为公轭复数。电抗由于谐振(晶体管输出电抗与负载电抗的和为零,已满足共轭关系。电导12o p i g G g +=,且21i o p p g g G G +=,因此212p o p i G g G g =+=即2121222p
25、 o p i G g p G g p =+=,LC 回路本身的损耗p G 很小,故2121121222p o o p i G g p g p G g p =+=则接入系数(匝数比112o p g G p =,222i p g G p =代入pfev G y p p A -=210匹配时的电压增益2121max 02(i o fepfe v g g y G y p p A -=-= 例4.3.1(P1024.3.2 谐振时的功率增益A p谐振时的简化等效电路:图4.3.3(P103 1o i fe V y p I =222i g p设i p 为放大器的输入功率;o p 为输出端负载(2i g 获
26、得的功率,则121i i i g V p =为晶体管输入端电压平方乘以晶体管输入电导。(22221122222222(i pi fe i p o i abo g p G V y p g p G I g p Vp =为ab 两端电压平方乘以负载等效电导。谐振时的功率增益:1220122211212222110(i i v i i pfei i i pi fe io p g gA g g G y p p g V g p G V y p p pA = 1i g ,2i g 分别为本级放大器的输入电导和下一级晶体管输入电导。若两级采用相同的晶体管,则21i i g g =,故200(v p A A =
27、 (1如果忽略LC 回路的损耗p G 时,电压增益2121max 02(i o fepfe v g g y G y p p A -=-=则最大功率增益(21220max4(i o fev p g g y A A =(2如果考虑损耗p G ,引入插入损耗K 1,有111p p K =率回路有损耗时的输出功率回路无损耗时的输出功(p 越大(越接近1p 越好,故1K 显然越小越好 无损耗时222222212122221(i i o o i po g p g p g p I g p G I p += 有损耗时222222212122221(i p i o o i po g p G g p g p I g p G I p += 再考虑品质因数: 无载Q 值为LG Q p 001=,即LQ G p 001=有载Q 值为LG g p g p Q p i o L 0222121(1+=即11(11000222121Q Q L G LQ g p g p L p L i o -=-=+ LQ G g p g p L p i o 02221211=+将p i o G g p g p +222121和222121i o g
