1、4 高頻小信號放大器,4.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù),4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,4.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,4.1 概述,4.6 諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施,End,*4.7 諧振放大器的常用電路和 集成電路諧振放大器,*4.8 場效應(yīng)管高頻小信號放大器,*4.9 放大器中的噪聲,*4.10 噪聲的表示和計算方法,4 高頻小信號放大器,高頻小信號放大器的特點：放大高頻小信號(中心頻率在幾百kHz到幾百MHz，頻譜寬度在幾kHz到幾十MHz的范圍內(nèi))的放大器。,4.1 概述,幾十V幾mV,1V左右,普通調(diào)幅無線電廣播所占帶寬應(yīng)為kHz，電視信號的

2、帶寬為Mz左右。,高頻小信號放大器的分類,4.1 概述,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo),1) 增益：（放大系數(shù)）,電壓增益：,分貝表示：,功率增益：,4.1 概述,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo),2) 通頻帶：,4.1 概述,3dB帶寬,6dB帶寬,通頻帶決定于,負載回路形式 回路的QL,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo),2) 通頻帶：,4.1 概述,通頻帶越寬，放大器增益就越小，兩者矛盾。 AM接收機（頻帶窄），矛盾不突出； 電視或雷達（頻帶寬），矛盾突出。 犧牲單級增益，保證所需帶寬，再加多級保證總增益。 放大器的總通頻帶隨著放大級數(shù)的增加而變窄。,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo),3) 選擇

3、性, 矩形系數(shù)：表示與理想濾波特性的接近程度。,：從各種不同頻率信號的總和（有用的和有害的）中選出有用信號，抑制干擾信號的能力稱為放大器的選擇性。選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。,4.1 概述,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo), 抑制比：表示對某個干擾信號fn 的抑制能力，用dn表示。,4.1 概述,3) 選擇性,：從各種不同頻率信號的總和（有用的和有害的）中選出有用信號，抑制干擾信號的能力稱為放大器的選擇性。選擇性常采用矩形系數(shù)和抑制比來表示。,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo),4) 工作穩(wěn)定性：指放大器的工作狀態(tài)(直流偏置)、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要特性的穩(wěn)

4、定。,4.1 概述,不穩(wěn)定現(xiàn)象,增益變化,諧振曲線變形等,中心頻率偏移,通頻帶變窄,放大器自激（極端情況）,主要由晶體管內(nèi)反饋引起，放大器完全不能工作,高頻小信號放大器的主要質(zhì)量指標(biāo),5) 噪聲系數(shù)：指放大器輸入端SNR與輸出端SNR的比值。,4.1 概述,放大器中，噪聲總是有害無益，要求噪聲系數(shù)接近1。,總結(jié)：以上指標(biāo)既有聯(lián)系，又有矛盾；根據(jù)要求，決定主次。,End,高頻小信號放大器的分析方法,晶體管工作在線性區(qū)，可看成線性元件，可用有源四端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)微變等效電路來分析。,4.1 概述,4.2 晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù),4.2.1 形式等效電路（網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效電路）,4.2.2 混合等效電

5、路,4.2.3 混合等效電路參數(shù)與 形式等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換,4.2.4 晶體管的高頻參數(shù),4.2.1 形式等效電路,因為放大器由信號源、晶體管、并聯(lián)振蕩回路和負載阻抗并聯(lián)組成，采用導(dǎo)納分析比較方便，為此, 引入晶體管的y（導(dǎo)納）參數(shù)等效電路。,優(yōu)點：通用，沒有涉及晶體管內(nèi)部物理過程，分析電路方便， 適用于任何四端（或三端）器件。 缺點：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與頻率有關(guān)。,圖 4.2.1 晶體管共發(fā)射極電路,圖 4.2.2 參數(shù)等效電路,4.2.1 形式等效電路,式中：,稱為輸出短路時的輸入導(dǎo)納；,稱為輸入短路時的反向傳輸導(dǎo)納；,稱為輸出短路時的正向傳輸導(dǎo)納；,稱為輸入短路時的輸出導(dǎo)納。,圖 4.2.2 參數(shù)

6、等效電路,放大器輸入導(dǎo)納Yi,4.2.1 形式等效電路,圖 4.2.3 晶體管放大器及其 參數(shù)等效電路,放大器輸出導(dǎo)納Yo,End,4.2.1 形式等效電路,4.2.2 混合等效電路,y（導(dǎo)納）參數(shù)的缺點：隨頻率變化；物理含義不明顯。,圖 4.2.4 混合等效電路,優(yōu)點： 各個元件在很寬的頻率范圍內(nèi)都保持常數(shù)。 缺點： 分析電路不夠方便。,由晶體管引線和封裝等結(jié)構(gòu)所形成，數(shù)值很小，高頻下可以忽略。,圖 4.2.4 混合等效電路,4.2.2 混合等效電路,基極電阻,集射極間電阻,晶體管跨導(dǎo),集電結(jié)電阻,集電結(jié)電容,基射極間電阻,發(fā)射結(jié)電容,附加電容,、,、,：,End,4.2.2 混合等效電路,

7、表示晶體管放大作用的等效電流發(fā)生器。,希望 和 盡量小。,將輸出的交流電壓反饋一部分到輸入端（基極），可能引起放大器自激。,在共基電路中引起高頻負反饋，降低晶體管的電流放大系數(shù)。,圖 4.2.5 參數(shù)及混合等效電路,4.2.3 等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換,輸入電壓,輸出電壓,輸入電流,輸出電流,4.2.3 等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換,由KCL得b、b、c的電流方程為,式中,4.2.3 等效電路參數(shù)的轉(zhuǎn)換,消去 ，并用 代替 ， 代替 ，得：,又形式等效電路有：,兩種等效電路參數(shù)轉(zhuǎn)換公式為：,End,1. 截止頻率,2. 特征頻率,當(dāng)f fT后，共發(fā)接法的晶體管將不再有電流放大能力，但仍可能有電壓增益，而功率增

8、益還可能大于1。,4.2.4 晶體管的高頻參數(shù),4.2.4 晶體管的高頻參數(shù),2. 特征頻率,圖4.2.6 截止頻率和 特征頻率,可以粗略計算在某工作頻率f f的電流放大系數(shù)。,3. 最高振蕩頻率fmax,f fmax后， Ap1，晶體管已經(jīng)不能得到功率放大。,End,4.2.4 晶體管的高頻參數(shù),通常，為使電路工作穩(wěn)定，且有一定的功率增益，晶體管的實際工作頻率應(yīng)等于最高頻率的 。,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,4.3.1 電壓增益,4.3.2 功率增益,4.3.3 通頻帶與選擇性,*4.3.4 級間耦合網(wǎng)絡(luò),4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,通常需要多級放大器來提供足夠高的增益和足夠好的選擇性，

9、從而為下一級（例如混頻和檢波）提供性能良好的有用信號。,幾十V幾mV,1V左右,高頻小信號放大器的電路分析包括：1. 多級分單級，2. 靜態(tài)分析，3. 動態(tài)分析，4. 整合系統(tǒng)幾個基本步驟。,1. 多級分單級,前級放大器是本級放大器的信號源；后級放大器是本級放大器的負載。,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,1. 多級分單級,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,前級放大器是本級放大器的信號源；后級放大器是本級放大器的負載。,其簡化規(guī)則：交流輸入信號為零；所有電容開路；所有電感短路。,結(jié)論：Rb1、Rb2、Re為偏置電阻，提供靜態(tài)工作點；,2. 靜態(tài)分析,畫出直流等效電路，,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,其

10、簡化規(guī)則：有交流輸入信號，所有直流量為零；所有大電容短路；所有大電感開路。（諧振回路L、C保留）,1) 畫出交流等效電路，,3. 動態(tài)分析,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,+ u31 -,+ v21 -,2) 畫出交流小信號等效電路，,負載和回路之間采用了變壓器耦合，接入系數(shù),晶體管集、射回路與振蕩回路之間采用抽頭接入，接入系數(shù),4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,圖4.3.1 單調(diào)諧回路諧振放大器的 原理性電路與等效電路,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,圖4.3.1 單調(diào)諧回路諧振放大器的原理性電路,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,采用自耦變壓器-變壓器耦合形式： 減弱本級輸出導(dǎo)納與下級晶體管輸入導(dǎo)納Y

11、L對LC回路的影響; 適當(dāng)選擇初級線圈抽頭位置與初次級線圈匝數(shù)比，可以使負載 導(dǎo)納與晶體管的輸出導(dǎo)納相匹配，以獲得最大功率增益。,圖4.3.1 單調(diào)諧回路諧振放大器等效電路,4.3 單調(diào)諧回路諧振放大器,代表晶體管放大作用的等效電流源,、,代表晶體管的輸出電導(dǎo)與輸出電容,代表負載導(dǎo)納,代表回路本身的損耗,由式（4.2.10）可得放大器的電壓增益為：,為晶體管的輸出導(dǎo)納。,為晶體管在輸出端1、2兩點之間看來的負載導(dǎo)納，即下級晶體管輸入導(dǎo)納與LC 諧振回路折算至1、2兩點間的等效導(dǎo)納。,可以看成是1、2兩點之間的總等效導(dǎo)納。,4.3.1 電壓增益,所有元件折算到LC 回路兩端得圖（a），再簡化為圖

12、（b）,4.3.1 電壓增益,所有元件折算到LC 回路兩端得圖（a），再簡化為圖（b）,由LC回路兩端看來的總等效導(dǎo)納為：,電壓增益改寫為：,4.3.1 電壓增益,本級實際電壓增益為：,4.3.1 電壓增益,由右圖知：,諧振時：,，,諧振點電壓增益：,4.3.1 電壓增益,得到匹配所需接入系數(shù)為：,匹配時電壓增益：,為獲得最大功率增益，應(yīng)適應(yīng)選取P1與P2的值，使負載導(dǎo)納能與晶體管電路的輸出導(dǎo)納相匹配。即匹配條件為：,通常Gp較小，與 相比可以忽略，得：,即：,4.3.1 電壓增益,4.3.2 功率增益,由于在非諧振點上計算功率十分復(fù)雜，且一般用處不大，故主要討論諧振時的功率增益：,諧振時圖4

13、.3.1(b)可簡化為:,討論：,則可得最大功率增益為：,i)如果設(shè)LC調(diào)諧回路自身元件無損耗，且輸出回路傳輸匹配。,4.3.2 功率增益,設(shè)采用相同晶體管，即gi1= gi2，則,討論： ii)如果LC調(diào)諧回路存在自身損耗，且輸出回路傳輸匹配,引入插入損耗K1，有：,4.3.2 功率增益,End,討論： ii)如果LC調(diào)諧回路存在自身損耗，且輸出回路傳輸匹配,4.3.2 功率增益,End,不考慮Gp時，負載上所獲得的功率為：,考慮Gp時，負載上所獲得的功率為：,討論： ii)如果LC調(diào)諧回路存在自身損耗，且輸出回路傳輸匹配,4.3.2 功率增益,End,回路的無載Q值為：,得,回路的有載Q值

14、為：,即,討論： ii)如果LC調(diào)諧回路存在自身損耗，且輸出回路傳輸匹配,4.3.2 功率增益,End,討論： ii)如果LC 調(diào)諧回路存在自身損耗，且輸出回路傳輸匹配,4.3.2 功率增益,End,考慮Gp時，匹配時最大功率增益為,此時電壓增益為,4.3.3 通頻帶與選擇性,通過分析放大器幅頻特性來揭示其通頻帶與選擇性。,式中：,諧振頻率,工作頻率f對諧振頻率f0的失諧,回路有載品質(zhì)因數(shù),1. 通頻帶,4.3.3 通頻帶與選擇性,諧振曲線表示式：,令,通頻帶：,帶寬增益積為一常數(shù),1. 通頻帶,4.3.3 通頻帶與選擇性,2. 選擇性（矩形系數(shù)）,1,不論其Q值為多大，其諧振曲線和理想的矩形

15、相差甚遠。,4.3.3 通頻帶與選擇性,End,圖4.3.1(b)單調(diào)諧回路諧振放大器等效電路,4.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器,若單級放大器的增益不能滿足要求，就要采用多級放大器。,如果各級放大器是由完全相同的單級放大器所組成，則,1. 增益,2. 通頻帶,可求得m 級放大器的通頻帶：,4.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器,m級相同放大器級聯(lián)時,諧振曲線表示式為,令,2. 通頻帶,4.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器,如果要求m 級總通頻帶等于原單級的通頻帶，則每級的通頻帶要相應(yīng)地加寬，即必須降低每級回路的QL。,稱為帶寬縮減因子。,m 為大于1的整數(shù)，所以,3. 選擇性（矩形系數(shù)）,當(dāng)級數(shù)m 增加

16、時，放大器的矩形系數(shù)有所改善，但這種改善是有限度的。,End,4.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,單調(diào)諧回路放大器:選擇性較差，增益和通頻帶矛盾突出; 雙調(diào)諧回路放大器:選擇性較好、通頻帶較寬。,(a)雙調(diào)諧回路放大 器線路,(b)其高頻等效電路,(c)折算后其高頻等效電路,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,實際應(yīng)用中，初、次級回路都調(diào)諧到同一中心頻率f0。,為分析方便，假設(shè)兩個回路元件參數(shù)都相同。,并聯(lián)型互感耦合回路,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,1.電壓增益,并聯(lián)型互感耦合回路,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,1.電壓增益,弱耦合，諧振曲線在f0（=0）處出現(xiàn)峰值。,

17、諧振曲線表示式為：,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,1.電壓增益,臨界耦合，諧振曲線在f0（=0）處出現(xiàn)峰值。,諧振曲線表示式為：,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,1.電壓增益,強耦合，諧振曲線出現(xiàn)雙峰，峰點位置為,諧振曲線表示式為：,此時,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,1.電壓增益,圖4.5.2 不同時，雙調(diào)諧回路放大器的諧振曲線,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,2.通頻帶（只研究=1）,此時,則臨界耦合時的通頻帶為：,即:對于相同的QL，臨界耦合雙調(diào)諧回路的通頻帶等于單調(diào)諧回路放大器通頻帶的 倍。,通頻帶更寬,4.5 雙調(diào)諧回路諧振放大器,3.矩形系數(shù)（只研究=1）,此時,選擇性更好,4.5 多

18、級雙調(diào)諧回路諧振放大器,此時,End,4.6 諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,4.6.2 單向化,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,以上分析時，假定yre0，即輸出電路對輸入端沒有影響，放大器工作于穩(wěn)定狀態(tài)。下面，討論內(nèi)反饋yre的影響。,1. 放大器的輸入導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納,引用4.2 結(jié)果，可知,如果放大電路輸入端也接有諧振回路(或前級放大器的輸出諧振回路)，那么輸入導(dǎo)納Yi并聯(lián)在放大器輸入端回路后(假定耦合方式是全部接入)，,2. 自激振蕩的產(chǎn)生 (以輸入導(dǎo)納的影響為例),圖4.6.1 放大器等效輸入端回路,實際電路中，,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,gF改變了

19、回路的QL值，bF引起回路的失諧,所謂“諧振”，就能量關(guān)系而言，是指：回路中儲存的能量是不變的，只是在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換；外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路的等幅振蕩。,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,如果反饋電導(dǎo)為負值，那么g= gs+gie1+gF= 0 可能存在，即發(fā)生自激振蕩現(xiàn)象。,3.自激產(chǎn)生的原因(以輸入導(dǎo)納的影響為例),圖4.6.2 反饋電導(dǎo)隨頻率變化 的關(guān)系曲線,此時，如果g= gs+ gie + gF 0，即整個回路的能量消耗為零，回路中儲存的能量恒定，在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換，回路中的等幅振蕩得以維持，而不需外加激勵。,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,為了

20、消除自激以及提高放大器的穩(wěn)定性，下面確定產(chǎn)生等幅自激振蕩的條件。,4. 自激產(chǎn)生的條件(以輸入導(dǎo)納的影響為例),回路諧振時，g= gs+ gie + gF = 0,= 0,分解為幅值和相位兩個條件,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,不發(fā)生自激的條件:,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,回路諧振時，g= gs+ gie + gF = 0,回路諧振時，g= gs+ gie + gF 0,4. 自激產(chǎn)生的條件(以輸入導(dǎo)納的影響為例),穩(wěn)定系數(shù),如果S1，放大器可能產(chǎn)生自激振蕩；如果S 1，放大器不會產(chǎn)生自激。 S越大，放大器離開自激狀態(tài)就越遠，工作就越穩(wěn)定。,4.6.1 諧振放大器的穩(wěn)定性,4. 自激產(chǎn)生的條件(以輸入導(dǎo)納的影響