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第3章 高频小信号放大器(2)_图文

第三章
§3.1.1 §3.1.2 §3.1.3 §3.1.4 §3.1.5

高频谐振放大器

第一节 高频小信号放大器
概述 晶体管高频小信号等效电路与参数 单调谐回路谐振放大器 多级调谐回路谐振放大器 谐振放大器的稳定性

§3.1 .1 概述
1 高频小信号放大器的特点
① 频率较高 中心频率一般在几百kHz到几百MHz频

带宽度在几khz到几十MHz。(高频窄带)
② 小信号 信号较小故工作在线性范围内(甲类 放大器)

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:谐振放大器和非谐振放大器
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。非谐振由阻容放大器和 各种滤波器组成,便于集成。

3 高频小信号放大器的质量指标
1 增益(放大系数)

Vo 电压增益: AV ? Vi

P0 AP ? 功率增益: Pi Po 分贝表示: A ? 20 log V 0 Ap ? 10 log V Vi Pi
2 通频带 放大器的电压增益下降到最大值的0.7(即1/ 2) 倍时,所对应的频率范围称为放大器的通频带, 用 B ? 2?f 0.7 表示。2?f 0.7也称为3分贝带宽。

AV AV 0

AP AP 0

1 0.7 2?f0.2 f0 f
1 2

0.5

f0
2?f0.7

f

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。 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QL。此外,放大器的总通频带,随着级数 的增加而变小。并且通频带愈宽,放大器增益愈小。

3 选择性(矩形系数)
从各种不同频率的信号的总和(有用的和 有害的)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 数来表示。 按理想情况,谐振曲线应为一矩形。为了 表示实际曲线接近理想曲线的程度,引入“矩 形系数”,它表示对邻道干扰的抑制能力。

K r o?1

2 ?f 0 . 1 ? 2 ?f 0 . 7

AV/AVo 1 0.7

理想

2?f 0.01 K r0.01 ? 2 ? f 0 .7

实际 2?f0.7 0.1 2?f0.1 f

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,Kr愈接近于1越好。

4 .工作稳定性:
指在电源电压变化或器件参数变化时以上三参数的稳定程度 为使放大器稳定工作,必须采取稳定措施,即限制每级 增益,选择内反馈小的晶体管,应用中和或失配方法等。

5

噪声系数:
放大器的噪声性能可用噪声系数表示:

Psi / Pni (输入信号噪比 ) NF ? Pso / Pno (输出信号噪比 )

NF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。 以上这些要求,相互之间即有联系又有矛盾。增益和稳 定性是一对矛盾,通频带和选择性是一对矛盾。故应根据需 要决定主次,进行分析和讨论。

3. 1. 2 晶体管高频小信号等效电路与参数
一、 Y参数等效电路(形式等效电路)

二、 Y参数等效电路(形式等效电路) ? ? 设输入电压U be和输出电压U ce为自变量

? ? ? ? ? I b ? YieU be ? YreU ce ? I b ? ?Yie Yre ? ?U be ? 即: ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? Y U ?Y U ? ? I c fe be oe ce ? I c ? ?Y fe Yoe ? ?U ce ?
? Ib 式中: ie ? Y ? U be ? Ib Yre ? ? U ce ? Ic Y fe ? ? U be ? Ic Yoe ? ? U ce
U ce ? 0

称为输出短路时的输入 导纳
称为输入短路时的反向 传输导纳

? Ube ?0

? U ce ? 0

称为输出短路时的正向 传输导纳

Ube ?0

称为输入短路时的输出 导纳

B

? ? ? I b ? YieU be ? YreU ce ? ? ? I c ? Y feU be ? YoeIU ce I
b c

+

C + Uce –

注意:1.Y=g+jwc

Yie Ube –

YreUce

YfeUbe

Yoe

2.Yre=0
(具体取值情况可见P111:题3-2)

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Cie2分别是下一级放大器的 输入导纳和输入电容。

令:Yoe ? goe ? j?C oe

Yie 2 ? g ie 2 ? j?C ie 2

E

3. 1. 3 单调谐回路谐振放大器
一、电路
Rb1、Rb2、Re为偏臵电阻, 决定静态工作点, L 、 C组成LC谐振回路 R0 =1/GP是并联回路本身 的损耗

+UCC Rb1 Uc Ci Ub=Ui Rb2 Re Ce C R0 L P1

b C o U0 P2 RL a

所谓单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联 回路的组合。所以前面分析的晶体管等效电路和并联回 路的结论均可应用。

二、等效电路分析
因为讨论的是小信号,如略去直流参数元件即可用Y参数等效电 a 路模拟。

Ib

B Yie YreUc

C

Ic

P1 + Ui – + UC C GP – L P2 Yie2 b + Uo –

Is Ys

YfeUb Yoe E

? ? I b ? YieU i ? YreU c ??(1) 数学分析:? ? ? I c ? YfeU i ? YoeU c ??( 2) ?? ? ? I c ? ?U cYL ????( 3)

C +

Ic P1

a

Yfe ?Uc ? ? Ub ? Yoe ? YL

?

UC C GP – E

L P2 Yie2 b + Uo –

放大器的放大倍数:

Uc Yfe ? kv ? ?? ? Ub Yoe ? YL
Ib B Yie YreUc YfeUb E Yoe C Ic + Is Ys – Ub =Ui + UC – Y’L

Y ?L代表由集电极C向右看的回路导纳

Uab C + UC C GP – E Ic P1

a

L P2 Yie2 b + Uo –

说明:

? 1 ? 1 2 YL? ? 2 ? GP ? j?C ? ? P2 Yie ? ? ? j ?L P ? ? 1 1 ? 2 P 1 ? 1 ? 2 2 ? GP ? P2 g ie ? j? C ? P2 Cie ? j?L ? ? ?

?

?

?

?

? 数学分析(续): ? I b ? YieU i ? YreU c ??(1)

?? ? I c ? YfeU i ? YoeU c ??( 2) ?? ? ? I c ? ?U cYL ????( 3)

?

(3) = (2)

Yfe U i ………………(4) ? Uc ? ? ? Yoe ? YL
? YreYfe ? ? ? Ui ? I b ? ? Yie ? ? ?? Yoe ? YL ? ?

(4) 代入(1)

? Ib YreYf e ? Yie ? ? Yie ? 放大器的输入导纳: Yi ? ? Ui Yoe ? YL ? Ic YreYf e ? Yoe ? ? Yoe 放大器的输出导纳: Yo ? Uc Ys ? Yie

三、放大器的质量指标
U ? AV ? o 1)电压增益 Ui

C +

Ic P1

a

根据电压变比关系:
U o ? p2U ab U ab ? U c
p p1 ? U o ? 2 U c p1

UC C GP L P2 – Yie2 b

+ Uo –

p2Y fe E U o p2 U c ? ? ?? 所以: A V ? Ui p1 U i p1 ?Yoe ? YL? ?

? YL 1 ? 1 2 ? p2 Yie2 ? ? 2 由于: YL? ? 2 ? G p ? j?C ? ? ? p p1 ? j ?L ? 1
? 所以: A V ? ? p1 ?Yoe ? YL? ? p2Y fe ?? p2Y fe ? YL ? p1 ? Yoe ? 2 ? ? p1 ? ? ? ?? p1 p2Y fe p12Yoe ? YL

令:Yoe ? goe ? j?C oe
? 所以:A V ?

Yie 2 ? g ie 2 ? j?C ie 2
? p1 p2 y fe

?

1 p g ? p gie 2 ? Gp ? j? C ? p C oe ? p C ie ? j? L
2 1 oe 2 2 2 1 2 2

?

?

?

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Cie2分别是下一级放大器的 输入导纳和输入电容。
2 2 令 g ? ? p12 g oe ? p2 g ie2 ? Gp; C? ? C ? p12Coe ? p2 Cie2

? ? ? p p y g ? j?C ? 1 则A V 1 2 fe ? ? j ?L
说明 :式中分母视为一个并联 谐振回路的导纳

式中分母视为并联回路 的导纳,当角频率 在谐振角频率 0附近时 ? ? ? A 可写成:
V

? AV ?

? p1 p2 y fe ? 2Q L ?f g? ? 1 ? j ? f0 ? ? ? ? ?

?

g? ?1 ? j? ?

? p1 p2 y fe

1 式中:f 0 ? , ?f ? f ? f 0 是工作频率对 0的失谐 f 2? LC?

QL ?

?0 C?
g?

是回路的等效品质因数

电压增益的相关结论
? ① A V 是工作频率f的函数

②当Δ f ? 0时,

? p1 p 2 y f e ? V 0 ? ? p1 p 2 y f e ? A 2 gΣ Gp ? p 1 g o e ? p 2 g i e 2 2

"-"号表明输入和输出有 ? 的相位差。此外 f e是一个复数,它也有 180 y 一个相角? f ,因此输入和输出之间 的相差不一定是 ?,而是180?+? f e 180 。 e ? ? ③当频率较低时, =0,V 和V 相位差才是180o ?
fe o i

? ④A v o与晶体管正向传输导纳 f e成正比,和回路的总电 gΣ 成反比。 y 导

2)放大器的谐振曲线与通频带
A 随f而变化的曲线,叫 做放大器的谐振曲线 A
V Vo

由于

AV ? A Vo

1 ? 2QL ?f 1? ? ? f 0 ? ? ? ? ?
2

?

1 1 ? ?? ?
2

AV 2QL ?f 0.7 1 如果: ? ,则 ?1 AVo f0 2

故:B0.7 ? 2?f 0.7

f0 ? QL

可见:品质因数越高, 通频带越窄;反之越宽 。

3)单调谐放大器的选择性— ——— 以矩形系数来分析:
2 ? f 0 .1 AV k r 0.1 ? 如果 =0.1 则 2 ?f 0 .7 A V0 1 f0 2 ? 0.1 2f 0.1 ? 10 ? 1 ? QL 2Q L ?f 0.1 1? f0 2?f 0.1 故矩形系数:kr0.1 ? ? 10 2 ? 1 ? 9.95 ?? 1 2?f 0.7

所以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。

习题: 3-2 (1),(2)

§3.1.4 多级谐振放大器
一、多级单调谐回路谐振放大器
若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. 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
如果放大器有 级,各级的增益为 V1、A V2 ?? A Vm m A 则总增益为 A m ? A1 A2 ?? Am

结论:级数m越多,总增益越大。

2)通频带
( B? ) m ? 2 ? 1 ? B1
1 m

( B? ) m 为m级放大器的通频带
结论:级数m 越多, 通 频 带越窄 . X ? 2 ? 1称为 带 宽 缩 减 因 子
1 m

级数m
( B? ) m / B1 K 0.1

1 1.0 9.95

2 0.64 4.66

3 0.51 3.74

4 0.43 3.18

5 0.35 3.07

3)选择性(以矩形系数为例) 结论:级数m越多,矩形系数越小。 具体数值见教材P70页表3-1 级数m
( B? ) m / B1 K 0.1

1 1.0 9.95

2 0.64 4.66

3 0.51 3.74

4 0.43 3.18

5 0.35 3.07

可见: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。

二、多级双调谐放大器
它是改善放大器选择性和解决放大器增益和 通频带之间矛盾的有效方法之一。 具体参数见教材P70页表3-2 级数m
( B? ) m / B1 K 0.1

1

2

3

4

1.0
3.15

0.8
2.16

0.71
1.9

0.66
1.8

三、宽带集成运算放大器
A/D公司宽带集成运放举例 型号 AD8031 AD818 电源电压(V)
?2.7 ~ ?5 , ? 5

带宽(MHz) 80 100

?5 , ? 5 ~ ?15

AD8055

?12 , ? 5

300

………

3. 1. 5 谐振放大器的稳定性
一、自激产生的原因
B Ib + Yie Ube – E YreUce YfeUbe Yoe Uce – Ic

?1?.

C +

?由于Y 参数中y r e 的存在,会形成正反馈, 导致自激的产生,是不稳定的原因。
b rbb? b? Cb?c Cb?e rb?e gmVb?e Yce c

?2?

?实际上是由于混 参数中C ?

e

?

?

C b?e ?的存在,

会形成正反馈和 自激,是不稳定的原因。

二、克服自激的方法 由于yre(或Cb’e)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: 首先考虑选用yre(或Cb’e)小的晶体管; 然后考虑实行晶体管的单向化。其单向化的方法有: ⑴中和法 ⑵失配法 消除yre的反馈 使输入和输出回路与晶体管阻抗不匹配。 由于阻抗不匹配,减小输出电压,从而减小反 馈到输入回路的影响,以牺牲电压增益来换取放大器的稳 定性.

(1) 中和法:
在放大器线路中插入一个外加的反馈电路,使它的作用 恰好和晶体管的内反馈互相抵消。
Cb?c
理解?

+C
+ L1 – B + L2 –

Cb?c A Vi ~ CN –D Vo

L1 B L2

A Vi ~

CN

? 电桥平衡时,CD两端的回路电压 V0 不会反映到AB两端, 即对应两边阻抗之比相等。
1 ?L1 ?Cbc ? ? 1 ?L2 ?C N

L1 N1 ? C N ? Cb?c ? Cb?c L2 N2

(2) 失配法
方法:使信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配,晶体管 输出端负载阻抗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,反馈到输入 电路的影响也随之减小。使增益下降,提高稳定性。 失配法应用举例--共发一共基级联放大电路:

BG1

BG2

失 配 YL yi?yie 复合管

(3). 中和法与失配法比较
中和法: 优点:简单,增益高 缺点:① 只能在一个频率上完全中和,不适合宽带 ② 因为晶体管离散性大,实际调整麻烦,不适于 批量生产。 ③ 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:①性能稳定,能改善各种参数变化的影响; ②频带宽,适合宽带放大,适于波段工作; ③生产过程中无需调整,适于大量生产。 缺点:增益低。

§3.1.6 高频小信号调谐放大器应用举例
一、二级共射-共基级联中频放大器电路
下图表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中 频放大器电路。
3AG22
560pF

5. 1k?

T2 T1 R10

56pF

0.047?F 3AG22 C3 680? 输入

Tr1

3AG22 T3 R16 R14 R13
1.5k?

3AG22 T4

Tr2 R20 C13
560pF

C7 C8 R11
0.047?F

2k?

R6 5.1k? R9 5.6k?

R7 150? R3

2k?

C4 0.047?F

0.047?F 10k? C5

R12 2.7k? C9 C6 0.047?F

5.1k? 200? R15 C10 C11

? R19 10k?

C14
560pF

输出

R17 5.1k?

R18

C12 0.047?F

0.047?F 0.047?F –15V

–8V 稳压

–15V

二、 由MC1590构成的选频放大器:
器件MC1590内部结构为一个双端输入、双端输出的全差动式电路。 其具有工作频率高,不易自激的特点,并带有自动增益控制的功能。
C3 C2 3 4 5 V0 2 MC1590 C4 Vi 1 8 7 6 L3 +12V V(AGC) C6 C5 C2 L2 RL

器件的输入和输出各有一个单谐振回路选频。

三、MC1110制成的100MHz调谐放大电路 MC1110集成块是一种适合于放大频率高达100MHz信号的 射极耦合放大电路,其内部电路及由它制成的100MHz调谐放 大器的实用电路如图所示。 片内电路如虚线框内所示,两只晶体管VT1和VT2组成共 集一共基组合放大电路,使电路的上限截止频率得以提高, 且输入、输出阻抗均较高,故对外接调谐回路的影响减小。
2 C2 vi C1 L1 MC1110 3 1 VT1 C VT 2 4 +5V L2 C3 C4 Re 5 –9V RL V0 C5

由C1、C2、L1构成的回路调谐于信号频率,为了减弱信号 源对回路的影响,信号是部分接入的。 L1、C3、C4组成并联谐振回路,RL是负载,阻值较小,也 是部分接入回路的。

本 节 小 结
一、高频小信号放大器是通常分为谐振放大器和非谐 振放大器,谐振放大器的负载为串、并联谐振回 路或耦合回路。

二、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。用矩形系数可以衡量实 际幅频特性接按近理想幅频特性的程度,矩形系 数越接近于1,则谐振放大器的选择性愈好。

三、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。Y参数等效电路和混合?等效电 路是描述晶体管工作状况的重要模型。

四、单级单调谐放大器是小信号放大器的基本电 路,其电压增益主要决定于管子的参数、信号 源和负载,谐振回路与信号源和负载的连接常 采用部分接入方式。

五、由于晶体管内部存在反向传输导纳Yre,使晶体 管成为双向器件,在一定频率下使回路的总电导为 零,这时放大器会产生自激。 为了克服自激常采用“中和法”和“失配法”使晶 体管单向化。 六、集成电路谐振放大器体积小、工作稳定可靠、调整

方便,其有通用集成电路放大器和专用集成电路放大器。

习题:3-2(3) 3-3 3-4 3-5


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