Transcript 第一章小信号谐振放大器
第一章 小信号谐振放大器
一、概述
二、滤波器
三、晶体管的高频等效电路和参数
四、小信号谐振放大器
1.1 概述
小信号谐振放大器是无线通信接收机的重要组成部分,
用于放大各种无线电接收机中的射频和中频小信号。
小信号谐振放大器的电路结构
小信号谐振放大器的主要技术指标
(1) 增益
(2) 通频带
(4) 稳定性
(5) 噪声系数
(3) 频率的选择性
1.2 滤波器
1.2.1 滤波器的基本参数
通带增益:滤波器通带内的电压放大倍数。
中心频率
f0:指通带的中心点频率。
截止频率:指幅频特性下降到3dB点时的频率
通频带:在幅频特性下降到3dB点时的两个频率
之间的频率差。
f H和 f L
品质因数Q:对于带通或带阻滤波器,品质因数是中心频率
和通带或阻带的比值。对于同一中心频率的滤波器,
带宽越窄,Q值越高。
1.2.2 LC谐振回路
LC并联谐振回路的导纳
1.并联谐振回路
Y ( j ) jC j
其中 geo
1
1
geo j(C
) geo
L
L
1
Reo
1
当 C
时,回路谐振。
L
谐振频率 0
1
LC
Reo
Reo
CReo
品质因数是回路谐振电阻和特性阻抗的比值 Q
L L
C
并联谐振回路的输出电压为
Vo (ω)
其中
IS
IS
IS g eo
V (ω )
o 0
Y ( jω) g j(ωC 1 ) 1 jQ( ω ω0 ) 1 jξ
eo
ωL
ω0 ω
0
Q( )
0
谐振时的输出电压幅度和失谐时的电压幅度之比称为归一
化的幅频特性
Vom ( )
S
Vom (0 )
1
0 2
1 Q ( )
0
2
1
1 2
幅频特性曲线
f0
并联谐振回路的通频带 BW0.7
Q
输出电压的相频特性为
0
Z () arctan Q( ) arctan
0
2.串联谐振回路
(1) 串联谐振回路的阻抗特性
回路的阻抗为
1
Z ( j ) r j( L
)
C
谐振频率 0
1
LC
1
当 C
时,回路谐振。
L
L
L
1
C
品质因数 Q
r
r
Cr
1.2.3 负载和信号源内阻对谐振回路的影响
LC回路空载品质因数通常用Qo 表示;在实际电路中,计
入信号源内阻和 RS负载电阻 RL 时的有载品质因数,通常用 Qe
表示。
有载品质因数 Q
e
RL
C
0CRL
RL
0 L
L
1.2.4 谐振回路的接入方式
信号源内阻和负载都是直接并联在谐振回路上,
这种直接并联会产生一些问题:
① 信号源内阻RS和负载 RL的并联会使有载品质因数下降,
导致通频带变宽,选择性变差。
② 信号源内阻和负载往往是不相等的,即阻抗不匹配,
当相差较多时,负载上获得的功率会比较小。
③ 信号源输出电容和负载电容将会影响回路的频率特性。
实际电路中,并不是如上面分析的那样把信号源和负载直接
并联在谐振回路上,而是利用一些阻抗变换电路,把负载和
信号源内阻折算到回路的两端,以减少它们的影响,通过改
变电路参数,达到所要求的谐振回路的特性。
1.变压器耦合的接入方式
等效前后负载上得到的功率相等
V2m N 2
因为理想变压器
V1m N1
2
可得 RL N1 RL
N2
2
V2m
V1m2
2 RL 2 RL
2.电感(或电容)分压的部分接入方式
(1) 电感分压式的部分接入
根据等效前RL上得到的功率和等效后RL 上得到的
功率相等的原理。
2
2
Vom
Vom
2 RL 2 RL
设N N1 N 2 为电感的总匝数,N 2为 L2 的匝数,因此接入
部分电感 L2上的电压占总电感 L 上的比值,即接入系数为
n
N2
L2
N
L1 L2
1
可以得到等效 RL 为 RL 2 RL
n
同理可得 CL n2CL
(2)电容分压式部分接入
C1
接入系数 n
C1 C2
1
RL 2 RL
n
CL n2CL
1.3 晶体管的高频等效电路和参数
要分析高频调谐放大器的性能,首先应该考虑晶体管的
高频特性。在低频电路中主要采用H参数等效电路进行分析,
在这个过程中忽略了晶体管高频运用时的内部物理现象,而
晶体管在高频时,它的等效电路不仅包含和频率没有关系的
电阻,晶体管结电容的电抗效应也是不容忽略的,因此在分
析高频小信号谐振放大器时一般采用Y参数等效电路或混π
参数等效电路。
1.3.1 双极型晶体管的高频等效电路
1.双极型晶体管放大器混 等效电路
26mV
rbe
gm
I EQ
2.双极型晶体管放大器形式等效的Y参数等效电路
I b yie Vbe yre Vce
.
.
.
I y V y V
fe be
oe ce
C
.
.
.
.
Vbe
.
yie
Ib
.
Vbe
.
Vce 0
.
为输出短路时的输入导纳
Vce 0
.
yre
Ib
.
Vce
IC
yfe
.
.
为输入短路时的反向传输导纳
Vbe 0
为输出短路时的正向传输导纳
.
yoe
IC
为输入短路时的输出导纳
.
Vce
.
Vbe 0
3.Y参数等效电路参数和混 等效电路
参数之间的转换
.
yie
Ib
.
Vbe
.
Vce 0
gb'e j Cb'e
(1 rbb' gb'e ) j Cb'e rbb'
.
yfe
IC
.
Vbe
.
Vce 0
gm
(1 rbb' gb'e ) j Cb'e rbb'
.
yre
Ib
.
Vce
.
Vbe 0
gb'c j Cb'c
(1 rbb' gb'e ) j Cb'e rbb'
.
yoe
IC
gce j Cb'c rbb' gm
.
Vce
.
Vbe 0
gb'c j Cb'c
(1 rbb' gb'e ) j Cb'e rbb'
可以看出,四个Y参数关系式仍然很复杂,原因就在于
存在着 rbb 如果 rbb可以忽略不计上式各式就可以大大简化,
其结果为
'
'
gie g be
Cie Cbe
yfe g m
fe 0
yre Cbc
re 90
g oe g ce
Coe Cbc
简化共发射极Y参数等效电路
工程上简化后共发射极等效电路
1.4 小信号谐振放大器
1.4.1 单调谐回路谐振放大器
1.简化等效电路的分析
令本级输出和下一级输入端对谐振回路的接入系数分别为
N1
N2
n1
和 n2
,
N
N
2
2
2
g
n
g
C
n
C
g
n
图中 o1 1 o1 o1
1 o1
i2
2 gi2
g n12 go1 geo n22 gi2
Ci2 n22Ci2
C n12Co1 C n22Ci2
1
1
y g jC
g 1
( j C
)
j L
g
j L
0 L
1
g 1 j
(C0 L
)
0 Lg
L
0
g 1 jQL (
) g 1 j
0
1
Vo n2 Vo
n1n2 yfe Vi
y
0C
1
谐振回路的等效品质因素为 QL
0 Lg
g
2QL
0 称为绝对失谐
称为相对失谐
0
2.单调谐回路谐振放大器性能
.
n1n2 yfe
n1n2 yfe
(1) 电压增益 Av
1
1
1
g j C
g 1
( j C
)
j L
j L
g
1 j
.
.
Avo
Avo
L
1
(CO L O )
O Lg
L
.
Avo
1 j
1 jQL (
O
)
O
.
.
Av Av
Vo
.
Vi
Avo
1+ 2
谐振时等效电路
n2 n1 yfe
n1n2 yfe
Vom
2
电压增益 Avo
Vim
g
n1 go1 geo n22 gi2
谐振频率 0
1
LC
(2) 放大器的选择性和通频带
Av
1
放大器的选择性为 S
Avo
1 2
Av
1
当电压增益
时,所对应的频率之间的带宽
Avo
2
称为放大器的通频带
放大器的通频带为 BW0.7 2f 0.7
由
g
0 C
QL
f0
QL
2πf 0C
4πf 0.7 C
f0
2f 0.7
n1n2 yfe
n1n2 yfe
n1n2 yfe
用带宽表示放
大器的增益为 Avo g
2π(2f 0.7 )C
2πC BW0.7
(3) 放大器矩形系数
Av
1
令S
0.1
2
Av0
2QL f 0.1
1
f0
fO
2f 0.1
99=2f 0.7 99
QL
2f 0.1
矩形系数 kΠ0.1
99 9.95
2f 0.7
Av
同理令 S
0.01
Avo
矩形系数 kΠ0.01
f0
2f 0.01
1002 -1 2f 0.7 100
QL
2f 0.1
100
2f 0.7
可见单调谐回路放大器的矩形系数与 Qe值无关,其值远大于1,
说明单谐回路谐振放大器严重缺点是选择性比较差。
(4) 功率增益
功率增益定义为负载上获得的功率 P0 和信号源提供
放大器的功率 Pi 的比值,一般只讨论谐振时的功率增益。
PO
AP 0
Pi
输出端负载 gi2 上获得的输出功率
n1 yfe Vim
PO (n2Vom ) gi2
g
2
2
2
n2 gi2
谐振时的功率增益为
2
n1 yfe Vim 2
n2 gi 2
n1n2 yfe
g
PO
AP0
2
Pi
Vim gie
g 2
2
gi2
2 g i2
Av0
gi1
gi1
2
2
n
g
n
当 1 o1
2 gi2 时,达到功率匹配,在不考虑回路本身损耗的
情况下,最大的功率增益为
AP0 max
yfe
2
4 gi1 go1
1.4.2 小信号谐振放大器的稳定性
1. 放大器的稳定性
稳定性是指放大器的谐振频率和通频带尽量保
持不变,放大器不自激。
2. 提高稳定性的方法
提高稳定性的方法有中和法和失配法。
中和法是在晶体管的输入端和输出端之间引入一个
外部反馈电容CN,抵消内部参数Yre的虚部的影响,使
晶体管变为单向器件。
失配法的基本思想是使信号源内阻和晶体管的输入
电阻不匹配,使负载和晶体管的输出电阻不匹配,由于
不匹配,输出电压减小,相应的反馈影响也随之减小,
从而消除Yr反馈作用造成的影响。
失配法的典型电路是共发-共基级联放大器。
共发-共基级联放大器
1.5 场效应管小信号谐振放大器
1.5.1 场效应管高频等效电路
场效应管共源电路的等效电路
共源场效应管的Y参数等效电路
1.5.2 场效应管共源放大器
场效应管共源极放大器
yfs
共源极放大器的电压增益 Av
yOs yL
g fs
谐振时,电压增益 AvO
g ds g L
g fs
AvO
g fs RL
gL
1.5.3 共源-共栅级联电路
共源-共栅级联高频放大器
共栅电路输入导纳 yig gfs j(Cgs Cgd )
g fs
1
共栅电路的谐振电压增益 AvO
g fs
共源-共栅电路的谐振电压增益 AvO gfs RL
1.6 集中选频和线性宽带集成放大器
1.6.1 集中选频放大器模型
集中选频小信号谐振放大器是把原来分布在各级谐
振放大器中的选频网络集中在一起,用集中滤波器来完
成选频功能,而放大作用是由非谐振式的高频线性集成
放大器来完成。
集中选频放大器的组成框图
1.6.2 线性宽带集成放大器
当放大器的工作频带达到一个倍频程以上时,通常
称为宽带放大器。
宽带放大器设计目标是在工作频带内获得相对平坦
的功率增益,而不是获得最大功率增益。
在宽带放大器中广泛采用共射-共基电路和负反馈
来展宽频带。