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 )  jC  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
rbe 

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 be
Cie  Cbe
yfe  g m
fe  0
yre  Cbc
re  90
g oe  g ce
Coe  Cbc
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   jC 
 g  1 
( j C 
)
j L
g
j L 


0 L 
1
 g  1  j
(C0 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
(CO 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  2f 0.7
由
g 
0 C 
QL
f0

QL
2πf 0C

 4πf 0.7 C
f0
2f 0.7
n1n2 yfe
n1n2 yfe
n1n2 yfe
用带宽表示放


大器的增益为 Avo   g
2π(2f 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
2f 0.1 
99=2f 0.7 99
QL
2f 0.1
矩形系数 kΠ0.1 
 99  9.95
2f 0.7
Av
同理令 S 
 0.01
Avo
矩形系数 kΠ0.01 
f0
2f 0.01 
1002 -1  2f 0.7  100
QL
2f 0.1
 100
2f 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。