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1、第3章 高频小信号放大器第三章第三章 高频小信号放大器高频小信号放大器3.13.1概述概述1.1.高频小信号放大器的作用高频小信号放大器的作用:放大高频小信号放大高频小信号超外差式音频接收机方框图超外差式音频接收机方框图几十uv-几mv1vz左右第3章 高频小信号放大器2.2.2.2.高频小信号放大器的特点高频小信号放大器的特点高频小信号放大器的特点高频小信号放大器的特点:频率较高频率较高频率较高频率较高,中心频率一般在几百中心频率一般在几百中心频率一般在几百中心频率一般在几百kHzkHzkHzkHz到几百到几百到几百到几百MHzMHzMHzMHz频带宽度在几频带宽度在几频带宽度在几频带宽度在
2、几kHz kHz kHz kHz 到几十到几十到几十到几十MHzMHzMHzMHz 信号幅值小，信号较小故工作在线性范围内信号幅值小，信号较小故工作在线性范围内信号幅值小，信号较小故工作在线性范围内信号幅值小，信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器甲类放大器甲类放大器甲类放大器)3.3.高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类:（调谐与非调谐）（调谐与非调谐）非谐振放大器（宽带）非谐振放大器（宽带）谐振放大器（窄带）谐振放大器（窄带）:有源器件有源器件谐振回路谐振回路非谐振放大器非谐振放大器 滤波器滤波器本章主要介绍谐振放大器，该放大器接受谐振回路作负载它不仅本章主要介绍谐振放大器，该放大
3、器接受谐振回路作负载它不仅具有放大作用，而且还具有选频或滤波作用具有放大作用，而且还具有选频或滤波作用第3章 高频小信号放大器4.4.4.4.高频小信号放大器的质量指标：高频小信号放大器的质量指标：高频小信号放大器的质量指标：高频小信号放大器的质量指标：1 1）增益（放大倍数）增益（放大倍数）功率增益功率增益 ：电压增益电压增益 ：分贝表示：分贝表示：2 2）通频带通频带放大器的电压增益下降到最大值的放大器的电压增益下降到最大值的0.70.7（即（即 )倍时，所对应的频率范围称倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用为放大器的通频带，用 表示。表示。也称为也称为3 3分贝带宽。分贝带宽。第
4、3章 高频小信号放大器从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的实力称为放大器的选择性。信号，抑制干扰信号的实力称为放大器的选择性。（2 2）抑制比：）抑制比：为干扰信号的放大倍数为干扰信号的放大倍数为谐振点为谐振点的放大倍数。的放大倍数。3 3）选择性选择性 （1 1）矩形系数：）矩形系数：表示对接近信道干扰的抑制实力表示对接近信道干扰的抑制实力表示对某个干扰信号表示对某个干扰信号 fn fn的抑制实力，的抑制实力，用用dndn表示。表示。第3章 高频小信号放大器4 4）工作稳定性）工作稳定性 指在电源电压变更
5、或器件参数变更时，以上三指标的稳定指在电源电压变更或器件参数变更时，以上三指标的稳定程度。程度。一般的稳定现象是增益变更，中心频率偏移、通频带变窄等，一般的稳定现象是增益变更，中心频率偏移、通频带变窄等，不不 稳定状态的极端状况是放大器自激，以致使放大器完全不能稳定状态的极端状况是放大器自激，以致使放大器完全不能工作工作.为使放大器稳定工作，必需实行稳定措施，即限制每级增益，为使放大器稳定工作，必需实行稳定措施，即限制每级增益，选选 择内反馈小的晶体管择内反馈小的晶体管,应用中和或失配方法等。应用中和或失配方法等。5 5）噪声系数）噪声系数 在放大电路中噪声总是有害无益的，所以希望它是越小越好
6、，在放大电路中噪声总是有害无益的，所以希望它是越小越好，所所 以在设计电路时，除了接受低噪声管，还要正确的选择工作以在设计电路时，除了接受低噪声管，还要正确的选择工作点电点电 流流,假如是多级尽量使前两级放大器的噪声系数越小越好。假如是多级尽量使前两级放大器的噪声系数越小越好。这些方这些方 法都可以降低放大器的总的噪声系数。法都可以降低放大器的总的噪声系数。以上这些要求，相互之间即有联系又有冲突。增益和稳定性是一对以上这些要求，相互之间即有联系又有冲突。增益和稳定性是一对冲突，通频带和选择性是一对冲突。因此应依据须要确定主次，进行分冲突，通频带和选择性是一对冲突。因此应依据须要确定主次，进行分
7、析和探讨。析和探讨。放大器的噪声性能可用噪声系数表示放大器的噪声性能可用噪声系数表示 第3章 高频小信号放大器3.23.2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与参数3.2.03.2.0概述概述 单级谐振放大器电路由信号源、晶体管、并联振荡回路及单级谐振放大器电路由信号源、晶体管、并联振荡回路及负载并联组成。对于并联结构的电路接受导纳参数分析比较便负载并联组成。对于并联结构的电路接受导纳参数分析比较便利，因此在分析放大器电路时，将晶体管接受利，因此在分析放大器电路时，将晶体管接受y y参数形式的等效参数形式的等效电路来等效电路来等效 第3章 高频小信号放大器晶体管晶体管y y参
8、数形式等效电路参数形式等效电路晶体管共放射极电路晶体管共放射极电路晶体管共放射极电路晶体管共放射极电路参数等效电路参数等效电路参数等效电路参数等效电路将右图所示的晶体管电路看作二端口将右图所示的晶体管电路看作二端口有源线性网络，端口电压、电流如图有源线性网络，端口电压、电流如图所示，依据电路学问以输入输出电压所示，依据电路学问以输入输出电压为自变量，列输入输出电流方程如下为自变量，列输入输出电流方程如下称为输出短路时的输入导纳；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；称为输入短路时的反向传输导纳；称为输出短路时的正向传输导纳；称为输出短路时的正向传输导纳；称为输入短路时的输出导
9、纳。称为输入短路时的输出导纳。第3章 高频小信号放大器Y Y参数的特点：参数的特点：1.1.都是晶体管本身的参数，只与晶体管本身有关，与外电路无关都是晶体管本身的参数，只与晶体管本身有关，与外电路无关2.2.这些导纳参数当工作电压或工作频率不同时，可能是实数，也这些导纳参数当工作电压或工作频率不同时，可能是实数，也可能是复数可能是复数3.3.参数与工作点电流及工作频率有关，但对某一频率范围的信号参数与工作点电流及工作频率有关，但对某一频率范围的信号而言可近似为常数而言可近似为常数Y Y参数形式等效电路的优缺点：参数形式等效电路的优缺点：优点：电路计算便利优点：电路计算便利缺点：各参数随频率变更
10、，缺点：各参数随频率变更，物理含义不明显。物理含义不明显。参数等效电路参数等效电路参数等效电路参数等效电路第3章 高频小信号放大器3.2.23.2.2简洁放大器输入输出导纳及增益的计算简洁放大器输入输出导纳及增益的计算晶体管接入外电路就构成晶体管接入外电路就构成如图（如图（a a）所示放大器，其）所示放大器，其等效电路如图（等效电路如图（b b）所示）所示1.1.放大器增益放大器增益 第3章 高频小信号放大器2.2.放大器输入、输出导纳放大器输入、输出导纳放大器输入导纳与负载有关，输出导纳与信源导纳有关，说明放大器输入导纳与负载有关，输出导纳与信源导纳有关，说明晶体管内部有内反馈，它是由反向传
11、输导纳晶体管内部有内反馈，它是由反向传输导纳 所引起的所引起的第3章 高频小信号放大器晶体管混合晶体管混合 等效电路等效电路若把晶体管内部所发生的物理过程用若把晶体管内部所发生的物理过程用RLCRLC集中参数元件表示出来集中参数元件表示出来就是所谓的混合就是所谓的混合 等效电路，下图为某典型晶体管的混合等效电路，下图为某典型晶体管的混合 等效等效电路和元件数值电路和元件数值优点：优点：各个元件在很宽各个元件在很宽 的频率范围内都的频率范围内都 保持常数。保持常数。缺点：缺点：分析电路不够分析电路不够 便利。便利。第3章 高频小信号放大器晶体管混合晶体管混合 等效电路与等效电路与y y参数形式等
12、效电路的关系参数形式等效电路的关系共同点：都是晶体管的等效电路，一个是物理等效电路，一共同点：都是晶体管的等效电路，一个是物理等效电路，一 个是形式等效电路。个是形式等效电路。区分：电路结构不同，电路参数特点不同，适用的场合不区分：电路结构不同，电路参数特点不同，适用的场合不 同，如混合同，如混合 等效电路适合分析电路的频率特性，等效电路适合分析电路的频率特性，形式等效电路适合分析电路的性能指标形式等效电路适合分析电路的性能指标联系：把晶体管混合联系：把晶体管混合 等效电路看作二端口网络，然后根等效电路看作二端口网络，然后根 据据y y参数定义可求得用混合参数定义可求得用混合 等效电路参数表示
13、的等效电路参数表示的y y参数参数 通过计算发觉它们都是复数，为了计算便利，可表示通过计算发觉它们都是复数，为了计算便利，可表示 为为第3章 高频小信号放大器1.1.截止频率截止频率 ：12.2.特征频率特征频率 :晶体管的高频参数（表征晶体管的高频特性）晶体管的高频参数（表征晶体管的高频特性）依据依据由此式可以粗略计算在某工作频率由此式可以粗略计算在某工作频率 的电流放大系数。的电流放大系数。即即第3章 高频小信号放大器晶体管的功率增益晶体管的功率增益 时的最高振荡频率时的最高振荡频率 当当 后，共发接法的晶体管将不再有电流放大实力，但后，共发接法的晶体管将不再有电流放大实力，但 仍可能有电
14、压增益，所以功率增益还可能大于仍可能有电压增益，所以功率增益还可能大于1。3.3.最高振荡频率最高振荡频率当当 后，后，晶体管已经不能得到功率放大，晶体管晶体管已经不能得到功率放大，晶体管就不会产生振荡，因此该频率又叫最高振荡频率就不会产生振荡，因此该频率又叫最高振荡频率 频率参数之间的关系频率参数之间的关系4.4.电荷储存效应电荷储存效应晶体管晶体管PNPN结正向导电时，少数载流子积累的现象叫电荷储存效应结正向导电时，少数载流子积累的现象叫电荷储存效应晶体管从正向工作快速转向反向工作时会出现大的反向电流，从晶体管从正向工作快速转向反向工作时会出现大的反向电流，从而使得输出与输入电流之间出现相
15、差，致使电流放大系数下降，而使得输出与输入电流之间出现相差，致使电流放大系数下降，甚至使放大器不能正常工作甚至使放大器不能正常工作第3章 高频小信号放大器3.33.3单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器实际电路分析及其等效实际电路分析及其等效45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TL第3章 高频小信号放大器直流等效电路的简化规则：沟通输入信号为零；全部电容开直流等效电路的简化规则：沟通输入信号为零；全部电容开 路路;全部电感短路。全部电感短路。结论：结论：Rb1Rb1、Rb2Rb2、ReRe为偏置电阻，供应静态工作点；为偏置电阻，供应静态工作点；1.1.静态分析静态分析 Rb
16、1Rb2ReVCC45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TL第3章 高频小信号放大器1)1)沟通等效电路简化规则：有沟通输入信号；全部直流量为零；沟通等效电路简化规则：有沟通输入信号；全部直流量为零；全部大电容短路；全部大电感开路。（谐振回路全部大电容短路；全部大电感开路。（谐振回路L L、C C保留）保留）2.2.动态分析动态分析(a)(b)45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TL第3章 高频小信号放大器为了分析放大器的性能指标将晶体管为了分析放大器的性能指标将晶体管用其用其y y参数形式的等效电路来等效且只参数形式的等效电路来等效且只画出输出部分，放大器的负载
17、可认为画出输出部分，放大器的负载可认为下一级放大器的输入导纳下一级放大器的输入导纳,得到的等效得到的等效电路如（电路如（c c）所示）所示(b)(c)2)2)晶体管晶体管y y参数形式的放大器等效电路参数形式的放大器等效电路第3章 高频小信号放大器3 3）把晶体管集电极回路和负载折合到振荡回路两端）把晶体管集电极回路和负载折合到振荡回路两端(c)(d)第3章 高频小信号放大器电压增益电压增益依据电压增益的定义依据电压增益的定义(d)由图（由图（d d）可得）可得电路匹配时负载上可获得最大的电压增益和功率增益，若忽视电路匹配时负载上可获得最大的电压增益和功率增益，若忽视谐振回路损耗，即令谐振回路
18、损耗，即令 依据匹配条件依据匹配条件 ，再结合，再结合 可得可得 第3章 高频小信号放大器功率增益（谐振点）功率增益（谐振点）通频带与选择性通频带与选择性求增益带宽积求增益带宽积?可见带宽和增益为一对冲突可见带宽和增益为一对冲突第3章 高频小信号放大器级间耦合网络级间耦合网络级间耦合网络级间耦合网络作用：使前后级电路阻抗匹配，实现最大功率传输作用：使前后级电路阻抗匹配，实现最大功率传输作用：使前后级电路阻抗匹配，实现最大功率传输作用：使前后级电路阻抗匹配，实现最大功率传输第3章 高频小信号放大器1.1.工作不稳定的缘由工作不稳定的缘由3.63.6谐振放大器的稳定性与稳定措施谐振放大器的稳定性与
19、稳定措施谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性晶体管本本身的输入导纳晶体管本本身的输入导纳晶体管内反馈所引起的反馈输入导纳晶体管内反馈所引起的反馈输入导纳 由于晶体管反向传输导纳yre的存在，使得输出电压反作用到输入端，引起输入电流的变更。从而引起电路的不稳定，下面以放大器输入导纳Yi来分析反馈作用第3章 高频小信号放大器2.2.反馈导纳对输入电路的影响反馈导纳对输入电路的影响 对输入回路的影响：如图（b）所示使谐振曲线畸变，变更品质因数、通频带、选择性、增益等（a）（b）若反馈电导若反馈电导g gF F为负值，则会使为负值，则会使Q QL L增大，通频带减小，增益增大，电路出现正反馈，若增大，
20、通频带减小，增益增大，电路出现正反馈，若g gF F使使g gs s+g gieie+g gF F 0 0，则输出能量完全反馈到输入端，放大器就处于自，则输出能量完全反馈到输入端，放大器就处于自激工作状态，这对放大器来说是决不允许的。激工作状态，这对放大器来说是决不允许的。假如放大电路输入端也接有谐振回路假如放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的输出谐或前级放大器的输出谐振路振路)那么放大器输入端的等效电路如图（那么放大器输入端的等效电路如图（a a）所示）所示第3章 高频小信号放大器3.3.稳定性的判定准则稳定性的判定准则产生自激条件产生自激条件输入端输入端输出端输出端 设放大器输入输
21、出回路相同，即设放大器输入输出回路相同，即 将（将（2 2）（）（3 3）式）式 代入（代入（1 1）式得自激条件为）式得自激条件为(1)(2)(3)第3章 高频小信号放大器放大器的稳定系数定义为：放大器的稳定系数定义为：它表示远离自激振荡的程度，一般状况下，放大器的反向传输导纳 较小，S较大，当 足够大时，S才能趋近于1，满足自激振荡条件，所以S越大，越远离振荡条件，电路越稳定。若考虑实际工作时状况：若考虑实际工作时状况：则稳定系数则稳定系数S S可简化为：可简化为：第3章 高频小信号放大器4.4.增益与稳定性之间的关系：增益与稳定性之间的关系：当放大器输出端接受完全接入方式当放大器输出端接
22、受完全接入方式若令若令 则可得：则可得：结论：增益和稳定性为一对冲突结论：增益和稳定性为一对冲突当当称为稳定电压增益称为稳定电压增益留意：为保证放大器稳定工作，电压增益不允许超过留意：为保证放大器稳定工作，电压增益不允许超过第3章 高频小信号放大器提高电路稳定性的方法提高电路稳定性的方法如前所述，由于晶体管内存在如前所述，由于晶体管内存在yreyre的反馈，所以它是一个的反馈，所以它是一个“双向元件双向元件”。作为放大器工作时，。作为放大器工作时，yreyre的反馈作用可能引起放的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。将消退大器工作的不稳定。将消退yreyre的反馈，变的反馈，变“双向元件双向元
23、件”为为“单单向元件向元件”这个过程称为单向化。其方法有以下两种这个过程称为单向化。其方法有以下两种1.1.中和法中和法 在晶体管的输入输出之间引入在晶体管的输入输出之间引入一个附加的外反馈电路，以抵一个附加的外反馈电路，以抵 消晶体管内部的反馈作用，消晶体管内部的反馈作用，该方法理论简洁，但实际不行行，该方法理论简洁，但实际不行行，主要是因为主要是因为yreyre随频率发生变，随频率发生变，所以外电路参数很难确定。所以外电路参数很难确定。第3章 高频小信号放大器2.2.失配法失配法信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出阻抗不与信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出阻抗不与本级晶体
24、管的输出阻抗匹配，就可消退晶体管的内反馈作用本级晶体管的输出阻抗匹配，就可消退晶体管的内反馈作用例以输入阻抗为例，当例以输入阻抗为例，当典型电路：共发典型电路：共发-共基电路其沟通等效电路如下：共基电路其沟通等效电路如下：共基电路输入阻抗小输出阻抗大共基电路输入阻抗小输出阻抗大,所以所以V V1 1、V V2 2输出端都失配输出端都失配第3章 高频小信号放大器3.73.7放大器中的噪声放大器中的噪声 干干扰扰和和噪噪声声都都是是指指除除有有用用信信号号以以外外的的一一切切不不须须要要的的信信号号及及各各种种电电磁磁骚骚动动的的总总称称。其其中中干干扰扰通通常常指指系系统统外外部部所所引引入入的
25、的，噪声是指系统内部所产生的。噪声是指系统内部所产生的。3.7.1 3.7.1 放大器内部噪声的来源和特点放大器内部噪声的来源和特点一一.来源：是由电路中的电阻、谐振回路和有源器件内部所具有来源：是由电路中的电阻、谐振回路和有源器件内部所具有 的带电微粒无规则运动所产生。的带电微粒无规则运动所产生。二二.特点：它具有起伏噪声的性质，产生过程是一种随机过程，特点：它具有起伏噪声的性质，产生过程是一种随机过程，所以不能用确定的时间函数来描述它，但它遵循确定所以不能用确定的时间函数来描述它，但它遵循确定 的统计规律，所以可用其本身的概率分布特性来描述。的统计规律，所以可用其本身的概率分布特性来描述。
26、第3章 高频小信号放大器 若以若以S(f)dfS(f)df表示频率在表示频率在f f与与f+dff+df之间的平均之间的平均功率功率,则总的平均功率为则总的平均功率为三三.起伏噪声的表示：起伏噪声的表示：1.1.电压平均值：电压平均值：2.2.电压均方值：电压均方值：表示噪声的强度或在：表示噪声的强度或在1 1电阻上噪声功率的大小电阻上噪声功率的大小 3.3.噪声的功率谱：噪声的功率谱：S(f)S(f)称为噪声功率谱密度称为噪声功率谱密度,单位为单位为W/HZW/HZ理论和实践分析：起伏噪声在极理论和实践分析：起伏噪声在极宽的频带内具有匀整的功率谱密宽的频带内具有匀整的功率谱密度，又称白噪声。
27、度，又称白噪声。表示噪声的直流重量表示噪声的直流重量：表示噪声电压沟通重量的有效值：表示噪声电压沟通重量的有效值第3章 高频小信号放大器 3.7.2 3.7.2 电阻热噪声电阻热噪声 由热运动理论和实践证明由热运动理论和实践证明,电阻热噪声功率谱密度电阻热噪声功率谱密度波尔兹曼常数波尔兹曼常数k=1.3810-23J/K;Tk=1.3810-23J/K;T为电阻的确定温度值为电阻的确定温度值(K)(K)。由此可推出：由此可推出：电路的等效噪声带宽电路的等效噪声带宽噪声电压均方值：噪声电压均方值：噪声电流均方值：噪声电流均方值：等等效效结论：多个电阻串联或并联，依据结论：多个电阻串联或并联，依据
28、 噪声的独立性有如下结论：噪声的独立性有如下结论：第3章 高频小信号放大器3.8 3.8 电路噪声的表示和计算电路噪声的表示和计算3.8.1 3.8.1 噪声系数（适用于线性电路）噪声系数（适用于线性电路）1.1.定义：定义：2.2.用额定功率及额定增益表示噪声系数形式：用额定功率及额定增益表示噪声系数形式：输入端匹配时（输入端匹配时（）：额定输入信号功率：）：额定输入信号功率：额定输入噪声功率：额定输入噪声功率：输出端匹配时（输出端匹配时（）额定输出信号功率及噪声功率分别为）额定输出信号功率及噪声功率分别为 实际电路：实际电路：3.3.结论：结论：噪声系数与输入信号无关；与电路是否匹配无关噪
29、声系数与输入信号无关；与电路是否匹配无关第3章 高频小信号放大器4.4.多级放大器噪声系数的计算多级放大器噪声系数的计算例：求两级放大器噪声系数例：求两级放大器噪声系数第一级电路本身所产生的噪声第一级电路本身所产生的噪声其次级电路本身所产生的噪声其次级电路本身所产生的噪声第3章 高频小信号放大器3.8.4 3.8.4 灵敏度的计算灵敏度的计算3.8.5 3.8.5 减小噪声系数的措施减小噪声系数的措施当系统的输出信噪比当系统的输出信噪比 给定时，额定的输入信号功率给定时，额定的输入信号功率 称为系统的灵敏度，与之对应的电压称为最小可检测电压称为系统的灵敏度，与之对应的电压称为最小可检测电压 1 1.选用低噪声元件，如场效应管、精细结构的金属膜电阻等选用低噪声元件，如场效应管、精细结构的金属膜电阻等2.2.正确选择晶体管放大级的直流工作点。正确选择晶体管放大级的直流工作点。3.3.选择合适的信源内阻。选择合适的信源内阻。4 4.选择合适的工作带宽选择合适的工作带宽5.5.选用合适的放大电路，如共发选用合适的放大电路，如共发-共基稳定低噪声电路共基稳定低噪声电路6.6.降低电路的工作温度降低电路的工作温度