第2章高频电子线路精选文档.ppt

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1、第第2章高频电子线路章高频电子线路本讲稿第一页，共四十五页 2.2.3 晶体管最高振荡频率晶体管最高振荡频率fmax 2.2.4 放大器的通频带放大器的通频带 2.2.5 放大器的选择性放大器的选择性2.3 多级单调谐放大器的级联多级单调谐放大器的级联 2.3.1 多级放大器的电压放大倍数和通频带多级放大器的电压放大倍数和通频带 2.3.2 多级放大器的矩形系数多级放大器的矩形系数本讲稿第二页，共四十五页2.1 2.1 晶体管的频率参数和高频等效电路晶体管的频率参数和高频等效电路 高频小信号放大器可放大中心频率为几百千赫兹到几高频小信号放大器可放大中心频率为几百千赫兹到几百兆赫兹百兆赫兹,频带

2、为几千赫兹到几千兆赫兹频带为几千赫兹到几千兆赫兹,几百毫伏以下的输几百毫伏以下的输入信号入信号,它具有选频和放大功能。高频小信号放大器包括高它具有选频和放大功能。高频小信号放大器包括高频小信号调谐放大器和选频滤波式高频小信号放大器。频小信号调谐放大器和选频滤波式高频小信号放大器。本讲稿第三页，共四十五页 下图下图 画出了晶体管共射极混合画出了晶体管共射极混合等效电路。根据器等效电路。根据器件材料和工艺不同，图中等效元件的参数也不一样。对于件材料和工艺不同，图中等效元件的参数也不一样。对于高频管而言：高频管而言：2.1.12.1.1 2.1.1 晶体管的混合晶体管的混合等效电路等效电路本讲稿第四

3、页，共四十五页混合混合等效电路等效电路本讲稿第五页，共四十五页 其中，其中，表示晶体管放大作用的等效电流源。其中表示晶体管放大作用的等效电流源。其中Gm为晶体管微变跨导，它也是发射极为晶体管微变跨导，它也是发射极 的函数。的函数。2.1.2 rce反映了集电极电压反映了集电极电压 对电流对电流 的影响。在放大状态的影响。在放大状态工作时这个影响很微弱工作时这个影响很微弱,rce值很大，一般在几十千欧以上。值很大，一般在几十千欧以上。三个附加电容三个附加电容Cbe，Cbc，Cce属引线和封装结构所形成属引线和封装结构所形成的电容，数量很小，其影响一般可以忽略。的电容，数量很小，其影响一般可以忽略

4、。频率较高时，频率较高时，Cbe的容抗较小，可它并联的电阻的容抗较小，可它并联的电阻rbc较较大，相比之下大，相比之下rbc可以忽略。简化后的等效电路可以忽略。简化后的等效电路如图所示如图所示。本讲稿第六页，共四十五页混合混合等效电路的简化等效电路的简化本讲稿第七页，共四十五页2.1.2 2.1.2 晶体管的频率参数晶体管的频率参数 1.短路电流放大系数短路电流放大系数 和和 截止频率截止频率f 如图所示如图所示：即即 时，时，Cbe，bc和和rbe三者并联。因此三者并联。因此 2.1.3本讲稿第八页，共四十五页 式中式中 是低频时的电流放大系数。是低频时的电流放大系数。截止频率截止频率f的定

5、义：当的定义：当 的频率，即的频率，即2.1.4 2.1.5 将式将式2.1.4代入式代入式2.1.3得得2.1.6解上述方程得：解上述方程得：本讲稿第九页，共四十五页 2.特征频率特征频率fT 晶体管的放大性能有时还用特征频率晶体管的放大性能有时还用特征频率fT表示。特征频率表示。特征频率是是=1时的频率。根据定义时的频率。根据定义:解之得解之得:当当0远远大于远远大于1时时2.1.72.1.82.1.9本讲稿第十页，共四十五页若工作频率若工作频率 时时,则则可用下式近似计算。可用下式近似计算。由于由于 ，代入上式得：，代入上式得：上式说明，在上式说明，在f f的区域，工作频率每增加一倍，的

6、区域，工作频率每增加一倍，减少一减少一半（下降半（下降6dB），故此区域称为每倍频程下降），故此区域称为每倍频程下降6dB工作区。工作区。2.1.112.1.10本讲稿第十一页，共四十五页根据根据 和和 的关系式的关系式:3.截止频率截止频率f及其与及其与f和和fT的关系的关系 当晶体管用作共基极联接时，其输出端交流短路的电流当晶体管用作共基极联接时，其输出端交流短路的电流放大倍数放大倍数 也是随频率提高而降低的也是随频率提高而降低的,当当下降到下降到 时，所时，所对应的频率称为对应的频率称为 截止频率。由于共基极短路电流放大系数截止频率。由于共基极短路电流放大系数 的近似表示式为的近似表示式

7、为:2.1.13 2.1.12本讲稿第十二页，共四十五页用近似公式用近似公式 代入得代入得 可以求出可以求出 截止频率截止频率f与与截止频率截止频率f的关系的关系:2.1.162.1.152.1.14 故故f，fT，f三个频率的关系是三个频率的关系是:ffTYbc，gmYbc，gceYbc，则对应的，则对应的Y参数为参数为:2.1.242.1.232.1.222.1.21本讲稿第二十页，共四十五页由上述各式可知，由上述各式可知，Y参数是工作频率的函数，当工作频率不同时，参数是工作频率的函数，当工作频率不同时，即使是同一晶体管，其即使是同一晶体管，其Y参数也是不一样的。当工作频率比较低，电容参数

8、也是不一样的。当工作频率比较低，电容效应的影响可以不考虑时，晶体管的效应的影响可以不考虑时，晶体管的Y参数才可以认为近似不变。由式参数才可以认为近似不变。由式2.1.212.1.24,若忽略若忽略Y参数的虚部参数的虚部,则可得到低频工作的则可得到低频工作的Y参数值。参数值。2.1.25 2.1.28 2.1.272.1.26本讲稿第二十一页，共四十五页2.2 2.2 单级调谐放大器单级调谐放大器单级单谐振放大器是由晶体管和并联谐振回路组成的。单级单谐振放大器是由晶体管和并联谐振回路组成的。图图2.2-1是一个典型的单回路谐振放大器组成的三级级联放大是一个典型的单回路谐振放大器组成的三级级联放大

9、电路。各级的形式相同，因此只分析其中一级的特性，其后电路。各级的形式相同，因此只分析其中一级的特性，其后利用级联的方法研究其多级总特性。利用级联的方法研究其多级总特性。自本级基极开始到下一级基极输入端的电路作为一级放自本级基极开始到下一级基极输入端的电路作为一级放大电路，前一级设为信号源大电路，前一级设为信号源,用电流源用电流源 和输出导纳和输出导纳Ys表示表示,后级作为本级的负载，用输入导纳后级作为本级的负载，用输入导纳Yie表示。表示。图图2.2-2是一是一个单级谐振放大器的高频特性电路，图中忽略了个单级谐振放大器的高频特性电路，图中忽略了Yre的影响的影响.其中其中 。下面分析该放大器的

10、主要技术指标。下面分析该放大器的主要技术指标。本讲稿第二十二页，共四十五页图图2.2-1 多级单调谐放大器的部分电路多级单调谐放大器的部分电路本讲稿第二十三页，共四十五页图图2.2-2 单调谐放大器的等效电路单调谐放大器的等效电路本讲稿第二十四页，共四十五页2.2.12.2.1电压放大倍数电压放大倍数根据电压放大倍数定义：根据电压放大倍数定义：2.2.1 为求为求 ，先求，先求 ，设由发射极，设由发射极e和集电极和集电极c两端向右看的两端向右看的导纳为导纳为YL/，则，则2.2.2于是通过集电极电流于是通过集电极电流 为为2.2.3本讲稿第二十五页，共四十五页2.2.42.2.5于是于是2.2

11、.6本讲稿第二十六页，共四十五页令令2.2.7式式2.2.7化为化为2.2.8式中，式中，f0谐振频率谐振频率,f频偏频偏,QL有载有载Q值。值。2.2.92.2.102.2.11本讲稿第二十七页，共四十五页当当f=f0(f=0)时时,2.2.12 上式说明上式说明,谐振时谐振时 与回路总电导与回路总电导g成反比，与晶体管成反比，与晶体管正向传输导纳正向传输导纳Yfe成正比。成正比。|Yfe|越大，越大，|越大。负号表示输越大。负号表示输出电压与输入电压有出电压与输入电压有180的相位差的相位差.此外，此外，Yfe本身是一个复本身是一个复数数,也有一个相角也有一个相角fe 因此因此 与与 的相

12、位差应为的相位差应为fe-180。只有频率较低时只有频率较低时fe=0,与与 相位差为相位差为-180。本讲稿第二十八页，共四十五页功率放大倍数功率放大倍数Ap对于小信号谐振放大器本身并无重要对于小信号谐振放大器本身并无重要意义，但是通过功率放大倍数的推导意义，但是通过功率放大倍数的推导,可以获得晶体管可以获得晶体管最高最高振荡频率振荡频率和和最大电压放大倍数最大电压放大倍数的概念。的概念。当当放大器输入和输出电路均处于调谐状态放大器输入和输出电路均处于调谐状态时时,图图2.2-2所所示电路的输入功率示电路的输入功率Pi和输出功率和输出功率Po可改写成可改写成:则则2.2.132.2.2 2.

13、2.2 功率放大倍数功率放大倍数Ap本讲稿第二十九页，共四十五页用式用式2.2.12代入得代入得:2.2.14 在理想情况下，回路本身并无电抗电路，即在理想情况下，回路本身并无电抗电路，即gp=0,且输且输出端处于匹配状态。则出端处于匹配状态。则2.2.15 此时放大器有最大功率放大倍数此时放大器有最大功率放大倍数Apm。2.2.16本讲稿第三十页，共四十五页上式说明小信号放大器的最大功率增益只与晶体管本上式说明小信号放大器的最大功率增益只与晶体管本身的参数身的参数Yfe，goe，gie有关，而与回路元件无关。为了用晶有关，而与回路元件无关。为了用晶体管内部的物理参数表示最大功率放大倍数，现将

14、体管内部的物理参数表示最大功率放大倍数，现将Y参数化参数化为等效为等效参数的形式，并设参数的形式，并设f f，即，即Cbe gbe，Cbe 1/rbb ，Cbc gbc，则，则：式中式中2.2.17本讲稿第三十一页，共四十五页2.2.182.2.19将式将式2.2.17-2.2.19代入式代入式2.2.16得得:2.2.20本讲稿第三十二页，共四十五页上式表明，晶体管的最大功率增益与晶体管的阻容乘上式表明，晶体管的最大功率增益与晶体管的阻容乘积积rbbCbeCbc成反比，与跨导成反比，与跨导gm成正比，且随着工作频成正比，且随着工作频率率f的提高而显著下降（在的提高而显著下降（在f f的情况下

15、）。的情况下）。2.2.3 2.2.3 晶体管最高振荡频率晶体管最高振荡频率f fmaxmax 定义定义:当当Apm=1时对应的频率为晶体管最高工作频率。时对应的频率为晶体管最高工作频率。解此方程得：解此方程得：2.2.23 故故fmax也只与晶体管本身的参量也只与晶体管本身的参量rbbCbcCbe和和gm有关，而与放大器有关，而与放大器电路形式无关，为使晶体管具有更高的工作频率，应选用电路形式无关，为使晶体管具有更高的工作频率，应选用rbbCbeCbc乘积小而乘积小而gm大的管子。大的管子。本讲稿第三十三页，共四十五页如已知如已知fmax可得（在可得（在ff范围内范围内)而电压放大倍数而电压

16、放大倍数2.2.242.2.252.2.4 2.2.4 放大器的通频带放大器的通频带 放大器的谐振曲线放大器的谐振曲线:放大器放大器Au/Auo随频率随频率f变化而变化的变化而变化的曲线曲线。根据上述定义得。根据上述定义得:2.2.26本讲稿第三十四页，共四十五页习惯上习惯上,以以Au/Auo下降到下降到 时的频率作为放大器的通频时的频率作为放大器的通频带的界限，用符号带的界限，用符号B表示。于是表示。于是2.2.272.2.28本讲稿第三十五页，共四十五页当当p1=p2=1时时,则则2.2.29 上式说明，上式说明，当晶体管选定后，当晶体管选定后，(即即Yfe已经确定已经确定),放大器的放大

17、器的谐振电压放大倍数谐振电压放大倍数Auo只与回路总电容只与回路总电容C和通频带和通频带B的乘积的乘积有关，若有关，若C越大，越大，B越宽，则越宽，则 越小。越小。(问题，对于一个复数问题，对于一个复数,是否有大小之分是否有大小之分?)式式2.2.29也可以写成也可以写成2.2.30 当当|Yfe|和和C为定值时，为定值时，AuoB为常数，这是放大器一个很为常数，这是放大器一个很重要的概念。它说明，通频带重要的概念。它说明，通频带B越宽，则放大器的放大倍数越宽，则放大器的放大倍数本讲稿第三十六页，共四十五页越小。反之亦然。这个矛盾在设计宽频带放大器时特别突越小。反之亦然。这个矛盾在设计宽频带放

18、大器时特别突出。要想得到高的增益，又保证足够的带宽，除了选用出。要想得到高的增益，又保证足够的带宽，除了选用|Yfe|较大的晶体管外，应尽量减小谐振回路的总电容量较大的晶体管外，应尽量减小谐振回路的总电容量C，选，选用用Cie，Coe小的晶体管或减小回路的外接电容小的晶体管或减小回路的外接电容C。f0.71f0f本讲稿第三十七页，共四十五页2.2.5 2.2.5 放大器的选择性放大器的选择性 放大器的选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数放大器的选择性的优劣可用放大器谐振曲线的矩形系数Kr0.1表示。即。表示。即。根据前面的推导可得根据前面的推导可得上式表明，上式表明，但调谐放大器的矩形系数

19、远大于但调谐放大器的矩形系数远大于1，也就是，也就是说，它的谐振曲线和矩形相差甚远，选择性差，这是但调说，它的谐振曲线和矩形相差甚远，选择性差，这是但调谐放大器的一大缺点。谐放大器的一大缺点。本讲稿第三十八页，共四十五页2.3 2.3 多级单调谐放大器的级联多级单调谐放大器的级联当单级放大器的增益不能满足要求时当单级放大器的增益不能满足要求时,即可采取多级放即可采取多级放大器。大器。其中每一级都调谐在同一个频率上，故多级级联单其中每一级都调谐在同一个频率上，故多级级联单调谐放大器也称为同步谐振放大器。调谐放大器也称为同步谐振放大器。本讲稿第三十九页，共四十五页2.3.1 2.3.1 多级放大器

20、的电压放大倍数和通频带多级放大器的电压放大倍数和通频带总增益总增益 An=Au1Au2Au3Aun 2.3.1 若各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成若各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成,则则2.3.2 谐振时电压放大倍数为谐振时电压放大倍数为Ano,则则2.3.3 它的归一化谐振曲线为它的归一化谐振曲线为2.3.4本讲稿第四十页，共四十五页令令f0.7代表代表An/An0=0.707时的频率偏移时的频率偏移,即有即有 解上式得解上式得2.3.5 因为因为n是大于是大于1的正整数的正整数,故故 必小于必小于1。所以。所以 称为缩小系数。具体数值见表称为缩小系数。具体数值见表2.3.1

21、所示。所示。表表2.3.1 多谐调谐放大器缩小系数与级数的关系多谐调谐放大器缩小系数与级数的关系级数n123456781.00.640.510.430.390.35 0.320.3本讲稿第四十一页，共四十五页从上述分析可知，从上述分析可知，通频带越宽，每级的增益就越小，通频带越宽，每级的增益就越小，对于单级谐振放大器来说，增益和通频带的矛盾是一个严对于单级谐振放大器来说，增益和通频带的矛盾是一个严重问题，特别是对高增益宽频带的放大器来说，这个问题重问题，特别是对高增益宽频带的放大器来说，这个问题更为突出。更为突出。后面将讨论的参差调谐放大器就是为了解决这后面将讨论的参差调谐放大器就是为了解决这

22、个矛盾而提出的。个矛盾而提出的。2.3.2 2.3.2 多级放大器的矩形系数多级放大器的矩形系数 按矩形系数的定义，当按矩形系数的定义，当f=f0.1时时,An/Ano=0.1,可得可得于是于是本讲稿第四十二页，共四十五页表表2.3.2列出了列出了Kr0.1与与n的关系的关系表表2.3.2 单调谐放大器矩形系数与级数关系单调谐放大器矩形系数与级数关系 从表上可以看出，当级数从表上可以看出，当级数n增加时增加时,矩形系数有所改善，矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的，级数越多，但这种改善是有限度的，级数越多，Kr0.1变化越缓慢。即当变化越缓慢。即当n趋于无穷时趋于无穷时,Kr0.1也只有也只

23、有2.56。和理想的矩形还有很大距。和理想的矩形还有很大距离。离。级数n12345678910Kr0.19.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56本讲稿第四十三页，共四十五页本本 章章 小小 节节 1.在分析高频小信号谐振放大器时在分析高频小信号谐振放大器时Y参数等效电路是描参数等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型，使用时必须注意述晶体管工作状况的重要模型，使用时必须注意Y参数不仅参数不仅与静态工作有关，而且是工作频率的函数。与静态工作有关，而且是工作频率的函数。在分析小信号在分析小信号宽频带放大器时，混合宽频带放大器时，混合等效电路是描述晶体管

24、工作状况等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型，混合的重要模型，混合型参数同样与静态工作点有关。型参数同样与静态工作点有关。本讲稿第四十四页，共四十五页 2.单管单调谐放大电路是谐振放大器的基本电路。单管单调谐放大电路是谐振放大器的基本电路。为为了增大回路的有载了增大回路的有载Q值，提高电压增益，减少对回路谐振值，提高电压增益，减少对回路谐振频率特性的影响，谐振回路与信号源和负载的连接大都采频率特性的影响，谐振回路与信号源和负载的连接大都采用部分接入方式，即采用用部分接入方式，即采用LC分压式阻抗变换电路。分压式阻抗变换电路。3.集中选频放大器由集中滤波器和集成宽带放大器组集中选频放大器由集中滤波器和集成宽带放大器组成，其性能指标优于分立元件组成的多级谐振放大器，且成，其性能指标优于分立元件组成的多级谐振放大器，且调试简单。调试简单。展宽放大器工作的主要方法有组合法与反馈展宽放大器工作的主要方法有组合法与反馈法。法。本讲稿第四十五页，共四十五页