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1、第四章 高频小信号放大器1.基本内容 高频小信号放大器主要用于放大高频小信号，属于窄带放大器。由于采用谐振回路作负 载，解决了放大倍数、通频带宽、阻抗匹配等问题，高频小信号放大器又称为小信号谐振放 大器。就放大过程而言，电路中的晶体管工作在小信号放大区域中，非线性失真很小。一方 面可以对窄带信号实现不失真放大，另一方面滤除带外信号，有选频作用。因此，从原理上 深刻理解谐振负载的选频和阻抗变换作用，对于掌握本章内容是非常重要的。为了便于以后学习，对电子器件非线性工作特性及LC谐振网络等有关知识作扼要的补 充说明。2.基本要求（1）充分了解高频小信号放大器的工作原理及特点。（2）掌握高频小信号放大
2、器的电路组成、晶体管工作的内部物理机理、高频参数、高频 等效电路、参数等效电路。（3）掌握高频小信号放大器放大倍数、输入阻抗、输出阻抗计算公式的推导与使用。（4）理解高频小信号放大器的内部反馈及稳定工作条件,掌握消除内部反馈的原理与基 本方法。（5）掌握高频小信号放大器阻抗匹配、接入系数的概念与基本计算方法。4.1 概述4.1.1 高频小信号放大器的功能 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频 小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放 大后输出信号的频谱是相同的。4.1.2 高频小信号放大器的
3、分类1按元器件分：晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器；2按通频带分：窄带放大器、宽带放大器；3按电路形式分：单级放大器、多级放大器；4按负载性质分为：谐振放大器、非谐振放大器。4.1.3 高频小信号放大器的主要性能指标1电压增益与功率增益 电压增益等于放大器输出电压与输入电压之比；而功率增益等于放大器输出给负载的功率与输入功率 之比。2频带宽度 放大器的电压增益下降到最大值的 倍时所对应的频带宽度，常用2f0.7来表示。3矩形系数 矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。其定义为:Kr0.1=2f0.12f0.7（41）式中，2f0.7为放大器的通频带；2f0.1为放大器的电压增益
4、下降至最大值的0.1 倍时 所对应的频带宽度。4工作稳定性 工作稳定性指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等发生可能变化时，放大 器主要性能的稳定程度。5噪声系数 噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。4.2分析小信号放大器的有关知识4.2.1 串并联谐振回路的特性表41 串并联回路的特性4.2.2 串并联阻抗的等效互换 图41由图41的等效互换电路可知(42)得：(43)定义品质因数为 代入上式得 若回路品质因数较高，由式（43）可得(44)(45)可得：高Q串联电路转换为并联电路后，R2为串联电路r1的Q2倍，而X2与串联电路X1相同，基本保持不变。4.2.3 并联谐振
5、回路的耦合联结与接入系数 并连谐振回路作为放大器的负载时，其连接的方式直接影响放大器的性能。一般来看因 为晶体管的输出阻抗低，直接接入是不适用的，会降低谐振回路的品质因数Q。通常，多采 用部分接入方式，以完成阻抗变换。定义：接入系数p 为转换前的圈数（或容抗）与转换后的圈数（或容抗）的比值。由此 定义我们分别可得：1 变压器耦合联接的变比关系图42 变压器耦合联接的变换 根据功率关系，故(46)根据变压器的电压变换关系，即，可得(47)2自耦变压器耦合联接的变比关系 图43自耦变压器耦合联接的变换 图43是自耦变压器耦合联接形式，其变比关系的分析与变压器耦合相同。同理可得(48)3双电容分压耦
6、合联结的变比关系 图44 双电容分压耦合联结的变换 其变比关系可以应用串并联等效互换的关系求得，首先将Rl与C2组成的并联支路等 效为串联支路。其中X不变，电阻RLS为再将RLS、C1、C2组成的串联支路等效为并联支路。而电阻 又因为 所以(49)上面以电阻RL的等效变换推导了各种联结形式的变比关系。可以得到电阻转换通式为(410)为了以后分析电路时运用方便，可将上述变化关系推广到电导、电抗、电流和电压源的 等效变比关系上去，可得(411)利用式(411)可以很方便地进行各种变换，这对我们以后分析电路是非常有用的。4.3 高频小信号等效电晶体管路 晶体管在高频线性运用时，晶体管的内部参数将随工
7、作频率而变化。因而必须讨论晶体 管的高频等效电路。等效方法是：把晶体管看作四端（两端口）网络，四个参量、中两个作自变量，另两个作为参变量的函数。在本课程所讨论的频率范围内，用 的最多的是y参数等效电路和混合等效电路。4.3.1y参数等效电路 以 和 为自变量，则有：（412）（413）其中，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；称为输出短路时的正向传输导纳；称为输入短路时的输出导纳。由此可得晶体管及其y参数等效电路如图45所示。图45 晶体管y参数等效电路4.3.2 混合等效电路 混合等效电路如图46。高频电子线路对应的频率范围的混合等效电路中,是发射结电阻。当工作于放大 状
8、态时，发射结处于正向偏置，所以 数值很小，可表示为。由于集电结处于反向偏置，的数值很大。表示晶体管放大作用的等效电流源，而，表示晶体管的放大能力，称为跨导，单位为S。图46 晶体管混合等效电路 因为 的值在所讨论的频率范围内比 的容抗大得多，对等效电路进行简化时 可忽略。在分析小信号谐振放大器时，采用y 参数等效电路等效晶体管。但y参数是随工作频 率变化的，而混合 等效电路用集中参数元件用RC表示，物理过程明显，在分析电路原理 时用的较多。4.3.3 高频参数 图47 晶体管高频参数特性1截止频率f是晶体管发射极电流放大系数，截止频率f的定义是：当|下降到低频电流放大系数0的 倍时，所对应的频
9、率称为截止频率f。由图(47)可知，由于 很小，流过的电流很小，可近似认为可得（414）在工作频率很低时，和 的影响可以忽略，对应的=0。所以。代 入式（414）式，可得（415）考虑到f的定义，令 则（416）取模得（417）由式（417）我们可以得出 低频时，=o 当ff时，仍有电流放大作用。2截止频率f=(1+o)f3特征频率fT特征频率fT的定义是，当|=1时所对应的工作频率。令则（418）若01时又得（419）即特征频率=直流短路电流放大倍数f 无电流放大作用，但仍有功率放大 fT是 和uce的函数，即，fT；uce，fT。当ff时，且01，可推得|=fT/f4最高振荡频率fmax晶
10、体管的功率增益Ap=1时所对应的频率称为最高振荡频率fmax。可以证明得到（420）fmax表示晶体管的最高极限频率。通常，为使电路工作稳定，且有一定的功率增益，晶体管 的实际工作频率约为最高振荡频率的1/3至1/4。以上三个频率大小的顺序是fmax最高；fT次之；f最低。4.4 晶体管谐振放大器4.4.1 单调谐谐振回路放大器 单调谐谐振回路放大器的组成如图48所示。图48单调谐谐振回路放大器 直流偏置由R1、R2、Re来实现，Cb、Ce为高频旁路电容。其y参数等效电路如图49所示。1输入导纳由(421)(422)图49单级调谐放大器高频等效电路 又(423)可得放大器的输入导纳Yi为(42
11、4)2输出导纳 由式(421)、式(422)及 可得，放大器的输出导纳o为(425)可以看出，由于yre的存在，使得放大器的输出导纳Yo不仅与晶体管的输出导纳有关，而且还与放大器的输入端的信号源内导纳Ys有关。也就是说，Ys的变化会引起放大器输出导纳Yo变化。4.4.2 放大器的技术指标1电压增益 根据定义，由图410得 从等效关系可知 则(426)图410 单调谐放大器简化等效电路 放大器谐振时，对应的谐振频率为，则(427)电压增益用其模表示2谐振曲线 放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。(428)由式（428）可得 通常讨论的f与f0相差不大，则(429)式中
12、，称为失谐。令，称为广义失谐。代入式(429)得(430)取模得(431)图411是谐振特性的两种表示形式:图411放大器的谐振特性3放大器的通频带 通频带的定义是 时所对应的 为放大器的通频带。根据定义 得则故(432)4放大器的矩形系数 矩形系数 其中，是 时所对应的频带宽度，即 故根据矩形系数的定义得(433)可以看出，单调谐回路放大器选择性差。4.4.3多级单调谐回路谐振放大器1多级单调谐回路谐振放大器的电压增益 假如，放大器有m级，各级电压增益分别为，则总电压增益为：(434)2多级单调谐回路谐振放大器的谐振曲线m级相同的放大器级联时，它的谐振曲线等于各单级谐振曲线的乘积。即(435
13、)3多级单调谐回路谐振放大器的通频带m级相同的放大器级联时，根据总通频带的定义，令(436)得(437)4多级单调谐回路谐振放大器的矩形系数 根据矩形系数的定义令则得(438)可知，级数越多，矩形系数越小。4.5 小信号谐振放大器的稳定性4.5.1 谐振放大器不稳定的原因 前面分析电路曾假定晶体管的yre=0。在实际运用中，晶体管存在着反向传输导纳yre，放大器的输出电压可通过晶体管的yre反向作用到输入端，引起输入电流的变化，可能引起 放大器产生自激等不良后果。由图412可见，输入导纳Yi为=ie+F其中，YF=gF+jbF为反馈导纳。负载导纳影响输入导纳。值得注意的是，YF是频率的函 数，
14、在某些频率上，gF有可能为负值，会使放大器自激；bF使回路失谐，中心频率偏移。图412 输入等效电路4.5.2 放大器的稳定系数及稳定增益1放大器的稳定系数 下图是调谐放大器的等效电路。当信号源提供输入电压后，通过晶体管得到而 通过yre反馈到输入端得图413调谐放大器等效电路 如果反馈电压Ui在相位和幅度上与Ui相同，这就意味着放大器要产生自激振荡。将Ui与Ui的比值定义为稳定系数，即(439)S越大，放大器越稳定；S=1为维持自激振荡的条件。由于，Ys是信号源的内导纳，它是有前级放大器的谐振回路等效而得，即(440)式中，用幅值与相角表示(441)其中，同理，输出回路也可用相同形式表示，即
15、(442)其中，通常，放大器的输入回路和输出回路相同，即，则(443)根据相位相同的条件，可得 代入得(444)2单级调谐放大器的稳定增益 所谓稳定增益，是指晶体管不加任何稳定措施，而满足稳定系数 S 要求时，放大器工 作于谐振频率的最大电压增益。从图49所示等效电路可求得放大器的电压增益。设各级放 大器的参数相同，且晶体管接入系数为p1，下级负载接入为p2，则单级电压增益为由于各级参数相同，从输出电压Uo处向放大器输出端看，可认为其等效导纳为，故可得 于是 则当回路谐振时，谐振电压为 故稳定电压增益为(445)4.5.3 提高谐振放大器稳定性的措施 由于yre的反馈作用，晶体管是一个双向器件
16、。消除晶体管的反馈作用的过程称为单向 化，目的是提高放大器的稳定性。单向化的方法有中和法和失配法。1中和法 所谓中和，是在晶体管放大器的输出与输入之间引入一个外部反馈电路，以抵消晶体管 内部yre的反馈作用。图414 具有中和电路的放大器 应该注意的是，完全中和很难达到。因晶体管的yre是随频率变化的。2失配法 失配是指信号源内阻不与晶体管的输入阻抗匹配，晶体管输出端的负载不与本级晶体管 的输出阻抗匹配。失配法的实质是降低放大器的电压增益，以满足稳定的要求。可以选用合适的接入系p1、p2或在谐振回路两端并联阻尼电阻来降低电压增益。在实际运用中，较多采用共射共基级联放大器，其等效电路如图415。
17、图415共射共基级联放大器 从图415中可以看出，输入回路与晶体管采用部分接入，而输出回路与晶体管直接接入，这是由于共基晶体管输出电阻很大。4.6 双栅场效应管高频放大器 场效应管具有输入阻抗高、动态范围大、噪声小、线性好、抗辐射能力强等优点，在分 立元件的高频放大器中,有取代晶体管的趋势。特别是双栅场效应管高频放大器在彩色电视 机的高频调谐器、无线车载接收机和无线电话接收机中得到了较为广泛的应用。4.6.1 结型场效应管高频放大器 如图416 所示是共源共栅高频放大器。具有电压增益较高、工作稳定、高频特性 好、动态范围大、噪声小、线性好等特点，在通信系统的高频放大中应用较为广泛。图416 共
18、源共栅高频放大器4.6.2 双栅场效应管高频放大器 图417 双栅场效应管高频放大器 双栅场效应管也称为双栅MOS管。它是一个管子中有两个控制栅极。从结构上来看，可以认为是两个单栅场效应管的串联组成。从特性上来看，由于第二栅极g2具有一定的屏 蔽作用，使得漏极与第一栅极之间的反馈电容变得很小。图417所示是彩色电视机高频调 谐器中的具有自动增益控制作用的双栅场效应管高频放大器。从结构上来看可认为是共源共栅放大器的形式。值得注意的是当改变双栅场效应管的第 二栅g2的电压时，可以改变场效应管正向传输特性曲线的斜率，从而改变高频放大器的增 益。4.7 线性宽带放大集成电路与几种滤波器4.7.1 线性宽带放大器利用负反馈的集成宽频放大器 特点：两级放大；可接成电流并联负反馈，可控制反馈强弱；可改变放大倍数。图418 8FZ1宽频带放大器4.7.2 共射-共基宽频带放大器1电路如图419。2特点：采用共射共基电路，反馈小，工作稳定；常用于350MHZ 以上电路。图419 ER4803宽频带放大器4.7.3 几种滤波器1作用：与宽带放大器配套使用。2类型：多节LC石英晶体滤波器 陶瓷滤波器 声表面波滤波器