山東大學(xué)高頻電子線路[第三章高頻小信號(hào)放大器]山東大.doc

山東大學(xué) 期末考試 知識(shí)點(diǎn)復(fù)習(xí)第三章 高頻小信號(hào)放大器321 高頻小信號(hào)放大器的主要質(zhì)量指標(biāo)1)增益 輸出電壓(或功率)與輸入電壓(或功率)之比。2)通頻帶 通常以放大器的電壓增益下降為最大值的07倍所對(duì)應(yīng)的頻率范圍為通頻帶，以2f0.7表示，如圖321所示。有時(shí)也稱為3 dB帶寬。 3)選擇性 放大器從含有各種頻率的信號(hào)總和(有用的和有害的)中選出有用信號(hào)，排除有害(干擾)信號(hào)的能力，稱為放大器的選擇性。表示選擇性的指標(biāo)有：矩形系數(shù)和抑制比。圖322表示矩形系數(shù)Kr的定義為顯然，Kr越小越好，理想情況是Kr=1。 抑制比亦稱抗拒比，圖323表示抑制比的定義為 d=Av0/Av 放大器除了上述三個(gè)主要質(zhì)量指標(biāo)外，還有工作穩(wěn)定性、噪聲系數(shù)等，應(yīng)有一般了解。 322 晶體管高頻小信號(hào)等效電路與參數(shù) 1)形式等效電路(網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等效電路) 形式等效電路是將晶體管等效為有源線性四端網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點(diǎn)是通用，導(dǎo)出的表達(dá)式具有普遍意義，便于分析電路；缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與頻率有關(guān)。根據(jù)選用的自變量與參變量的不同，可以有不同的參數(shù)系：在低頻時(shí)，最常用h參數(shù)系；在高頻時(shí)，則用y參數(shù)系比較方便。 圖324所示為晶體管放大器及其y參數(shù)等效電路。在該等效電路圖(b)中，可列出電路方程：式中各y參數(shù)第二個(gè)腳標(biāo)e表示這是共發(fā)射極電路的參數(shù)；若為共基極或共集電極電路，則第二個(gè)腳標(biāo)即用b或c。因此輸入導(dǎo)納為上式說(shuō)明，輸入導(dǎo)納Yi與負(fù)載導(dǎo)納YL有關(guān)，這反映了晶體管有內(nèi)部反饋，而這個(gè)內(nèi)部反饋是由反向傳輸導(dǎo)納Yre所引起的。上式說(shuō)明，晶體管的正向傳輸導(dǎo)納)，yoe越大，則放大器的增益越大。 2)混合等效電路 圖325是晶體管的混合，等效電路。圖中參數(shù)數(shù)值舉例： gm=0/rbc=Ic (mA)26 (3212) 三個(gè)附加電容Cbe、Cbc和Cce表示晶體管引線和封裝等結(jié)構(gòu)所形成的電容，其值很小，在一般情況，可以忽略。 3)混合等效電路參數(shù)與形式等效電路y參數(shù)的轉(zhuǎn)換為了進(jìn)行兩種等效電路參數(shù)的互換，可將圖324(b)與圖325(略去Cbe、Cbc、Cce)重繪如圖326所示。則將式(3216)、(321 7)與式(323)、(324)相比較，并考慮到下列條件gmybc，ybeybc及gcegbc通常是滿足的，所以可得由上式可見，四個(gè)參數(shù)都是復(fù)數(shù)，為以后計(jì)算方便，可表示為式中g(shù)ie、goe分別稱為輸入、輸出電導(dǎo)；Cie、Coe分別稱為輸入、輸出電容。根據(jù)復(fù)數(shù)運(yùn)算，并令a=1+rbbgbe；b=Cberbb，由式(3218)至式(3221)可得4)晶體管的高頻參數(shù)截止頻率f特征頻率fT最高振蕩頻率fmax 323 單調(diào)諧回路諧振放大器 圖327(a)是原理性電路，圖(b)是它的形式等效電路，它是等效電流源與線性網(wǎng)絡(luò)的組合。 1)電壓增益 由式(3211)可得放大器的電壓增益為式中yoe=yo1=go1+jCo1為晶體管的輸出導(dǎo)納。 YL為晶體管在輸出端l、2兩點(diǎn)之間的等效負(fù)載。若令p1=N1/N，p2=N2/N，經(jīng)等效阻抗的轉(zhuǎn)換，在LC回路a、b兩端看來(lái)的總等效導(dǎo)納為 Y=p12(yoe+YL)式(3233)可寫成在諧振點(diǎn)=0時(shí)，Y=Gp，因此在阻抗匹配時(shí)，可得最大的電壓增益為2)功率增益原書中已證明，諧振時(shí)的功率增益為在匹配時(shí)，由式(3237)得在考慮諧振回路的損耗后，原書已證明，此時(shí)的插入損耗為此時(shí)的匹配最大功率增益為電壓增益則為3)通頻帶與選擇性單調(diào)諧回路諧振放大器的通頻帶為它的選擇性仍用矩形系數(shù)來(lái)表示。 321 4多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器 m級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的總增益是各級(jí)增益的乘積，即 Am=Av1Av2Avm (3245)當(dāng)各級(jí)完全相同時(shí)，則 Am=Av1m (3246)此時(shí)的諧振曲線由下式表示： 圖，328所示為多級(jí)放大器的諧振曲線。顯然，級(jí)數(shù)越多，選擇性越好，但通頻帶越窄。此時(shí)，m級(jí)放大器的通頻帶為它的矩形系數(shù)為325 雙調(diào)諧回路諧振放大器在諧振時(shí)，=0，得根據(jù)值的不同，也可有：弱耦合，臨界耦合與強(qiáng)耦合三種情況。三種情況的曲線如圖3210所示。下面是在三種情況下，雙調(diào)諧回路放大器的諧振曲線表示式為：弱耦合1時(shí)有強(qiáng)耦合1時(shí)有臨界耦合=1時(shí)有這是較常用的情況。因此，很容易求出臨界耦合時(shí)的通頻帶由式(3243)知，單調(diào)諧放大器的通頻帶是f0/QL。與式(3255)對(duì)比可見，在回路有載品質(zhì)因數(shù)QL相同的情況下，臨界耦合雙調(diào)諧回路放大器的通頻帶等于單調(diào)諧回路放大器通頻帶的倍，而且選擇性也優(yōu)于單調(diào)諧回路諧振放大器。 326 諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施 以上討論的放大器都是假定放大器工作于穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出對(duì)輸入沒有影響，也即)yre=0。但實(shí)際上，晶體管具有反向傳輸導(dǎo)納)，yre因而有反饋?zhàn)饔?。由?326)已知，此時(shí)的輸入導(dǎo)納為式中：第一部分yie是輸出端短路時(shí)，晶體管(共發(fā)連接時(shí))本身的輸入導(dǎo)納；第二部分YF是通過yre的反饋引起的輸入導(dǎo)納，它反映了負(fù)載導(dǎo)納YL的影響。如果放大器輸入端也接有諧振回路(或前級(jí)放大器的輸出諧振回路)，那么輸入導(dǎo)納Yi并聯(lián)在放大器輸入端回路后如圖3211所示。當(dāng)沒有反饋導(dǎo)納YF時(shí)，輸入端回路是調(diào)諧的。yie中電納部分bie的作用，已包括在L或C中；而yie中電導(dǎo)部分gie以及信號(hào)源內(nèi)電導(dǎo)gs作用則是使回路有一定的等效品質(zhì)因數(shù)QL值。由于YF的在，就改變了輸入端回路的正常工作情況。 回到圖3211，這時(shí)總導(dǎo)納為Ys+Yi。當(dāng)總導(dǎo)納 Ys+Yi=0 (3257)時(shí)，表示放大器反饋的能量抵消了回路損耗的能量，且電納部分也恰好抵消。這時(shí)放大器產(chǎn)生自激。所以，放大器產(chǎn)生自激的條件是 為了使放大器穩(wěn)定工作，必須使它遠(yuǎn)離自激條件。對(duì)式(3258)進(jìn)行一系列推導(dǎo)后(見原書36節(jié))，得出作為判斷諧振放大器工作穩(wěn)定性的依據(jù)，S稱為諧振放大器的穩(wěn)定系數(shù)。若S=1，放大器將自激，只有當(dāng)S1時(shí)，放大器才能穩(wěn)定工作，一般要求穩(wěn)定系數(shù)S510。同時(shí)原書還證明，放大器穩(wěn)定工作的增益為 失配法的典型電路是共射一共基級(jí)聯(lián)放大器，其交流等效電路如圖3212所示。圖中由兩個(gè)晶體管組成級(jí)聯(lián)電路，前一級(jí)是共射電路，后一級(jí)是共基電路。由于共基電路的特點(diǎn)是輸入阻抗很低(亦即輸入導(dǎo)納很大)和輸出阻抗很高(亦即輸出導(dǎo)納很小)，當(dāng)它和共射電路連接時(shí)，相當(dāng)于共射放大器的負(fù)載導(dǎo)納很大。根據(jù)前一小節(jié)討論已知，在YL很大(yoeYL)時(shí)，Yiyie，即晶體管內(nèi)部反饋的影響相應(yīng)減弱，甚至可以不考慮內(nèi)部反饋的影響，因此，放大器的穩(wěn)定性就得到提高。所以共射一共基級(jí)聯(lián)放大器的穩(wěn)定性比一般共射放大器的穩(wěn)定性高得多。共射級(jí)在負(fù)載導(dǎo)納很大的情況下，雖然電壓增益很小，但電流增益仍較大，而共基級(jí)雖然電流增益接近1，但電壓增益卻較大，因此級(jí)聯(lián)后功率增益較大。 下面對(duì)共射一共基級(jí)聯(lián)放大器進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量分析。 分析的方法是把兩個(gè)級(jí)聯(lián)晶體管看成一個(gè)復(fù)合管，如圖3213所示。這個(gè)復(fù)合管的y參數(shù)由兩個(gè)晶體管的電壓、電流和y參數(shù)決定。如兩個(gè)級(jí)聯(lián)晶體管是同一型號(hào)的，它們的y參數(shù)可認(rèn)為是相同的。我們只要知道這個(gè)復(fù)合管的等效y參數(shù)，就可以把這類放大器看成是一般的共射級(jí)放大器?？梢宰C明，復(fù)合管的等效導(dǎo)納參數(shù)為式中，yi、yr、yf、yo分別代表復(fù)合管的四個(gè)y參數(shù)，有 y=yie+yre+yfe+yoe y=yieyoe-yreyfe 在一般的工作頻率范圍內(nèi)，下列條件是成立的，即 yieyre；yfeyie；yfeyoe；yfeyre因此 yyfe 由此可見，輸入導(dǎo)納yi和正向傳輸導(dǎo)納yf大致與單管情況相等，而反向傳輸導(dǎo)納(反饋導(dǎo)納)yr遠(yuǎn)小于單管情況的反饋導(dǎo)納)yre(yr約為yre的三十分之一)。這說(shuō)明級(jí)聯(lián)放大器的工作穩(wěn)定性大大提高。其次，復(fù)合管的輸出導(dǎo)納yo也只是單管輸出導(dǎo)納yoe的幾分之一。這說(shuō)明級(jí)聯(lián)放大器的輸出端可以直接和阻抗較高的調(diào)諧回路相匹配，不再需要抽頭接入。 另外，由于yf基本上和單管情況的yfe相等，因此，用諧振回路的這類放大器的增益計(jì)算方法也和單管共發(fā)電路的增益計(jì)算方法相同。 失配法的優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中無(wú)需調(diào)整，因此非常方便，適用于大量生產(chǎn)。并且這種方法除能防止放大器自激外，對(duì)電路中某些參數(shù)的變化(如yoe)還可起改善作用。兩管組成的級(jí)聯(lián)放大電路與單管共發(fā)放大器的總增益近似相等。此外，共射一共基電路的另一主要優(yōu)點(diǎn)是噪聲系數(shù)小。這是由于共發(fā)射極的輸入阻抗高，可以保證輸入端有較大的電壓傳輸系數(shù)，這對(duì)于提高信噪比有利。而且共射一共基電路工作穩(wěn)定，可以允許有較高的功率增益，更有利于抑制后面各級(jí)的噪聲。因此，共射一共基電路已成為典型的低噪聲電路。327場(chǎng)效應(yīng)管高頻小信號(hào)放大器 1)共源放大器圖3214為場(chǎng)效應(yīng)管y參數(shù)(共源)等效電路。圖中虛線框內(nèi)為管子本身的等效電路。 和Ys分別為信號(hào)源和信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)納；YL為負(fù)載導(dǎo)納；yis和yfs分別為管子本身輸出端短路時(shí)的輸入導(dǎo)納和正向傳輸導(dǎo)納；yrs和yos分別為管子本身輸入端短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納。 圖3215表示場(chǎng)效應(yīng)管共源電路的模擬等效電路。圖中Cgd表示柵漏極之間的電容；Cds、gds表示漏源極之間的電容和電導(dǎo)；gfs、表示柵源電壓經(jīng)放大后的漏源等效電流源。 由圖3214和圖3215求得場(chǎng)效應(yīng)管共源電路的y參數(shù)與管子參數(shù)(模擬參數(shù))之間的關(guān)系為 與單回路晶體管共發(fā)射極放大器相同，在yrs=0的情況下(單向化后)，單回路場(chǎng)效應(yīng)管共源放大器的電壓增益為在諧振時(shí)，電壓增益為通常gdsGL，所以式中，RL為負(fù)載電阻。 圖3216表示場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大器電路。L1C1為輸入回路，L2C3為輸出回路，分別調(diào)諧于信號(hào)頻率。場(chǎng)效應(yīng)管共源電路的輸入、輸出阻抗都很高，對(duì)回路的影響可以忽略，因此回路不需抽頭接入。R1和C2組成自給偏壓電路，供給需要的直流偏壓。R2和C4組成去耦電路，消除高頻通過公共電源的反饋。C5、C6為耦合電容，分別與后級(jí)和前級(jí)耦合。當(dāng)頻率低時(shí)，該電路尚能正常工作。但由于場(chǎng)效應(yīng)管的yrs=-jCgd不能忽略，因此可能產(chǎn)生自激。這時(shí)須采用與晶體管諧振放大器相同的中和電路。2)共柵放大器可以證明，場(chǎng)效應(yīng)管共柵電路的y參數(shù)為 與共源電路的)，參數(shù)相比較可見，共柵電路的輸入導(dǎo)納yig很大(即輸入阻抗很小，約1001 000 )，反向傳輸導(dǎo)納yrg較小(gds較小，CdsCgd)。因此，共柵電路的反饋小，電路穩(wěn)定性高。正向傳輸導(dǎo)納yfg和輸出導(dǎo)納yog與共源電路相近。 類似于共射-共基級(jí)聯(lián)電路，將上述兩種電路級(jí)聯(lián)，也可以組成共源一共柵級(jí)聯(lián)電路。 328放大器中的噪聲 1)噪聲的表示方法 起伏噪聲的平均值表示為起伏噪聲的均方值表示為 a)非周期噪聲的頻譜對(duì)于一個(gè)脈沖寬度為，振幅為1的單位脈沖，如圖3217(a)所示，可求得其振幅頻譜密度為式(3282)表示的F()與頻率f的關(guān)系曲線如圖3217(b)所示，它的第一個(gè)零值點(diǎn)在1/處。由于電阻和電子器件噪聲所產(chǎn)生的單個(gè)脈沖寬度極小，在整個(gè)無(wú)線電頻率f范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于信號(hào)周期T，T=1/f，因此f=/Tl，這時(shí)sinff，式(3282)變?yōu)?F() (3283) 式(3283)表明，單個(gè)噪聲脈沖電壓的振幅頻譜密度F()在整個(gè)無(wú)線電頻率范圍內(nèi)，可看成是均等的。 b)起伏噪聲的功率譜 式(3281)可寫成可以表示噪聲功率。對(duì)于起伏噪聲來(lái)說(shuō)，當(dāng)時(shí)間無(wú)限增長(zhǎng)時(shí)，平均功率P趨近一個(gè)常數(shù)，且等于起伏噪聲電壓的均方值。亦即若以S(f)df表示頻率在f與f+df之間的平均功率，則總的平均功率為因此最后得 起伏噪聲的頻譜在極寬的頻帶內(nèi)，具有均勻的功率譜密度，如圖3218所示。因此起伏噪聲也稱為“白噪聲”。2)噪聲的來(lái)源a)電阻熱噪聲電阻熱噪聲的功率譜密度為 S(f)=4kTR (3287)如上所述，由于功率譜密度表示單位頻帶內(nèi)的噪聲電壓均方值，故噪聲電壓或表示為噪聲電流的均方值以上各式中，k為玻耳茲曼常數(shù)(Boltzmann constant)，等于13810-23JK； T為電阻的絕對(duì)溫度，單位為K； fn為圖3218所示的帶寬或電路的等效噪聲帶寬，單位為Hz； R(或G)為fn內(nèi)的電阻(或電導(dǎo))值，單位為(或S)。 因此，噪聲電壓的有效值為注意，純電抗是不會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓的。b)天線熱噪聲在熱平衡狀態(tài)下，天線熱噪聲電壓為式中，RA為天線輻射電阻，TA為天線等效噪聲溫度。 若天線無(wú)方向性，且處于絕對(duì)溫度為T的無(wú)界限均勻介質(zhì)中，則TA=T，因而 c)晶體管噪聲 晶體管的噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和1f噪聲。其中熱噪聲與散粒噪聲為白噪聲，其余為有色噪聲。 d)場(chǎng)效應(yīng)管噪聲 有由電荷不規(guī)則起伏所引起的噪聲、熱噪聲、閃爍(或稱1/f)噪聲等。 329噪聲的表示和計(jì)算方法 1)噪聲系數(shù) 在電路某一指定點(diǎn)處的信號(hào)功率Ps與噪聲功率Pn之比，稱為信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱信噪比，以PsPn(或SN)表示。放大器噪聲系數(shù)Fn是指放大器輸入端信號(hào)噪聲比PsiPni與輸出端信號(hào)噪聲比PsoPno的比值，有用分貝數(shù)表示：式(3292)也可寫成另一種形式：式中，Ap=PsoPsi為放大器的功率增益。 PniAp表示信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生的噪聲通過放大器放大后在輸出端所產(chǎn)生的噪聲功率，用Pno I表示。則式(3294)可寫成 Fn=PnoPno I (3295)上式表明，噪聲系數(shù)Fn僅與輸出端的兩個(gè)噪聲功率Pno、Pno I有關(guān)，而與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)。 實(shí)際上，放大器的輸出噪聲功率Pno是由兩部分組成的：一部分是Pno I=PniAp；另一部分是放大器本身(內(nèi)部)產(chǎn)生的噪聲在輸出端上呈現(xiàn)的噪聲功率Pno，即 Pno=PnoI+Pno 所以，噪聲系數(shù)又可寫成實(shí)際上，放大器本身總是要產(chǎn)生噪聲的，即Pno0，因此Fn1。Fn越大，表示放大器產(chǎn)生的噪聲越大。 也可用額定功率和額定功率增益的關(guān)系來(lái)定義噪聲系數(shù)。為此，先引入額定功率的概念。額定功率是指信號(hào)源所能輸出的最大功率。參閱圖3219，為了使信號(hào)源有最大輸出功率，必須使放大器的輸入電阻Ri與信號(hào)源內(nèi)阻Rs相匹配，亦即應(yīng)使Rs=Ri。因而額定輸入信號(hào)功率為額定輸入噪聲功率為 下面介紹額定功率增益的概念。 額定功率增益是指放大器(或線性四端網(wǎng)絡(luò))的輸入端和輸出端分別匹配時(shí)(Rs=Ri、Ro=RL)的功率增益，即與額定功率的概念相同，放大器不匹配時(shí)，仍然存在額定功率增益。因此，噪聲系數(shù)Fn也可定義為將式(3296)與式(3297)代入式(3298)，可得 式(32100)與式(32101)是假定放大器的輸出端和輸入端分別匹配時(shí)，計(jì)算噪聲系數(shù)的公式。但即使不匹配，以上二式仍是成立的。說(shuō)明如下： 不匹配時(shí)，額定功率P與實(shí)際功率P之間存在如下的關(guān)系： P=Pq (32102)式中，q稱為失配系數(shù)，其意義是：由于電路失配，q1，因而使實(shí)際功率小于額定功率。對(duì)放大器來(lái)說(shuō)，如輸入端與輸出端的失配系數(shù)分別為qi和qo，則噪聲系數(shù)Fn可寫成與式(32100)相同。 2)噪聲溫度表示放大器(四端網(wǎng)絡(luò))內(nèi)部噪聲的另一種方法是將內(nèi)部噪聲折算到輸入端，放大器本身則被認(rèn)為是沒有噪聲的理想器件。若折算到輸入端后的額定輸此處，Ti稱為噪聲溫度。用Ti表示噪聲比用噪聲系數(shù)表示噪聲更為精確。 3)多級(jí)放大器的噪聲系數(shù) 設(shè)有二級(jí)級(jí)聯(lián)放大器，如圖3220所示，每級(jí)的通頻帶為fn。 如前所述，第一級(jí)額定輸入噪聲功率(由信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生)為kTfn參看式(3298)。由式(32101)可見，第一級(jí)額定輸出噪聲功率為 顯然，第一級(jí)額定輸出噪聲功率Pno1是由兩部分組成：一部分是經(jīng)放大后的信號(hào)源噪聲功率kTfnApH1；另一部分是第一級(jí)放大器本身產(chǎn)生的輸出噪聲功率Pn1。因此 同理，第二級(jí)放大器額定輸出噪聲功率Pno2也由兩部分組成：一部分是第一級(jí)放大器輸出的額定輸出噪聲功率Pno1經(jīng)第二級(jí)放大后的輸出部分，等于Pno1ApH2；另一部分是第二級(jí)放大器本身附加輸出的噪聲功率Pn2。而Pn2可用與求Pn1同樣的方法求得。但應(yīng)注意，必須將二級(jí)放大器斷開，將信號(hào)源(包括內(nèi)阻)直接接到第二級(jí)的輸入端，因?yàn)镻n2是第二級(jí)放大器本身產(chǎn)生的輸出噪