第3章-高頻小信號放大器

高頻電子線路第三章3.1概述諧振放大器就是采用諧振回路作為負(fù)載的放大器，不僅有放大的作用還有濾波選頻的作用。主要指標(biāo)有：1.增益：放大器輸出電壓或功率與輸入電壓或功率之比，稱為放大器的增益或放大倍數(shù)。用Av或Ap表示。有時(shí)候用分貝表示。電壓增益用分貝表示時(shí)，定義為：當(dāng)Av>1時(shí)，Gv>0，當(dāng)Av＝1時(shí)，Gv＝0當(dāng)Av<1時(shí)，Gv<02.通頻帶：放大器的電壓增益下降到最大值的0.7倍時(shí)對應(yīng)的頻率范圍，仍然用2Δf0.7表示。也稱為3db帶寬。矩形系數(shù)：抑制比：放大器對干擾的抑制能力，也可以用分貝表示。4.工作穩(wěn)定性5.噪聲系數(shù)3.選擇性：從各種不同頻率信號中選出有用信號，排除有害信號的能力。矩形系數(shù)和抑制比。

混合π型等效電路是從模擬晶體管的物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，用集中參數(shù)元件r，C和受控源表示晶體管內(nèi)的復(fù)雜關(guān)系。這種等效電路稱為物理模擬等效電路。它的優(yōu)點(diǎn)是,各元件參數(shù)物理意義明確，在較寬的頻帶內(nèi)這些元件值基本上與頻率無關(guān)。缺點(diǎn)是，隨著器件不同有不少的差別，分析和測量不便。因此，混合π型等效電路比較適合寬頻帶放大器。

Y參數(shù)等效電路是從測量和使用的角度出發(fā)，把晶體管看作一個(gè)有源線性四端網(wǎng)絡(luò)，用一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來構(gòu)成其等效電路，這種等效電路稱為形式等效電路。3.2晶體管高頻小信號等效電路與參數(shù)

它的優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)出的表達(dá)式具有普遍意義，分析和測量方便；缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與頻率有關(guān)。但由于高頻小信號諧振放大器的頻帶較窄，一般只需在工作頻率f0上進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。故分析高頻小信號諧振放大器時(shí)采用Y參數(shù)等效電路是合適的。be+-ce+-共發(fā)射極電路晶體管的y參數(shù)等效電路+-+-輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納這些參數(shù)只與晶體管的特性有關(guān)而與外電路無關(guān)，稱為內(nèi)參數(shù)。據(jù)此可將電路畫成如下形式。be+-ce+-（1）（2）（3）由（2）和（3）可得電壓增益晶體管的正向傳輸導(dǎo)納越大，放大器的增益越大，若yfe，yoe和YL均為實(shí)數(shù)，那么V2和V1相位相差180°輸入導(dǎo)納輸出導(dǎo)納輸入導(dǎo)納Yi與負(fù)載導(dǎo)納YL有關(guān)，輸出導(dǎo)納Yo與信號導(dǎo)納Ys有關(guān)，反映了晶體管存在內(nèi)部反饋，這個(gè)內(nèi)部反饋是由yre引起的。晶體管高頻參數(shù)截止頻率fβ：共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)β隨著工作頻率的上升而下降，當(dāng)β下降至低頻值β0的時(shí)的頻率稱為截止頻率。特征頻率fT：當(dāng)頻率增高，使得放大系數(shù)|β|下降至1時(shí)的頻率稱為特征頻率。特征頻率和工作頻率f的關(guān)系fT=f|β|最高振蕩頻率fmax：晶體管能適用的最高極限頻率。此時(shí)已得不到功放。通常工作與fmax的1/3~1/4。

fβ<fT<fmax晶體管抽頭回路負(fù)載3.3單調(diào)調(diào)諧回路諧振放大器L2可以看作在N2處抽的頭，把抽頭電路變回并聯(lián)回路，首先要保證諧振特性不變，因此：阻抗要變回原來的阻抗則：LC回路兩端看的總等效導(dǎo)納為：LC回路兩端電壓增益可以寫成：實(shí)際電壓增益為：諧振時(shí)電抗為0，則電壓增益為：一般情況下，Gp很小：通過調(diào)整p1、p2，使得：匹配時(shí)的電壓增益功率增益假設(shè)負(fù)載為下一級晶體管，輸入電導(dǎo)為輸入功率輸出功率選用兩個(gè)一樣的晶體管則匹配時(shí)最大功率增益輸出功率無載品質(zhì)因數(shù)有載Q值則考慮插入損耗時(shí)，電壓增益與匹配時(shí)最大增益比功率增益與匹配時(shí)最大功率增益比值為電壓增益和功率增益可分別寫為高頻小信號放大器在滿足足夠增益的條件下，還應(yīng)保證噪聲系數(shù)較小。采用共發(fā)射極電路最大功率增益與最小噪聲系數(shù)可以近似地同時(shí)滿足。通頻帶與選擇性相對電壓增益的模為當(dāng)電壓增益下降為最大電壓增益的時(shí)，得到通頻帶放大器的對電壓增益為回路中損耗電導(dǎo)可以表示為：晶體管選定后，接入系數(shù)不變時(shí)，放大器的諧振電壓增益只與回路總電容和通頻帶有關(guān)。電容越大，通頻帶越寬，增益就越小。為了獲得較大的增益，可以選擇yfe較大的晶體管，也可盡量減小回路總電容。然而電容過小會造成諧振不穩(wěn)定，因此在通頻帶較寬時(shí)，可以減小電容提高增益，當(dāng)通頻帶較窄時(shí)，為了保證穩(wěn)定性，可以適當(dāng)加大電容。由相對電壓增益公式可得，對應(yīng)頻率范圍相對電壓增益為0.1時(shí)矩形系數(shù)單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于1，諧振曲線和矩形相差較遠(yuǎn)，這是單調(diào)諧回路的缺點(diǎn)。單調(diào)諧回路放大器的矩形系數(shù)比1大很多，反映在頻率特性上即幅頻特性曲線與理想矩形相差甚遠(yuǎn)，所以其頻道選擇性差，這是單調(diào)諧回路放大器的缺點(diǎn)。因此要采用多級放大器。

級聯(lián)后的放大器，其增益、通頻帶和選擇性都將發(fā)生變化。多級單調(diào)諧回路諧振放大器假如放大器有m級，各級電壓增益分別為則總增益是各級增益的乘積，即如果各級放大器由完全相同的單級放大器組成，則多級單調(diào)諧回路諧振放大器（電壓增益）對于多級放大器的級聯(lián)增益，其具體構(gòu)成關(guān)系為：同理，可以得到多級放大器的功率增益關(guān)系。多級單調(diào)諧回路諧振放大器（電壓增益續(xù)完）m級相同放大器級聯(lián)時(shí)，其歸一化諧振特性曲線可表示為：它等于各單級諧振曲線的乘積，因此存在1）級數(shù)越多，諧振曲線越尖銳；2）選擇性變好，但通頻帶變窄。多級單調(diào)諧回路諧振放大器（通頻帶）多級放大器的諧振曲線多級單調(diào)諧回路諧振放大器（通頻帶）m級相同放大器級聯(lián)同樣滿足的關(guān)系，因此m級相同放大器的通頻帶為多級單調(diào)諧回路諧振放大器（通頻帶續(xù)）m級相同放大器級聯(lián)時(shí)，總的通頻帶比單級放大器的通頻帶縮小，級數(shù)越多，m越大，總的通頻帶越小。如果要求m級總的通頻帶等于原單級的通頻帶，則每級的通頻帶要相應(yīng)地加寬，即必須降低每級回路的QL。多級單調(diào)諧回路諧振放大器（通頻帶續(xù)完）被稱為衰減因子m級單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)為：多級單調(diào)諧回路諧振放大器（矩形系數(shù)）m12345678910

Kr0.19.954.83.753.43.23.13.02.942.922.92.56當(dāng)級數(shù)增加時(shí)，放大器的矩形系數(shù)確實(shí)有所改善，但是改善的程度是有限的。單調(diào)諧放大器的選擇性較差，增益與通頻帶的矛盾突出。前情提要為了獲得較大的增益，可以選擇yfe較大的晶體管，也可盡量減小回路總電容。然而電容過小會造成諧振不穩(wěn)定，因此在通頻帶較寬時(shí)，可以減小電容提高增益，當(dāng)通頻帶較窄時(shí)，為了保證穩(wěn)定性，可以適當(dāng)加大電容。類型單調(diào)諧回路多級回路電壓增益通頻帶矩形系數(shù)級數(shù)越多，諧振曲線矩形系數(shù)越好，但是通頻帶也變窄雙調(diào)諧回路諧振放大器具有頻帶較寬、選擇性較好的優(yōu)點(diǎn)。雙調(diào)諧回路諧振放大器

雙調(diào)諧回路諧振放大器等效電路：

雙調(diào)諧回路放大器等效電路雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）雙調(diào)諧回路諧振放大器等效電路：雙調(diào)諧回路放大器簡化的并聯(lián)等效電路雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）初次級回路均調(diào)諧到同一中心頻率，并假設(shè)兩個(gè)回路元件參數(shù)都相同。并使得，此時(shí)，回路的電壓增益為電路諧振時(shí)，有：雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）根據(jù)

的不同，諧振電壓增益可以分為三種情況：1）弱耦合，諧振曲線在出現(xiàn)峰值，2）臨界耦合，諧振曲線比較平坦，在處出現(xiàn)最大值，雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）3）強(qiáng)耦合,諧振曲線出現(xiàn)雙峰，兩個(gè)峰點(diǎn)的位置：此時(shí)，電壓增益為：雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）aff0h

<1h

=1h

>1不應(yīng)小于21雙調(diào)諧回路諧振放大器的諧振曲線表示式為：弱耦合（即）時(shí)強(qiáng)耦合（即）時(shí)，雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）雙調(diào)諧回路諧振放大器的諧振曲線表示式為：臨界耦合（即）時(shí)雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）雙調(diào)諧回路諧振放大器的臨界耦合通頻帶：令在回路有載品質(zhì)因數(shù)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。雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）雙調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)：令則雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)）雙調(diào)諧回路諧振放大器的矩形系數(shù)：小于單調(diào)諧回路的矩形系數(shù)雙調(diào)諧回路諧振放大器（續(xù)完）當(dāng)時(shí)，對m級放大器而言：通頻帶為矩形系數(shù)為多級雙調(diào)諧回路諧振放大器類型單調(diào)諧回路多級回路電壓增益通頻帶矩形系數(shù)雙調(diào)諧回路小信號放大器的工作穩(wěn)定性是重要的質(zhì)量指標(biāo)之一。從上面的分析可以看出，由于晶體管存在反向傳輸導(dǎo)納，因此輸出電壓會反作用到輸入端形成反饋。這種內(nèi)部反饋可以引起放大器工作不穩(wěn)定。本節(jié)討論分析不穩(wěn)定的原因，并提出提高放大器穩(wěn)定性的措施。諧振放大器的穩(wěn)定性與穩(wěn)定措施由于晶體管存在反向傳輸導(dǎo)納，因此輸出電壓會反作用到輸入端形成反饋，引起電流變化。的反饋?zhàn)饔每梢詮谋硎痉糯笃鬏斎雽?dǎo)納的式中看出。是通過的反饋引起的輸入導(dǎo)納，反映了負(fù)載導(dǎo)納的影響。諧振放大器的穩(wěn)定性的存在改變了輸入端回路的正常情況。可以寫為：與與有關(guān)外，還是頻率的函數(shù)。諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）反饋電導(dǎo)隨頻率變化的關(guān)系曲線

的存在改變了輸入端回路的電導(dǎo)和電納。改變了回路的品質(zhì)因數(shù)QL值；引起了回路的失諧；他們都影響回路的增益、通頻帶和選擇性；引起諧振曲線發(fā)生畸變。諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）

在某些頻率上呈現(xiàn)負(fù)值，即呈負(fù)電導(dǎo)性，因此使回路總電導(dǎo)減小，因此有載品質(zhì)因數(shù)

增加，通頻帶減小，增益也因損耗的減小而增加。這可以理解為負(fù)電導(dǎo)供給電路能量，出現(xiàn)正反饋。如果反饋到輸入端回路的電導(dǎo)負(fù)值抵消了回路原有的電導(dǎo)正值，則輸入端回路總電導(dǎo)為零，反饋能量抵消了回路損耗的能量，放大器處于自激振蕩工作狀態(tài)。諧振放大器的穩(wěn)定性（自激原因）A0f0f

有內(nèi)反饋

無內(nèi)反饋諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）

反饋導(dǎo)納對放大器諧振曲線的影響自激振蕩狀態(tài)：即使的負(fù)值還沒有完全抵消的正值，但放大器已經(jīng)傾向于自激，此時(shí)其工作已經(jīng)不穩(wěn)定。因此必須克服或降低晶體管內(nèi)部反饋的影響，使放大器遠(yuǎn)離自激。諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）放大器產(chǎn)生自激的條件：因此：諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）推導(dǎo)放大器穩(wěn)定的條件：諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）當(dāng)放大器輸入、輸出回路相同時(shí)，有：諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）放大器穩(wěn)定必須分別滿足幅值和相位兩個(gè)條件：上面的式子說明：只有足夠大時(shí)，式左邊部分才可能小于1，滿足自激的幅值條件。諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）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。S>>1時(shí)，放大器能穩(wěn)定工作。一般要求穩(wěn)定系數(shù)S5~10。工作頻率遠(yuǎn)低于晶體管特征頻率時(shí)，自激相位條件為：簡化的穩(wěn)定性依據(jù)：諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）放大器的增益為：當(dāng)兩電路采用全接入，則有：諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)）當(dāng)時(shí)，電路的穩(wěn)定電壓增益為：諧振放大器的穩(wěn)定性（續(xù)完）討論如何消除的反饋，這個(gè)過程稱為單向化。有兩種方法：中和法、失配法。1.失配法如果把負(fù)載導(dǎo)納YL取得足夠大，滿足，則輸入導(dǎo)納，可基本消除反饋導(dǎo)納YF的不利影響。但YL的增大，將使電壓放大倍數(shù)減小。因此，失配法實(shí)質(zhì)上是利用降低單級放大器的增益來換取工作穩(wěn)定的。諧振放大器的穩(wěn)定性（單向化）失配法用于共射-共基級級聯(lián)放大器（等效為共射）級聯(lián)后，放大器的穩(wěn)定性提高；放大器的功率增益較大。原因：a、級聯(lián)的b、級聯(lián)的輸出導(dǎo)納是單管的幾分之一。c、級聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)：噪聲系數(shù)小調(diào)諧回路諧振放大器（應(yīng)用）2.中和法中和法是在放大器的輸出與輸入端之間外加反饋網(wǎng)絡(luò)，通過其外部反饋來中和(抵消)晶體管的內(nèi)部反饋，實(shí)現(xiàn)信號單向傳輸。由于晶體管反向傳輸導(dǎo)納yre中的電導(dǎo)分量很小，即忽略rbb′時(shí)，，因此只需一個(gè)反饋電容即可抵消Cb′c的內(nèi)反饋影響，達(dá)到中和的目的。通常用CN表示為外接的中和電容。諧振放大器的穩(wěn)定性（單向化）中和法電路原理圖諧振放大器的穩(wěn)定性（單向化）3.4放大器中的噪聲干擾和噪聲的分類：干擾一般指外部干擾，分為自然干擾和人為干擾；噪聲一般指內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲的來源：放大器內(nèi)部元件具有的帶電微粒無規(guī)則運(yùn)動所產(chǎn)生。遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。描述參數(shù)：平均值、均方值、頻譜或者功率譜電阻熱噪聲熱噪聲電壓是一個(gè)隨機(jī)量，其幅度和極性是隨時(shí)間無規(guī)則變化的，故不能用一確定的時(shí)間函數(shù)來表示。但它遵循某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以用概率特性及其功率譜密度函數(shù)來充分描述。電阻熱噪聲主要有以下特性：(1)在一個(gè)較長的觀測時(shí)間內(nèi)，熱噪聲電壓的平均值為零，即熱噪聲電壓正是無規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化。熱噪聲電壓的均方值

電阻熱噪聲（續(xù)）(2)電阻熱噪聲具有極寬的頻譜，其包含的頻率分量從零頻開始，直到很高的頻率。雖然熱噪聲電壓的振幅頻譜無法確定，但功率頻譜是完全確定的。理論和實(shí)踐證明，在單位頻帶(1Hz)內(nèi)，電阻R兩端的噪聲功率譜密度為電阻熱噪聲的功率譜示意圖

電阻熱噪聲(3)盡管電阻熱噪聲的頻譜很寬，但實(shí)際測試(接收)系統(tǒng)的通頻帶有限，當(dāng)電阻接入系統(tǒng)時(shí)，將對電阻熱噪聲進(jìn)行濾波，只有位于通頻帶內(nèi)的那一部分噪聲功率才能對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。假設(shè)測試系統(tǒng)的通頻帶是寬度為，幅度為1的理想矩形，這時(shí)對系統(tǒng)而言，電阻熱噪聲電壓的均方值為而熱噪聲電壓的有效值為電阻熱噪聲（續(xù)）

電阻器的熱噪聲等效電路(a)熱噪聲電壓源；(b)熱噪聲電流源電阻熱噪聲（續(xù)）由于電阻熱噪聲為一隨機(jī)量，不同電阻產(chǎn)生的熱噪聲電壓(電流)是彼此獨(dú)立、互不相關(guān)的，因此，當(dāng)電阻串、并聯(lián)后，其總噪聲應(yīng)按均方值疊加的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。例如，在相同溫度下，電阻R1和R2串聯(lián)后，其總噪聲電壓的均方值應(yīng)為

即兩個(gè)串聯(lián)電阻的總噪聲電壓均方值等于串聯(lián)等效電阻R=R1+R2產(chǎn)生的噪聲電壓均方值，電阻熱噪聲（續(xù)）有源器件噪聲晶體管的噪聲電阻熱噪聲在晶體管中，載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動會產(chǎn)生熱噪聲。其主要來源是基區(qū)體電阻rbb′，相比之下，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的熱噪聲很小，一般可以忽略不計(jì)。

2.散粒噪聲晶體管外加偏壓時(shí)，由于載流子越過PN結(jié)的速度不同，使得單位時(shí)間內(nèi)通過PN結(jié)的載流子數(shù)不同，從而引起PN結(jié)上的電流在某一平均值上有一微小的起伏。這種電流隨機(jī)起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為散粒噪聲。理論和實(shí)踐證明，散粒噪聲與流過PN結(jié)的直流電流成正比。有源器件噪聲（續(xù)）

3.分配噪聲在