高頻電子技術(shù)3.ppt

1、第3章 高頻小信號(hào)放大器,無(wú)線電通信的特點(diǎn)是接收機(jī)接收到的無(wú)線電信號(hào)通常是微弱的，必須首先對(duì)它進(jìn)行放大。 高頻小信號(hào)放大器是無(wú)線電通信設(shè)備必需的功能電路，它的作用是對(duì)微弱的高頻小信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。常見(jiàn)的無(wú)線電接收機(jī)的高頻和中頻放大器都是高頻小信號(hào)放大器。,高頻小信號(hào)放大器,高頻小信號(hào)放大器按所用器件可分為晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和集成電路放大器；按所用負(fù)載性質(zhì)可分為諧振和非諧振放大器。 諧振放大器（resonant amplifier），就是用LC諧振回路作負(fù)載的放大器。由于諧振回路有選頻特性，所以諧振放大器對(duì)接近諧振頻率的信號(hào)，有較大增益；對(duì)遠(yuǎn)離諧振頻率的信號(hào)，增益很小。所以諧振放大器既有放大作

2、用，又有選頻濾波作用。,非諧振放大器,非諧振放大器是由各種濾波器（LC集中選擇性濾波器、陶瓷濾波器、聲表面波濾波器、石英晶體濾波器）和阻容耦合放大器組成的。由濾波器選頻，放大器提供電壓增益。其性能穩(wěn)定，無(wú)需調(diào)整，便于集成化，現(xiàn)已廣泛使用。,高頻小信號(hào)放大器的主要性能指標(biāo)： 1、電壓增益與功率增益 2 、通頻帶 3、選擇性 4、穩(wěn)定性 5、噪聲系數(shù),晶體管的Y參數(shù)等效電路,混合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(wú)關(guān)。缺點(diǎn)是，隨著器件不

3、同有不少的差別，分析和測(cè)量不便。因此，混合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(cè)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(lái)構(gòu)成其等效電路，這種等效電路稱為形式等效電路。,圖3-2 晶體管共射組態(tài)的Y參數(shù)等效電路,式中Yie，Yre，Yfe，Yoe是Y參數(shù)，具有導(dǎo)納量綱，故又稱為四端網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納參數(shù)。其中,Y參數(shù)是工作頻率的函數(shù)，當(dāng)工作頻率不同時(shí)，即使是同一晶體管，其Y參數(shù)也是不一樣的。當(dāng)工作頻率比較低，電容效應(yīng)的影響可以不考慮時(shí)，晶體管的Y參數(shù)才可以認(rèn)為近似不變。若忽略Y參數(shù)的虛部,則可得到低頻工作的Y參數(shù)值。,gie、goe分別稱為輸入、輸出電導(dǎo)；C

4、ie、Coe分別稱為輸入、輸出電容；fe是正向傳輸導(dǎo)納Yfe的相角； re是反向傳輸導(dǎo)納Yre的相角。,圖3-3 晶體管共發(fā)射極混合 型等效電路,rbb: 基區(qū)體電阻25； rbe:發(fā)射結(jié)電阻150； Cbe: 發(fā)射結(jié)電容500pF； Cbc: 集電結(jié)電容5pF ； rbc:集電結(jié)電阻1M ；(反偏，很大，被Cbc短接掉) rce: 集-射極電阻100k； Cce:集電極電容； (很大，被rce短接掉) gm: 晶體管跨導(dǎo)，反映放大能力； gm=IEQ/26=0/rbe 50ms,3.2.3 晶體管的頻率參數(shù),1 共射截止頻率f,截止頻率f的定義：當(dāng) 的頻率，即,特征頻率fT 晶體管的放大性能

5、有時(shí)還用特征頻率fT表示。特征頻率是=1時(shí)的頻率。根據(jù)定義:,當(dāng)0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí),解之得,共基截止頻率f,用近似公式 代入得,故f，fT，f三個(gè)頻率的關(guān)系是: ffTf f,f,fT是晶體管三個(gè)重要頻率參數(shù)。,當(dāng)晶體管用作共基極聯(lián)接時(shí)，其輸出端交流短路的電流放大倍數(shù) 也是隨頻率提高而降低的,當(dāng)下降到 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率稱為共基截止頻率。,高頻小信號(hào)諧振放大器是由放大電路（由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路組成）與選頻電路（主要是LC諧振回路）組成，作用是將微小的高頻信號(hào)進(jìn)行線性放大，選出中心頻率（輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)）的信號(hào)，并濾除不需要的干擾頻率信號(hào)。 主要討論高頻小信號(hào)諧振放大器的主要性能指標(biāo)：電壓增益、功

6、率增益、通頻帶和矩形系數(shù)等。 高頻小信號(hào)諧振放大器的分析方法主要采用Y參數(shù)等效電路法線性分析方法。,3.3 高頻小信號(hào)諧振放大器,圖3-5 單調(diào)諧回路諧振放大器,放大電路的等效電路,忽略管子內(nèi)部的反饋, 即令Yre =0,3）放大器的性能指標(biāo) 電壓增益 由等效電路可得： 由電壓增益定義可得： 當(dāng)放大器諧振時(shí)： 諧振時(shí)電壓增益：,增益幅值： 相角： 諧振頻率： 回路有載品質(zhì)因數(shù)： 諧振時(shí)的功率增益 若前后級(jí)放大器采用相同型號(hào)的晶體管，且工作電流相同，則：,通頻帶 通頻帶和電壓增益的乘積是一定值，反映了兩者之間的矛盾性。 矩形系數(shù) 反映了單級(jí)單調(diào)諧放大器的選擇性很差。,增益帶寬積為常數(shù)：,2.多級(jí)

7、單調(diào)諧放大器 多級(jí)單調(diào)諧放大器的諧振頻率相同, 均為信號(hào)的中心頻率。 1）電壓增益 多級(jí)單調(diào)諧放大器的總電壓增益是各級(jí)電壓增益的乘積。若由完全相同的單級(jí)放大器組成，各級(jí)電壓增益相等，則m級(jí)放大器的總電壓增益為 2）單位諧振函數(shù) m級(jí)相同的放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，它的單位諧振函數(shù)等于各單級(jí)放大器單位諧振函數(shù)的乘積。,3）通頻帶 多級(jí)放大器級(jí)數(shù)越多，通頻帶越窄。 4）矩形系數(shù) 多級(jí)放大器級(jí)數(shù)越多，矩形系數(shù)越小，與理想矩形特性越接近,例：采用完全相同的三級(jí)單調(diào)諧放大電路組成的中放電路，其諧振總電壓增益為66dB，3dB帶寬為5kHz，工作頻率為455kHz。求每級(jí)放大電路的諧振電壓增益、3dB帶寬及每個(gè)回路的

8、有載Q值為多少？,解：因三級(jí)放大器的諧振總電壓增益為 故每級(jí)放大器的諧振電壓增益為 因三級(jí)放大器的總通頻帶為 故每級(jí)放大器的帶寬為 則每個(gè)回路的有載Q值為,3.3.3 雙調(diào)諧放大器,提高放大器選擇性，解決增益和通頻帶間的矛盾，有效方法之一是采用雙調(diào)諧放大器。 雙調(diào)諧放大器采用兩個(gè)相互耦合的單調(diào)諧回路作放大器的選頻回路，兩個(gè)單調(diào)諧回路的諧振頻率都調(diào)諧在信號(hào)的中心頻率上。 雙調(diào)諧放大器就是將單調(diào)諧回路放大器中單調(diào)諧回路改成雙調(diào)諧回路，雙調(diào)諧回路放大器電路如圖3-7所示，其等效電路如圖3-8所示。,圖3-7 雙調(diào)諧回路放大器,圖3-8 雙調(diào)諧放大器等效電路,雙調(diào)諧放大器的性能指標(biāo)： 1）諧振時(shí)電壓增

9、益 臨界耦合時(shí)，有 2）通頻帶 3）矩形系數(shù) 單級(jí)雙調(diào)諧放大器的通頻帶是單級(jí)單調(diào)諧放大器通頻帶的倍；與單調(diào)諧放大器相比，雙調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)較小，諧振曲線較接近于理想矩形，選擇性較好，較好地解決了通頻帶與增益之間的矛盾。但雙調(diào)諧放大器的調(diào)整較為復(fù)雜。 多級(jí)雙調(diào)諧放大器和多級(jí)單調(diào)諧放大器類似，通頻帶隨級(jí)數(shù)的增加而減小，矩形系數(shù)所級(jí)數(shù)的增加而變好,3.3.4 諧振放大器的穩(wěn)定性,保證放大器增益、通頻帶、選擇性的穩(wěn)定。 主要影響： 反向傳輸導(dǎo)納Yre 可能引起正反饋,常用解決方法： 1 、中和法： 晶體管B、C 極之間加入一個(gè)電容 2、失配法：使晶體管的負(fù)載阻抗與輸出阻抗不匹配,圖3-9 中和法原

10、理電路,圖3-10 共射-共基級(jí)聯(lián)放大器交流等效電路,失配法：,3.4 集中電路高頻小信號(hào)放大器 由線性集成電路與選頻電路相結(jié)合方式實(shí)現(xiàn),又稱模擬集成電路,3.4.1 線性寬頻帶集成放大電路 8FZ1 ULN2204,圖3-12 線性寬頻帶小信號(hào)放大器,8FZ1,圖3-13 ULN-2204集成的中頻放大部分,3.4.2 集成電路選頻放大器,1 PC 1018集成中頻放大電路,廣泛用于調(diào)頻（FM）、調(diào)幅（AM）的集中中頻放大電路,雙列直插16腳塑料封裝,工作電壓：2.5 6 V,內(nèi)部帶有高調(diào)頻、調(diào)幅分開(kāi)的中放電路，還有本振、 混頻、用自動(dòng)增益控制電路,圖3-15 PC 1366C圖像中頻放大電

11、路,圖像中頻放大電路包括3個(gè)部分： 1 前置補(bǔ)償放大器。 由高頻頭送來(lái)的中頻信號(hào)在晶體管VT（3DG1674）進(jìn)行預(yù) 中放，以補(bǔ)償采用聲表面波濾波器造成的插入損耗。 2 聲表面波中頻濾波器SWAF。 VT放大后的中頻信號(hào)送至聲表面波濾波器SAWF，它具有很好的選擇性和較寬的頻帶寬度，由它確定了中頻放大器的幅頻特性（參見(jiàn)圖2-25），使中頻放大電路無(wú)需調(diào)整。由SAWF選出的中頻信號(hào)頻率為38MHz，頻帶寬為8MHz，并且幅頻特性符合電視中頻放大器的要求。,PC1366C集成電路的圖像中放部分。 中頻信號(hào)經(jīng)SAWF濾波后由8腳和9腳送入PC 1366C內(nèi)的圖像中頻放大器，經(jīng)放大獲得足夠增益后送至P

12、C 1366C內(nèi)的視頻檢波器,圖3-16 集成中頻放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu),3.5 噪聲與干擾,所謂噪聲（或干擾）, 就是除有用信號(hào)以外的一切不需要的信號(hào)及各種電磁騷動(dòng)的總稱。 噪聲 一般指內(nèi)部噪聲，又分自然和人為兩類。自然噪聲有熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲等，人為噪聲有交流噪聲、感應(yīng)噪聲等。 干擾 一般指外部干擾，也分自然和人為兩類。自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等。人為干擾有工業(yè)干擾和無(wú)線電臺(tái)干擾。,3.5.1 電路內(nèi)部噪聲的來(lái)源電路內(nèi)部噪聲的主要來(lái)源是電阻的熱噪聲和放大器件的噪聲。,1）電阻的熱噪聲 電阻的熱噪聲是由電阻內(nèi)部的自由電子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。如下圖所示，噪聲電壓（或電流）是上下

13、起伏變化的，但在一定時(shí)間內(nèi)其平均值為零。起伏噪聲的頻譜在極寬的范圍內(nèi)，且有均勻的功率譜密度，故也稱為白噪聲。,電阻熱噪聲電壓波形,2）晶體管的噪聲 晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲。 熱噪聲主要由基區(qū)體電阻 所產(chǎn)生；散粒噪聲是由于晶體管內(nèi)部基區(qū)少數(shù)載流子注入率的隨機(jī)性引起的，是主要噪聲來(lái)源；分配噪聲是由于晶體管內(nèi)部基區(qū)少數(shù)載流子復(fù)合量的隨機(jī)性引起的；閃爍噪聲的產(chǎn)生與半導(dǎo)體制作時(shí)表面清潔處理度和外加電壓有關(guān)，主要考慮低頻情況。 晶體管的噪聲主要決定于熱噪聲、散粒噪聲和分配噪聲，在很寬的頻率范圍內(nèi)隨頻率變化是很小的。,圖3-18 晶體管的噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系,2.3.2 噪聲

14、系數(shù) 1）信噪比 電路某處的信號(hào)功率與噪聲功率之比稱為信噪比，用符號(hào)S/N表示。通常用信噪比來(lái)表示噪聲對(duì)信號(hào)的影響，信噪比越大，信號(hào)質(zhì)量越好。 2）噪聲系數(shù) 下圖為一線性四端網(wǎng)絡(luò), 它的噪聲系數(shù)定義為輸入端的信噪比(S/N)i與輸出端的信噪比(S/N)o的比值, 即,多級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)的噪聲,當(dāng)放大器的額定功率增益遠(yuǎn)大于1時(shí), 系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)。 越是后面的網(wǎng)絡(luò), 對(duì)噪聲系數(shù)的影響就越小, 這是因?yàn)樵降胶蠹?jí)信號(hào)的功率越大, 后面網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲對(duì)信噪比的影響就不大了。 因此, 對(duì)第一級(jí)來(lái)說(shuō), 不但希望噪聲系數(shù)小, 也希望增益大, 以便減小后級(jí)噪聲的影響。,2.3.3 常用減小

15、噪聲系數(shù)的措施 1）選用低噪聲的元器件； 2）正確選擇放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)； 3）選擇合適的工作帶寬； 4）選用合適的放大電路； 5）降低放大器的工作溫度； 6）減少接收天線的饋線損耗。,3.選擇合適的工作帶寬 噪聲電壓與通頻帶寬度有關(guān)。接收機(jī)或放大器的帶寬增大時(shí)，各種內(nèi)部噪聲也增大。因此必須選擇合適的帶寬，既要滿足信號(hào)通過(guò)的要求，但又不宜過(guò)寬，以免信噪比下降。 4.選用合適的放大電路 放大器的選用要考慮功率增益和最小噪聲，就是要兼顧噪聲匹配和功率匹配，工作頻率不太高時(shí)，共射極放大器能兼顧噪聲匹配和功率匹配。因此，在很多多級(jí)放大器中，輸入級(jí)常采用共射放大器。在工作頻率較高的系統(tǒng)中，多級(jí)放大器的第

16、一級(jí)采用共基極放大器是有利的。前面介紹的共射-共基級(jí)聯(lián)放大電路，也是高穩(wěn)定和低噪聲的電路。 5.降低放大器的工作溫度 熱噪聲是內(nèi)部噪聲的主要來(lái)源之一，所以降低放大器，特別是接收機(jī)前端放大器件的工作溫度，對(duì)減少噪聲系數(shù)是有作用的。對(duì)靈敏度要求特別高的設(shè)備來(lái)說(shuō)，降低工作溫度是一個(gè)重要措施。如在衛(wèi)星地面站接收機(jī)的高頻放大器采用“冷參放”（冷至2080K的參數(shù)放大器）。其他器件組成的放大器致冷后，噪聲系數(shù)也有明顯降低。,3.5.4 外部干擾的類型和抑制,1. 天電干擾 自然界的雷電現(xiàn)象，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)騷動(dòng)，并向四面八方傳播到很遠(yuǎn)的地方。 此外，帶電的雨雪和灰塵的運(yùn)動(dòng)，以及它們對(duì)天線的沖擊都可能引起天

17、電干擾。一般在地面接收時(shí)，主要的天電干擾是雷電放電所引起的。,要完全克服天電干擾是困難的，因?yàn)椴豢赡茉诋a(chǎn)生干擾的地方進(jìn)行抑制。因此，只能在接收機(jī)等設(shè)備上采取一些措施，如電源線加接濾波電路、采用窄頻帶以及加接抗脈沖干擾電路等，或在雷電多的季節(jié)采用較高的頻率進(jìn)行通信。,2. 電氣干擾的產(chǎn)生和抑制 電氣干擾是由各種電氣裝置中的電流（或電壓）急劇變化所形成的電磁輻射，作用在接收機(jī)天線和電路上所產(chǎn)生的干擾。各種電氣設(shè)備，例如馬達(dá)、電焊機(jī)、高頻電氣裝置、X光機(jī)、電弧爐、電磁爐、空調(diào)器、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)和電氣開(kāi)關(guān)等，它們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中或者由于產(chǎn)生火花放電而伴隨電磁波輻射，或者本身就存在電磁波輻射。,為了克服電氣干

18、擾，最好在產(chǎn)生干擾的地方進(jìn)行抑制。例如，在電氣開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)的火花系統(tǒng)的接觸處并聯(lián)一個(gè)電阻和電容，以減小火花作用?；蛟诟蓴_源處加接防護(hù)濾波器，除此以外，還可以把產(chǎn)生干擾的設(shè)備，加以良好的屏蔽來(lái)減小干擾的輻射作用。,本章小結(jié) 1. 高頻小信號(hào)放大器是對(duì)微弱高頻信號(hào)進(jìn)行不失真放大的功能電路。它有增益、通頻帶、選擇性（矩形系數(shù)）、穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)等5項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。 2. 諧振放大器是用LC諧振回路作負(fù)載的放大器，諧振放大器既有放大作用又有選頻作用。諧振放大器的幅頻特性曲線與所用LC諧振回路相同。單調(diào)諧放大器選擇性較差，雙調(diào)諧放大器選擇性較好。為實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，提高電壓增益，減少晶體管輸入、輸出參數(shù)對(duì)回路諧振特性的影響，諧振回路與信號(hào)源和負(fù)載的連接通常采用部分接入方式。 3. 分析高頻小信號(hào)諧振放大器時(shí)，常采用y參數(shù)等效電路，y參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，而且是工作頻率的函數(shù)?；旌闲蔚刃щ娐肥前丫w管內(nèi)的復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)用集中參數(shù)元件RC來(lái)表示的等效電路，也是分析高頻小信號(hào)放大器的常用電路。,4. 線性寬頻帶集成電路能對(duì)高頻小信號(hào)進(jìn)行高增益、高穩(wěn)定性地放大，它與選頻電路結(jié)合就組成集成電路選頻放大器。它對(duì)選頻電路頻率特性要求較高，選頻電路除了常用的LC諧振回路外，還廣泛使用陶瓷濾波器、聲表面波濾波器等集中濾波器。集成電路和集中濾波器組