高频电子线路(第四版)第4章 高频小信号放大器

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1、 高频小信号放大器的特点：高频小信号放大器的特点：放大高频小信号放大高频小信号(中心频率在几中心频率在几百百kHz到几百到几百MHz，频谱宽度在几，频谱宽度在几kHz到几十到几十MHz的范围内的范围内)的的放大器。放大器。高 频 放 大 fs fs 本 地 振 荡 fo 混 频 fofs=fi fi 低 频 放 大 检 波 中 频 放 大 F F 几十几十VV几几mVmV1V1V左右左右 普通调幅无线电广播所占带宽应为普通调幅无线电广播所占带宽应为kHz，电视信号的带，电视信号的带宽为宽为Mz左右。左右。高频小信号放大器的特点：高频小信号放大器的特点：放大高频小信号放大高频小信号(中心频率在几

2、中心频率在几百百kHz到几百到几百MHz，频谱宽度在几，频谱宽度在几kHz到几十到几十MHz的范围内的范围内)的的放大器。放大器。音音 频频射射 频频微微 波波MHz300KHz300单振荡回路单振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路高频小信号放大器高频小信号放大器 谐振放大器（窄带）谐振放大器（窄带）非谐振放大器（宽带）非谐振放大器（宽带）LC集中滤波器集中滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器（调谐与非调谐）（调谐与非调谐）高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器宽带非谐宽带非谐振放大器振

3、放大器滤波器滤波器宽带非谐振放大器宽带非谐振放大器本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。本章重点讨论晶体管单级窄带谐振放大器。高频小信号放大器的主要质量指标高频小信号放大器的主要质量指标ioVVAlog20vioPPAplog101)增益：（放大系数）电压增益电压增益：分贝表示分贝表示：ioVVA vioPPAp功率增益功率增益：2)通频带：高频小信号放大器的主要质量指标高频小信号放大器的主要质量指标3)选择性选择性 矩形系数矩形系数：表示与理想滤波特性的接近程度。表示与理想滤波特性的接近程度。7.01.01022ffKr7.001.0r0.0122ffK f AV/AVo 2f0.1 2f0

4、.7 理想 0.1 0.7 1 实际：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用性。选择性常采用矩形系数矩形系数和和抑制比抑制比来表示。来表示。高频小信号放大器的主要质量指标高频小信号放大器的主要质量指标 抑制比抑制比：表示对某个干扰信号表示对某个干扰信号fn 的抑制能力，用的抑制能力，用dn表示。表示。n0nvvAAd f Av0 f0 A Avn fn 3)选择性选择性：从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）：从各种不同频率信号

5、的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用性。选择性常采用矩形系数矩形系数和和抑制比抑制比来表示。来表示。高频小信号放大器的主要质量指标高频小信号放大器的主要质量指标4)工作稳定性：工作稳定性：指放大器的工作状态指放大器的工作状态(直流偏置直流偏置)、晶体管、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。性的稳定。不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反不稳定状态的极端情况是放大器自激（主要由晶体管内反馈引起），使

6、放大器完全不能工作。馈引起），使放大器完全不能工作。出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。出于分析的方便，将把稳定性问题及其改善放至最后讨论。低频低频小信号模型小信号模型高频高频小信号模型小信号模型A AF FA A高频小信号放大器的主要质量指标高频小信号放大器的主要质量指标4)工作稳定性：工作稳定性：指放大器的工作状态指放大器的工作状态(直流偏置直流偏置)、晶体管、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。性的稳定。EndEnd高频小高频小信号信号放大器的分析方法放大器的分析方法 晶体管工作在线性区，

7、可看成晶体管工作在线性区，可看成线性元件线性元件，可用有，可用有源四端网络参数微变等效电路来分析。源四端网络参数微变等效电路来分析。高 频 放 大 fs fs 本 地 振 荡 fo 混 频 fofs=fi fi 低 频 放 大 检 波 中 频 放 大 F F 几十几十VV几几mVmV1V1V左右左右4.2.1 形式等效电路形式等效电路（网络参数等效电路）（网络参数等效电路）4.2.2 混合混合等效电路等效电路4.2.3 混合混合等效电路参数与等效电路参数与 形式等效电路参数的转换形式等效电路参数的转换4.2.4 晶体管的高频参数晶体管的高频参数 因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻

8、抗因为放大器由信号源、晶体管、并联振荡回路和负载阻抗并联组成，采用导纳分析比较方便，为此并联组成，采用导纳分析比较方便，为此,引入晶体管的引入晶体管的y（导（导纳）参数等效电路。纳）参数等效电路。45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管 晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用晶体管工作在线性区，可看成线性元件，可用有源有源四端网四端网络络参数微变等效电路来分析。参数微变等效电路来分析。双口网络双口网络即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端钮即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端钮,流入其中一

9、个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。而而四端网络四端网络虽然其外部结构与双口网络相同虽然其外部结构与双口网络相同,但对流入流出电但对流入流出电流没有类似的规定流没有类似的规定,这是两者的区别。这是两者的区别。对于双口网络对于双口网络,在其每一个端口都只有一个电流变量和一在其每一个端口都只有一个电流变量和一个电压变量个电压变量,因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自变量变量,其余两个为应变量其余两个为应变量,则共有六种组合方式则共有六种组合方式,也就是有六组也就是有六组可能的方程用以表明双口网

10、络端口变量之间的相互关系。可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。参数方程就是其中的一组参数方程就是其中的一组,它是选取各端口的电压为自变量它是选取各端口的电压为自变量,电流为应变量。电流为应变量。双口网络示意图双口网络示意图h参数系参数系z参数系参数系y参数系参数系称为输出短路时的称为输出短路时的输入导纳输入导纳；021r1VVIy012f2VVIy022o1VVIy称为输入短路时的称为输入短路时的反向传输导纳反向传输导纳；称为输出短路时的称为输出短路时的正向传输导纳正向传输导纳；称为输入短路时的称为输入短路时的输出导纳输出导纳。011i2VVIyLoefereieiYyyyyY2

11、L22oe1fe22re1ie1VYIVyVyIVyVyILoefe YyyVVA12vsiefereoeoYyyyyY)0(s1s12oe122re1ie1feIVYIVyVyIVyVyIEnd 表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。fe越大越大,表示晶体管的放大能力越强；表示晶体管的放大能力越强；re越大越大,表示晶体管的内部反表示晶体管的内部反馈越强。馈越强。re的存在的存在,对实际工作带来很大危害对实际工作带来很大危害,是谐振放大器是谐振放大

12、器自激的根源自激的根源,同时也使分析过程变得复杂同时也使分析过程变得复杂,因此应尽可能使其因此应尽可能使其减小减小,或削弱它的影响。或削弱它的影响。reyfeyLoefereieiYyyyyYLoefe YyyVVA12vsiefereoeoYyyyyY021r1VVIy012f2VVIy y（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。（导纳）参数的缺点：随频率变化；物理含义不明显。eb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm vbeEndEndebr是发射结电阻是发射结电阻cbr是集电结电阻是集电结电阻ebC是发射结电容是发射结电容cbC是集电结电容是集电结电容bbr是

13、基极体电阻是基极体电阻ebmVg代表晶体管的代表晶体管的电流放大作用电流放大作用cer集射极间电阻集射极间电阻ceC集射极电容集射极电容)(1cbebbbCCr011ie2VVIyieieCjg012fe2VVIybbcbebm)(j1rCCg022oe1VVIyoeoejCgbbebcbj1jrCC021re1VVIymfegycbrejCycbceoejCgy)(jcbebebieCCgy)(2cbebmTCCgffEnd两种思路两种思路1.定义法定义法2.节点电流法节点电流法011112UUIY021211UUIY012122UUIY022221UUIY2121212221212111.

14、),(.),(dUcUUUUUfIbUaUUUUUfI参数方程为：参数方程为：crebiebUyUyIcoebfecUyUyI)(1)(1)(1)(1)(1)(cbebebbbebebmbbcboecbebebbbcbrecbebebbbcbmfecbebebbbcbebebieCCjgrCjggrCjyCCjgrCjyCCjgrCjgyCCjgrCCjgy 图中受控电流源图中受控电流源 表示输出电压对输入电流的控制表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）；作用（反向控制）；表示输入电压对输出电流的控制作表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。用（正向控制）。fe越大越大,表示晶体管

15、的放大能力越强；表示晶体管的放大能力越强；re越大越大,表示晶体管的内部反馈越强。表示晶体管的内部反馈越强。re的存在的存在,对实际工作带对实际工作带来很大危害来很大危害,是谐振放大器自激的根源是谐振放大器自激的根源,同时也使分析过程变同时也使分析过程变得复杂得复杂,因此应尽可能使其减小因此应尽可能使其减小,或削弱它的影响。或削弱它的影响。晶体管的参数可以通过测量得到。根据参数方程晶体管的参数可以通过测量得到。根据参数方程,分分别使输出端或输入端交流短路别使输出端或输入端交流短路,在另一端加上直流偏压和交流在另一端加上直流偏压和交流信号信号,然后测量其输入端或输出端的交流电压和交流电流然后测量

16、其输入端或输出端的交流电压和交流电流,代代入就可求得。通过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管入就可求得。通过查阅晶体管手册也可得到各种型号晶体管的参数。的参数。reyfey 需要注意的是需要注意的是,参数不仅与静态工作点的电压值、电流参数不仅与静态工作点的电压值、电流值有关值有关,而且是工作频率的函数。例如当发射极电流而且是工作频率的函数。例如当发射极电流增加时增加时,输入与输出电导都将加大。输入与输出电导都将加大。当工作频率较低时当工作频率较低时,电容电容效应的影响逐渐减弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册效应的影响逐渐减弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册,都应注意都应注意工作条件和工作

17、频率工作条件和工作频率。显然显然,在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略,参数参数是一个复数。晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写是一个复数。晶体管参数中输入导纳和输出导纳通常可写成用电导和电容表示的直角坐标形式成用电导和电容表示的直角坐标形式,而正向传输导纳和反向而正向传输导纳和反向传输导纳通常可写成极坐标形式传输导纳通常可写成极坐标形式,即即:Iyie=gie+jCie yoe=goe+jCoeyfe=|yfe|fe yre=|yre|re 011ie2VVIyieiejCg022oe1VVIyoeoejCgyieyoeyreuceyfeubeCiegi

18、egoeCoe1.截止频率截止频率时所对应的频率。的下降到低频值210ffj1.0201fff02/0Tf f12.特征频率特征频率120Tff时所对应的频率。1 当当f fT后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍后，共发接法的晶体管将不再有电流放大能力，但仍可能有电压增益，而功率增益还可能大于可能有电压增益，而功率增益还可能大于1。,10通常。Tff0f02/0Tf f12.特征频率特征频率1120ff1 20Tff所以时所对应的频率。1,10通常。Tff0201ffTff 即,时当ff ffffffTT可以粗略计算在某工作频率可以粗略计算在某工作频率f f的电流放大系数。的电流放大

19、系数。3.最高振荡频率最高振荡频率fmax时的最高工作频率。晶体管的功率增益1PGf fmax后，后，Gp1 不论其不论其Q值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。值为多大，其谐振曲线和理想的矩形相差甚远。f AV/AVo 2f0.1 2f0.7 理想 0.1 0.7 1 实际 EndEnd)j()j()j(ioVVAv)j()j()j()j()j()j(1)-o(oo1o2io1nnVVVVVVnAAAvvv)j()j(21Av1Av2Avn如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则nnAAAAA121vvvvv如果各级放大器是由完全相

20、同的单级放大器所组成，则如果各级放大器是由完全相同的单级放大器所组成，则nQgyppA)j11(00Lfe21vnnQgypp110021）（LfejnAAAAA1n21vvvvv1.增益增益ngyppAfe210v2.通频带通频带21可求得可求得n级放大器的通频带级放大器的通频带LnQ017.0122单级7.01212nnnQgyppA110021）（Lfejv220020)(1 1nQAA Lvv220)2(1 1nQ L3.选择性选择性（矩形系数矩形系数）220020)(1 1nQAA Lvv220)2(1 1nQ L101通频带通频带LQn017.0122 当级数当级数n增加时，放大器

21、的矩形系数有所改善，但这种改增加时，放大器的矩形系数有所改善，但这种改善是有限度的。善是有限度的。7.01.01022ffKr7.01.0221211012nnLQn021.01102End4.6.1 谐振放大器的稳定性谐振放大器的稳定性4.6.2 单向化单向化 以上分析时，假定以上分析时，假定y yre0 0，即输出电路对输入端没有影响，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈放大器工作于稳定状态。下面，讨论内反馈y yrere的影响。的影响。1.1.放大器的输入导纳和输出导纳放大器的输入导纳和输出导纳LYyyyyYoefereieisiefereoeoYyyyyY

22、ie0ireyYyoe0oreyYy 如果放大电路输入端也接有谐振回路如果放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的或前级放大器的输出谐振回路输出谐振回路)，那么输入导纳，那么输入导纳Y Yi i并联在放大器输入端回路后并联在放大器输入端回路后(假定耦合方式是假定耦合方式是全部接入全部接入)，2.2.自激振荡的产生自激振荡的产生 (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)FieoefereieiYyYyyyyYLieieiejCgyFFFjbgY 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电

23、动势只量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。此时，如果此时，如果g=gs+gie+gF 0，即整个回路的能量消耗为，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。外加激励。（自激振荡）（自激振荡）如果反馈电导为负值，那么如果反馈电导为负值，那么g g=g gs s+g gie1ie1+g gF F=0=0 可能存在，即发生自可能存在

24、，即发生自激振荡现象。激振荡现象。3.3.自激产生的原因自激产生的原因(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)FFoerefeFjbgYyyyYL 此时，如果此时，如果g=gs+gie+gF 0，即整个回路的能量消耗为，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生为了消除自激以及提高放大器的稳定性，下面确定产生等幅自激振荡的条件。等幅自激振荡的条件。4.4.自激产生的条件自激产生

25、的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)oerefeiesisLYyyyyYYY等于回路谐振时，回路谐振时，g=gs+gie+gF=0=01 refeoeiesyyYyyYL即分解为幅值和相位两个条件分解为幅值和相位两个条件1refeLoeiesyyYyyY幅值条件：n2refe21相位条件：refen221相位条件：不发生自激的条件不发生自激的条件，0)(jLoerefejiesLoerefeies2refe1eYyyyeyYYyyyyY1refeLoeiesyyYyyY幅值条件：0coscos 1Loerefe1iesFiesYyyyyYgggg回路谐振时，回路谐振时，g=gs+

26、gie+gF=0回路谐振时，回路谐振时，g=gs+gie+gF 04.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)1coscos121refeoeLiesrefeLoeiesyyggggyyYyyYS或稳定系数稳定系数 如果如果S1，放大器可能产生自激振荡；如果，放大器可能产生自激振荡；如果S 1，放，放大器不会产生自激。大器不会产生自激。S越大，放大器离开自激状态就越远，越大，放大器离开自激状态就越远，工作就越稳定。工作就越稳定。4.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)0coscos 1Loerefe1iesFiesYy

27、yyyYgggg5.5.稳定性分析稳定性分析LoeiesYyyY假设放大器输入与输出回路相同，假设放大器输入与输出回路相同，21;oeLiesggggg即(包括谐振回路包括谐振回路)refen221相位条件：yygggg2refeoeLiescosS2cosrefe2refe2yygreferefe2cos12yyg1coscos21refeoeLiesyyggggS4.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)1refeoeiesyyYyyYLieiessiesjbgjbgyY)1()1(11jgjgies1211)(jiesegg2221)(jLoeLoe

28、eGgYyLLoeoeieiessGbgbgbgb21假定11arctan4.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)1)1)()()(refe22refejjLoeieseyyeGggg1)1)()(refe2yyGgggLoeies幅值条件：refe2相位条件：1refeoeiesyyYyyYLarctan1)1)()(refe2yyGgggSLoeies稳定系数稳定系数 如果如果S1，放大器可能产生自激振荡；，放大器可能产生自激振荡；如果如果S 1，放，放大器不会产生自激。大器不会产生自激。S越大，放大器离开自激状态就越远，越大，放大器离开自激状态就越

29、远，工作就越稳定。工作就越稳定。4.4.自激产生的条件自激产生的条件(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)1)1)()(refe2yyGgggLoeies幅值条件：1refeoeiesyyYyyYL 0 oerefeiesisLYyyyyYYY5.5.稳定性分析稳定性分析;0,femfeT因此实际上：由于工作频率gyff;90jy0reoreC，re0fe22SCyg1)1)()(refe2yyGgggSLoeies。gggggoeLies5.5.稳定性分析稳定性分析;Afe0gyv;oeLiesggggg;0vfeAyggre0fe02ACSyv增益和稳定性为一对矛盾。增益和稳定性为一

30、对矛盾。105通常，选S考虑到全部接入，即考虑到全部接入，即p p1 1=p p2 2=1=1Endre0fe22SCyg如前所述，由于晶体管内存在如前所述，由于晶体管内存在y yrere的反馈，所以它是一个的反馈，所以它是一个“双向元件双向元件”。作为放大器工作时，。作为放大器工作时，y yrere的反馈作用可能引起放的反馈作用可能引起放大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除大器工作的不稳定。下面，讨论如何消除y yrere的反馈，变的反馈，变“双向双向元件元件”为为“单向元件单向元件”。这个过程称为单向化。这个过程称为单向化。A AF FCberbbCbcrbcrbevbercegm vbe

31、A AF F 避免自激的做法有避免自激的做法有中和法和失配法。中和法和失配法。如果把负载导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多，即YL yoe，那么输入导纳那么输入导纳iey不发生自激的条件不发生自激的条件，回路谐振时，回路谐振时，g=gs+gie+gF 012re0fe2CygSFieoefereieiYyYyyyyYL所谓所谓“失配失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。同理，如果把信号源导纳同理，如果把信号源导纳Y

32、s取得比晶体管取得比晶体管yie大得多，那大得多，那么输出导纳么输出导纳 因此，因此，所谓所谓“失配失配”是指：信号源内阻不与晶体管输入是指：信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻阻抗匹配；晶体管输出端负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。抗匹配。0ccosIVIYsierefeoeYyyyyoey 如果把负载导纳如果把负载导纳YL取得比晶体管取得比晶体管yoe大得多，即大得多，即YL yoe，那么输入导纳那么输入导纳ieyFieoefereieiYyYyyyyYL1refeLoeieSyyYyyYS稳定系数稳定系数 可知，当可知，当Ys yie 和和YL yoe，稳定系数，稳定系数S大大增加。大大增加。re0fe02ACSyv 失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。失配法以牺牲增益为代价换取稳定性的提高。典型电路典型电路ic1c1y yoeoey yieieEnd