高频电路小信号谐振放大器

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1、信息工程学院1第2章小信号谐振放大器 信息工程学院2 本章基本要求n 掌 握 :小 信 号 谐 振 放 大 器 的 电 路 组 成 、原 理 及 分 析 方 法 ；n 熟 悉 放 大 器 的 噪 声 系 数 、 高 频 集 成 放 大器 的 特 点 。 信息工程学院3 2.1 概述 在 无 线 通 信 过 程 中 ， 通 信 信 道 数 多 ， 所 占 频 段 范围 较 宽 , 工 作 频 率 也 较 高 (从 几 百 kHz到 几 百 MHz， 如卫 星 通 信 系 统 中 , 工 作 频 率 可 达 数 GHz)。 同 一 通 信 频段 内 ， 存 在 着 许 多 被 传 送 的 无 线

2、电 信 号 及 噪 声 ， 而 接收 机 则 只 选 择 出 所 需 要 的 信 号 进 行 放 大 。 因 此 ， 接 收 机 中 的 放 大 器 除 了 要 有 足 够 的 增 益外 , 还 应 具 有 选 择 不 同 频 率 的 信 号 的 能 力 ， 于 是 便产 生 了 各 种 各 样 的 选 频 放 大 器 ， 但 无 论 是 哪 一 种 类型 的 电 路 ， 它 们 主 要 由 两 部 分 组 成 : 一 部 分 是 其 核心 器 件 放 大 器 件 。 另 一 部 分 是 用 作 选 择 信 号 的 线性 选 频 网 络 。 信息工程学院4 2.1.1 小 信 号 调 谐 放

3、大 器 的 分 析 方 法 n 小 信 号 调 谐 放 大 器 常 作 为 选 频 放 大 器 ， 用 来 放大 微 弱 的 高 频 信 号 。n 所 谓 “ 小 信 号 ” 是 指 两 种 情 况 : 一 是 信 号 幅 度足 够 小 ， 使 得 所 有 有 源 器 件 (晶 体 三 极 管 、 场效 应 管 或 IC)都 可 采 用 二 端 口 Y参 数 或 线 性 等 效电 路 模 型 代 替 ; 二 是 放 大 器 的 输 出 信 号 与 输 入信 号 成 线 性 比 例 关 系 。 信息工程学院5 2.1.2 小 信 号 调 谐 放 大 器 的 主 要 技 术 参 数 1. 增 益

4、iopioiiou PPAiiAuuA 、2. 通 频 带 1f 2f7.0BW通 常 规 定 : 当 从 1降 到 0.707处 时 ， 对 应 的 频 率 和之 间 的 频 率 范 围 称 为 通 频 带 ， 用 符 号 表 示 。 3. 选 择 性 0.70.11.0 BWBWK4. 噪 声 系 数 5. 稳 定 性 图 2-1-1 理 想 与 实 际 选 频 特 性 信息工程学院6 2.2 有 源 器 件 的 高 频 小 信 号 等 效 电 路 n 在 小 信 号 放 大 器 的 分 析 和 设 计 中 , 通 常 是 采 用 等 效 电 路法 , 即 假 定 放 大 器 工 作 于

5、线 性 状 态 , 把 电 路 中 的 有 源 器件 用 线 性 等 效 电 路 来 代 替 , 以 便 采 用 经 典 电 路 理 论 来 进行 分 析 、 计 算 。 n 根 据 导 出 的 方 法 不 同 ， 器 件 的 等 效 模 型 可 分 为 两 类 ：n 第 一 类 是 根 据 器 件 内 部 的 物 理 结 构 及 其 物 理 模 型 所 得 出的 模 拟 等 效 电 路 ， 其 等 效 模 型 为 混 合 型 等 效 电 路 。 n 第 二 类 是 把 器 件 等 效 为 有 源 四 端 网 络 ， 用 一 些 网 络 参 数组 成 的 等 效 模 型 ， 主 要 有 H 参

6、 数 等 效 电 路 、 Y参 数 等 效电 路 等 。 2.2.1 BJT、 FET器 件 的 混 合 型 等 效 模 型 及 其 参 数 信息工程学院7 1 BJT、 FET器 件 的 混 合 型 等 效 模 型 及 其 参 数2I ceucibeu bi (a) 共 发 射 极 接 法 beu ci/b ebm /ug cb/Ceb/Ceb/r/bbr cer ceubi cb e (b)晶 体 管 的 混 合 参 数 模 型 图 2-2-1 晶 体 管 的 混 合 参 数 模 型 信息工程学院8 1 BJT高 频 混 合 型 等 效 模 型 及 其 参 数 图 2-2-1(a)为 BJ

7、T的 共 发 射 极 接 法 , 根 据 晶 体 三 极 管的 物 理 结 构 及 物 理 过 程 可 得 其 小 信 号 高 频 混 合 型 等 效模 型 如 图 2-2-1(b)所 示 。 ebmC /ugi (2-2-1) mg eb/u Ci式 中 , 表 示 对 的 控 制 能 力 , 称 为 正 向 传 输 电 导 或 跨 导 。 mg )mV(26)mA(Eebcebcm / Iuiuig (2-2-2) 信息工程学院9 2 FET的 高 频 混 合 等 效 模 型 及 其 参 数 图 2-2-2 场 效 应 管 的 混 合 参 数 模 型 信息工程学院10 GSu Di 它 表

8、 示 栅 源 电 压 对 漏 极 电 流场 效 应 管 的 放 大 能 力 。 其 值 一 般 比 BJT小 一 个 数 量 级 。 的 控 制 能 力 ,反 映 了dsr 称 为 交 流 短 路 时 的 漏 极 输 出 电 阻 , 定 义 为 :0 ddsQDdsds gs uiuiur (2-2-4) 信息工程学院11 2.2.2 混 合 型 参 数 与 Y 参 数 的 关 系 图 2-2-3 晶 体 管 的 Y参 数 模 型 信息工程学院12 ),( CEBEB uufi ),( CEBEC uufi CECEBBEBEBB ddd uuiuuii CE CECBEBECC ddd uu

9、iuuii (2-2-6) (2-2-7) ce CECbeBECc uuiuuii ceCEBbeBEBb uuiuuii (2-2-8) (2-2-9) 信息工程学院13 be1 uu ce2 uu bii 1 c2 ii 由 于 ， 故 有 212111b1 uYuYii 222121c2 uYuYii 1I1U 2I 2U11Y 1U 22Y21Y 简 化 Y参 数 等 效 电 路 由 于 re12 YY ,它 对 电 路 的 稳 定 性影 响 较 大 ， 因 此 在 设 计 电 路 时将 采 取 措 施 减 小 或 消 除 其 影 响 .因 此 ， 分 析 电 路 时 可 采 用 简

10、 化 Y参 数 等 效 电 路 信息工程学院14 01111 2 UUIY 称 为 输 出 短 路 时 的 输 入 导 纳 01221 2 UUIY 称 为 输 出 短 路 时 的 正 向 传 输 导 纳 0 2112 1 UUIY 称 为 输 入 短 路 时 的 反 向 传 输 导 纳 02222 1 UUIY 称 为 输 入 短 路 时 的 输 出 导 纳 信息工程学院15 )(1 ebebbb ebebie11 / / Cjgr CjgYY )(1 ebebbb cbre12 / / Cjgr CjYY )(1 ebebbb mfe21 / Cjgr gYY )(1 ) ebebbb c

11、bbbmcboe22 / / Cjgr CrgjCjYY (2-2-11) 信息工程学院16 晶 体 三 极 管 的 4个 Y参 数 都 是 复 数 ， 为 了 计 算 方 便 ，可 表 示 为 rerere fefefe oeoeoe ieieie yY yY CjgY CjgY (2-2-12) 信息工程学院17 由 于 晶 体 管 在 高 频 运 用 时 , 其 放 大 特 性 与 工 作 频 率有 关 , 因 而 常 引 用 晶 体 管 的 频 率 特 性 参 数 来 表 明 它 的 高频 特 性 。 f Tf (1) 截 止 频 率 和 特 征 频 率 jCCrj rgII U 1)

12、(1 0cbebeb ebm0bc / /C ebm0 /rg 是 晶 体 管 低 频 运 用 时 的 共 射 极 电 流 放 大 系 数 )(2 1 cbebeb / CCrf 信息工程学院18 当 值 下 降 到 0dB时 所 对 应 的 频 率 称 为 特 征 频 率 , 用 符 号Tf 表 示 fCCgf 0cbeb mT )(2 / jj 1)1(1 )1( 0000 ff )1( 0 信息工程学院19 2.3 小 信 号 调 谐 放 大 器 n 小 信 号 调 谐 放 大 器 常 作 为 选 频 放 大 器 ， 用 来 放 大微 弱 的 高 频 信 号 。 n 所 谓 “ 小 信

13、号 ” 是 指 两 种 情 况 : n 一 是 信 号 幅 度 足 够 小 ， 使 得 所 有 有 源 器 件 (晶 体 三极 管 、 场 效 应 管 或 IC)都 可 采 用 二 端 口 Y参 数 或 线性 等 效 电 路 模 型 代 替 ; n 二 是 放 大 器 的 输 出 信 号 与 输 入 信 号 成 线 性 比 例 关系 。 信息工程学院20 “等 效 电 路 ” 法 的 主 要 步 骤n 用 “ 等 效 电 路 ” 法 分 析 小 信 号 调 谐 放 大 器 ， 可 分 为 三个 主 要 步 骤 ：n 首 先 是 认 识 电 路 ， 包 括 认 清 电 路 的 组 态 （ 共 射

14、 电 路等 ） 、 各 元 器 件 的 作 用 ， 这 是 电 子 线 路 读 图 的 基 础 ；n 其 次 分 析 电 路 的 直 流 通 路 (直 流 偏 置 )和 交 流 通 路 ， 以便 了 解 电 路 的 实 际 功 能 ；n 最 后 在 画 出 交 流 等 效 电 路 （ 如 Y参 数 等 效 电 路 ） 的 基础 上 ， 根 据 定 义 计 算 放 大 电 路 的 各 参 数 ， 以 此 分 析 放大 器 的 电 路 特 性 、 技 术 性 能 和 频 率 响 应 等 。 信息工程学院21 2.3.1 晶 体 管 调 谐 放 大 器 2.3.1.1 单 调 谐 放 大 器 CCU

15、1bR 2bR TeRiu+ - ou+ - cR (a)低 频 放 大 电 路 1C 2CeC 1bR 2bRbC 1T eR CCU1L1C eCiu + - 1bR 2bR 2T eRou + -2 L123 4 52n 1n Tr1 Tr2 (b)调 谐 放 大 器 eCbC 图 2-3-1 小 信 号 电 压 放 大 器 信息工程学院22 调 谐 放 大 器 的 基 本 原 理 b1R 2bR eR图 b中 、 、 等 组 成 直 流 偏 置 bC eC电 路 ， 、 为 旁 路 电 容 。 2） 交 流 分 析 ： 在 交 流 等 效 电 路 中 ， 由 于 晶 体 管 的 输入

16、、 输 出 导 纳 与 调 谐 回 路 并 联 ， 使 回 路 值 降 低 ， 回 路谐 振 频 率 也 改 变 。 为 使 电 路 获 得 最 大 的 功 率 增 益 ， 还 要求 放 大 器 前 后 级 之 间 阻 抗 匹 配 。 1） 直 流 工 作 状 态 的 分 析 方 法 3） 交 流 等 效 电 路 信息工程学院23 Y参 数 等 效 电 路 1T 1L1C 图 2-3-1b 单 调 谐 放 大 器 交 流 通 路 iu+ - 2Tou + - 2L 1 2 3 4 52n1nT r1 Tr2 信息工程学院24 1ToeY 1T 2T图 2-3-1中 Tr2一 次 侧 采 用 部

17、 分 接 入 的 方 式 ， 以 减 小对 回 路 的 影 响 ， 而 与 之 间 的 信 号 传 递的输 出 导 纳则 采 用 变 压 器 互 感 耦 合 。 Pg 1T是 集 电 极 调 谐 回 路 损 耗 电 导 ， 1n 是 初 级 回 路 自 耦 变 压 器 的 接 入 系 数 ， 2n 是 一 次 、 二 次 侧 之 间 变 压 器 耦 合 的 接 入 系 数 2ieY1T /LY将 下 一 级 放 大 器 的 输 入 导 纳 和 回 路 导 纳 都 等 效 为集 电 极 回 路 的 等 效 负 载 导 纳 信息工程学院25iU ie1Y cre1UY ife1UY oe1Y cU

18、bI cI /LY(c) )1(1 ie2221p21/L YnLjCjgnY 图 2-3-2 单 调 谐 放 大 器 等 效 电 路 信息工程学院26ife1 UYn G/C(e) 2o/o nUU311L图 2-3-2 单 调 谐 放 大 器 等 效 电 路 信息工程学院27 1. 放 大 器 的 输 入 导 纳 由 图 2-3-2 b可 得 到 ： iU ie1Y cre1UY ife1UY cUbI cI 1C pg 1L1n2ie22Ynoe1Y /LY (b) 1 2 3 c1rei1ieb UYUYI Lcc1oei1fec YUUYUYI 所 以 )( iLoe1 fe1rei

19、ie1b UYY YYUYI放 大 器 的 输 入 导 纳 为 L1oe 1fe1re1ieibi YY YYYUIY (2-3-4) )1(1 ie2221p21/L YnLjCjgnY 信息工程学院28 2. 电 压 增 益 )1(1 ie2221p21/L YnLjCjgnY (2-3-1) 由 图 2-3-2 c中 由 电 压 放 大 倍 数 的 定 义 有 : iou UUA (2-3-5) 1T cU先 求 的 集 电 极 电 压 /Lcfei1oecc YUYUYUI ， 由 图 2-3-2 c中 /L1oe ifec YY UYU (2-3-6) 信息工程学院29 根 据 变

20、压 器 电 压 变 换 关 系 ， 由 图 2-3-2 a 可 得 sI sY iU ie1Y cUbI cI 1C pg 1L 2L1n 2n ie2Y oUcre1UY ife1UY oe1Y （ a） 1 2 3 4 5/oU )1( 1/ e1f21 LCjG Ynn )( /L1oe ifec YY UYU )(1 /L1oe ife12c12/o1o YY UYnnUnnUnU 于 是 ， )( /Le1o1 fe12iou YYn YnUUA o2/o 1 UnU o21/o1c UnnUnU (2-3-8) L1eo21 fe121 YYn Ynn 信息工程学院30 求 电 压

21、 增 益 的 方 法 之 二也 可 以 将 图 2-3-2 b 等 效 为 图 2-3-2 e ， 从 图 中 得 到 ife1 UYn G/C (e) 2o/o nUU 3 11L )1(1 1 ife11o2/o LCjG UYnUnU )1( 1 ife121o LCjG UYnnU PLe1f211/ e1f21iou 21 1)1( f fjQGYnnLCjG YnnUUA “ ” 号 表 示 共 射 极 放 大 器 的 反 相 作 用 信息工程学院31 7.0BWPf 7.0BW Pf Pff 考 虑 到 在 调 谐 放 大 器 中 ， 通 频 带 与 调 谐 放 大 器 中 心通

22、 常 满 足 关 系 式 : ， 这 时 将时 晶 体 管 的 Y参 数 表 示 为 : 工 作 频 率 eieiei CjgY eoeoeo CjgY P2ie221oe21 ggngnG 12ei221eo21/ CCnCnC /1P 21 CLf GCQ /PL 当 Pff 时 2ei221eo21p fe21ef21uo gngng ynnG ynnA (2-3-12) 信息工程学院32 3. 通 频 带 与 选 择 性 单 调 谐 放 大 器 随 频 率 f而 变 化 的 曲 线 如 图 2-3-3(a)所 示 ，称 为 放 大 器 的 谐 振 曲 线 (幅 频 特 性 )2uou

23、1 1 AA 0.7071f pf 2f f 7.0BW令 21 ， 可 得 到 单调 谐 放 大 器 的 通 频 带 为 : LP7.0BW Qf 图 2-3-3 单 调 谐 放 大 器 的 频 率 特 性 信息工程学院33 由 回 路 的 有 载 品 质 因 数 GCQ /PL 可 得 到 : 7.0/P /P7.0 BW2BW Cf CG 7.0BW uoA由 此 可 得 到 放 大 器 通 频 带 与 之 间 的 关 系 7.0/ fe21uo BW2 C ynnA (2-3-16) efy 1n 2n /C当 晶 体 管 参 数 且 回 路 参 数 、 及 也 确 定 时 : 一 定

24、 常 数 2BW /fe217.0uo CynnA (2-3-17) 信息工程学院34 4. 功 率 增 益 1ei21 2e2oioP0 gU gUPPA i 在 满 足 1L Q 条 件 时 将 全 部 参 数 折 合 并 等 效 为 一 个 典 型的 LC并 联 回 路 , 只 是 一 种 工 程 近 似 ， 若 不 满 足 这 个 条 件 ，这 种 等 效 折 合 将 带 来 较 大 误 差 。 0 oP iP当 电 路 谐 振 时 ， 图 2-3-2 e 所 示 等 效 电 路 中 只 留 下与 输 入之 比 ， 为 放 大 器 的 功 率 增 益 总 电 导 G ， 放 大 器 输

25、 送 到 下 一 级 放 大 器 的 功 率激 励 功 率 1ee2i2u021ei 2fe2ei2221 iggAGg ygnn (2-3-18) 信息工程学院35 Pg eo21 gn当 回 路 本 身 固 有 损 耗 时 ， 配 匹 的 条 件 是 ： e2i22L22eo21 gngngn 由 式 （ 2-3-18） 可 得 最 大 功 率 增 益 为 ： e1ioe2feimaxomaxP0 4 ggyPPA （ 2-3-19 fefe Yy 其 中 ， 实 际 电 路 中 ， 回 路 本 身 固 有 损 耗 Pg 不 容 忽 略 ， 因 此 实 际功 率 增 益 可 表 示 为 1

26、ie2ie2L1oe21 fe1211ee2i2uP )( ggYyn ynnggAA i (2-3-20) 信息工程学院36 谐 振 时 0 1ie2ie20u1ie2ie22ie221oe21p1 fe121P0 )( ggAgggnyng ynnA 1ee2i2uP iggAA ie12ie22 2fe2221 )01( ggG ynn 22 22ie221oe2122ie221oe21 2ie1oe22211ie1oe2fe 1 1)()( 44 G gngngngn ggnnggy 信息工程学院37 令 2ie22 1oe21 gn gnq ， 称 为 失 配 系 数 。 p2ie2

27、21oe21 gGgngn 0且 谐 振 时 ，22 2p21ie1oe2fep 1 1)()1( 44 GgGqqggyA scmax0P2PL21ie1oe2fe )1()1( 44 AQQqqggy 2pLc )1( QQ 称 为 回 路 的 插 入 损 耗 ， 2s )1( 4qq 称 为 失 配 损 耗 。 信息工程学院38 例 2-3-1 解 : 设 reY 的 影 响 暂 不 考 虑 , 则 回 路 总 电 导 为 : ei22eo21p gngngG 1 1 0.4 (0.3)2 1.5=1.54 (mS) 由 已 知 参 数 ， 可 得 到 谐 振 时 的 电 压 增 益 为

28、 : 1154.1 583.0ef21uo GynnA回 路 总 电 容 为 35108.0)10302( 11 6262P/ LC pF 回 路 外 接 电 容 应 为 通 频 带 为 : 2.72BW uo/ ef217.0 AC ynn MH z 4.2412)3.0(5.935 2ie22eo21/ CnCnCC pF 信息工程学院39 5. 计 算 接 入 系 数 的 考 虑 1n 2n、 的 设 计 有 多 种 考 虑 ， 在 功 率 配 匹 条 件 下 ， 由 功 率 配 匹 的 条 件 L22eo21 gngn P L22P eo21 PL 1 ggnggn QQ 由 上 述

29、两 式 可 解 得 )1(2 LPeoP1 QQggn )1(2 LpLP2 QQggn 信息工程学院40 6. 多 级 单 调 谐 放 大 器 的 级 联 un2u1u , AAA nA 假 设 一 个 放 大 电 路 由 n级 放 大 器 级 联 而 成 ， 各 级 的 电 压， 则 总 放 大 倍 数 为 : 增 益 分 别 为 uun2u1unu AAAAA 如 果 n级 放 大 器 通 频 带 一 样 、 增 益 相 同 ， 即 有 un2uu1 AAA nnuonu )1( jAA Pff n0u0nu AA 当 即 (=0)时 ， n级 放 大 器 总 放 大 倍 数 : ， 谐

30、 振曲 线 表 示 为 n nuonun )1( 1 jAA 信息工程学院41 多 级 放 大 器 谐 振 特 性 及 通 频 带n 2PPn )2(1 1 f fQ 令 707.0 n 求 得 : 1n/1PPn/1n7.0 BW1212)BW( Qf式 中 ， PP1BW Qf 是 单 级 放 大 器 的 通 频 带 图 2-3-4 多 级 放 大 器 的 谐 振 曲 线 信息工程学院42 2.3.1.2 双 调 谐 放 大 器 多 级 放 大 器 级 联 时 ， 虽 然 电 压 放 大 倍 数 增 加 较 多 ， 通 频带 却 变 窄 ， 选 择 性 虽 有 所 改 善 ， 但 与 理

31、想 矩 形 相 比 ， 仍相 差 较 大 。 为 解 决 上 述 矛 盾 ， 晶 体 管 集 电 极 回 路 采 用 双调 谐 回 路 ， 可 以 使 放 大 器 具 有 较 好 的 选 择 性 和 较 宽 的 频带 ， 这 种 放 大 器 称 为 双 调 谐 放 大 器 。 图 2-3-5所 示 是 一 种 常 用 的 双 调 谐 放 大 电 路 。 信息工程学院43其 中 54e3b21 RRCRCRR 、 等 是 直 流 偏 置 电 路 图 2-3-5 双 调 谐 放 大 电 路 信息工程学院44 1T 1L1C 图 2-3-5 双 调 谐 放 大 电 路 交 流 通 路 iu+ - 2

32、Tou + - 2L 1 2 3 4 52n1nTr1 Tr2 6 2C 信息工程学院45Y参 数 等 效 电 路典 型 的 双 回 路 等 效 电 路 图 2-3-6 双 调 谐 放 大 器 等 效 电 路 信息工程学院46 LLL 21 CCC 21 LC1P2P1P ie2222oe1211 CnCCnCC ie2221oe2121 gngnGGG )(1 PL21LL LGQQQ 为 分 析 方 便 ， 设 一 次 、 二 次 侧 回 路 元 件 参 数 相 同 ， 即 : p1g 2pg则 得 到 如 图 2-3-6 b所 示 的 效 电 路 ， 这 是 一 个 典 型 的、 ） 互

33、 感 耦 合 双 调 谐 回 路 (未 考 虑 信息工程学院47 (1) 电 压 放 大 倍 数 由 图 2-3-6 b， 并 根 据 电 路 分 析 理 论 列 出 下 列 方 程 : /cU1G/cI /oU1L 2LC /C 2G M (b) ife1/c UYnI o2/o 1 UnU c1/c 1 UnU 2o/2/c2 2o2/c/1ife1 )1()(0 )()1( nULjCjGULj Mj nULj MjULjCjGUYn (2-3-31) 信息工程学院48 考 虑 到 两 个 回 路 的 参 数 相 同 ， 可 得 到 2)1( 221fe21u jGYnnjA 2222f

34、e21uu 4)1( GYnnAA LKQ pL 2f fQ LMK 式 中 , 是 回 路 耦 合 因 数 , 是 回 路 的 相 对表 示 回 路 的 耦 合 程 度 ， 称 为 回 路 耦 合 系 数 。 失 谐 , 当 一 次 、 二 次 侧 回 路 谐 振 (=0)时 , 放 大 器 电 压 增 益 2fe21u0 1 GynnA 信息工程学院49 双 调 谐 放 大 器 谐 振 特 性 曲 线 和 电 压 放 大 倍 数 的 一 般 表 达 式分 别 为 2222 2u0u 4)1( 1 AA GynnA fe21u0 21 （ =1 时 ） 当 =1时 ， 称 为 临 界 耦 合

35、 ， 双 调 谐 放 大 器 已 达 到 匹 配 。 当 1时 ， 称 为 强 耦 合 ， 放 大 器 谐 振 曲 线 为 双 峰 。 信息工程学院50 双 调 谐 放 大 器 谐 振 曲 线 1707.0 1 f pf 图 2-3-7 双 调 谐 放 大 器 谐 振 曲 线 0 17.0BW 1 信息工程学院51 (2) 通 频 带 与 选 择 性 双 调 谐 放 大 器 较 常 使 用 的 是 临 界 耦 合 ， 这 时 的 谐 振 曲 线 为 : 44PLu0u 4 2)2(4 2 f fQAA LP7.0 2BW Qf令 = 0.707， 得 通 频 带 为 : 同 样 可 得 矩 形

36、 系 数 为 : 16.3BWBW 7.0 1.01.0 K 信息工程学院52 （ 3） 多 级 双 调 谐 放 大 器 nn AAA )()( u0u1nu 44u0un )4 2()( nAA根 据 上 式 ， 可 求 得 n级 双 调 谐 放 大 器 的 通 频 带 为 : LP4 /1n7.0 212)BW( Qfn 4 /1 12 n 称 为 通 频 带 缩 小 系 数 。 信息工程学院53 2.3.2 场 效 应 管 调 谐 放 大 器 (1) 场 效 应 管 在 正 常 工 作 时 ， 栅 极 电 流 很 小 (A级 )， 所 以 场 效 应管 的 输 入 阻 抗 很 高 ， 一

37、 般 在 107以 上 。 (2) 场 效 应 管 的 恒 流 特 性 比 晶 体 管 好 ， 在 恒 流 区 内 ， 场 效 应 管 的输 出 电 阻 比 晶 体 管 的 输 出 电 阻 大 。 场 效 应 管 的 输 入 、 输 出 阻 抗 较大 ， 有 利 于 提 高 调 谐 回 路 的 Q值 ， 提 高 调 谐 放 大 器 的 选 择 性 。 图 2-3-9 共 源 极 放 大 器 信息工程学院54 2.3.3 调 谐 放 大 器 的 稳 定 性 2.3.3.1谐 振 放 大 器 不 稳 定 的 原 因 cU reY前 面 分 析 小 信 号 谐 振 放 大 器 时 曾 假 定 放 大

38、 电 路 中 晶 体 管 的0re Y 0re Y。 但 在 实 际 应 用 中 ， 晶 体 管 的 反 向 传 输 导 纳， 放 大 器 的 输 出 电 压 可 通 过 反 馈 到 输 入 端 ， 使 输 入电 流 发 生 变 化 。 图 2-3-13 小 信 号 谐 振 放 大 器 输 入 ,输 出 回 路 等 效 电 路 信息工程学院55 如 前 所 述 ， 放 大 器 的 输 入 导 纳 是 频 率 的 函 数 FYYYY YYYUIY ieLoe fereieibi reY reY式 中 ， 第 一 项 反 映 晶 体 管 的 输 入 导 纳 ， 第 二 项 表 示 由 反 向引 入

39、 的 输 出 回 路 对 输 入 回 路 的 影 响 ， 即 由引 入 了 反 馈 。 传 输 导 纳设 ssss 1LjCjgY ieieie CjgY 令 FFLoe fereF jBgYY YYY 当 ss 1LC 时 ss gY 0F B 时 ， FF gY 信息工程学院56 然 而 Fg 与 频 率 有 关 ， 它 可 能 为 负 值 ， 即 负 电 导 。 若 满 足 0)( iesF ggg ， 则 电 路 产 生 振 荡 。 2.3.3.3 提 高 谐 振 放 大 器 稳 定 性 的 措 施 为 了 减 小 内 部 反 馈 对 放 大 器 稳 定 性 的 影 响 ， 在 选 用

40、 晶 体 管 cb/C 小 的 器 件 ， 频 率 很 高 时 ， 应 选 用 砷 化时 ， 应 尽 量 选 用镓 器 件 。 此 外 也 可 在 电 路 上 采 取 措 施 消 除 晶 体 管 内 部 反 馈作 用 ， 常 用 的 方 法 是 中 和 法 以 及 失 配 法 。 例 2-3-2 信息工程学院57 (1) 中 和 法 NC 2C 2L ccUT (a) NC cbC 2C ALBLBCDA (b) oU BLAL BC D A NC cbC oUiU (c)图 2-3-14中 和 法 消 除 内 部 反 馈平 衡 条 件 为 cbBNA /11 CLCL 即 cbBAN /CL

41、LC 信息工程学院58 (2) 失 配 法 例 2-3-3 图 2-3-15共 射 共 基 级 联 放 大 器 信息工程学院59 2.4 高 频 集 成 放 大 器 2.4.1 高 频 集 成 放 大 器 的 特 点 n (1) 电 路 结 构 与 元 器 件 参 数 具 有 对 称 性 。 在 集 成 电 路 的 制 作 工艺 中 ， 相 同 元 器 件 制 作 工 艺 相 同 ， 特 性 和 参 数 的 一 致 性 好 。 往往 采 用 结 构 对 称 或 元 件 参 数 匹 配 的 电 路 形 式 (如 差 分 放 大 器 等 )，利 用 参 数 补 偿 的 原 理 来 提 高 电 路

42、的 性 能 ， 尤 其 是 提 高 电 路 的 高频 特 性 。n (2) 用 有 源 器 件 代 替 无 源 器 件 。 由 于 集 成 化 的 晶 体 管 有 源 器 件占 用 的 芯 片 面 积 小 ， 参 数 也 易 匹 配 ， 在 模 拟 集 成 电 路 中 ， 通 常用 晶 体 管 或 FET等 有 源 器 件 代 替 电 路 中 的 电 阻 、 电 容 等 无 源器 件 。 n (3) 采 用 复 合 结 构 的 电 路 。 由 于 复 合 结 构 电 路 的 性 能 好 ， 因 而在 模 拟 集 成 电 路 中 ， 常 采 用 复 合 晶 体 管 ： 共 射 共 基 组 合 、

43、 共集 共 基 组 合 或 共 源 共 栅 组 合 等 复 合 结 构 电 路 。n (4) 外 接 元 件 少 、 可 靠 性 高 。 由 于 在 半 导 体 芯 片 上 制 作 电 感 、大 容 量 电 容 及 高 阻 值 电 阻 等 较 为 困 难 。 信息工程学院60 2.4.2 高 频 集 成 电 路 放 大 器 2.4.2.1 高 频 集 成 选 频 放 大 电 路 图 2-4-1 MC1350组 成 的 放 大 器 信息工程学院61 2.4.2.2 高 频 宽 带 放 大 器 图 2-4-3 TA7060组 成 的 放 大 器图 2-4-4 高 频 宽 带 集 成 放 大 器 u

44、pc1651 信息工程学院62 2.5 放 大 器 的 噪 声 2.5.1内 部 噪 声 的 特 点 和 来 源 2.5.1.1电 阻 热 噪 声 内 部 噪 声 主 要 由 电 阻 、 谐 振 电 路 和 半 导 体 器 件 内 部所 具 有 的 带 电 粒 子 无 规 则 运 动 产 生 的 。 电 阻 内 部 的 带 电 粒 子 （ 自 由 电 子 ） 在 一 定 温 度 下 ，总 是 处 于 无 规 则 的 热 运 动 状 态 ， 产 生 起 伏 电 流 脉 冲 。 大量 的 带 电 粒 子 所 产 生 的 许 多 个 起 伏 电 流 脉 冲 相 叠 加 ， 就形 成 了 电 阻 的

45、热 噪 声 电 流 ， 从 而 可 在 电 阻 两 端 产 生 噪 声电 压 和 噪 声 功 率 。 信息工程学院63 电 阻 热 噪 声 作 为 一 种 随 机 信 号 ， 它 具 有 极 宽 的 频 谱 范 围 ，如 图 2-5-1所 示 。 f)(fS0 nf 图 2-5-1 起 伏 噪 声 频 谱 有 色 噪 声 白 噪 声 信息工程学院64 电 阻 热 噪 声 作 为 一 种 随 机 信 号 ， 它 具 有 极 宽 的 频 谱 范 围 ，1310 H z以 上 的 频 率如 图 2-5-1所 示 。 在 直 流 分 量 一 直 到范 围 内 ， 电 阻 热 噪 声 的 各 频 率 分

46、 量 的 强 度 基 本 相 等 。 起 伏 电 流 流 过 电 阻 R时 ， 电 阻 两 端 会 产 生 噪 声 电 压 nu和 噪 声 功 率 。 若 用 )( fS 表 示 噪 声 的 功 率 谱 密 度 ,单 位 为 W/H z , 则 KTRfS 4)( 尽 管 电 阻 热 噪 声 的 频 谱 很 宽 ， 但 经 过 通 频 带 为 7.0BW的 放 大 器 后 ， 热 噪 声 的 频 谱 由 放 大 器 的 带 宽 所 确 定 。 信息工程学院65 假 设 热 噪 声 的 频 谱 所 占 等 效 带 宽 为 nf ,则 电 阻 热 噪 声 在单 位 频 带 内 的 热 噪 声 电

47、压 和 热 噪 声 电 流 的 均 方 值 分 别 为 ： n_2n 4 fKTRu n_2n 4 fKTGi 噪 声 电 压 的 有 效 值 为 : n2n 4 fKTRu 图 2-5-2 电 阻 热 噪 声 等 效 电 路 信息工程学院66 2.5.1.2 晶 体 管 的 噪 声 (1) 散 粒 噪 声 散 粒 噪 声 是 晶 体 管 的 主 要 噪 声 。 由 于 晶 体 管 内 部 载 流 子 随 机 地 通 过 PN结 ， 即 单 位 时间 内 通 过 PN结 的 载 流 子 数 目 不 同 ， 使 得 通 过 集 电 结 的 电流 在 平 均 值 上 下 作 不 规 则 的 起 伏

48、 变 化 ， 其 基 本 性 质 与 热 噪声 相 似 ， 频 谱 范 围 也 非 常 宽 。 其 中 ， 发 射 结 散 粒 噪 声 电 流 的 均 方 值 为 nE_2en 2 fqIi (2) 热 噪 声 nbb_2bn /4 fKTru (3) 分 配 噪 声 )1(2 02nc_2cn fqIi 信息工程学院67 2.5.2 噪 声 系 数2.5.2.1 放 大 器 的 噪 声 系 数 定 义 ns PPfN电 路 中 某 一 特 定 点 的 信 号 功 率 与 噪 声 功 率 的 比 ， 称 为（ 或 S/N） 表 示 ， 放 大 器 的 噪 声 系 数 定 义表 示 ， 即 信

49、噪 比 ， 用为 放 大 器 的 输 入 信 噪 比 (S/N)i 与 输 出 信 噪 比 (S/N)o的 比 ，且 用 符 号 )( )/()( )( noso nisioif PP PPNS NSN 或 )( )/(lg10)( )(lg10)dB( noso nisioif PP PPNS NSN （ 5-2-12） 信息工程学院68 )( nisi PP )( noso PP式 中 和 分 别 为 放 大 器 的 输 入 端 信 噪 比 和输 出 端 信 噪 比 。 susiP niPsR输 入 端 的 信 号 功 率 噪 声 功 率由 信 号 源 电 压由 信 号 源 内 阻 的 热

50、 噪 声 所 产 生 ， 产 生 ，和 放 大 器 本 身 的 噪 声 共 同 在 放 大 器 的 输 出 端 产 生 的 总noP sR是 由 的 热 噪 声噪 声 功 率 ， 于 是 ， 式 (2-5-12)又 可 以 写 为 Pni nonoso nisif )( )/( APPPP PPN 信息工程学院69 Pni nonoso nisif )( )/( APPPP PPN sisoP PPA niPnoI PAP sR 为 放 大 器 的 功 率 增 益 ， 若 用表 示 产 生 的 噪 声 经 放 大 器 放 大 后 ， 在 输 出 端 产 生 的 噪声 功 率 ， 则 noIno

51、f PPN fN noP noIP这 表 明 只 与 放 大 器 输 出 端 的 两 个 噪 声 功 率 和有 关 ， 而 与 输 入 信 号 无 关 。 实 际 上 放 大 器 输 出 端 的 总 噪 声 功 率 nAniPnAnoIno PPAPPP 信息工程学院70 noP noIP显 然 ， 由 式 Pni nonoso nisif )( )/( APPPP PPN niPnAf 1 PAPN 可 以 得 放 大 器 自 身 内 部 噪 声 0 nAP因 此 1f N 信息工程学院71 2.5.2.3 多 级 放 大 器 的 噪 声 系 数 pm2pm1 AA 、2f1f NN 、 7

52、.0BW每 一 级 的 额 定 功 率 增 益 和 噪 声 系 数 分 别 为和 ， 通 频 带 都 为 图 2-5-5 两 级 放 大 器 级 联 的 框 图 信息工程学院72 经 过 两 级 放 大 器 后 的 输 出 噪 声 功 率 包 括 三 部 分 ： (1) 信 号 源 内 阻 热 噪 声 经 过 两 级 放 大 器 后 ， 在 输 出 端 产 生2pm1pmni AAP ； 的 噪 声 功 率 为 2pmnA1AP nipm2pm1f1nA1pm2 )1( PAANPA (2) 第 一 级 放 大 器 本 身 内 部 噪 声 经 第 二 级 放 大 器 后 ,在 输 出， 由 式

53、 (2-5-19)可 知 ：； 端 产 生 的 噪 声 功 率 为nA2P nipm22f2nA )1( PANP (3) 第 二 级 放 大 器 本 身 内 部 噪 声 在 输 出 端 产 生 的 噪 声 功 率 为， 由 式 (2-5-19)可 知 ： 。所 以 ， 两 级 放 大 器 的 总 噪 声 功 率 为 ： nA2pm2nA1pm21pmni 2no PAPAAPP 信息工程学院73 噪 声 系 数 为 pm1f21fnipm2pm1 no221f 1)( ANNPAA PN (2-5-21) 同 理 ， 可 得 到 n级 放 大 器 级 联 时 的 总 噪 声 系 数 为 1)

54、pm(npm2pm1 fnpm2pm13f1pmf21fn1f 111)( AAA NAANANNN 结 论 :多 级 放 大 器 的 总 噪 声 系 数 ,主 要 取 决 于 前 一 、二 级 ,后 面 各 级 的 噪 声 系 数 对 总 噪 声 系 数 的 影 响 较 小 。 信息工程学院74 本章要点n 重 点 掌 握 小 信 号 谐 振 单 调 谐 放 大 器 的 电路 组 成 及 分 析 方 法 ； 放 大 器 的 噪 声 系 数 ；n 难 点 调 谐 放 大 器 的 接 入 系 数 、 Y参 数 等 效电 路 分 析 方 法n 熟 悉 双 调 谐 放 大 器 、 多 级 放 大 器 的 特 点 ；放 大 器 的 稳 定 性 ；n 了 解 放 大 器 的 噪 声 来 源