高频小信号放大器

一、学习目标与要求

1.掌握单调谐回路谐振放大器工作原理的分析方法，理解提高稳定性措施；

2.了解同步调谐放大器和双参差调谐放大器工作原理；

3.了解双调谐放大电路，能够识读各种类型的谐振放大器电路；

4.了解集中选频放大器电路；了解噪声概念；

二、学习要点

（一）高频小信号放大器的分类

（l）按器件分类

高频小信号放大器若按器件分可分为晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器。

(2)按通带分类

高频小信号放大器若按通带分可分为窄带放大器、宽带放大器。

（3）按负载分类

高频小信号放大器若按负载分可分为谐振放大器、非谐振放大器。

本章重点介绍单级窄带负载为I．C调谐回路的谐振放大器，这种放大器不仅有放大作用，而且有选频作用。对其他器件的单级谐振放大器、各种级联放大器以及集成电路放大器这略加讨论。

（二） 高频小信号放大器的质量指标 

1.增益（放大系数）

放大器输出电压Vo(或功率P。)与输入电压Vi（或功率Pi）之比，称为放大器的增益或放大倍数，用Av（或AP）表示（有时以dB数计算）。我们希望每级放大器在中心频率（谐振频率）及通频带处的增益尽量大，使满足总增益时级数尽量少。

电压增益：     (6-1)

功率增益：   （6-2）

2.通频带

放大器的电压增益下降到最大值的0，7（即v ／1）倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用B＝2△f0.7表示，如图3－l所示。2△f0.7也称为3分贝带宽。

图6－1 高频小信号放大器的通频带

   与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数Qe。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变窄，并且，通频带愈宽，放大器的增益愈小。

3．选择性

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性，选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。

矩形系数（见图6-2）：   (6-3)

2△f0.1为放大倍数下降至0．1处的带宽，Kr0.1愈接近于1越好。Kr0.1表示对邻值干扰的抑制能力。

图6-2  理想的与实际的频率特性

4．工作稳定性

工作稳定性是指在电源电压变化或器件参数变化时，增益、通频带、选择性三个参数的稳定程度。为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。

5．噪声系数

放大器的噪声性能可用噪声系数表示：

   (6-4)

NF越接近1越好。在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。

  以上这些要求，相互之间既有联系又有矛盾。增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。因此应根据需要决定主次，进行分析和设计。

（三） 晶体管高频小信号等效电路与参数

  高频小信号放大器由于信号小，可以认为它工作在晶体管的线性范围内，常采用有源线性四端网络进行分析。y参数等效电路和混合π等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型。

 y参数与混合π参数有对应关系，y参数不仅与静态工作点有关，而且是工作频率的函数。

 晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。

晶体管在高频运用时s它的等效电路主要有两种表示方法，形式等效电路和物理模拟等效电路（混合t等效电路）。

1．形式等效电路（y参数等效电路）

 形式等效电路把晶体管等效为有源四端网络，高频等效电路中主要采用y参数进行分析，即U1、U2，为自变量，I1，、I2为参变量。

图6-3 为晶体管共发电路的y参数等效电路。

           （6-5）        

            （6-6）           

其中，称为输出短路时的输入导纳；

称为输入短路时的反向传输导纳；

称为输出短路时的正向传输导纳；

称为输入短路时的输出导纳。

2．物理模拟等效电路（混合π等效电路）

图6-4为晶体管混合π等效电路

图中各元件名称及典型值范围如下：  

   ｒbb′： 基区体电阻, 约１５Ω～５０Ω 。  

   ｒb′e： 发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻, 约几十欧到几千欧。  

 ｒb′c：集电结电阻, 约１０kΩ～１０MΩ。  

   ｒce：集电极—发射极电阻, 几十千欧以上。

   ｃb′e：发射结电容, 约１０ 皮法到几百皮法。 

   ｃb′c：集电结电容, 约几个皮法。 

   ｇm：晶体管跨导, 几十毫西门子以下。 

3．混合π等效电路的简化

由于集电结电容C b′c跨接在输入输出端之间, 是双向传输元件, 使电路的分析复杂化。为了简化电路, 可以把C b′c 折合到输入端b′、 e之间, 与电容C b′e并联, 其等效电容为：

        CM =(1+gmR′L)Cb′c       (2.1)

   即把Cb′c的作用等效到输入端, 这就是密勒效应。其中gm是晶体管跨导, R′L是考虑负载后的输出端总电阻, CM称为密勒电容。 

另外, 由于rce和rb′c较大, 一般可以将其开路。这样, 利用密勒效应后的简化高频混合π型等效电路如图（6—4）所示。

图6—5  简化高频混合π型等效电路

（四）  晶体管谐振放大器

1．单级单调谐回路谐振放大器

单级单调谐回路共发放大器就是晶体管共发电路和并联回路的组合，如图（6—5）

所示。前面分析的晶体管等效电路和并联回路的结论均可应用。

2．单级单调谐回路谐振放大器的质呈指标

（1）电压增益

   （6-7）

谐振时电压放大增益达到最大值：

，   （6-8）

（2）放大器的通频带

放大器随f而变化的曲线，叫放大器的谐振曲线，如图6－6所示。

当时得为放大器的通频带。

（3）选择性

单调谐放大器的选择性用矩形系数表示为

（6—9）

单调谐放大器的矩形系数比1大得多，因此选择性比较差。

3．多级单调谐回路谐振放大器             、

（1）多级放大器的电压增益

     假如，放大器有n级，各级的电压增益分别为、、…, 则总增益为各级增益的乘积，即

  （6—10）

如果多级放大器是由完全相同的单级放大器组成的，则

  （6—11）

（2）多级放大器的通频带

对n级放大器而言，通频带为

  （6-12）

式中，2Δf0.7为单级放大器的通频带，称为带宽缩减因子，它意味着级数增加后，总通频带变窄的程度。

（3）多级单调谐放大器的选择性（矩形系数）

n级单调谐回路放大器的矩形系数为

  单调谐回路放大器的优点是电路简单·调试容易，其缺点是选择性差（矩形系数离理想的矩形系数K。l＝l较远），增益和通频带的矛盾比较突出。要解决这个矛盾常采用双调谐回路谐振放大器。

（五） 谐振放大器的稳定性

1、自激产生的原因

由于晶体管为双向器件，内部存在反向传输导纳，所以当放大器的正反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消时，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。

2、克服自激的方法

由于晶体管由反向传输导纳存在，实际上晶体管为双向器件。为了抵消或减少反向传输导纳的作用，应使晶体管单向化。

  单向化的方法有两种：一种是消除反向传输导纳的反馈作用，称为中和法；另一种是使负载电导gL或信号源电导的数值加大，使得输人或输出回路与晶体管失去匹配，称为失配法。

（1）中和法

在晶体管的输出端和输入端之间插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。具体线路如图6－5所示，CN为外接电容，由于反向传输导纳与ω有关，故中和法只能在一个频率上完全中和。

图6－7 共发一共基级联放大器电路

（2）失配法

失配法是以牺牲增益来提高放大器的稳定性的。

    失配法一般采用共发共基级联放大器实现，如图6－6所示。复合管的输人导纳和输出导纳基本上不再互相依赖，可把它看成单向器件。级联放大器的输出端可以直接和阻抗较高的调谐回路相匹配，不再需要抽头接人，有利于提高放大器的增益。

（3）中和法与失配法的优缺点

  中和法的优点是电路简单，增益不受影响；其缺点是只能在一个频率上完全中和，不适合宽带放大器；因为晶体管离散性大，所以实际调整麻烦，不适于批量生产。采用中和法来稳定放大器工作，对由于温度等原因引起的各种参数变化没有改善效果。

 失配法的优点是性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。

失配法的缺点是增益较低。

（六）  集成电路谐振放大器

  放大器件用集成电路构成的调谐放大器称集成调谐放大器。集成电路体积小、外部接线及焊点少，使电路的工作频率、稳定性、可靠性可以提高。但高品质因数电感和较大的电容不易在基片上制造，使选频放大器不能全部集成化，通常需外接选频电路和一些相关元件。

 在选择集成电路时，首先考虑工作频率范围和3dB带宽，再考虑其增益、噪茹系数、输出阻抗等因素。有些器件具有自动增益控制（AGC）功能，从器件AGO磊施加电压（或电流）可控制其增益。

三、典型例题

[例1] 在图中, 已知工作频率ｆ0＝３０MHz, Ｖcc＝６Ｖ, Ｉe＝２ mA。晶体管采用３ＤＧ４７型高频管。其Ｙ参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：gie=12mS,Cie=12pF；goe=400μS,Coe=95pF；|yfe|=583mS, ∠φfe=-22°；|yre|=310μS, ∠φre=-888°, 回路电感Ｌ＝１４μH, 接入系数ｎ1＝１, ｎ2＝０３, Ｑ0＝１００。负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增益振幅Ａu0和通频带ＢＷ07，并求回路电容Ｃ是多少时, 才能使回路谐振？

解：因为

=37.9×10-6+400×10-6+0.32×12×10-3 

=0.55×10-3S

从而：Au0=

因为

又

所以

由     Qe = 

可得：

【例2】某中频放大器的通频带为６MHz, 现采用两级或三级相同的单调谐放大器, 两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少？ 

解: 根据式, 当n=2时, 因为

所以, 要求每一级带宽

同理, 当ｎ＝３时, 要求每一级带宽

四、思考题和习题

1． 小信号谐振放大器有何特点？

2．单调谐放大器有哪些主要技术指标？它们主要与哪些因素有关？为什么不能单纯追求最大的放大量？

3．如何理大倍数、噪声系数与灵敏度之间的关系？如何理解选择性与通频带的关系？

    4．参差调谐放大电路与多级单调谐放大电路的区别是什么？

5．双参差调谐放大电路与双调谐放大电路有什么异同？ 

6．集中调谐放大电路与多级调谐放大电路比较有什么优点？

7． 在同步调谐的多级单谐振回路放大器中，当级数增加时，放大器的选择性和通频带将如何变化？

8．集中选频放大器如何构成？它有什么优点？

9．什么是晶体与压电陶瓷的压电效应？

10． 说明陶瓷滤波器和声表面波滤波器的工作特点。

11． 噪声是如何定义的？主要来自哪几个方面？

12． 什么是噪声系数？它对放大器的性能指标有哪些影响？

13．接收机的灵敏度取决于哪些参数？

14．在三级单调谐放大器中，工作频率为465，每级LC回路的＝40、试问总的通频带是多少？如果要使总的通频带为l0，则允许最大为多少？

15．已知单调谐放大器谐振电压增益＝10，通频带＝4，如果再用一级完全相同的放大器与之级联，这时两级放大器总增益和通频带各为多少？若要求级联后总通频带仍为4，则每级放大器应怎样改动？改动后总谐振电压增益是多少？

16．采用完全相同的三级单调谐放大电路组成的中放电路其总增益为66，为5，工作频率为465。求每级放大电路的增益、及每个回路的有载值应为多少？

17． 单调谐放大器如图6-1（a）所示。已知放大器的中心频率＝10.7，回路线圈电感＝4， =100，匝数＝20匝，＝5匝， = 5匝，，晶体管的参数为：。试求该放大器的谐振电压增益、通频带及回路外接电容C。

18． 单调谐放大器如图6-1（a）所示。中心频率＝30，晶体管工作点电流，回路电感＝1.4,＝100，匝比=＝2，＝3.5，，试求该放大器的谐振电压增益。