[學(xué)習(xí)]高頻小信號(hào)放大電路

1、２.１ 概述２.２ 晶體管高頻等效電路２.３ 諧振放大器２.４ 寬頻帶放大器２.５ 集中選頻放大器２.６ 電噪聲２.７ 集成高頻放大電路的選用與實(shí)例介紹２.８ 章末小結(jié),第2章 高頻小信號(hào)放大電路,返回主目錄,第2章 高頻小信號(hào)放大電路,2.1概述 高頻小信號(hào)放大電路分為窄頻帶放大電路和寬頻帶放大電路兩大類。前者對(duì)中心頻率在幾百千赫到幾百兆赫, 頻譜寬度在幾千赫到幾十兆赫內(nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)

2、行不失真的放大, 故不但需要有一定的電壓增益, 而且需要有選頻能力。后者對(duì)幾兆赫至幾百兆赫較寬頻帶內(nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大, 故要求放大電路的下限截止頻率很低(有些要求到零頻即直流), 上限截止頻率很高。 ,窄頻帶放大電路由雙極型晶體管(以下簡(jiǎn)稱晶體管)、場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路等有源器件提供電壓增益, LC諧振回路、陶瓷濾波器、石英晶體濾波器或聲表面波濾波器等器件實(shí)現(xiàn)選頻功能。它有兩種主要類型：以分立元件為主的諧振放大器和以集成電路為

3、主的集中選頻放大器。  寬頻帶放大電路也是由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路提供電壓增益。為了展寬工作頻帶,不但要求有源器件的高頻性能好, 而且在電路結(jié)構(gòu)上采取了一些改進(jìn)措施。  高頻小信號(hào)放大電路是線性放大電路。Y參數(shù)等效電路和混合π型等效電路是分析高頻晶體管電路線性工作的重要工具, 晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和電阻引起的電噪聲將直接影響放大器和整個(gè)電子系統(tǒng)的性能。本書(shū)將這兩部分內(nèi)容作為高頻電路的基礎(chǔ)也在這一章里討

4、論。 ,2.2晶體管高頻等效電路,晶體管在高頻線性運(yùn)用時(shí)常采用兩種等效電路進(jìn)行分析, 一是混合π型等效電路, 一是Ｙ參數(shù)等效電路。  前者是從模擬晶體管的物理機(jī)構(gòu)出發(fā), 用集中參數(shù)元件Ｒ、 Ｃ和受控源來(lái)表示管內(nèi)的復(fù)雜關(guān)系。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)元件值基本上與頻率無(wú)關(guān)。缺點(diǎn)是隨器件不同而有不少差別, 分析和測(cè)量不方便。因而混合π型等效電路法較適合于分析寬頻帶小信號(hào)放大器。 ,Ｙ參數(shù)法則是從

5、測(cè)量和使用的角度出發(fā), 把晶體管作為一個(gè)有源線性雙口網(wǎng)絡(luò), 用一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)構(gòu)成其等效電路。優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)出的表達(dá)式具有普遍意義, 分析和測(cè)量方便。 缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與頻率有關(guān)。由于高頻小信號(hào)諧振放大器相對(duì)頻帶較窄, 一般僅需考慮諧振頻率附近的特性, 因而采用這種分析方法較合適。,2.2.1 混合π型等效電路 圖2．2．1是晶體管高頻共發(fā)射極混合π型等效電路。 圖中各元件名稱及典型值范圍如下： 

6、 ｒbb′： 基區(qū)體電阻, 約１５Ω～５０Ω。  ｒb′e： 發(fā)射結(jié)電阻re折合到基極回路的等效電阻, 約幾十歐到幾千歐。  ｒb′c：集電結(jié)電阻, 約１０kΩ～１０MΩ。  ｒce：集電極—發(fā)射極電阻, 幾十千歐以上。,ｃb′e：發(fā)射結(jié)電容, 約１０ 皮法到幾百皮法。 ｃb′c：集電結(jié)電容, 約幾個(gè)皮法。 ｇm：晶體管跨導(dǎo), 幾十毫西門(mén)

7、子以下。 由于集電結(jié)電容C b′c跨接在輸入輸出端之間, 是雙向傳輸元件, 使電路的分析復(fù)雜化。為了簡(jiǎn)化電路, 可以把C b′c折合到輸入端b′、 e之間, 與電容C b′e并聯(lián), 其等效電容為： CM=(1+gmR′L)Cb′c (2.2.1) 即把Cb′c的作用等效到輸入端, 這就是密勒效應(yīng)。其中g(shù)m是晶體管跨導(dǎo), R′L是考慮負(fù)載后的輸出端總電阻, CM稱為密勒電容。,另外

8、, 由于rce和rb′c較大, 一般可以將其開(kāi)路。這樣, 利用密勒效應(yīng)后的簡(jiǎn)化高頻混合π型等效電路如圖2.2.2所示。  與各參數(shù)有關(guān)的公式如下：,re=,rb′e=(1+β0)reCb′e+Cb′c =,其中k為波爾茲曼常數(shù), T是電阻溫度(以絕對(duì)溫度K計(jì)量), IEQ是發(fā)射極靜態(tài)電流, β0是晶體管低頻短路電流放大系數(shù), fT是晶體管特征頻率。  確定晶體管混合π型參數(shù)可以先查閱手冊(cè)。

9、晶體管手冊(cè)中一般給出r bb′、Cb′c、β0和fT等參數(shù), 然后根據(jù)式(2.2.2)可以計(jì)算出其它參數(shù)。 注意各參數(shù)均與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。 ,2.2.2Ｙ參數(shù)等效電路 圖2.2.3是雙口網(wǎng)絡(luò)示意圖。  雙口網(wǎng)絡(luò)即具有兩個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)。所謂端口是指一對(duì)端鈕, 流入其中一個(gè)端鈕的電流總是等于流出另一個(gè)端鈕的電流。 而四端網(wǎng)絡(luò)雖然其外部結(jié)構(gòu)與雙口網(wǎng)絡(luò)相同, 但對(duì)流入流出電流沒(méi)有類似的規(guī)定, 這是兩者的區(qū)

10、別。  對(duì)于雙口網(wǎng)絡(luò), 在其每一個(gè)端口都只有一個(gè)電流變量和一個(gè)電壓變量, 因此共有四個(gè)端口變量。如設(shè)其中任意兩個(gè)為自變量, 其余兩個(gè)為應(yīng)變量, 則共有六種組合方式, 也就是有六組可能的方程用以表明雙口網(wǎng)絡(luò)端口變量之間的相互關(guān)系。 Ｙ參數(shù)方程就是其中的一組, 它是選取各端口的電壓為自變量, 電流為應(yīng)變量, 其方程如下：,,其中ｙ11、ｙ12、ｙ21、ｙ22四個(gè)參數(shù)均具有導(dǎo)納量綱, 且:,所以Ｙ參數(shù)又稱為短路導(dǎo)納參數(shù),

11、即確定這四個(gè)參數(shù)時(shí)必須使某一個(gè)端口電壓為零, 也就是使該端口交流短路。  現(xiàn)以共發(fā)射極接法的晶體管為例, 將其看作一個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò), 如圖2．2．4所示, 相應(yīng)的Ｙ參數(shù)方程為：,,其中, 輸入導(dǎo)納,反向傳輸導(dǎo)納,正向傳輸導(dǎo)納,輸出導(dǎo)納,圖中受控電流源 表示輸出電壓對(duì)輸入電流的控制作用（反向控制）； 表示輸入電壓對(duì)輸出電流的控制作用（正向控制）。ｙfe越大, 表示晶體管的放大能力越強(qiáng)；

12、ｙre越大, 表示晶體管的內(nèi)部反饋越強(qiáng)。ｙre的存在, 對(duì)實(shí)際工作帶來(lái)很大危害, 是諧振放大器自激的根源, 同時(shí)也使分析過(guò)程變得復(fù)雜, 因此應(yīng)盡可能使其減小, 或削弱它的影響。  晶體管的Ｙ參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量得到。根據(jù)Ｙ參數(shù)方程, 分別使輸出端或輸入端交流短路, 在另一端加上直流偏壓和交流信號(hào), 然后測(cè)量其輸入端或輸出端的交流電壓和交流電流, 代入式（2．2．6）中就可求得。通過(guò)查閱晶體管手冊(cè)也可得到各種型號(hào)晶體管的Ｙ參

13、數(shù)。,需要注意的是, Ｙ參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓值、電流值有關(guān), 而且是工作頻率的函數(shù)。例如當(dāng)發(fā)射極電流增加時(shí), 輸入與輸出電導(dǎo)都將加大。 當(dāng)工作頻率較低時(shí), 電容效應(yīng)的影響逐漸減弱。所以無(wú)論是測(cè)量還是查閱晶體管手冊(cè), 都應(yīng)注意工作條件和工作頻率。  顯然, 在高頻工作時(shí)由于晶體管結(jié)電容不可忽略, Ｙ參數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)。晶體管Ｙ參數(shù)中輸入導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納通常可寫(xiě)成用電導(dǎo)和電容表示的直角坐標(biāo)形式, 而正向傳輸導(dǎo)納和

14、反向傳輸導(dǎo)納通?？蓪?xiě)成極坐標(biāo)形式, 即:,yie=gie+jωCie yoe=goe+jωCoeyfe=|yfe|∠φf(shuō)e yre=|yre|∠φre,2.2.3晶體管的高頻參數(shù) 考慮電容效應(yīng)后, 晶體管的電流增益是工作頻率的函數(shù)。 下面介紹三個(gè)與電流增益有關(guān)的晶體管高頻參數(shù)。  1 共射晶體管截止頻率ｆβ 共射短路

15、電流放大系數(shù) 是指混合π型等效電路輸出交流短路時(shí), 集電極電流 與基極電流 的比值。從圖2.2.1可以看到, 當(dāng)輸出端短路后, r b′e、Cb′e和Cb′c三者并聯(lián)。,其中 β0= gmr b′e fβ=,由式(2.2.8)可知, 的幅值隨頻

16、率的增高而下降。 當(dāng)下降到β0的 時(shí), 對(duì)應(yīng)的頻率定義為共射晶體管截止頻率fβ。  2 特征頻率fT 當(dāng) 的幅值下降到1時(shí), 對(duì)應(yīng)的頻率定義為特征頻率fT。,3 共基晶體管截止頻率fα 共基短路電流放大系數(shù) 是晶體管用作共基組態(tài)時(shí)的輸出交流短路參數(shù), 即,的幅值也是隨頻率的增高而下降, fα定義為 的幅值下降到

17、低頻放大系數(shù)α0的 時(shí)的頻率。  三個(gè)高頻參數(shù)之間的關(guān)系滿足下列各式：,fT≈β0fβ=g m rb′e f β fT≈α0fα fα＞fTfβ (2.2.9),2.3 諧 振 放 大 器,由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或集成電路與ＬＣ并聯(lián)諧振回路

18、組成的高頻小信號(hào)諧振放大器廣泛用于廣播、電視、通信、雷達(dá)等接收設(shè)備中, 其作用是將微弱的有用信號(hào)進(jìn)行線性放大并濾除不需要的噪聲和干擾信號(hào)。 諧振放大器的主要性能指標(biāo)是電壓增益, 通頻帶和矩形系數(shù)。  本節(jié)僅分析由晶體管和LC回路組成的諧振放大器。 ,2.3.1單管單調(diào)諧放大器 １． 電路組成及特點(diǎn) 圖2．3．１是一個(gè)典型的單管單調(diào)諧放大器。Ｃb與Ｃc分別是和

19、信號(hào)源（或前級(jí)放大器）與負(fù)載（或后級(jí)放大器）的耦合電容, Ｃe是旁路電容。 電容Ｃ與電感Ｌ組成的 并聯(lián)諧振回路作為晶體管的集電極負(fù)載, 其諧振頻率應(yīng)調(diào)諧在輸入有用信號(hào)的中心頻率上?；芈放c本級(jí)晶體管的耦合采用自耦變壓器耦合方式, 這樣可減弱晶體管輸出導(dǎo)納對(duì)回路的影響。,圖 2.3.1 單管單調(diào)諧放大電路,負(fù)載（或下級(jí)放大器）與回路的耦合采用自耦變壓器耦合和電容耦合方式, 這樣, 既可減弱負(fù)載（或

20、下級(jí)放大器）導(dǎo)納對(duì)回路的影響, 又可使前、 后級(jí)的直流供電電路分開(kāi)。另外, 采用上述耦合方式也比較容易實(shí)現(xiàn)前、 后級(jí)之間的阻抗匹配。 ２． 電路性能分析 為了分析單管單調(diào)諧放大器的電壓增益, 圖2．3．2給出了其等效電路。其中晶體管部分采用了Ｙ參數(shù)等效電路, 忽略了反向傳輸導(dǎo)納ｙre的影響。輸入信號(hào)源用電流源 并聯(lián)源導(dǎo)納Ｙs表示, 負(fù)載假定為另一級(jí)相同的單調(diào)諧放大器, 所以用晶體管輸入導(dǎo)納ｙ

21、ie表示。,單管單調(diào)諧放大器的電壓增益為：,我們先求 與 的關(guān)系式, 然后求出 與 的關(guān)系, 即可導(dǎo)出 與 之比, 即電壓增益 。  因?yàn)樨?fù)載的接入系數(shù)為ｎ2, 晶體管的接入系數(shù)為ｎ1, 所以負(fù)載等效到回路兩端的導(dǎo)納為n22yie。  設(shè)從集電極和發(fā)射極之間向右看的回路導(dǎo)納為Y′L, 則:,由于 是

22、 上的電壓, 且 與 相位相反, 所以,由Y參數(shù)方程(2.2.3)可知:,代入式(2.3.3)可得:,根據(jù)自耦變壓器特性 因此,將式(2.3.5)與(2.3.6)代入(2.3.1), 可得,其中, YL=n21Y′L是Y′L等效到諧振回路兩端的導(dǎo)納, 它包括回路本身元件Ｌ、Ｃ、ｇe0和負(fù)載導(dǎo)納總的等效值, 即,YL=(ge0+jω

23、C+ +n22yie (2.3.8),根據(jù)式（2．2．7）, 將式（2．3．8）代入（2．3．7）中, 則:,其中ｇΣ與ＣΣ分別為諧振回路總電導(dǎo)和總電容: gΣ=n21goe+n22gie+ge0 CΣ=n21Coe+n22Cie+C諧振頻率,或,回路有載Ｑ值

24、 Qe=,以上幾個(gè)公式說(shuō)明, 考慮了晶體管和負(fù)載的影響之后, 放大器諧振頻率和Ｑ值均有變化。  諧振頻率處放大器的電壓增益,其電壓增益振幅 Au0=,根據(jù)N(f)定義和式（１．２．１０）, 可寫(xiě)出放大器電壓增益振幅的另一種表達(dá)式 Au=

25、 (2.3.15)由式（2．3．15）可知, 單管單調(diào)諧放大器的單位諧振函數(shù)Ｎ（ｆ）與其并聯(lián)諧振回路的單位諧振函數(shù)相同, 且都可以寫(xiě)成：,由于ｙfe是復(fù)數(shù), 有一個(gè)相角∠φf(shuō)e, 所以一般來(lái)說(shuō), 圖２．３．１所示放大器輸出電壓與輸入電壓之間的相位并非正好相差１８０°。  另外, 由上述公式可知, 電壓增益振幅與晶體管參數(shù)、 負(fù)載電導(dǎo)、回路諧振電導(dǎo)和接入系數(shù)有關(guān)： 

26、 (1) 為了增大Ａu0, 應(yīng)選取|yfe|大, ｇoe小的晶體管。  (2) 為了增大Ａu0, 要求負(fù)載電導(dǎo)小, 如果負(fù)載是下一級(jí)放大器, 則要求其ｇie小。  (3) 回路諧振電導(dǎo)ｇe0越小, Ａu0越大。而ｇe0取決于回路空載Ｑ值Ｑ0, 與Ｑ0成反比。 ,(4) Ａu0與接入系數(shù)ｎ1、ｎ2有關(guān), 但不是單調(diào)遞增或單調(diào)遞減關(guān)系。由于ｎ1和ｎ2還會(huì)影響回路有載Ｑ值Ｑe, 而Ｑe又將影響通頻帶,

27、所以ｎ1與ｎ2的選擇應(yīng)全面考慮, 選取最佳值。  實(shí)際放大器的設(shè)計(jì)是要在滿足通頻帶和選擇性的前提下, 盡可能提高電壓增益。  在單管單調(diào)諧放大器中, 選頻功能由單個(gè)并聯(lián)諧振回路完成, 所以單管單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)與單個(gè)并聯(lián)諧振回路的矩形系數(shù)相同, 其通頻帶則由于受晶體管輸出阻抗和負(fù)載的影響, 比單個(gè)并聯(lián)諧振回路加寬, 因?yàn)橛休dQ值小于空載Q值。  例2．1在圖2．3．1中, 已知工作頻率ｆ0

28、＝３０MHz, Ｖcc＝６Ｖ, Ｉe＝２ mA。晶體管采用３ＤＧ４７型高頻管。其Ｙ參數(shù)在上述工作條件和工作頻率處的數(shù)值如下：,gie=12mS,Cie=12pF；goe=400μS,Coe=95pF；|yfe|=583mS, ∠φf(shuō)e=-22°；|yre|=310μS, ∠φre=-888°,回路電感Ｌ＝１４μH, 接入系數(shù)ｎ1＝１, ｎ2＝０３, Ｑ0＝１００。 負(fù)載是另一級(jí)相同的放大器。 求

29、諧振電壓增益振幅Ａu0和通頻帶ＢＷ07，并求回路電容Ｃ是多少時(shí), 才能使回路諧振？,所以 gΣ,=ge0+n21goe+n22gie=37.9×10-6+400×10-6+0.32×12×10-3=0.55×10-3S,從而 Au0=,因?yàn)?又,所以,由 Qe=,可得,從對(duì)單管

30、單調(diào)諧放大器的分析可知, 其電壓增益取決于晶體管參數(shù)、 回路與負(fù)載特性及接入系數(shù)等, 所以受到一定的限制。如果要進(jìn)一步增大電壓增益, 可采用多級(jí)放大器。,2.3.2多級(jí)單調(diào)諧放大器 如果多級(jí)放大器中的每一級(jí)都調(diào)諧在同一頻率上, 則稱為多級(jí)單調(diào)諧放大器。  設(shè)放大器有ｎ級(jí), 各級(jí)電壓增益振幅分別為Ａu1, Ａu2, …, Ａun, 則總電壓增益振幅是各級(jí)電壓增益振幅的乘積, 即 Ａn＝Ａu

31、1Ａu2…Ａun 如果每一級(jí)放大器的參數(shù)結(jié)構(gòu)均相同, 根據(jù)式（2．3．15）, 則總電壓增益振幅 An=(Au1)n= (n1n2)n|yfe|n,諧振頻率處電壓增益振幅,單位諧振函數(shù) N（f）=,ｎ級(jí)放大器通頻帶,BWn=2Δf 0.7=,由上述公式可知, ｎ級(jí)相同的單調(diào)諧放大器的總增益比單級(jí)放大器的增益提高了, 而通頻帶比單級(jí)放大器的通頻帶縮小了, 且級(jí)數(shù)越多, 頻帶越

32、窄。,換句話說(shuō), 如多級(jí)放大器的頻帶確定以后, 級(jí)數(shù)越多, 則要求其中每一級(jí)放大器的頻帶越寬。所以, 增益和通頻帶的矛盾是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題, 特別是對(duì)于要求高增益寬頻帶的放大器來(lái)說(shuō), 這個(gè)問(wèn)題更為突出。這一特性與低頻多級(jí)放大器相同。  例2.2某中頻放大器的通頻帶為６MHz, 現(xiàn)采用兩級(jí)或三級(jí)相同的單調(diào)諧放大器, 兩種情況下對(duì)每一級(jí)放大器的通頻帶要求各是多少？ 解: 根據(jù)式（2．3．21）, 當(dāng)n=2

33、時(shí), 因?yàn)?所以, 要求每一級(jí)帶寬,同理, 當(dāng)ｎ＝３時(shí), 要求每一級(jí)帶寬,根據(jù)矩形系數(shù)定義, 當(dāng)Δｆ＝Δｆ0.1時(shí), Ａn／Ａn0＝01, 由式（2.3.20)可求得:,所以, ｎ級(jí)單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù),表2．3．1列出了Ｋn0.1與ｎ的關(guān)系。,表2.3.1 單調(diào)諧放大器矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系,從表中可以看出, 當(dāng)級(jí)數(shù)ｎ增加時(shí), 放大器矩形系數(shù)有所改善, 但這種改善是有一定限度的, 最小不會(huì)低于２.５.６。 ,2.3.3諧振放大

34、器的穩(wěn)定性 共射電路由于電壓增益和電流增益都較大, 所以是諧振放大器的常用形式。  以上我們?cè)谟懻撝C振放大器時(shí), 都假定了反向傳輸導(dǎo)納ｙre＝０, 即晶體管單向工作, 輸入電壓可以控制輸出電流, 而輸出電壓不影響輸入。實(shí)際上ｙre≠0, 即輸出電壓可以反饋到輸入端, 引起輸入電流的變化, 從而可能引起放大器工作不穩(wěn)定。如果這個(gè)反饋?zhàn)銐虼? 且在相位上滿足正反饋條件, 則會(huì)出現(xiàn)自激振蕩。 

35、 為了提高放大器的穩(wěn)定性, 通常從兩個(gè)方面著手。一是從晶體管本身想辦法, 減小其反向傳輸導(dǎo)納ｙre值。,ｙre的大小主要取決于集電極與基極間的結(jié)電容Ｃb′c（由混合π型等效電路圖可知, Ｃb′c跨接在輸入、 輸出端之間）, 所以制作晶體管時(shí)應(yīng)盡量使其Ｃb′c減小, 使反饋容抗增大, 反饋?zhàn)饔脺p弱。二是從電路上設(shè)法消除晶體管的反向作用, 使它單向化。 具體方法有中和法與失配法。  中和法是在晶體管的輸出端與輸入端之間

36、引入一個(gè)附加的外部反饋電路（中和電路）, 以抵消晶體管內(nèi)部參數(shù)ｙre的反饋?zhàn)饔?。由于ｙre的實(shí)部（反饋電導(dǎo)）通常很小, 可以忽略, 所以常常只用一個(gè)電容ＣN來(lái)抵消yre的虛部（反饋電容）的影響, 就可達(dá)到中和的目的。,為了使通過(guò)ＣN的外部電流和通過(guò)Ｃb′c的內(nèi)部反饋電流相位相差１８０°,從而能互相抵消, 通常在晶體管輸出端添加一個(gè)反相的耦合變壓器。圖233（ａ）所示為收音機(jī)常用的中和電路, （ｂ）是其交流等效電路。

37、 為了直觀, 將晶體管內(nèi)部電容Ｃb′c畫(huà)在了晶體管外部。,由于ｙre是隨頻率而變化的, 所以固定的中和電容ＣN只能在某一個(gè)頻率點(diǎn)起到完全中和的作用, 對(duì)其它頻率只能有部分中和作用, 又因?yàn)椋鵵e是一個(gè)復(fù)數(shù), 中和電路應(yīng)該是一個(gè)由電阻和電容組成的電路, 但這給調(diào)試增加了困難。另外, 如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響, 中和電路的效果很有限。  失配法通過(guò)增大負(fù)載電導(dǎo)ＹL, 進(jìn)而增大總回路電導(dǎo), 使輸

38、出電路嚴(yán)重失配, 輸出電壓相應(yīng)減小, 從而反饋到輸入端的電流減小, 對(duì)輸入端的影響也就減小?？梢?jiàn), 失配法是用犧牲增益而換取電路的穩(wěn)定。 ,用兩只晶體管按共射—共基方式連接成一個(gè)復(fù)合管是經(jīng)常采用的一種失配法。 圖2.3.4是其結(jié)構(gòu)原理圖。  由于共基電路的輸入導(dǎo)納較大, 當(dāng)它和輸出導(dǎo)納較小的共射電路連接時(shí), 相當(dāng)于使共射電路的負(fù)載導(dǎo)納增大而失配, 從而使共射晶體管內(nèi)部反饋減弱, 穩(wěn)定性大大提高。,,由于ｙre是隨頻率

39、而變化的, 所以固定的中和電容ＣN只能在某一個(gè)頻率點(diǎn)起到完全中和的作用, 對(duì)其它頻率只能有部分中和作用, 又因?yàn)椋鵵e是一個(gè)復(fù)數(shù), 中和電路應(yīng)該是一個(gè)由電阻和電容組成的電路, 但這給調(diào)試增加了困難。 另外, 如果再考慮到分布參數(shù)的作用和溫度變化等因素的影響, 中和電路的效果很有限。  失配法通過(guò)增大負(fù)載電導(dǎo)ＹL, 進(jìn)而增大總回路電導(dǎo), 使輸出電路嚴(yán)重失配, 輸出電壓相應(yīng)減小, 從而反饋到輸入端的電流減小, 對(duì)輸入端

40、的影響也就減小。可見(jiàn), 失配法是用犧牲增益而換取電路的穩(wěn)定。 ,2.4 寬頻帶放大器,寬頻帶放大器既要有較大的電壓增益, 又要有很寬的通頻帶, 所以常用電壓增益Au和通頻帶BW的乘積作為衡量其性能的重要指標(biāo), 稱為增益帶寬積, 寫(xiě)成G·BW=AufH。此處的通頻帶用上限截止頻率fH表示, 因?yàn)閷掝l帶放大器的下限截止頻率fL一般很低或?yàn)榱泐l。Au是電壓增益幅值。增益帶寬積越大的寬頻帶放大器的性能越好。 

41、寬頻帶放大器既可以由晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管組成, 也可以由集成電路組成。 本節(jié)以單級(jí)差分放大器為例進(jìn)行分析, 可以推廣到由差分電路組成的單級(jí)或多級(jí)集成電路寬頻帶放.,2.4.1單級(jí)差分寬頻帶放大器 集成寬頻帶放大器常采用單級(jí)或多級(jí)差分電路形式。 由于單級(jí)共射電路可看成是單級(jí)差分電路的差模半電路, 所以先分析單級(jí)共射電路的電壓增益和通頻帶(用上限截止頻率fH表示)。  寬頻帶放大器中的晶體管特性適合采用混合π型

42、等效電路。圖2.4.1(a)、 (b)分別是共射電路的交流通路和高頻等效電路。 設(shè)R′L是交流負(fù)載，且,Z b′e= rb′e‖ =,Ct=Cb′e+CM=Cb′e+(1+gmR′L) ,Rt=r b′e‖r bb′= (2.4.3)則

43、 (2.4.4),其中ωH= , 即上限截止頻率 fH= (2.4.7) 下面繼續(xù)推導(dǎo)差分電路的差分電壓增益和上限截止頻率。  圖2.4.2是一個(gè)雙端輸入雙端輸出的差分放大電路。 它的差模電壓增益與單管共射電路的

44、電壓增益 相同。 ,此處R′L=Rc‖ 。上限截止頻率fH與式(2.4.7)相同。  增益帶寬積,G·BW=AudfH=,例2.3 在圖2.4.2所示差分放大器中, V1管和V2管的參數(shù)相同, 在IEQ=1mA時(shí)，均為βo=100, rbb′=50 Ω, C b′c=2pF, fT=200MHz。RC=2 kΩ，RL=10 kΩ。計(jì)算此差分放大器的差模電壓增益、 上限截

45、止頻率和增益帶寬積。 解: 先求晶體管混合π型參數(shù)。根據(jù)式(2.2.2)和式(2.2.1)可以得出： ,re=,gm≈,R b′e=(1+βo)r e=(1+100)·26=2.6 kΩ R′L=Rc‖ RL=2k‖5k≈1.43kΩ,CM=(1+g mR′L)Cb′c=(1+0.04×1.43×103)×2×10

46、-12≈116pF C b′e= 然后求差模電壓增益、上限截止頻率和增益帶寬積。  由式(2.4.2)和式(2.4.3)可以求得：,G·BW=Aud·fH=56×22.46×106=1.26×109,如果在圖2.4.2所示差分放大器中, 兩個(gè)晶體管的基極上各外接一個(gè)電阻Rb, 這時(shí)的電路如圖2.4.3所示。容易看出, 與圖2.4.1

47、(b)比較, 在圖2.4.3對(duì)應(yīng)的差模半電路的交流等效電路中, Rb與rbb′串聯(lián), 定義 R′b=Rb+rbb′ (2.4.10)則相應(yīng)的 R′t=r b′e‖R′b (2.4.11),對(duì)于差分放大器的其它三種組態(tài), 即雙端輸入單端輸出、 單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出, 讀者可以根據(jù)《模

48、擬電子線路》課程中的知識(shí), 分別推導(dǎo)出相應(yīng)的差模電壓增益和上限截止頻率公式。 ,2.4.2展寬放大器頻帶的方法 在實(shí)際寬頻帶放大電路中, 要展寬通頻帶, 也就是要提高上限截止頻率, 主要有組合法和反饋法兩種方法。  1 組合電路法 在集成寬頻帶放大器中廣泛采用共射-共基組合電路, 如圖2.4.4所示。 共射電路的電流增益和電壓增益都較大, 是放大器最常用的一種組態(tài)。

49、 但它的上限截止頻率較低, 從而帶寬受到限制, 這主要是由于密勒效應(yīng)的緣故。 ,圖 2.4.4 集成寬帶放大器中的共射—共基電路,從式(2.2.1)可以看到, 集電結(jié)電容C b′c等效到輸入端以后, 電容值增加為原來(lái)的(1+gmR′L)倍。  雖然Cb′c數(shù)值很小, 一般僅幾個(gè)皮法, 但ＣM一般卻很大。 密勒效應(yīng)使共射電路輸入電容增大, 容抗減小, 且隨頻率的增大容抗更加減小, 因此高頻性能降低。 

50、 在共基電路和共集電路中, Ｃb′c或者處于輸出端, 或者處于輸入端, 無(wú)密勒效應(yīng), 所以上限截止頻率遠(yuǎn)高于共射電路。 在圖2.4.4所示共射—共基組合電路中, 上限頻率由共射電路的上限截止頻率決定。,利用共基電路輸入阻抗小的特點(diǎn), 將它作為共射電路的負(fù)載, 使共射電路輸出總電阻Ｒ′L大大減小, 進(jìn)而使密勒電容ＣM大大減小, 高頻性能有所改善, 從而有效地?cái)U(kuò)展了共射電路亦即整個(gè)組合電路的上限截止頻率。由于共射電路負(fù)載減

51、小, 所以電壓增益減小。但這可以由電壓增益較大的共基電路進(jìn)行補(bǔ)償。而共射電路的電流增益不會(huì)減小, 因此整個(gè)組合電路的電流增益和電壓增益都較大。  在集成電路里, 可以采用共射—共基差分對(duì)電路。圖2.4.5所示國(guó)產(chǎn)寬帶放大器集成電路ＥＲ４８０３（與國(guó)外產(chǎn)品Ｕ２３５０, Ｕ２４５０相當(dāng)）里采用了這種電路, 它的帶寬可達(dá)到１ ＧＨz。 ,該電路由V1、V3（或V4）與V2、V6(或V5)組成共射—共基差分對(duì), 輸出電

52、壓特性由外電路控制。 如外電路使Ｉb2＝０, Ｉb1≠０時(shí), V8和V4 、V5截止, 信號(hào)電流由V1、V2流入V3、 V6后輸出。 如外電路使Ｉb1＝０, Ｉb2≠０時(shí), V7和V3、V6截止, 信號(hào)電流由V1、V2 流入V4、V5后輸出, 輸出極性與第一種情況相反。 如外電路使Ｉb1＝Ｉb2時(shí), 通過(guò)負(fù)載的電流則互相抵消, 輸出為零。Ｃe用于高頻補(bǔ)償, 因高頻時(shí)容抗減小, 發(fā)射極反饋深度減小, 使頻帶展寬。這

53、種集成電路常用作３５０ MHz以上寬帶示波器中的高頻、 中頻和視頻放大。 ,采用共集—共基, 共集—共射等組合電路也可以提高上限截止頻率。  例2.4已知晶體管混合π型參數(shù)與例2.3中相同, 分別求出圖例 2.4(a)、 (b)所示共射—共基電路和單管共射電路的電壓增益和上限截止頻率。交流負(fù)載Ｒ′L=15kΩ。  解: 先求共射—共基電路的電壓增益和上限截止頻率。共射—共基電路的交流等效電路如圖例2

54、.4(c)所示, 其中虛線框內(nèi)是共基電路混合π型等效電路。  在共射電路中， 由式(2.4.5)可以寫(xiě)出:,其中,注意此時(shí)共射電路的輸出端負(fù)載電阻是re。 因?yàn)?其中 是共射電路輸出電壓或共基電路輸入電壓，所以,其中,代入已知各參數(shù), 可求得：,因?yàn)?f1<<f2, f1<f3,因?yàn)間m≈ , 所以共射—共基電路的電

55、壓增益幅值與單級(jí)共射電路大致相同, 上限截止頻率提高為單級(jí)共射電路的4倍多。  ２負(fù)反饋法 調(diào)節(jié)負(fù)反饋電路中的某些元件參數(shù), 可以改變反饋深度, 從而調(diào)節(jié)負(fù)反饋放大器的增益和頻帶寬度。如果以犧牲增益為代價(jià), 可以擴(kuò)展放大器的頻帶, 其類型可以是單級(jí)負(fù)反饋, 也可以是多級(jí)負(fù)反饋。  單管負(fù)反饋放大器可以采用電流串聯(lián)和電壓并聯(lián)兩種反饋電路, 其交流等效電路分別如圖2.4.6（ａ）、（ｂ）

56、所示。,其中電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的特點(diǎn)是輸入、輸出阻抗高, 所以適合與低內(nèi)阻的信號(hào)電壓源連接。電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路的特點(diǎn)是輸入、輸出阻抗低, 所以適合與高內(nèi)阻的信號(hào)電流源連接在集成電路里, 用差分電路代替單管電路, 將電流串聯(lián)負(fù)反饋電路和電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路級(jí)聯(lián), 可提高上限截止頻率。圖2.4.7所示Ｆ７３３集成寬帶放大電路中, V1、 V2組成電流串聯(lián)負(fù)反饋差分放大器, V3～V6組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋差分放大器(其中V5和V6兼作輸出級(jí)),

57、 V7～V11為恒流源電路。改變第一級(jí)差放的負(fù)反饋電阻, 可調(diào)節(jié)整個(gè)電路的電壓增益。,將引出端⑨和④短接, 增益可達(dá)４００倍； 將引出端10和③短接, 增益可達(dá)１００倍。各引出端均不短接, 增益為１０倍。以上三種情況下的上限截止頻率依次為４０MHz, ９０ MHz和１２０ MHz。 圖2.4.8給出了F733用作可調(diào)增益放大器時(shí)的典型接法。圖中電位器R是用于調(diào)節(jié)電壓增益和帶寬的。當(dāng)R調(diào)到零時(shí), ④與⑨短接,

58、片內(nèi)V1與V2發(fā)射極短接, 增益最大, 上限截止頻率最低；當(dāng)R調(diào)到最大時(shí), 片內(nèi)V1與V2發(fā)射極之間共并聯(lián)了5個(gè)電阻, 即片內(nèi)R3, R4, R5, R6和外接電位器R, 這時(shí)交流負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng), 增益最小, 上限截止頻率最高?？梢?jiàn), 這種接法使得電壓增益和帶寬連續(xù)可調(diào)。 ,2.5集中選頻放大器,第2.3節(jié)介紹的諧振放大器可用于對(duì)窄帶信號(hào)的選頻放大。 為了提高增益, 一般常采用多級(jí)放大電路。對(duì)于多級(jí)放大電路, 要求每級(jí)均有LC諧振回路,

59、故不易獲得較寬的通頻帶, 選擇性也不夠理想。隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 窄帶信號(hào)的放大越來(lái)越多地采用集中選頻放大器。  在集中選頻放大器里, 先采用矩形系數(shù)較好的集中濾波器進(jìn)行選頻, 然后利用單級(jí)或多級(jí)集成寬帶放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。前者以集中預(yù)選頻代替了逐級(jí)選頻, 減小了調(diào)試的難度, 后者可充分發(fā)揮線性集成電路的優(yōu)勢(shì)。 ,集中選頻放大器中寬頻帶放大電路部分已在上一節(jié)介紹了, 下面僅討論集中濾波器。  集中濾波器的任

60、務(wù)是選頻, 要求在滿足通頻帶指標(biāo)的同時(shí), 矩形系數(shù)要好。其主要類型有集中ＬＣ濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等。集中ＬＣ濾波器通常由一節(jié)或若干節(jié)ＬＣ網(wǎng)絡(luò)組成, 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論, 按照帶寬、 衰減特性等要求進(jìn)行設(shè)計(jì), 目前已得到了廣泛應(yīng)用。 圖2.5.1給出了一種集中ＬＣ網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。  陶瓷濾波器是由壓電陶瓷材料做成的具有選頻特性的器件。 它具有無(wú)需調(diào)諧、體積小、 加工方便等優(yōu)點(diǎn), 但工作頻率不太高（幾十兆赫茲以下）, 相對(duì)頻寬較窄。

61、,目前, 應(yīng)用最普遍的集中濾波器是聲表面波濾波器。 聲表面波濾波器ＳＡＷＦ（Ｓurface Ａcoustic Ｗave Ｆilter）是利用某些晶體的壓電效應(yīng)和表面波傳播的物理特性制成的一種新型電—聲換能器件。所謂壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到應(yīng)力作用時(shí), 在它的某些特定表面上將出現(xiàn)電荷, 而且應(yīng)力大小與電荷密度之間存在著線性關(guān)系, 這是正壓電效應(yīng)；當(dāng)晶體受到電場(chǎng)作用時(shí), 在它的某些特定方向上將出現(xiàn)應(yīng)力變化, 而且電場(chǎng)強(qiáng)度與應(yīng)力變化之間存在著

62、線性關(guān)系, 這是逆壓電效應(yīng)。自20世紀(jì)60年代中期問(wèn)世以來(lái), 聲表面波濾波器的發(fā)展非常迅速。它不僅不需要調(diào)整, 而且具有良好的幅頻特性和相頻特性, 其矩形系數(shù)接近１。 圖2.5.2是聲表面波濾波器基本結(jié)構(gòu)、符號(hào)和等效電路。,,聲表面波濾波器是在經(jīng)過(guò)研磨拋光的極薄的壓電材料基片上, 用蒸發(fā)、光刻、腐蝕等工藝制成兩組叉指狀電極, 其中與信號(hào)源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器, 與負(fù)載連接的一組稱為接收叉指換能器。當(dāng)把輸入電信號(hào)

63、加到發(fā)送換能器上時(shí), 叉指間便會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。 由于逆壓電效應(yīng)的作用, 基體材料將產(chǎn)生彈性變形, 從而產(chǎn)生聲波振動(dòng)。向基片內(nèi)部傳送的體波會(huì)很快衰減, 而表面波則向垂直于電極的左、右兩個(gè)方向傳播。向左傳送的聲表面波被涂于基片左端的吸聲材料所吸收, 向右傳送的聲表面波由接收換能器接收, 由于正壓電效應(yīng), 在叉指對(duì)間產(chǎn)生電信號(hào), 并由此端輸出。 ,聲表面波濾波器的濾波特性,如中心頻率、頻帶寬度、頻響特性等一般由叉指換能器的

64、幾何形狀和尺寸決定。這些幾何尺寸包括叉指對(duì)數(shù)、 指條寬度a、 指條間隔b、 指條有效長(zhǎng)度Ｂ和周期長(zhǎng)度Ｍ等。  目前聲表面波濾波器的中心頻率可在１０MHz～１ＧHz之間, 相對(duì)帶寬為５%～５０%, 插入損耗最低僅幾個(gè)分貝, 矩形系數(shù)可達(dá)１２。  為了保證對(duì)信號(hào)的選擇性要求, 聲表面波濾波器在接入實(shí)際電路時(shí)必須實(shí)現(xiàn)良好的匹配。圖2.5.3所示為一接有聲表面波濾波器的預(yù)中放電路, 濾波器輸出端與一寬帶放大器

65、相接。,2.6電噪聲,人們收聽(tīng)廣播時(shí), 常常會(huì)聽(tīng)到“沙沙”聲； 觀看電視時(shí), 常常會(huì)看到“雪花”似的背景或波紋線, 這些都是接收機(jī)中的放大器和其它元器件存在噪聲的結(jié)果。  噪聲對(duì)有用信號(hào)的接收產(chǎn)生了干擾, 特別是當(dāng)有用信號(hào)較弱時(shí), 噪聲的影響就更為突出, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使有用信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中而無(wú)法接收。  噪聲的種類很多。 有的是從器件外部竄擾進(jìn)來(lái)的, 稱為外部噪聲；有的是器件內(nèi)部產(chǎn)生的, 稱為內(nèi)部噪聲。

66、本書(shū)只介紹內(nèi)部噪聲。  內(nèi)部噪聲源主要有電阻熱噪聲、 晶體管噪聲和場(chǎng)效應(yīng)管噪聲三種。 ,2.6.1電阻熱噪聲 電阻熱噪聲是由于電阻內(nèi)部自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。 在運(yùn)動(dòng)中自由電子經(jīng)常相互碰撞, 因而其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都是不規(guī)則的。 溫度越高, 運(yùn)動(dòng)越劇烈。只有當(dāng)溫度下降到絕對(duì)零度時(shí), 運(yùn)動(dòng)才會(huì)停止。自由電子這種熱運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)體內(nèi)形成非常微弱的電流, 這種電流呈雜亂起伏的狀態(tài), 稱為起伏噪聲電流。起伏噪聲電流流

67、過(guò)電阻本身就會(huì)在其兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓。  由于起伏噪聲電壓的變化是不規(guī)則的, 其瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)相位是隨機(jī)的, 所以無(wú)法計(jì)算其瞬時(shí)值。起伏噪聲電壓的平均值為零, 噪聲電壓正是不規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化。,但是, 起伏噪聲的均方值是確定的, 可以用功率計(jì)測(cè)量出來(lái)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在整個(gè)無(wú)線電頻段內(nèi), 當(dāng)溫度一定時(shí), 單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內(nèi)幾乎是一個(gè)常數(shù), 即其功率頻譜密度是一個(gè)常數(shù)。對(duì)照白光內(nèi)包含了所有可

68、見(jiàn)光波長(zhǎng)這一現(xiàn)象, 人們把這種在整個(gè)無(wú)線電頻段內(nèi)具有均勻頻譜的起伏噪聲稱為白噪聲。  阻值為Ｒ的電阻產(chǎn)生的噪聲電流功率頻譜密度和噪聲電壓功率頻譜密度分別為：,k=1.38×10-23J／K (2.6.3)其中k是波爾茲曼常數(shù), Ｔ是電阻溫度, 以絕對(duì)溫度Ｋ計(jì)量。  在頻帶寬度為ＢＷ內(nèi)產(chǎn)生的熱噪聲均方值電流和均方值電壓分別為：