[學習]高頻小信號放大電路

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例介紹２.８ 章末小結(jié),第2章 高頻小信號放大電路,返回主目錄,第2章 高頻小信號放大電路,2.1概述 高頻小信號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)的微弱信號進

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。后者對幾兆赫至幾百兆赫較寬頻帶內(nèi)的微弱信號進行不失真的放大, 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(以下簡稱晶體管)、場效應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、場效應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)上采取了一些改進措施。  高頻小信號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、場效應管和電阻引起的電噪聲將直接影響放大器和整個電子系統(tǒng)的性能。本書將這兩部分內(nèi)容作為高頻電路的基礎也在這一章里討

4、論。 ,2.2晶體管高頻等效電路,晶體管在高頻線性運用時常采用兩種等效電路進行分析, 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構(gòu)出發(fā), 用集中參數(shù)元件Ｒ、 Ｃ和受控源來表示管內(nèi)的復雜關(guān)系。優(yōu)點是各元件參數(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關(guān)。缺點是隨器件不同而有不少差別, 分析和測量不方便。因而混合π型等效電路法較適合于分析寬頻帶小信號放大器。 ,Ｙ參數(shù)法則是從

5、測量和使用的角度出發(fā), 把晶體管作為一個有源線性雙口網(wǎng)絡, 用一組網(wǎng)絡參數(shù)構(gòu)成其等效電路。優(yōu)點是導出的表達式具有普遍意義, 分析和測量方便。 缺點是網(wǎng)絡參數(shù)與頻率有關(guān)。由于高頻小信號諧振放大器相對頻帶較窄, 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, 約幾個皮法。 ｇm：晶體管跨導, 幾十毫西門

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, 使電路的分析復雜化。為了簡化電路, 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。其中g(shù)m是晶體管跨導, R′L是考慮負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, 一般可以將其開路。這樣, 利用密勒效應后的簡化高頻混合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(以絕對溫度K計量), 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。

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

10、別。  對于雙口網(wǎng)絡, 在其每一個端口都只有一個電流變量和一個電壓變量, 因此共有四個端口變量。如設其中任意兩個為自變量, 其余兩個為應變量, 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, 電流為應變量, 其方程如下：,,其中ｙ11、ｙ12、ｙ21、ｙ22四個參數(shù)均具有導納量綱, 且:,所以Ｙ參數(shù)又稱為短路導納參數(shù),

11、即確定這四個參數(shù)時必須使某一個端口電壓為零, 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, 將其看作一個雙口網(wǎng)絡, 如圖2．2．4所示, 相應的Ｙ參數(shù)方程為：,,其中, 輸入導納,反向傳輸導納,正向傳輸導納,輸出導納,圖中受控電流源 表示輸出電壓對輸入電流的控制作用（反向控制）； 表示輸入電壓對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；

12、ｙre越大, 表示晶體管的內(nèi)部反饋越強。ｙre的存在, 對實際工作帶來很大危害, 是諧振放大器自激的根源, 同時也使分析過程變得復雜, 因此應盡可能使其減小, 或削弱它的影響。  晶體管的Ｙ參數(shù)可以通過測量得到。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, 然后測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。通過查閱晶體管手冊也可得到各種型號晶體管的Ｙ參

13、數(shù)。,需要注意的是, Ｙ參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點的電壓值、電流值有關(guān), 而且是工作頻率的函數(shù)。例如當發(fā)射極電流增加時, 輸入與輸出電導都將加大。 當工作頻率較低時, 電容效應的影響逐漸減弱。所以無論是測量還是查閱晶體管手冊, 都應注意工作條件和工作頻率。  顯然, 在高頻工作時由于晶體管結(jié)電容不可忽略, Ｙ參數(shù)是一個復數(shù)。晶體管Ｙ參數(shù)中輸入導納和輸出導納通?？蓪懗捎秒妼Ш碗娙荼硎镜闹苯亲鴺诵问? 而正向傳輸導納和

14、反向傳輸導納通?？蓪懗蓸O坐標形式, 即:,yie=gie+jωCie yoe=goe+jωCoeyfe=|yfe|∠φfe yre=|yre|∠φre,2.2.3晶體管的高頻參數(shù) 考慮電容效應后, 晶體管的電流增益是工作頻率的函數(shù)。 下面介紹三個與電流增益有關(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, 集電極電流 與基極電流 的比值。從圖2.2.1可以看到, 當輸出端短路后, 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。 當下降到β0的 時, 對應的頻率定義為共射晶體管截止頻率fβ。  2 特征頻率fT 當 的幅值下降到1時, 對應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 時的頻率。  三個高頻參數(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、場效應管或集成電路與ＬＣ并聯(lián)諧振回路

18、組成的高頻小信號諧振放大器廣泛用于廣播、電視、通信、雷達等接收設備中, 其作用是將微弱的有用信號進行線性放大并濾除不需要的噪聲和干擾信號。 諧振放大器的主要性能指標是電壓增益, 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 圖2．3．１是一個典型的單管單調(diào)諧放大器。Ｃb與Ｃc分別是和

19、信號源（或前級放大器）與負載（或后級放大器）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載, 其諧振頻率應調(diào)諧在輸入有用信號的中心頻率上?；芈放c本級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納對回路的影響。,圖 2.3.1 單管單調(diào)諧放大電路,負載（或下級放大器）與回路的耦合采用自耦變壓器耦合和電容耦合方式, 這樣, 既可減弱負載（或

20、下級放大器）導納對回路的影響, 又可使前、 后級的直流供電電路分開。另外, 采用上述耦合方式也比較容易實現(xiàn)前、 后級之間的阻抗匹配。 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, 忽略了反向傳輸導納ｙre的影響。輸入信號源用電流源 并聯(lián)源導納Ｙs表示, 負載假定為另一級相同的單調(diào)諧放大器, 所以用晶體管輸入導納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, 即可導出 與 之比, 即電壓增益 。  因為負載的接入系數(shù)為ｎ2, 晶體管的接入系數(shù)為ｎ1, 所以負載等效到回路兩端的導納為n22yie。  設從集電極和發(fā)射極之間向右看的回路導納為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納, 它包括回路本身元件Ｌ、Ｃ、ｇe0和負載導納總的等效值, 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=,以上幾個公式說明, 考慮了晶體管和負載的影響之后, 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）, 可寫出放大器電壓增益振幅的另一種表達式 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, 且都可以寫成：,由于ｙfe是復數(shù), 有一個相角∠φfe, 所以一般來說, 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)、 負載電導、回路諧振電導和接入系數(shù)有關(guān)： 

26、 (1) 為了增大Ａu0, 應選取|yfe|大, ｇoe小的晶體管。  (2) 為了增大Ａu0, 要求負載電導小, 如果負載是下一級放大器, 則要求其ｇie小。  (3) 回路諧振電導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的選擇應全面考慮, 選取最佳值。  實際放大器的設計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載的影響, 比單個并聯(lián)諧振回路加寬, 因為有載Q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, ∠φfe=-22°；|yre|=310μS, ∠φre=-888°,回路電感Ｌ＝１４μH, 接入系數(shù)ｎ1＝１, ｎ2＝０３, Ｑ0＝１００。 負載是另一級相同的放大器。 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, 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=,因為,又,所以,由 Qe=,可得,從對單管

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)、 回路與負載特性及接入系數(shù)等, 所以受到一定的限制。如果要進一步增大電壓增益, 可采用多級放大器。,2.3.2多級單調(diào)諧放大器 如果多級放大器中的每一級都調(diào)諧在同一頻率上, 則稱為多級單調(diào)諧放大器。  設放大器有ｎ級, 各級電壓增益振幅分別為Ａu1, Ａu2, …, Ａun, 則總電壓增益振幅是各級電壓增益振幅的乘積, 即 Ａn＝Ａu

31、1Ａu2…Ａun 如果每一級放大器的參數(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級放大器通頻帶,BWn=2Δf 0.7=,由上述公式可知, ｎ級相同的單調(diào)諧放大器的總增益比單級放大器的增益提高了, 而通頻帶比單級放大器的通頻帶縮小了, 且級數(shù)越多, 頻帶越

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

33、時, 因為,所以, 要求每一級帶寬,同理, 當ｎ＝３時, 要求每一級帶寬,根據(jù)矩形系數(shù)定義, 當Δｆ＝Δｆ0.1時, Ａn／Ａn0＝01, 由式（2.3.20)可求得:,所以, ｎ級單調(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)與級數(shù)的關(guān)系,從表中可以看出, 當級數(shù)ｎ增加時, 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。  以上我們在討論諧振放大器時, 都假定了反向傳輸導納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。如果這個反饋足夠大, 且在相位上滿足正反饋條件, 則會出現(xiàn)自激振蕩。 

35、 為了提高放大器的穩(wěn)定性, 通常從兩個方面著手。一是從晶體管本身想辦法, 減小其反向傳輸導納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）, 所以制作晶體管時應盡量使其Ｃb′c減小, 使反饋容抗增大, 反饋作用減弱。二是從電路上設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的反饋作用。由于ｙre的實部（反饋電導）通常很小, 可以忽略, 所以常常只用一個電容ＣN來抵消yre的虛部（反饋電容）的影響, 就可達到中和的目的。,為了使通過ＣN的外部電流和通過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反相的耦合變壓器。圖233（ａ）所示為收音機常用的中和電路, （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只能在某一個頻率點起到完全中和的作用, 對其它頻率只能有部分中和作用, 又因為ｙre是一個復數(shù), 中和電路應該是一個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。  失配法通過增大負載電導ＹL, 進而增大總回路電導, 使輸

38、出電路嚴重失配, 輸出電壓相應減小, 從而反饋到輸入端的電流減小, 對輸入端的影響也就減小?？梢? 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復合管是經(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納較大, 當它和輸出導納較小的共射電路連接時, 相當于使共射電路的負載導納增大而失配, 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只能在某一個頻率點起到完全中和的作用, 對其它頻率只能有部分中和作用, 又因為ｙre是一個復數(shù), 中和電路應該是一個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。  失配法通過增大負載電導ＹL, 進而增大總回路電導, 使輸出電路嚴重失配, 輸出電壓相應減小, 從而反饋到輸入端的電流減小, 對輸入端

40、的影響也就減小?？梢? 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, 稱為增益帶寬積, 寫成G·BW=AufH。此處的通頻帶用上限截止頻率fH表示, 因為寬頻帶放大器的下限截止頻率fL一般很低或為零頻。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效應管組成, 也可以由集成電路組成。 本節(jié)以單級差分放大器為例進行分析, 可以推廣到由差分電路組成的單級或多級集成電路寬頻帶放.,2.4.1單級差分寬頻帶放大器 集成寬頻帶放大器常采用單級或多級差分電路形式。 由于單級共射電路可看成是單級差分電路的差模半電路, 所以先分析單級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R′L是交流負載，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，均為βo=100, rbb′=50 Ω, C b′c=2pF, fT=200MHz。RC=2 kΩ，RL=10 kΩ。計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, 兩個晶體管的基極上各外接一個電阻Rb, 這時的電路如圖2.4.3所示。容易看出, 與圖2.4.1

47、(b)比較, 在圖2.4.3對應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)則相應的 R′t=r b′e‖R′b (2.4.11),對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, 分別推導出相應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, 電容值增加為原來的(1+gmR′L)倍。  雖然Cb′c數(shù)值很小, 一般僅幾個皮法, 但ＣM一般卻很大。 密勒效應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, 無密勒效應, 所以上限截止頻率遠高于共射電路。 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, 將它作為共射電路的負載, 使共射電路輸出總電阻Ｒ′L大大減小, 進而使密勒電容ＣM大大減小, 高頻性能有所改善, 從而有效地擴展了共射電路亦即整個組合電路的上限截止頻率。由于共射電路負載減

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行補償。而共射電路的電流增益不會減小, 因此整個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—共基差分對電路。圖2.4.5所示國產(chǎn)寬帶放大器集成電路ＥＲ４８０３（與國外產(chǎn)品Ｕ２３５０, Ｕ２４５０相當）里采用了這種電路, 它的帶寬可達到１ ＧＨz。 ,該電路由V1、V3（或V4）與V2、V6(或V5)組成共射—共基差分對, 輸出電

52、壓特性由外電路控制。 如外電路使Ｉb2＝０, Ｉb1≠０時, V8和V4 、V5截止, 信號電流由V1、V2流入V3、 V6后輸出。 如外電路使Ｉb1＝０, Ｉb2≠０時, V7和V3、V6截止, 信號電流由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, 通過負載的電流則互相抵消, 輸出為零。Ｃe用于高頻補償, 因高頻時容抗減小, 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)可以寫出:,其中,注意此時共射電路的輸出端負載電阻是re。 因為,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：,因為,f1<<f2, f1<f3,因為gm≈ , 所以共射—共基電路的電

55、壓增益幅值與單級共射電路大致相同, 上限截止頻率提高為單級共射電路的4倍多。  ２負反饋法 調(diào)節(jié)負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)負反饋放大器的增益和頻帶寬度。如果以犧牲增益為代價, 可以擴展放大器的頻帶, 其類型可以是單級負反饋, 也可以是多級負反饋。  單管負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)負反饋電路的特點是輸入、輸出阻抗高, 所以適合與低內(nèi)阻的信號電壓源連接。電壓并聯(lián)負反饋電路的特點是輸入、輸出阻抗低, 所以適合與高內(nèi)阻的信號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)負反饋電路和電壓并聯(lián)負反饋電路級聯(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)負反饋差分放大器, V3～V6組成電壓并聯(lián)負反饋差分放大器(其中V5和V6兼作輸出級),

57、 V7～V11為恒流源電路。改變第一級差放的負反饋電阻, 可調(diào)節(jié)整個電路的電壓增益。,將引出端⑨和④短接, 增益可達４００倍； 將引出端10和③短接, 增益可達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R調(diào)到零時, 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R調(diào)到最大時, 片內(nèi)V1與V2發(fā)射極之間共并聯(lián)了5個電阻, 即片內(nèi)R3, R4, R5, R6和外接電位器R, 這時交流負反饋最強, 增益最小, 上限截止頻率最高?？梢? 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窄帶信號的選頻放大。 為了提高增益, 一般常采用多級放大電路。對于多級放大電路, 要求每級均有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, 窄帶信號的放大越來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行選頻, 然后利用單級或多級集成寬帶放大電路進行信號放大。前者以集中預選頻代替了逐級選頻, 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。 ,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、務是選頻, 要求在滿足通頻帶指標的同時, 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)絡組成, 根據(jù)網(wǎng)絡理論, 按照帶寬、 衰減特性等要求進行設計, 目前已得到了廣泛應用。 圖2.5.1給出了一種集中ＬＣ網(wǎng)絡結(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。 它具有無需調(diào)諧、體積小、 加工方便等優(yōu)點, 但工作頻率不太高（幾十兆赫茲以下）, 相對頻寬較窄。

61、,目前, 應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。所謂壓電效應是指：當晶體受到應力作用時, 在它的某些特定表面上將出現(xiàn)電荷, 而且應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；當晶體受到電場作用時, 在它的某些特定方向上將出現(xiàn)應力變化, 而且電場強度與應力變化之間存在著

62、線性關(guān)系, 這是逆壓電效應。自20世紀60年代中期問世以來, 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)、符號和等效電路。,,聲表面波濾波器是在經(jīng)過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, 其中與信號源連接的一組稱為發(fā)送叉指換能器, 與負載連接的一組稱為接收叉指換能器。當把輸入電信號

63、加到發(fā)送換能器上時, 叉指間便會產(chǎn)生交變電場。 由于逆壓電效應的作用, 基體材料將產(chǎn)生彈性變形, 從而產(chǎn)生聲波振動。向基片內(nèi)部傳送的體波會很快衰減, 而表面波則向垂直于電極的左、右兩個方向傳播。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, 在叉指對間產(chǎn)生電信號, 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數(shù)、 指條寬度a、 指條間隔b、 指條有效長度Ｂ和周期長度Ｍ等。  目前聲表面波濾波器的中心頻率可在１０MHz～１ＧHz之間, 相對帶寬為５%～５０%, 插入損耗最低僅幾個分貝, 矩形系數(shù)可達１２。  為了保證對信號的選擇性要求, 聲表面波濾波器在接入實際電路時必須實現(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,人們收聽廣播時, 常常會聽到“沙沙”聲； 觀看電視時, 常常會看到“雪花”似的背景或波紋線, 這些都是接收機中的放大器和其它元器件存在噪聲的結(jié)果。  噪聲對有用信號的接收產(chǎn)生了干擾, 特別是當有用信號較弱時, 噪聲的影響就更為突出, 嚴重時會使有用信號淹沒在噪聲之中而無法接收。  噪聲的種類很多。 有的是從器件外部竄擾進來的, 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、 晶體管噪聲和場效應管噪聲三種。 ,2.6.1電阻熱噪聲 電阻熱噪聲是由于電阻內(nèi)部自由電子的熱運動產(chǎn)生的。 在運動中自由電子經(jīng)常相互碰撞, 因而其運動速度的大小和方向都是不規(guī)則的。 溫度越高, 運動越劇烈。只有當溫度下降到絕對零度時, 運動才會停止。自由電子這種熱運動在導體內(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、過電阻本身就會在其兩端產(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, 其瞬時振幅和瞬時相位是隨機的, 所以無法計算其瞬時值。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, 可以用功率計測量出來。實驗發(fā)現(xiàn), 在整個無線電頻段內(nèi), 當溫度一定時, 單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內(nèi)幾乎是一個常數(shù), 即其功率頻譜密度是一個常數(shù)。對照白光內(nèi)包含了所有可

68、見光波長這一現(xiàn)象, 人們把這種在整個無線電頻段內(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, 以絕對溫度Ｋ計量。  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：