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1、第三章第三章 高频小信号放大器高频小信号放大器3.1 3.1 概述概述3.1.13.1.1高频小信号放大器的分类高频小信号放大器的分类3.1.2 3.1.2 高频小信号放大器的主要性能指标高频小信号放大器的主要性能指标3.2 LC3.2 LC串并联谐振回路串并联谐振回路3.2.1 3.2.1 串联谐振回路串联谐振回路3.2.2 3.2.2 并联谐振回路并联谐振回路3.2.3 3.2.3 阻抗变换与接入系数阻抗变换与接入系数3.3 3.3 晶体管高频小信号等效电路与参数晶体管高频小信号等效电路与参数3.4 3.4 小信号调谐放大器小信号调谐放大器3.1 概述概述3.1 概述概述3.1 概述概述2
2、 2、按带宽分、按带宽分u窄带放大器：窄带放大器：用LC谐振回路或集中选频滤波器做负载，频带宽度约（几几十M）Hz。u宽带放大器：宽带放大器：用纯阻或变压器做负载，带宽较宽，约（几M几百M）Hz。3.1 概述概述电压增益与功率增益电压增益与功率增益 电压增益电压增益=输出电压输出电压/输入电压输入电压 功率增益功率增益=输出功率输出功率/输入功率输入功率频带宽度频带宽度 放大器的电压增益下降到最大值的放大器的电压增益下降到最大值的 倍时，所对应倍时，所对应的频带宽度，常用的频带宽度，常用 来表示来表示120.72 f3.1 概述概述矩形系数矩形系数 矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量，定
3、义为矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量，定义为 工作稳定性工作稳定性噪声系数噪声系数0.10.10.722rfKf3、增益够大，多级级联时工作稳定性好、增益够大，多级级联时工作稳定性好4、通频带够宽。因此，引出增益带宽乘积、通频带够宽。因此，引出增益带宽乘积GBP作为衡量宽带放大器的质量指标作为衡量宽带放大器的质量指标5、输出信号幅度保持稳定。用自动增益控制、输出信号幅度保持稳定。用自动增益控制（AGC）电路电路6、低噪声、低噪声1、工作频率高。目前广泛使用的、工作频率高。目前广泛使用的GSM数字移动数字移动通信系统的手机中，为通信系统的手机中，为900MHz和和1800MHz（ 190
4、0MHz ）2、 负载是谐振回路和负载是谐振回路和声表面波声表面波滤波器等。滤波器等。CsVsR0CCCVLRCeReC0C1bR2bRM共发射极调谐放大器共发射极调谐放大器abab输入电路晶体管输出电路选频滤波的作用选频滤波的作用高频小信号调谐放大器的电路组成：高频小信号调谐放大器的电路组成： 晶体管和晶体管和LCLC谐振回路。谐振回路。3.2 LC串并联谐振回路串并联谐振回路 LCLC谐振回路有谐振回路有并联回路和和串联回路两种形式两种形式其作用是：其作用是： u（1）选频滤波：从输入信号中选出有用频率分量，抑制无用频率分量或噪声。u（2）阻抗变换电路及匹配电路； u（3）实现频幅、频相变
5、换：将频率的变化转换为振幅或相位的变化（将在频率调制中讲）3.2.1 LC串联谐振回路串联谐振回路 串联谐振回路由电感串联谐振回路由电感L、电容、电容C和电阻和电阻r串联而成，其中串联而成，其中r为电感线圈的损耗电阻，如图所示：为电感线圈的损耗电阻，如图所示：i()(),: ()()iV jV jI jZ j当激励电压时 谐振电流的频率函数可表示为1()()()Z jZ jrjLC为串联回路的复阻抗：）（或或：可可得得到到串串联联谐谐振振角角频频率率回回路路发发生生串串联联谐谐振振，即即，此此时时称称为为时时，电电流流才才和和电电压压同同相相升升高高而而减减小小，只只有有当当后后者者随随升升高
6、高而而增增大大，变变化化，前前者者随随随随改改变变时时，感感抗抗和和容容抗抗都都的的频频率率若若信信号号源源LCfLCCLVi211100003.2.1 LC串联谐振回路串联谐振回路1 1、串联回路阻抗特性、串联回路阻抗特性串联谐振回路品质因数串联谐振回路品质因数Q:Q:回路感抗值（容抗值）与电阻数值的比值：表示回路不含外加负载电阻表示回路不含外加负载电阻与信号源内阻时，回路感抗（容抗）与其固有损耗与信号源内阻时，回路感抗（容抗）与其固有损耗电阻电阻r r的比值。的比值。CrrLQ0001 0011LLQrCrrC：表示考虑了外加负载电阻与：表示考虑了外加负载电阻与信号源内阻时的回路品质因数。
7、信号源内阻时的回路品质因数。00LSLLQQrRR0i00() ()V jI jr当回路处于谐振状态，即时，回路谐振电流为最大。其值为：压分别为：压分别为：而回路中各元件的端电而回路中各元件的端电00000000000()()()()()()()()/()riLiCiVjI jrV jVjI jjLjQV jVjI jjCjQV j 串联回路谐振时，电感器和电容器的端电压均达到最大值，串联回路谐振时，电感器和电容器的端电压均达到最大值，并为输入电压的并为输入电压的Q Q倍。故又称串联谐振为倍。故又称串联谐振为。3 3、回路谐振时的电压特性、回路谐振时的电压特性4 4、串联谐振回路的谐振特性、串
8、联谐振回路的谐振特性 )(0000)()(11)()()()()(ijiiejQjIjIjjIjI电流的相对值：进行归一化，得到回路对用例例1：串联回路如下图所示。Q信号源频率 F =1MHz电压振幅 V=0.1V。将1-1端短接，电容C 调到100PF时谐振。此时，电容C 两端的电压为10V。如1-1端开路再串接一阻抗 Z （电阻和电容串联），则回路失谐，电容 C 调到200PF时重新谐振。此时，电容 C 两端的电压为2.5V。试求：线圈的电感 L，回路品质因数 以及未知阻抗 Z 。Q100VVQCMHzLCf1210mHCL253. 02110112269 .152000QLfQLRRLQ
9、解解: :将将1-11-1短接短接 200QLfQLRQQ21RR291059 .151jCjRZXX8 .7959 .15jZ回路总电阻回路总电阻 所以当所以当F=1MHzF=1MHz时时 XCC |1-11-1断开断开, ,串接串接Z Z时时,Z,Z为为CxCx与与RxRx串联串联, ,则回路总电容为则回路总电容为pFCCMHzCCLfXX100|1|210Cx=200pF=C VVVCCX5 . 2VVXCC5|5500.1XC CVQV 9.15RRX 左图所示为一个有耗的空心线圈和电容组成的并联回左图所示为一个有耗的空心线圈和电容组成的并联回路。其中路。其中 r r 为为L L的损耗
10、电阻，的损耗电阻，C C 的损耗很小，可忽略。的损耗很小，可忽略。 为激励电流源为激励电流源, , 为为L L的并联损耗电阻的并联损耗电阻3.2.2 并联谐振回路并联谐振回路iIPR并联谐振回路的总阻抗：并联谐振回路的总阻抗：CLjrCjLjrCjLjrCjLjrjIjVjZioP1111)()()(CLjrCLjrCLjrCjLjr1111)()(1122222jjXjRCLrCLLrCjCrPP回路谐振时：回路谐振时：回路呈纯阻特性回路呈纯阻特性0)(jXP11ooLLQrCrrC022CLLr22211111111PrLLCLLCLCQr C其中其中Q为回路的空载品质因数，且有为回路的空
11、载品质因数，且有p1Q1LC当时，回路谐振频率回路谐振频率:分子分母同乘LC11111pLrCrjCjCLLRL220201Pw LLRrQCrrw Crp1C1 LRLrCPooPooRLQCRLrCrCLjrCLCjrCjLjrCjLjrjIjVjZioP111)()()(LCjLCrLjr11并联回路的阻抗频率特性曲线：阻抗频率特性曲线：= = 0 0 ，阻抗最大且为纯阻，阻抗最大且为纯阻RpRp 0 0 ，呈容性，呈容性 0 0 ，呈感性，呈感性当回路谐振时，最大输出电压、电阻、电感、电当回路谐振时，最大输出电压、电阻、电感、电容支路的电流分别为：容支路的电流分别为： )()(ioPo
12、ooRjIRjVjIP PoooRjIjV)()(i 0ii()()()()CoooPoIjj C V jj C I jRjQI j)()()()(iiooPoooooLjjQILjRjILjjVjI 并联回路并联回路谐振时，谐振回路两端的电压最大，与激励电流同相位；流过其电抗支路的电流比激励电流大 Q 倍，故并联谐振又称电流谐振电流谐振。以 = 时的输出电压 对 归一化归一化，可得并联谐振回路的相对幅频特性与相频特性相对幅频特性与相频特性，其值分别如下：)(00jV)(0jV02002000v)(Q11)j(V)j(V)()(arctgQ)(00vLRCRQoPPoQ2QfBW000.7BW
13、并联回路相对幅频特性 2/1V2002000v)(Q11)j(V)j(V)(串并联回路的比较串并联回路的比较1 1、回路谐振时，串联谐振回路的阻抗最小（、回路谐振时，串联谐振回路的阻抗最小（r r），），并联谐振回路的阻抗最大（并联谐振回路的阻抗最大（RpRp）；）；2 2、实际应用中，串联回路适合于信号源和负载串接，、实际应用中，串联回路适合于信号源和负载串接，从而使信号电流有效的送给负载，并联回路适合于从而使信号电流有效的送给负载，并联回路适合于信号源和负载并接，使信号在负载上得到的电压振信号源和负载并接，使信号在负载上得到的电压振幅最大。幅最大。例例2 设一放大器以简单并联谐振回路为负载
14、，信号中心频率设一放大器以简单并联谐振回路为负载，信号中心频率f0=10MHz，回路电容，回路电容C=50pF，（1）试计算所需的线圈电感值）试计算所需的线圈电感值（2）若线圈品质因数为）若线圈品质因数为Q=100,试计算线圈的并联谐振电阻试计算线圈的并联谐振电阻Rp及回路带宽及回路带宽BW。（3）若放大器所需的带宽）若放大器所需的带宽Bw=0.5MHz，则应在回路上并联，则应在回路上并联多大的电阻才能满足放大器所需带宽要求。多大的电阻才能满足放大器所需带宽要求。解：（1）由：LCo1 得：H07. 5Cf121L202 （2）由LRQoP 得： 8k.311007. 510210067 LQ
15、RoP100kHzQfBW0例例2 设一放大器以简单并联谐振回路为负载，信号中心频率设一放大器以简单并联谐振回路为负载，信号中心频率f0=10MHz，回路电容，回路电容C=50pF，（1）试计算所需的线圈电感值）试计算所需的线圈电感值（2）若线圈品质因数为）若线圈品质因数为Q=100,试计算回路谐振电阻及回路带试计算回路谐振电阻及回路带宽。宽。（3）若放大器所需的带宽）若放大器所需的带宽Bw=0.5MHz，则应在回路上并联，则应在回路上并联多大的电阻才能满足放大器所需带宽要求。多大的电阻才能满足放大器所需带宽要求。37k. 61007. 510220LQR/R67oPQfBW020BWfQ09
16、7k. 7R LRrLQopo00.713oooLffLBWMHzQR260/ gLpRRRR46. 021LCfo1.MHz，180R0pLQoRLoQLLgPRRRR/ 00LRQQL减小，通频带加宽，选择性变坏减小，通频带加宽，选择性变坏。可见，在有信号源可见，在有信号源內內阻和负载电阻情况下，为了对并联谐振阻和负载电阻情况下，为了对并联谐振回路的影响小，需要应用阻抗变换电路，增大负载的值回路的影响小，需要应用阻抗变换电路，增大负载的值gI回路的空载品质因数：00pRQWL回路的有载品质因数：将负载从次级等效到初级将负载从次级等效到初级(1) 全耦合变压器等效全耦合变压器等效理想变压器无
17、损耗：理想变压器无损耗：LRVP222 211LRVP 12PP 2122LLRVRV 221221 NNVVRRLLLLRNNR221 从从功率功率等效角度证明：等效角度证明：(2) 双电感抽头耦合电路双电感抽头耦合电路omom212VVLLLp2pRRLL2RV2RVL20mL20m222122212omomLLLLLLj)LL(jVVRR)I(ILRL(2) 双电感抽头耦合电路双电感抽头耦合电路212LLLp 可得2sspRR 根据变换前后功率等效原理：根据变换前后功率等效原理：22imimssVV2R2R 22imimssp1VVRR pVVIIimimss pIIss （3）双电容抽
18、头耦合电路）双电容抽头耦合电路211212121/ j CC C1/jCCCpCC可得2LLpRR(p1)根据变换前后功率等效原理：根据变换前后功率等效原理：2RV2RVL2omL2om 22omomLLp1VVRR (3) 双电容抽头耦合电路双电容抽头耦合电路可得可得根据变换前后功率等效原理：根据变换前后功率等效原理：2RV2RVs2ims2im2sspRR 22imimssp1VVRR21121212CCCCCCCj/1Cj/1p同理可得：同理可得：pIIss(4) (4) 应用部分接入法的选频电路应用部分接入法的选频电路接入系数：接入系数：,2111CCCp 2122LLLp 22pRR
19、LL 21pRRgg ggIpI1 /LgPRRRR 结论结论: : 采用部分接入法，电源采用部分接入法，电源及负载对回路及负载对回路有有载品质因数载品质因数影响明显减小。影响明显减小。LRQe0例例4 4：SCrL1C2CLRSRPFCCCCCCS2010102121 （1） 回路总电容 HzLCf712601098. 31020108 . 02121 ： ,k20R,pF20CC,H8 . 0LS21 k5RL10SCpF0fR如如图一图一所示电路中，所示电路中，试求回路，试求回路，谐振电阻，谐振电阻，有载品质因数，有载品质因数QL以及通频带以及通频带BW。.100Q0回路的空载品质因素的
20、谐振频率的谐振频率rLQ00 （2） 220000QLfQLr 电感的固有损耗电阻 krQRP2020r等效到回路两端得到： kRpRRLLL2042RL等效到回路两端得到：5 . 0202020211 CCCp其中：k7 . 6202020RRRRLPS（3） 5 .33108 . 01098. 32107 . 6LRQ6730L（4） Hz1019. 15 .331098. 3QfBW67L07 . 0作业作业1对于收音机的中频放大器，其中心频率对于收音机的中频放大器，其中心频率 ，回路电容，回路电容 ，试计算回路电感，试计算回路电感L， Q值值和电感线圈的并联谐振电阻和电感线圈的并联谐振
21、电阻 。0465fkHz0.78BWkHz200CpFPR作业作业25gR100LR8r200L1401C14002C在图中，电容分压式并联谐振电路在图中，电容分压式并联谐振电路k，k，H，pF，0f求谐振频率求谐振频率和通频带宽度和通频带宽度BW。pF，LRLsigR1C2Cr 作业作业3）等效电路）等效电路 一是物理模拟（混合一是物理模拟（混合y参数等效电路）参数等效电路）另一是形式另一是形式等效电路（等效电路（一、晶体管高频小信号等效电路形式等效电路通常亦称为形式等效电路通常亦称为y y参数等效电路，是选取输入电参数等效电路，是选取输入电压和输出电压为自变量，输入电流和输出电流为参变量，
22、压和输出电压为自变量，输入电流和输出电流为参变量，不涉及晶体管内部物理过程不涉及晶体管内部物理过程物理模拟等效电路通常称为混合物理模拟等效电路通常称为混合等效电路，是把晶等效电路，是把晶体管内部物理过程用集中元件体管内部物理过程用集中元件RLCRLC表示，用物理模拟表示，用物理模拟方法表示等效电路。这在模拟电子技术中曾提及。方法表示等效电路。这在模拟电子技术中曾提及。bbr基区体电阻基区体电阻, , 约约十几几十b er发射结电阻发射结电阻er折合到基极回路的等效电阻折合到基极回路的等效电阻, ,几十欧几十欧到几千欧；到几千欧；2 6 ()()()eE Qm VrIm Ab eCbcrb cC
23、：集电结电容：集电结电容, , 约几个皮法；约几个皮法； mg：发射结电容：发射结电容, , 约约1010皮法到几百皮法；皮法到几百皮法； ：晶体管跨导：晶体管跨导, , 几十毫西门子以下；几十毫西门子以下； ：集电结电阻：集电结电阻, 约约10k10M；126()()1(1)2TmeeEQEQb eoeb eb cTeVmVgrrIImArrCCf r 2、y参数等效电路bieberececfebeoeceIy Vy VIy Vy V2、y参数等效电路共发射极接法的晶体管参数等效电路 0000cecebebebciefebebeVVbcreoececeVVIIyyVVIIyyVV式中，式中，
24、 ierefeoeyyyy、 、 、分别称为输入导纳、反向传输导纳分别称为输入导纳、反向传输导纳正向传输导纳和输出导纳。正向传输导纳和输出导纳。 3 3、参数与混合、参数与混合 参数的关系参数的关系1()1()1()1()refebebeieieiebbbebebe bbmoeoeoeoebcbbbebejbcrerebbbebejmfefebbbebegj Cygj Crgj Cj C r gygj Cgj Crgj Cj Cyy ergj Cgyy ergj C2.2.1f021f)CC(r1fc be be b0f1fj（2）特征频率）特征频率 ：TfTf11)/(1|20.ffT20.
25、)f/f(1|)CC(2gfc be bmTffffTT0:, 1/所以有所以有由于由于 fff/ff/fTT（3）最高振荡频率）最高振荡频率 ：maxfcbebbbmCCrgfmax421maxfTff 最高， 次之， 最低。 晶体管的功率增益 时的工作频率称为最高振荡频率 。maxf1PG二、晶体管的高频参数（4） 共基极截止频率共基极截止频率f ffj 100f2/0 3.4 3.4 小信号调谐放大器小信号调谐放大器3.4.1 3.4.1 单级单调谐放大器单级单调谐放大器一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路 （b）交流通路1 1、各元件的作用
26、、各元件的作用 1BR2BRER构成晶体管的分压式电流反馈直流偏置电路，构成晶体管的分压式电流反馈直流偏置电路，以保证晶体管工作在甲类状态。以保证晶体管工作在甲类状态。2.2.2电容电容C CB B、C CE E对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。对高频旁路，电容值比低频放大器中小得多。 LCLC谐振回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供谐振回路作为晶体管放大器的负载，为放大器提供选频回路。谐振回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。选频回路。谐振回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配。2.2.2高频调谐放大器的典型线路（a）原理电路 （b）交流通路2 2、简单工作原理、简单工作原理 信号由输入
27、端的高频变压器引入，晶体管信号由输入端的高频变压器引入，晶体管放大器的负载为部分接入的谐振回路，该回路放大器的负载为部分接入的谐振回路，该回路对输入信号频率谐振，即对输入信号频率谐振，即 。此时，回。此时，回路呈现的阻抗最大，而对其它频率的阻抗很小，路呈现的阻抗最大，而对其它频率的阻抗很小，因而输入信号频率的电压得到放大，而其它频因而输入信号频率的电压得到放大，而其它频率信号受到抑制。同时谐振回路采用抽头连接，率信号受到抑制。同时谐振回路采用抽头连接，可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集电极所需可以实现阻抗匹配，以提供晶体管集电极所需要的负载电阻，从而在负载（下一级晶体管的要的负载电阻，从而在负载
28、（下一级晶体管的输入）上得到最大的电压输出。所以，输入）上得到最大的电压输出。所以，谐振回谐振回路的作用是实现选频滤波及阻抗匹配。路的作用是实现选频滤波及阻抗匹配。o二、电路性能分析二、电路性能分析1 1、放大器的小信号等效电路及其简化、放大器的小信号等效电路及其简化单管放大器的小信号（a）小信号等效电路 （b）简化电路2.2.221ooVVp12113NpN45213NpN1()feifeiy Vp y V 22ieieyp y 21oeoeyp y 0rey图中设图中设得到的小信号等效电路如下图所示。其中得到的小信号等效电路如下图所示。其中()ofeiVy Vy 01oeieeyyygj
29、Cj L其中其中 22222201ieieipeieeyppRygCgpj 222111oeoeoeoeyp yp gjp C 2.2.2由图知：由图知：2222112201oeoeieieep gjp Cp gjp Cgj Cj L1()gjCL所以所以 221oofeiVp Vp p y Vy 2212oeieeogp gp gg22221212/ / /oeieoeieCp Cp CCp Cp CC001LCQggL00122fLC00000111eopCCgRQLQQL2 2、电路性能分析、电路性能分析（1）电压放大倍数（增益）1212012()(1)fefeoiLp p yp p y
30、VAfVgjCgjQLf 2.2.21()ygjCL谐振电压放大倍数（增益）谐振电压放大倍数（增益） 1200feoip p yVAVg 式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差式中负号表示输出电压和输入电压之间的相位相差 。o180谐振电压放大倍数（增益）的振幅值谐振电压放大倍数（增益）的振幅值 120feooip p yVAVg2.2.2谐振放大器谐振时的电压增益最大谐振放大器谐振时的电压增益最大电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关电导和接入系数有关（2）、放大器的频率特性001()21LANjffAjQf其中幅频特
31、性表达式为其中幅频特性表达式为 201( )21()oLAN fAfQf放大器的谐振曲线 2.2.2 放大器的频率特性曲线如图示。（3）放大器的通频带1( )2N f令 ，得到放大器的通频带为 0.7120LBWfffQLQ越高，放大器的通频带越窄，反之越宽。 （4）放大器的增益带宽积将 001LCQggL代入 1200feoip p yVAVg 得到放大器的增益带宽积为 1200.72fep p yABWC2.2.2当 均为定值时，谐振放大器的增益与通频带的乘积为一常数，也就是说，通频带越宽，增益越小；反之，增益越大。12fey p p C（5）矩形系数 20.10.10.721019.95
32、2rfKf 2.2.2上式说明，单调谐放大器的矩形系数远大于，谐振曲线与矩形上式说明，单调谐放大器的矩形系数远大于，谐振曲线与矩形相差太远，故单调谐谐振放大器的选择性较差。相差太远，故单调谐谐振放大器的选择性较差。 3.4.2 3.4.2 多级单调谐放大器多级单调谐放大器 当多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上时，当多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上时，称为多级单调谐放大器。称为多级单调谐放大器。n n级放大器级联，则级放大器级联，则总电压增益的振幅值为为：一、电压增益电压增益12nnAA AA 若每一若每一级参数均相级参数均相同，则同，则12121 ()nfennnLop p yAAf
33、Qgf谐振电压增益谐振电压增益 120nfenp p yAg2.2.3所以，放大器的频率特性所以，放大器的频率特性0201( )21 ()nnnLAN fAfQf2.2.3Au /Au010.7070f0fn1n2n3级联放大器谐振曲线 二、通频带二、通频带n n 级放大器的通频带级放大器的通频带1100.70.70.7()(2)2121nnnnLfBWfBWQ 由上式知，由上式知，级联的放大器级数越多，总增益 A越大，但通频带 0.7()nBW越窄。换句话说，当多级放大器带宽确定后，级数越多，要求每一级的带宽越宽。2.2.3（放大器多级级联动画）三、矩形系数三、矩形系数n n级单调谐放大器的矩形系数为级单调谐放大器的矩形系数为10.10.110.7()1001()()21nnrnnnBWKBWn1 . 0rk由该表知，级联的放大器级数越多， 0.1rK虽有所改善，但效果不大。123456789109.954.83.753.43.23.13.02.942.922.92.56 由以上分析知，单调谐放大器的选择性差，增益和通频带的矛盾突出。改善放大器选择性和解决其增益与通频带之间的矛盾的有效方法之一是采用参差调谐放大器。2.2.3矩形系数与级数n的关系如下表所示：
