高频小信号放大器.docx

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高频小信号放大器

课题：

单元三高频小信号放大器

3.1高频小信号放大器概述

3.2宽带放大器和扩展通频带的方法

教学目的：

高频小信号放大器的根本概念

宽带放大器和扩展通频带的方法

高频调谐放大器的功能及分类

高频小信号放大器主要性能指标

教学重点：

高频小信号放大器主要性能指标

教学难点：

教学方法：

讲授

课时：

2学时

教学进程

单元三高频小信号放大器

放大高频小信号〔中心频率在几百千赫到几百兆赫〕的放大器称为高频小信号放大器。

根据工作频宽的宽窄不同，高频小信号放大器有宽带型和窄带型两大类。

所谓频带的宽窄，指的是相对频带，即通频带与其中心频率的比值。

宽带放大器的相对频带较带〔往往在0.1以上〕，窄带放大器的相对频带较窄〔往往小到0.01〕。

3.1高频小信号放大器概述

一、高频小信号放大器的分类

高频小信号放大器假设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；假设按通带分可分为窄带放大器，宽带放大器；假设按负载分可分为谐振放大器，非谐振放大器。

本章主要讨论单级窄带负载为LC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。

二、高频小信号放大器的质量指标

1.增益〔放大倍数〕

放大器输出电压VO〔或功率PO〕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〕。

电压增益：

（3-1）

功率增益：

（3-2）

分贝表示：

（3-3）

（3-4）

2.通频带

放大器的电压增益下降到最大值的0.7〔即1/

〕倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用BW=2Δf表示，如图3-1。

2Δf也称为3分贝带宽。

图3-1高频小信号放大器的通频带

由于放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定的频谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，以便让必要的信号中的频谱分量通过放大器。

与谐振回路一样，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QL。

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，抑制干扰信号的才能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。

〔1〕矩形系数

按理想情况，谐振曲线应为一矩形。

即在通带内放大量均匀。

在通带外不需要的信号得到完全衰减。

但实际上不可能，为了表示实际曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数〞，它表示对邻道干扰的抑制才能。

矩形系数（3-5）

（3-6）

2Δf、2Δf分别为放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽，Kr愈接近于1越好。

〔2〕抑制比

表示对某个干扰信号fn的抑制才能，用dn表示。

（3-7）

图3-2理想的与实际的频率特性图3-3对fn的抑制才能

An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。

4.工作稳定性

指在电源电压变化或器件参数变化时，以上三参数的稳定程度。

一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移、通频带变窄等，不稳定状态的极端情况是放大器自激，以致使放大器完全不能工作。

为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反应小的晶体管，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：

（3-8）

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，互相之间即有联络又有矛盾。

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，进展分析和讨论。

3.2宽带放大器和扩展通频带的方法

随着电子技术的开展及其应用日益广泛，被处理信号的频带越来越宽。

例如，模拟电视接收机里的图像信号所占频率范围为0~6MHz而雷达系统中信号的频带可达几千兆赫。

要放大如此宽的频带信号，以前所介绍的许多放大器是不能胜任的，必须采用宽带放大器。

按待放大信号的强弱，宽带放大器可分为小信号和大信号宽带放大器。

本节讨论的是小信号放大器。

大信号宽带放大器又称宽带功放，将在后面讨论。

一.宽带放大器的主要特点

宽带放大器由于待放大的信号频率很高，频带又很宽，因此有着下述与低频放大器和窄带谐振放大器不同的特点：

1、三极管采用fT很高的高频管，分析电路时必须考虑三极管的高频特性。

2、对于电路的技术指标要求高。

例如，视频放大器放大的是图像信号，它被送到显像管显示，由于接收这个信号时，人的眼睛对相位失真很敏感，因此对视频放大器的相位失真应提出较严格的要求。

而在低频放大器中，接收信号的往往是对相位失真不敏感的耳朵，故不必考虑相位失真问题。

宽带放大器的主要技术指标有通频带、增益和失真等，不再一一说明。

3、负载为非谐振的。

由于谐振振回路的带宽较窄，所以不能做为带宽放大器的负载，即它的负载只能是非谐振的。

要得到频带较大的放大器，必须进步其上限截止频率。

为此，除了选了择fT足够高的管子和高速宽带的电流模集成运放等器件外，还广泛采用组合电路和负反应等方法。

1、组合电路法

影响放大器的高频特性除器械件参数外，还与三极管的组态有关。

我们知道，不同组态的电路具有不同的特点。

因此，假如我们将不同组态电路合理的混合连接在一起，就可以进步放大器的上限截止频率，扩展其通频带，这种方法称为组合电路法。

组合电路的形式很多，如图3-4所示，常用的是“共谢-共基〞和“共集-共射〞两种组合电路。

图3-4常见组合电路形式

2、负反应法

我们知道，引入负反应可扩展放大器的通频带，而且反应越深，通频带扩展得越宽。

利用负反应技术来扩展放大器的通频带，被广泛应用于宽带放大器。

但是引入负反应容易造成放大器工作的不稳定，甚至出现自振荡，这是必须注意的问题。

常用的单级负反应是电流串联负反应和电压并联反应，也可以采用交替负反应电路：

由单级负反应电路组成多级宽带放大器时，假设前级采用电流串联负反应，那么后级应采用电压并联负反应；反之，假设前级采用电压并联负反应，那么后级应采用电流串联负反应。

在多级宽带放大器中，为了加深反应，使频带扩展得到更宽一些，可采用两级放大器的级间反应方式，常用的有两级电流并联负反应放大器和两级电压串联负反应放大器。

3、集成宽带放大器

随着电子技术的开展，宽带放大已实现集成化。

集成宽带放大器性能优良，使用方便，已得到广泛的应用。

本课小结：

1．高频小信号放大器的主要性能指标有增益、带宽、选择性等。

2．宽带放大器的主要特点是三极管采用fT很高的高频管、电路的技术指标要求高、负载为非谐振；扩展频带通常采用组合电路和负反应等方法。

本课作业：

1．通频带为什么是小信号谐振放大器的一个重要指标？

通频带不够会给信号带来什么影响？

课题：

单元三高频小信号放大器

3.3单管单调谐高频小信号放大器

教学目的：

1.理解单调谐放大器工作原理,掌握调谐放大器分析方法

2.理解双调谐耦合回路的特性，理解双调谐放大器及其性能指标

教学重点：

调谐放大器性能指标分析

教学难点：

用接入系数的概念将所有Y参数及其负载折合到调谐回路两端的交流等效电路图

教学方法：

讲授

课时：

2学时

教学进程

3.3单管单调谐高频小信号放大器

一、根本电路与工作原理

1.电路组成

单调谐放大的电路如图3-5所示。

图中，V1、R1、R2、Re组成稳定工作点的分压式偏置电路，Ce为高频旁路电容，初级电感L和电容C组成的并联谐振回路作为放大器的集电极负载。

可以看出，三极管的输出端采用了局部接入的方式，以减小它们的接入对回路Q值和谐振频率的影响〔其影响是Q值下降，增益减小，谐振频率变化〕从而进步了电路的稳定性，且使前后级的阻抗匹配。

（a）电路（b）交流通路

图3-5根本电路

2.工作原理

高频信号电压互感耦合基极电压管子be结基极电流管子放大作用集电极电流谐振回路选频回路谐振电压互感耦合负载电流iL在负载上产生较大的高频信号电压

二、电路分析

1.直流通路

2.交流通路

3.高频Y参数等效电路

图3-6高频Y参数等效电路

晶体管接入回路的接入系数p1＝N12/N13

负载接入回路的接入系数p2＝N45/N13

I’S＝p12IS＝p1YfeUbe

g’oe＝p12goe，C’oe＝p12Coe

g’L＝p22gL，C’L＝p22CL

g∑＝g‘oe＋g‘L＋gP

C∑＝C‘oe＋C‘L＋C

导纳Y∑＝g∑＋jwC∑＋1/jwL

输出电压U‘o＝－I‘s/Y∑＝－p1YfeUbe/Y∑＝Uo/p2

三、性能指标分析

1.电压增益Au＝U0/Ube≈－p1p2Yfe/〔g∑〔1＋j2QL∆f/f0〕〕

当回路谐振时，∆f＝0，放大器谐振电压增益为

Auo＝－p1p2Yfe/g∑

∣Auo∣＝p1p2Yfe/g∑＝p1p2Yfe/〔p12goe＋p22gL＋gP〕

2.功率增益Apo＝Po/Pi＝U2o/U2i＝A2uo

3.单调谐放大器的通频带

根据前述

当得为放大器的通频带。

4.单调谐放大器的选择性

当时

因此

所以单调谐放大器的矩形系数比1大得多，选择性比拟差。

双调谐耦合回路有电容耦合和互感耦合两种类型，这里只讨论后者，互感耦合调谐回路如图3-7所示。

图3-7互感耦合调谐回路图3-8次级电压谐振曲线

初、次级回路之间的耦合系数

初、次级回路的谐振频率

定义耦合因数η=kQ0

式中，Q0为空载品质因数。

那么η=1称为临界耦合状态，而η>1、η<1分别称为强耦合和弱耦合状态，根据耦合回路理论可推出

式中ζ为一般失谐，当ζ=0、η=1时I2获得最大值I2max。

由上式可画出互感耦合双调谐回路的次级电压谐振曲线，如图3-8所示，可以看出，强耦合时曲线出现双峰，中心下陷；弱耦合时曲线为单峰，但峰值较小。

比拟理想的是临界耦合时的情况，谐振曲线既为单峰，峰值又大。

（a）电路（b）交流通路

图3-9双调谐放大器

双调谐放大器的电路如图3-9所示。

图中，Rb1、Rb2和Re组成分压式偏置电路，Ce为高频旁路电容，ZL为负载阻抗〔或下级输入阻抗〕，Tr1、Tr2为高频变压器，其中Tr2的初、次级电感L1、L2分别与C1、C2组成的双调谐耦合回路作为放大器的集电极负载，三极管的输出端在初级回路的接入系数为p1，负载阻抗在次级回路的接入系数为p2。

2、电路性能分析

为了简化分析，设初次级回路的元件参数一样，那么它们的谐振频率、有载品质因数也一样，且都用W0和Qe表示。

与单调谐放大器相似，可以求得双调谐放大器的电压增益和临界耦合时的谐振电压增益分别为

不难得到，临界耦合状态的双调谐放大器的通频带和矩形系数

BW=

K0.1=BW/BW≈

因此，在f0与Qe一样的情况下，临界耦合状态的双调谐放大器的通频带为单调谐放大器通频带的

倍，而矩形系数小于单调谐放大器的矩形系数，即其谐振曲线更接近于理想的矩形曲线，选择性更好。

总之，与单调谐放大器相比拟优，处于临界耦合状态的双调谐放大器具有频带宽、选择性好等优点，但调谐较费事。

本课小结：

1.单调谐放大器采用谐振回路作为负载，其选择性较差。

2.双调谐耦合回路比拟理想的是临界耦合时的情况；与单调谐放大器相比，处于临界耦合状态的双调谐放大器具有频带宽、选择性好等优点，但调谐较费事。

本课作业：

1．某高频管在UCEQ=6V,IEQ=2mA时的参数为fT=250MHz，rbb’=50Ω,Cb’c=3pF,βo=60,求f=465kHz时的共发射极Y参数。

2．试推导共发射极单调谐放大器谐振电压增益、通频带及选择性〔矩形系数〕公式。

3.中心频率都是Z单调谐放大器和临界耦合的双调谐放大器，假设Qe均为30，试问两个放大器的通频带各为多少？

课题：

教学目的：

1.理解陶瓷滤波器的特性及优缺点，理解压电陶瓷片等效电路和电路符号，理解声外表波滤波器根本构造、符号和等效电路及工作原理

2.理解几种内部噪声，理解降低噪声系数的措施

教学重点：

声外表波滤波器根本构造、符号和等效电路及工作原理

教学难点：

教学方法：

讲授

课时：

2学时

教学进程

集中选频式放大器是采用集中滤波和集中放大相结合的小信号谐振放大器，由于这种放大器多用于中频放大，故常称为集成中频放大器，集成中频放大器克制了分散选频放大器的缺点，正越来越得到广泛的应用。

一．集成中频放大器的组成

集成中频放大器是由集成宽带放大器的集中滤波器组成的，如图3-10所示。

其中，图3-10（a）的集中小滤波器接在集成宽放的后面，图3-10（b）的集中滤波器那么接在集成宽放的后面，无论采用哪一种形式，集成宽放的频带应比放大信号的频带和集中滤波器的频带更宽一些。

集中滤波器的任务是选频，要求在满足通频带指标的同时，矩形系数要好。

其主要类型有集中LC滤波器、陶瓷滤波器和声外表波滤波器等。

后面二种集中滤波器目前应用得很广泛。

图3-10集成中频放大器组成框图

二．陶瓷滤波器

陶瓷滤波器是由钎钛酸铅陶瓷材料制成的，把这种材料制成片状，两面覆盖银层作为电极，经过直流高压极化后，它具有压电效应。

所谓压电效应是指，当陶瓷片受机械力作用而发生形变时，陶瓷片内将产生一定的电场，且它的两面出现与形变大小成正比的符号相反、数量相等的电荷；反之，假设在陶瓷片两面之间加一电场，就会产生与电场强度成正比的相械形变。

陶瓷片具有串联谐振特性，可用它来制作滤波器。

1、两端陶瓷滤波器

上述的单个陶瓷片就构成两端陶瓷滤波器，其构造、符号、等效电路如图3-11所示，其电抗特性曲线如图3-12所示。

（a）构造（b）符号（c）等效电路

图3-11两端陶瓷滤波器图3-12电抗特性曲线

由图可知串联支路的串联谐振频率

整个陶瓷滤波器的并联谐振频率

式中C为C1和C0串联后的电容值。

当信号频率ffp时陶瓷片又相当于一个电容。

2、四端陶瓷滤波器

两端陶瓷滤波器的通频带较窄，选择性较差。

为此，可将不同谐振频率的陶瓷片进展适当的组合连接，就得到性能接近理想的四端陶瓷滤波器，如图3-13所示。

图3-13四端陶瓷滤波器

陶瓷滤波器的工作频率可从几百千赫到几百兆赫，带宽可以做得很窄，其等效Q值约为几百，它具有体积小、本钱低、耐热耐湿性好、受外界条件影响小等优点。

已广泛用于接收机中，如收音机的中放、电视机的伴音中放等。

陶瓷滤波器的缺乏之处是频率特性的一致性较差，通频带不够宽等。

三．声外表波滤波器

声外表波滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路一样的消费工艺，制造简单，本钱低，频率特性的一致性好，因此广泛应用于各种电子设备中。

声外表波滤波器的构造示意图及符号如图3-14所示。

它是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经外表抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的穿插指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。

当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的外表就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要沿着基片的外表的与叉指电极升起的方向传播，故称为声外表波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，别一方向的声波那么传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

图3-14声外表波滤波器

在声外表波滤波器中，信号经过电-声-电的两次转换，由于基片的压电效应，那么叉指换能器具有选频特性。

显然，两个叉指换能器的共同作用，使声外表波滤波器的选频特性较为理想。

图3-15为声外表波滤波器的幅频特性。

图3-15声外表波滤波器的幅频特性

噪声的种类很多。

有的是从器件外部窜扰进来的，称为外部噪声；有的是器件内部产生的，称为内部噪声。

内部噪声源主要有电阻热噪声和晶体管噪声二种。

一、电阻热噪声

电阻热噪声是由电阻内部自由电子的热运动而产生的。

自由电子的这种热运动在导体内会形成非常微弱的电流，这种电流呈杂乱起伏的状态，称为起伏噪声电流。

起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。

这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。

1.噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度

SI（f）＝4kT/RA2/Hz

SU（f）＝4kTRV2⨯10－23J/K

2.热噪声均方值电流和均方值电压

In2＝SI（f）BW＝4kTBW/R

Un2＝SU（f）BW＝4kTRBW

所以，一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示。

二、晶体管噪声

晶体管噪声主要包括以下三局部：

1.热噪声

由体电阻及引线电阻产生。

2.散弹噪声

散弹噪声是晶体管的主要噪声源。

是由单位时间内通过PN结的载流子数目随机起伏而造成的。

3.闪烁噪声

闪烁噪声又称低频噪声。

一般认为是由于晶体管外表清洁处理不好或有缺陷造成的，其特点是频谱集中在约lkHz以下的低频范围，且功率频谱密度随频率降低而增大。

三、噪声系数

1．信噪比

有用信号功率Ps与噪声功率Pn的比值。

2.噪声系数的定义

放大器的噪声系数NF（NoiseFigure）定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，即

NF=〔Psi/Pni〕/〔Pso/Pno〕

NF用以说明放大电路的噪声性能，NF越小，那么放大电路本身所产生的噪声越小，其噪声性能也越好。

3．降低噪声系数的措施

在三极管放大电路中，NF与工作点电流IC有关，当IC约为1—1.5mA时NF最小。

在多级放大电路中，第一级的噪声系数对总噪声系数影响最大，因此，在要求噪声小时，第一级应采用低噪声放大电路。

本课小结：

1．集中滤波器主要类型有集中LC滤波器、陶瓷滤波器和声外表波滤波器等，具有选频性能好、使用方便等特点。

2．电路中的噪声主要有电阻热噪声和晶体管噪声两种，放大电路的噪声性能用噪声系数来表征。

本课作业：

1．声外表波滤波器和陶瓷滤波器各有什么特点,各适用于什么场合?

2．超外差接收机〔远程接收机〕高放管为什么要尽量选用低噪声管？