(1.4)--高频电子线路高频电子线路.pdf
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1、第四章 高频小信号放大器1.基本内容 高频小信号放大器主要用于放大高频小信号,属于窄带放大器。由于采用谐振回路作负 载,解决了放大倍数、通频带宽、阻抗匹配等问题,高频小信号放大器又称为小信号谐振放 大器。就放大过程而言,电路中的晶体管工作在小信号放大区域中,非线性失真很小。一方 面可以对窄带信号实现不失真放大,另一方面滤除带外信号,有选频作用。因此,从原理上 深刻理解谐振负载的选频和阻抗变换作用,对于掌握本章内容是非常重要的。为了便于以后学习,对电子器件非线性工作特性及LC谐振网络等有关知识作扼要的补 充说明。2.基本要求(1)充分了解高频小信号放大器的工作原理及特点。(2)掌握高频小信号放大
2、器的电路组成、晶体管工作的内部物理机理、高频参数、高频 等效电路、参数等效电路。(3)掌握高频小信号放大器放大倍数、输入阻抗、输出阻抗计算公式的推导与使用。(4)理解高频小信号放大器的内部反馈及稳定工作条件,掌握消除内部反馈的原理与基 本方法。(5)掌握高频小信号放大器阻抗匹配、接入系数的概念与基本计算方法。4.1 概述4.1.1 高频小信号放大器的功能 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路,它所放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。高频 小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真放大,从信号所含频谱来看,输入信号频谱与放 大后输出信号的频谱是相同的。4.1.2 高频小信号放大器的
3、分类1按元器件分:晶体管放大器、场效应管放大器、集成电路放大器;2按通频带分:窄带放大器、宽带放大器;3按电路形式分:单级放大器、多级放大器;4按负载性质分为:谐振放大器、非谐振放大器。4.1.3 高频小信号放大器的主要性能指标1电压增益与功率增益 电压增益等于放大器输出电压与输入电压之比;而功率增益等于放大器输出给负载的功率与输入功率 之比。2频带宽度 放大器的电压增益下降到最大值的 倍时所对应的频带宽度,常用2f0.7来表示。3矩形系数 矩形系数是表征放大器选择性好坏的一个参量。其定义为:Kr0.1=2f0.12f0.7(41)式中,2f0.7为放大器的通频带;2f0.1为放大器的电压增益
4、下降至最大值的0.1 倍时 所对应的频带宽度。4工作稳定性 工作稳定性指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等发生可能变化时,放大 器主要性能的稳定程度。5噪声系数 噪声系数是用来表征放大器的噪声性能好坏的一个参量。4.2分析小信号放大器的有关知识4.2.1 串并联谐振回路的特性表41 串并联回路的特性4.2.2 串并联阻抗的等效互换 图41由图41的等效互换电路可知(42)得:(43)定义品质因数为 代入上式得 若回路品质因数较高,由式(43)可得(44)(45)可得:高Q串联电路转换为并联电路后,R2为串联电路r1的Q2倍,而X2与串联电路X1相同,基本保持不变。4.2.3 并联谐振
5、回路的耦合联结与接入系数 并连谐振回路作为放大器的负载时,其连接的方式直接影响放大器的性能。一般来看因 为晶体管的输出阻抗低,直接接入是不适用的,会降低谐振回路的品质因数Q。通常,多采 用部分接入方式,以完成阻抗变换。定义:接入系数p 为转换前的圈数(或容抗)与转换后的圈数(或容抗)的比值。由此 定义我们分别可得:1 变压器耦合联接的变比关系图42 变压器耦合联接的变换 根据功率关系,故(46)根据变压器的电压变换关系,即,可得(47)2自耦变压器耦合联接的变比关系 图43自耦变压器耦合联接的变换 图43是自耦变压器耦合联接形式,其变比关系的分析与变压器耦合相同。同理可得(48)3双电容分压耦
6、合联结的变比关系 图44 双电容分压耦合联结的变换 其变比关系可以应用串并联等效互换的关系求得,首先将Rl与C2组成的并联支路等 效为串联支路。其中X不变,电阻RLS为再将RLS、C1、C2组成的串联支路等效为并联支路。而电阻 又因为 所以(49)上面以电阻RL的等效变换推导了各种联结形式的变比关系。可以得到电阻转换通式为(410)为了以后分析电路时运用方便,可将上述变化关系推广到电导、电抗、电流和电压源的 等效变比关系上去,可得(411)利用式(411)可以很方便地进行各种变换,这对我们以后分析电路是非常有用的。4.3 高频小信号等效电晶体管路 晶体管在高频线性运用时,晶体管的内部参数将随工
7、作频率而变化。因而必须讨论晶体 管的高频等效电路。等效方法是:把晶体管看作四端(两端口)网络,四个参量、中两个作自变量,另两个作为参变量的函数。在本课程所讨论的频率范围内,用 的最多的是y参数等效电路和混合等效电路。4.3.1y参数等效电路 以 和 为自变量,则有:(412)(413)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。由此可得晶体管及其y参数等效电路如图45所示。图45 晶体管y参数等效电路4.3.2 混合等效电路 混合等效电路如图46。高频电子线路对应的频率范围的混合等效电路中,是发射结电阻。当工作于放大 状
8、态时,发射结处于正向偏置,所以 数值很小,可表示为。由于集电结处于反向偏置,的数值很大。表示晶体管放大作用的等效电流源,而,表示晶体管的放大能力,称为跨导,单位为S。图46 晶体管混合等效电路 因为 的值在所讨论的频率范围内比 的容抗大得多,对等效电路进行简化时 可忽略。在分析小信号谐振放大器时,采用y 参数等效电路等效晶体管。但y参数是随工作频 率变化的,而混合 等效电路用集中参数元件用RC表示,物理过程明显,在分析电路原理 时用的较多。4.3.3 高频参数 图47 晶体管高频参数特性1截止频率f是晶体管发射极电流放大系数,截止频率f的定义是:当|下降到低频电流放大系数0的 倍时,所对应的频
9、率称为截止频率f。由图(47)可知,由于 很小,流过的电流很小,可近似认为可得(414)在工作频率很低时,和 的影响可以忽略,对应的=0。所以。代 入式(414)式,可得(415)考虑到f的定义,令 则(416)取模得(417)由式(417)我们可以得出 低频时,=o 当ff时,仍有电流放大作用。2截止频率f=(1+o)f3特征频率fT特征频率fT的定义是,当|=1时所对应的工作频率。令则(418)若01时又得(419)即特征频率=直流短路电流放大倍数f 无电流放大作用,但仍有功率放大 fT是 和uce的函数,即,fT;uce,fT。当ff时,且01,可推得|=fT/f4最高振荡频率fmax晶
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