第2章 射频电子系统中的放大器设计,2.1 高频小信号谐振放大器 高频小信号放大器与高频功率放大器 高频放大器的频带特性及其构成方法 2.1.1 高频小信号放大器的基本要求 高频小信号放大器工作于放大器的线性区，可用线性四端网络来等效,主要性能指标,1增益 电压增益（放大倍数）：Av=Uo/Ui 对数电压增益（dB）： 20logAv 功率增益（放大倍数） ：AP=Po/Pi 对数功率增益（dB）： 10logAP 对数增益表示在工程上的优点 2通频带与选择性 通频带：保证有用信号能顺利放大 三分贝带宽（半功率带宽）、1dB带宽等 选择性：对其他信号有足够的抑制 矩形系数Kr0.1（20dB矩形系数） Kr0.01（40dB矩形系数）,3噪声系数 噪声系数：放大器输入信噪比与输出信噪比之比 对数表示： 本质：信号通过放大器后，信噪比的恶化程度 4工作稳定性 在不同的温度下（如40+85），其工作点（直流偏置）会产生变化，晶体管参数、元件参数，以及放大器增益、通频带、通频带中心频率都会产生变化，即性能会变化，甚至自激振荡。 51dB压缩点输出功率 表示放大器输出信号功率的能力,在小信号工作条件下，管子特性可用线性参数表征 1高频晶体管网络参数模型 网络参数模型与物理参数模型,2.1.2 高频晶体管小信号等效电路模型与参数,共射组态网络模型,（a）Y参数模型 （b）Y参数等效电路,实质：用网络参数等效晶体管特性，内部物理过程不考虑， 即黑匣子,Y参数的物理意义 输出短路时的输入导纳 输入短路时的反向传输导纳 输出短路时的正向传输导纳 输入短路时的输出导纳 yie、yre、yfe和yce称为晶体管共射组态的网络参数 参数是频率的函数 不同组态的y参数不一样 Y参数的表现形式：S参数在微波频段的广泛应用,2高频晶体管的物理模型 混合型等效电路 把晶体管内部的复杂物理关系用集中元件R、L、C来表征，每一元件与晶体管内部发生的某一种物理过程相关联,图2-2 晶体管混合型等效电路,（a）NPN模型 （b）NPN混等效电路,物理参数总结： 基本参数： rbb（体电阻）、 rbe、 （跨导） 基区宽度调制效应： rce、 rbc（可忽略不计） 高频参数： Cbe（势垒+扩散）、 Cbc （密勒） 封装参数：封装电容、引线电感(未含在等效电路中) 例如，某个高频晶体管混合型电路的参数如下：,3晶体管混合型电路参数与 网络参数之间的转换 Y参数可测量 Y参数可由混合型电路参数转换得到 直接转换法： 输出短路时，等效电路如图2-4 ，可得 ：,输入短路时，类似可得 ：,图2-4 混合型模型输出短路,2.1.3 晶体管的高频参数,频率升高时，由于晶体管物理模型中存在电容，其共射阻态的电流放大倍数 为复数： f称为晶体管共射组态的（3dB）截止频率； 射频系统中晶体管经常工作于远大于f的频率范围 双极晶体管电流放大倍数下降到1所对应的频率特征频率fT f 与fT 的关系,图2-5 截止频率和特征频率,fT 的求取： 工程应用：求工作频率上的实际放大倍数： 当 时， 而 故有 即电流增益小于1，但功率增益可以大于1 晶体管功率增益Ap=1时的工作频率为最高振荡频率fmax：,2.1.4 晶体管高频小信号单调谐回路谐振放大器,是接收机中频放大电路常用形式之一 各元件作用： 电源滤波（去耦）；旁路电容（使功率有效传输）；隔直电容 直流偏置,图2-6 三级中频放大器电路图,仅取其中一级来分析与计算 分析假定： 三级级联放大器完全相同 使用同样的晶体管 工作在同样的状态（即y参数相同） 图中C 为隔直电容或旁路电容，满足 或 RP为并联谐振回路的谐振电阻 下级放大器输入负载只考虑yie2的影响， yre2的影响忽略不计（单向化）,图2-7 一级中放交流等效电路及y参数等效电路,（a）一级放大器的交流等效电路 （b） y参数等效电路,放大器指标计算,1放大器的输入导纳,即放大器的输入导纳不但与yie有关，还与输出参数及yfe、yoe有关。当yre=0时，yi=yie，此时晶体管成为单向器件,代表由集电级C向右看进去的回路总导纳,2电压增益AV 放大器的负载为yie2，yie2上的电压为 ，输入电压为 。定义放大器的电压放大倍数为：,且,则,或,是放大器调谐回路的谐振频率 是工作频率对回路的失谐 是回路的有载品质因数 称为广义失谐,（即谐振） 令归一化抑制比为 高频小信号单调谐谐振放大器的归一化抑制比的表达式与简单谐振回路表达式完全一样 影响放大器的电压增益的因素 放大器的最大电压增益仅决定于晶体管参数yfe、goe、gie2以及谐振回路的性质,Q0,图2-8 折合到a、b端的等效电路,定义功率增益为：,3功率增益AP 将网络参数等效电路的全部参数折合到a、b两端后可画成如图2-8所示电路。条件,为输入功率，Vi为输入电压有效值。 Po为作用在gie2的输出功率。,谐振时：,令,得,AP由四项相乘得到，每一项都具有明确的物理含义，说明如下：,（1）谐振时， ，此时输出回路均折合到a、b两端的等效电路如图2-8（b）所示。如认为回路损耗很小，忽略不计，则 为电流源的内阻， 为负载，匹配条件是 ， 即 ，因此 项表征的是负载与晶体管的失配程度，称为失配损耗，它的最大值为1。 时， 值均小于1。,（2） 表明的是回路本身的损耗，它表征回路固有损耗使功率增益AP降低的比例。回路本身损耗为零， ，此时 ，表明回路对功率增益AP无影响，一般情况下， 。 表征的是谐振回路的插入损耗。 （3）当 及 ，即 时，可求得谐振状态时的最大增益 ，仅与晶体管本身的参数有关。 （4） 表明失谐状态的程度对功率增益的影响。 4小信号单调谐回路谐振放大器的通频带与选择性 3dB通频带与简单谐振回路相同,而 故 当晶体管选定、电路完全确定以后，放大器的带宽增益乘积是一个常数，带宽愈窄，增益愈高，反之亦然。带宽增益乘积与 成反比， 愈小，带宽增益积愈大。 最小的 但这样会引起电路不稳定，必须外接一定值的电容 放大器的矩形系数类似于简单谐振回路,例2.1 如图2-9所示单谐振回路放大器，已知晶体管的y参数， ， ， ， 。 电感线圈L1中，N12=16圈，N13=20圈；电感线圈L2中，N45=4圈，L13=1.5H，C=12pF。L13的空载品质因数Q0=100。求放大器工作中心频率f0， Avo ，2f0.707,图 2-9 单谐振回路放大器 （a） （b）,2.1.5 高频小信号单调谐回路谐振放大器级联,1级联放大器的电压增益 假定放大器有n级级联，各级电压增益的模分别为 ，则总增益Av（模）是各级增益模的乘积，即： 如果多级放大器由完全相同的单级放大器组成 2级联放大器的通频带与选择性,根据定义，如每级放大器完全相同，则级联放大器的归一化抑制比为： 总是小于1，称为级联放大器3dB带宽的缩小因子，其值与级数n的关系下： 表2-1,表2-2 矩形系数与级数的关系,2.1.7 高频小信号调谐放大器的稳定性,1放大器稳定性分析 高频小信号谐振放大器的 工作稳定性是重要指标之一 第二项表示由反向传输导纳yre引入的输出回路对输入回路的影响，因此是一种“反馈” 图2-10 高频小信号双调谐回路谐振放大器 的电原理图及y参数等效电路图 （b）,定义： 设 gF可能为负的，即负电导，yF中的虚部仅引起谐振频率偏移，但负电导如抵消正电导（gs+gie），则可以产生自激振荡。显然，振荡的临界条件为： 虚部等于零，决定振荡的频率 式中：,式中： 另一项，因为 所以有： 式中反映的是输出回路参数，因此有： L是输出回路的电感，C是输出回路的总电容。,图2-11 高频小信号放大器输入电路及gF与频率的关系曲线,（a） （b） （c）,为使分析问题简单，设输入、输出回路相同，即 故 故 自激振荡的条件可变成： 令,，,Ks称为稳定性系数。Ks=1是放大器稳定的临界状态； ，放大器是稳定的； ，放大器是不稳定的。在高频电路里，为保证放大器稳定，选Ks=510。 设 则有 当工作频率 Cre称为反馈电容 输入、输出回路都是部分接入的,，,将 代入上式，又设g1=g2=g，则可得： 稳定性系数Ks是与放大器的电压增益相关联的。晶体管选定后（即 和Cre给定），工作频率确定，Ks确定，此条件下的电压增益Avo就被限定了。增益太高，会引起电路稳定性恶化。考虑到分布参数的影响，稳定条件下的最大增益还会进一步下降。 【例2.2】 设计调幅收音机的中频放大器，中心频率f0=465kHz，要求失谐在21kHz， ，电压增益Aov=60dB，设回路空载品质因数Q0=100。,2提高放大器稳定性的措施 为保证放大器的稳定，增益不能太高，为保证稳定的高增益，应选 大且Cre小的晶体管。 另一个办法是在晶体管选定后在电路上采取措施，抵消yre的影响。 （1）中和法 晶体管的内部反馈主要是通过Cbc及Cbb之间的耦合形成的，称为内部反馈。因此，可在晶体管外部加上一个反馈电路，其反馈产生的电流的大小与内部反馈的数值相等但方向相反，图2-12中的CN即是外回的反馈电容，称为中和电容，调节CN的大小，使II，则反馈到输入端的电流为零，此条件即是电桥平衡条件（如图2-12（b）所示）。,图2-12 谐振回路的中和电路,（a） （b） 只能在一个频率点上做到，有局限性,（2）失配法 信号源内阻与负载不相等称为失配状态。假如负载导纳yL很大，放大器处于失配状态，此时有： 即后一项分母远大于分子而变得很小，可以忽略不计。当然，由于失配，放大器的增益大大下降。放大器的Yiyie，可近似认为晶体管为单向器件，所以这种办法又称为单向化。 用失配实现晶体管单向化的方案很多，其中共射共基极联电路是广泛使用的方法（如图2-13所示）。 共基阻态的输入导纳是前级共射阻态放大器的负载，共基阻态的输入导纳是很大的，将引起失配。共,基阻态的输出阻抗很高，可直接与谐振回路相连。由于使用了双管，两管总的增益比单级共射阻态放大器的增益略高。,图2-13 共射共基极联电路,（a） （b）,2.2 高频谐振功率放大器,功放的作用：无线电发送设备中，为了保证足够远的传输距离，发射机送到天线的功率要足够大 高频功放与低频功放的共性：要求输出功率大，效率高；工作在高电压、大电流状态，必须保证器件的安全工作 功放特点：大功率晶体管必须安装散热片，有的散热片还必须水冷或风冷；设计电路时还必须考虑保护电路，如过热保护、过压过流保护、失配保护等。 功率放大器晶体管的工作区域,图2-14 功率放大器晶体管的工作区域,功放分类： 1、按功率量级 几毫瓦，几百瓦、上千瓦，甚至兆瓦量级。 2、按位置 缓冲放大（隔离放大）、中间放大、推挽放大、末级功率放大； 3、按带宽 窄带功放：谐振功放与高频小信号调谐放大器一样，其负载是谐振回路选频网络； 宽带功放：需设计宽带匹配网络， 4、按工作方式 甲类功放：理想效率为50%，但由于晶体管饱和,压降影响，实际集电极效率只有35%左右；线性效率为25； 乙类功放：低频功率放大器可工作在乙类推挽，理想效率为78%，实际效率为60%左右，远高于甲类；对阻性负载，为防止非线性失真，必须推挽；