1、第第2章章 高頻小信號放大器高頻小信號放大器2.1 概述概述2.2 高頻電路的基礎知識高頻電路的基礎知識 2.3 晶體管高頻小信號諧振放大器晶體管高頻小信號諧振放大器 2.4 小信號諧振放大器的穩定性小信號諧振放大器的穩定性 無線通信系統的基本組成無線通信系統的基本組成第第1節節 概述概述u 高頻放大的必要性高頻放大的必要性無線信號無線信號無線信道無線信道有衰減有衰減遠距離傳輸遠距離傳輸距離越遠距離越遠衰減越大衰減越大接收設備接收到的高頻電平接收設備接收到的高頻電平只有微伏級只有微伏級u 對高頻小信號放大器的要求：對高頻小信號放大器的要求： 1. 信號不失真信號不失真 放大器工作在線性區，可以

2、應用二端口網絡分析放大器工作在線性區，可以應用二端口網絡分析 信號頻譜信號頻譜輸入與輸出完全相同輸入與輸出完全相同 2. 選頻（濾波）作用選頻（濾波）作用 提取有用信號，抑制無用信號提取有用信號，抑制無用信號小信號放大器小信號放大器 小信號低頻放大器小信號低頻放大器: 低頻寬帶放大器低頻寬帶放大器 直流放大器直流放大器 交流放大器交流放大器 小信號高頻放大器：小信號高頻放大器：高頻窄帶放大器高頻窄帶放大器高頻寬帶放大器高頻寬帶放大器u小信號放大器的分類小信號放大器的分類u主要技術指標：主要技術指標：選擇性：選擇性： （輸出信噪比）輸入信噪比）nosonisiFPPPPN/(/第第2節節 高頻電

3、路的基礎知識高頻電路的基礎知識u 選頻回路（濾波器）的功能：選頻回路（濾波器）的功能： u選頻網絡分類：選頻網絡分類：按頻率特性按頻率特性：低通、高通、帶通、帶阻：低通、高通、帶通、帶阻一、選頻回路的分類及功能一、選頻回路的分類及功能 按所用器件的特點按所用器件的特點：有源濾波器和無源濾波器：有源濾波器和無源濾波器按處理信號的形式按處理信號的形式：模擬濾波器、數字濾波器：模擬濾波器、數字濾波器 和抽樣數據濾波器和抽樣數據濾波器 高頻電路中應用較多的是無源濾波器中的高頻電路中應用較多的是無源濾波器中的LC濾波器、濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和表面波濾波器。實現帶通和低晶體濾波器、陶瓷濾波器和表

4、面波濾波器。實現帶通和低通濾波。通濾波。u選頻網絡的基本特性選頻網絡的基本特性 要求要求選頻電路的通頻帶寬度選頻電路的通頻帶寬度與與傳輸信號有效頻譜寬度傳輸信號有效頻譜寬度相一致。相一致。理想的選頻電路理想的選頻電路通頻帶內通頻帶內的幅頻特性的幅頻特性fof1f22f0.72f0.1理想實際(f)=H(f ) / H(fo)f0.40.60.81.00.200df)f(dH 通頻帶外通頻帶外的幅頻特性應滿足的幅頻特性應滿足0)f(H 理想的幅頻特性應是矩形，既理想的幅頻特性應是矩形，既是一個關于頻率的矩形窗函數。是一個關于頻率的矩形窗函數。 矩形窗函數的選頻電路是一矩形窗函數的選頻電路是一個物

5、理不可實現的系統個物理不可實現的系統，實際選，實際選頻電路的幅頻特性只能是接近矩頻電路的幅頻特性只能是接近矩形形 定義矩形系數定義矩形系數K0.1表示選擇性表示選擇性： 7.01.01.0f2f2K 2f0.7稱為通頻帶稱為通頻帶 ：7 .00212f2)ff(2ffB 顯然，理想選頻電路的矩形系數顯然，理想選頻電路的矩形系數K0.1=1，而實際選頻電路的矩，而實際選頻電路的矩形系數均大于形系數均大于1。u選頻網絡的基本特性選頻網絡的基本特性 另外，為不引入信號的相位失真，要求在通頻帶范圍內選另外，為不引入信號的相位失真，要求在通頻帶范圍內選頻電路的相頻特性應滿足頻電路的相頻特性應滿足 df)

6、f(d 即即理想條件下信號有效頻帶寬理想條件下信號有效頻帶寬度內的各頻率分量都延遲一個相度內的各頻率分量都延遲一個相同時間同時間，這樣才能保證輸出信號這樣才能保證輸出信號中各頻率分量之間的相對關系與中各頻率分量之間的相對關系與輸入信號完全相同。輸入信號完全相同。 o+/2(f)f-/20-ofof1f22f07理想理想實際實際 實際選頻回路的相頻特性曲線并不是一條直線，所以回路實際選頻回路的相頻特性曲線并不是一條直線，所以回路的電流或端電壓對各個頻率分量所產生的相移不成線性關系，的電流或端電壓對各個頻率分量所產生的相移不成線性關系，這就不可避免地會產生相位失真，使選頻回路輸出信號的波形這就不可

7、避免地會產生相位失真，使選頻回路輸出信號的波形產生變化產生變化 .二、二、LC 選頻回路選頻回路 0.電路元器件電路元器件u電感 在高頻電路中不理想損耗電阻不能忽略。 實際電感用理想無損電感L和串聯的損耗電阻r0 來等效。損耗電阻隨頻率增高而增大。 空載品質因數（Q0）表示電感線圈的損耗Q0反映損耗的大小，越大越好 通常，線圈的Q0值：幾十至三百。 電感的等效電路00LQ001gLQ串聯等效電路串聯等效電路并聯等效電路并聯等效電路01Q u 電容電容電容器的高頻等效電路LCRCC(a)阻抗頻率 f(b)0RLC 一個實際的電容元件也是有損耗的，電容元件的損耗電阻的值主要決定于介質材料。目前，電

8、容元件的Q值可達幾千到幾萬的數量級，與電感元件相比，其損耗可忽略，因而在高頻電路中一般認為是無損元件。RpLCRSiSRLCRSiS二、二、LC 諧振電路諧振電路 CRLRp RLCRSuS1. 電路結構電路結構串聯串聯 LC諧振回路諧振回路并聯并聯 LC諧振回路諧振回路LC諧振回路分為：諧振回路分為： 諧振特性諧振特性選頻特性選頻特性電路特點：電路特點：并聯并聯 LC諧振回路諧振回路 串聯串聯 LC諧振回路諧振回路 RLCRSiSCj1LjRCj1)LjR(Zp CjLjRZ1s )C1L( jRCL )CL( jR1 jXRCL jXR ZPRLCRSuSZS2. 回路阻抗回路阻抗RLCR

9、SuSRLCRSiSCRLZpo =pR RZso LC10 LC21f0 RpLCRSiSSOZjXRCLZP 1()SZRjLRjXCPOZ3. 回路諧振特性回路諧振特性RLCRSuSRpLCRSiSP2io2iR/uL/uQ =LRoP +ui-iiRiLiQ2io2i =RLo =p2io2iR/uCu =poCR =RiC/i2io2i =RC10 CRLRp 4. 品質因數品質因數RLCRSuSRLCRSiS)(RLj1Rooop jXRCLZp jXRZS )1(1/CLRLjRCL )CL1(RLj1Rp C1jLjR )C1L( jR )(RLj1Rooo j1Rp jpeZ

10、 )2jQ1(RZos )j1(R jseZ 5. 回路阻抗頻率特性回路阻抗頻率特性 opp2jQ1RZ j1Rp PjpeZ )2jQ1(RZos )j1(R SjseZ RLCRSuSRLCRSiS 2pp1RZ 2s1RZ 1ptg 1stg 2pp1RZ 2s1RZ 1ptg 1stg o PZ o SZ電感性電感性電容性電容性電容性電容性電感性電感性RpR poipiioipZiZiuu 211 sosssioisZuZuii 211 Q2 Q1Q11OQ2或或P S OQ1Q2PS或或 同樣定義并聯（串聯）諧振回路端電壓（電流）的相位為同樣定義并聯（串聯）諧振回路端電壓（電流）的相

11、位為 1Ptg 1Stg 6. 諧振曲線諧振曲線 常用的諧振曲線為歸一化諧振曲線，即幅頻特性為常用的諧振曲線為歸一化諧振曲線，即幅頻特性為21uuioi 令：211 21iiioi 211 ioiuu o 121ioiii o 1217. 通頻帶通頻帶iiopoiLjQiiLRjLjui ipooiciCRjCjui =ijQi iooiLuRLjLjiu =ijQu ioioCicjQuCRujj1iu RpLCRSiSiiiCiRiL+ui- -RLCRSuS+ uC - -+ uL - -ii+ui- -+uR- -8. 諧振時電壓與電流的關系諧振時電壓與電流的關系 LR/R/RQoLp

12、sL LRQopO LsoLRRRLQ OQRLosR或或LRLQsR或或LRLQRpLCRSiSRLRLCRSuSRL9. 信號源內阻及負載對回路的影響信號源內阻及負載對回路的影響三、串并聯阻抗的等效互換三、串并聯阻抗的等效互換BX1R1AABX2R21. 串、并聯等效互換的模型電路串、并聯等效互換的模型電路BX1R1AABX2R2221122()R jXRjXRjX22222222222222XRXRjXRXR 同理由虛部得：同理由虛部得： 2211(1)RRQ111XQR回路的品質因數：回路的品質因數： 22212222R XRRX22222221XRXRX 虛部：虛部： 實部：實部：

13、2212221211()RRRRQX結果為：結果為： 2. 等效互換原理分析等效互換原理分析 等效互換的原則：等效互換的原則：等效互換前的電路與等效互換后的電路阻抗相等等效互換前的電路與等效互換后的電路阻抗相等由實部得：由實部得： 21211(1)XXQ222RQX122121RR QXX22()()oPLLLRR QRRRCLC10 注意：注意：RLCRSiSLRpCRSiS2211(1)RRQ21211(1)XXQ四、并聯諧振回路的耦合連接與阻抗變換四、并聯諧振回路的耦合連接與阻抗變換信號源內阻或負載并聯在回路兩端存在的信號源內阻或負載并聯在回路兩端存在的問題問題：直接影響回路的直接影響回

14、路的值，值，值下降，通頻帶增寬，選值下降，通頻帶增寬，選擇性變差；擇性變差；影響回路的諧振頻率影響回路的諧振頻率f0 ，且穩定性變差；，且穩定性變差； 為解決此問題，采用為解決此問題，采用阻抗變換阻抗變換電路，以改善對回路電路，以改善對回路的影響的影響。RLN1N2M+u1- -+u2- -C1. 變壓器阻抗變換電路變壓器阻抗變換電路 RL 假設變壓器初級電感線圈的圈數假設變壓器初級電感線圈的圈數為為N1，次級圈數為，次級圈數為N2，且初次間緊，且初次間緊耦合，線圈損耗忽略不計，則等效到耦合，線圈損耗忽略不計，則等效到初級回路的電阻初級回路的電阻RL上所消耗的功率上所消耗的功率應和次級負載應和

15、次級負載RL上所消耗功率相等，上所消耗功率相等，即即 L22L21RuRu 變壓器初次級電壓比變壓器初次級電壓比u1u2等于相應圈數比等于相應圈數比N1N2，故有，故有 L221LR)NN(R 可通過改變可通過改變 比值調整比值調整RL的大小的大小。 21NN2. 部分接入的阻抗變換部分接入的阻抗變換電電感感抽抽頭頭部部分分接接入入電電容容分分壓壓部部分分接接入入L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RL（1） 常用的部分接入振蕩回路常用的部分接入振蕩回路 高頻電路的實際應用中，常用到激勵信號源或負載與振高頻電路的實際應用中，常用到激勵信號源或負載與振蕩回路中的電感或電容部分接入的并聯振

16、蕩回路，常稱為蕩回路中的電感或電容部分接入的并聯振蕩回路，常稱為部部分接入并聯振蕩回路分接入并聯振蕩回路。 典典型型實實用用電電路路：iSRSL1C2C1RLiSRSL2L1C2C1RLabbacdcdL2LCRLRS iS LCRLRS iS abab（2） 等效電路：等效電路：在電路的定量分析中常把部分接入的在電路的定量分析中常把部分接入的外電路等效到并聯回路兩端。外電路等效到并聯回路兩端。iSRSL2L1C2C1RLacbdiS RS LCRLab LLSSSSRuuRiuuiRuuR1)(1)(1)(12abdbabcb2abcb LLSSSSRuRuuiuiRuRu2db2abcba

17、b2cb2ab L22LS1SS21SGpGipigpg+ucb-+uab-+udb-+uab-（3） 等效原則：等效原則：等效電路與原電路功率相等。等效電路與原電路功率相等。接入系數（抽頭系數）接入系數（抽頭系數）iSRSL2L1C2C1RLacbd（4） 接入系數（抽頭系數）接入系數（抽頭系數） 條條件件：回回路路處處于于諧諧振振或或失失諧諧不不大大，且且外外電電路路分分流流很很小小可可以以忽忽略略的的情情況況下下，有有iLiSiCiR當線圈互感可以忽略時當線圈互感可以忽略時 LLuup1abcb 其其中中 21LLL NNp1 （線線圈圈匝匝數數比比） CCuup 111abdb = =

18、1CC 212CCC 其其中中2121CCCCC iLiS ； iC iR P 轉換前的圈數 容抗/感抗轉換后的圈數 容抗/感抗21LLRRp 2LLgp g 2LLCp CggIpI 1ggUUp 21LLXXp（5） 接入系數與阻抗變換關系接入系數與阻抗變換關系推廣到其他量可得變比關系的通式：推廣到其他量可得變比關系的通式：P 轉換前的圈數 容抗/感抗轉換后的圈數 容抗/感抗接入系數：接入系數：CberbbCbcrbcrbeubercegm ube第第3節節 晶體管的高頻小信號諧振放大器晶體管的高頻小信號諧振放大器eb rcerbcreeCbeCbcrbbrbecrccbgm ube1.

19、混合混合 參數等效電路參數等效電路一、晶體管等效電路一、晶體管等效電路yieyoeyreuceyfeube+ube-+uce-ibicbieberececfebeoeceiy uy uiy uy u+ube-+uce-ibic2. Y參數等效電路參數等效電路 yieyoeyreuceyfeube0becoeceuiyu輸入短路時的輸出導納輸出短路時的輸入導納0ubebieceuiy +ube-+uce-ibic導納輸出短路時的正向轉輸0ubecfeceuiy 導納輸入短路時的反向轉輸0ucebrebeuiy bie bere cecfe beoe ceiy uy uiy uy uyieyoey

20、reuceyfeubeoeoeoeieieieCjgyCjgy refejrerejfefeeyyeyy CiegiegoeCoe45123Rb1Rb2ReyLCbCeCB1B2VTLVcc二、高頻小信號調諧放大器二、高頻小信號調諧放大器Rb1Rb2ReVcc32154B1B2CLyLVT輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路晶體管晶體管1. 電路結構和工作原理電路結構和工作原理下圖為一個典型的共射極高頻調諧放大器的實際電路下圖為一個典型的共射極高頻調諧放大器的實際電路32154yieyoeyreuceyfeubeCyLL+u54-oeoeoeCjgy LLLCjgy +u31-+u21-32154

21、B1B2CLyLVT32154yieyoe yreuce yfeubeCyLLieLoefereieiyYyyyyY 2. 放大器性能參數分析放大器性能參數分析：bebiuiY ib+ube-iC+uce-LY2021()LLYgp yj CjL2022211111()LLLYYgp yj CppjLbeLoefeceuYyyu Yi0giC yfeubeyoeLY+uce-cLceiY u fecbeceoeiy uu ybbeiereceiu yy uyoeyfeubeyreuceyieYSyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSyfeubeyoeyreuceyieYS+ ceu

22、 0sicecouiYYo()cfebeceoerecebesieiy uu yy uuYy ceiesrebeuyyyuiCiesfereoeoyYyyyY + beu YoyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubegoyfeubeyoeYLyLyfeubeyoebe312iouuupuuA 31254oupuu +u54-LjCjguypubefe 1131 +u31- L22oe21L22oe21oCpCpCCgpgpgg LLLoeoeoeCjgyCjgy )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-p1yfeubep1yfe

23、ube+u31-把晶體管集電極回路把晶體管集電極回路和負載和負載折合到振蕩回折合到振蕩回路兩端路兩端.(3) 電壓放大倍數電壓放大倍數p1yfeubeyLYSyieyreuceyfeubeyoeCiSCp1yfeubego)ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21u +u31-121212120001211(1)11()1()2(1)feufefefefeLop p yAgj Cj Lp p yj Cggj Lgp p yjCggLCp p yjCggp p yfgjQf )ff2jQ1(gyppLj1CjgyppAoLfe21fe21v Loeofefeogpgpgyp

24、pgyppA22212121 oAA Lo7.0Qff2B 1B(4) 放大器的諧振曲線與通頻帶放大器的諧振曲線與通頻帶Lo7.0Qff2B oAA 17 . 0f2 1 .0f2 2n22n20Ln0uun01u1u0nn11ff2Q11AAAAAA 三、多級單調諧放大器三、多級單調諧放大器Au1Au2Aun12n1 LonnnQffB12217 . 0 1100Qff2n1L01.0 121100Kn1n11.0 (2) n 級放大器的矩形系數級放大器的矩形系數u放大器不穩定的原因放大器不穩定的原因 實際上實際上yre0，即輸出電壓可以反饋到輸入端，引起輸，即輸出電壓可以反饋到輸入端，引起

25、輸入電流的變化，從而可能使放大器工作不穩定。如果這個入電流的變化，從而可能使放大器工作不穩定。如果這個反饋足夠大，且在相位上滿足正反饋條件，則會出現自激反饋足夠大，且在相位上滿足正反饋條件，則會出現自激振蕩現象。振蕩現象。u放大器穩定系數放大器穩定系數 輸入電壓輸入電壓Ui與正反饋電壓與正反饋電壓Ui的比值定義為的比值定義為穩定系數。穩定系數。iiUSU第第4節節 小信號諧振放大器的穩定性小信號諧振放大器的穩定性CberbbCbcrbcrbeubercegm ubefeicoeLy UUyy ()()refereciiiesiesoeLy yy UUUyYyYyY ()()iiesoeLire

26、feUyYyYSUy y 調諧放大器等效電路調諧放大器等效電路 S越大，放大器越穩定越大，放大器越穩定.對于一般放大器來說，對于一般放大器來說，S5就就可以認為是穩定的。可以認為是穩定的。放大器的穩定系數放大器的穩定系數iiUSU()()iiesoeLirefeUyYyYSUy y121() 1jiesiesyYgge21 cosiesoeLferefereggggSyy 調諧放大器等效電路調諧放大器等效電路 穩定系數與電路參數的關系：穩定系數與電路參數的關系：11()(1)iesiesiessiesyYggj Cj Cj Lggj0110()ffQff012()siesfL CC01()ie

27、siesCCQgg其中：其中：寫成幅值和相角的形式：寫成幅值和相角的形式：同理：同理：222() 1joeLoeLyYgge22()(1)ferejiesoeLfereggggSeyy11arctan22arctan根據相位條件：根據相位條件：2()0fere21211cos()fere放大器的等效電路放大器的等效電路 u單調諧放大器的穩定電壓增益單調諧放大器的穩定電壓增益穩定電壓增益穩定電壓增益：不加任何穩定措施，并滿足穩定系數：不加任何穩定措施，并滿足穩定系數S（例如（例如S5）要求時，放大器工作于諧振頻率的最大電壓）要求時，放大器工作于諧振頻率的最大電壓增益。增益。 設各級放大器的參數相

28、同，晶體管接入諧振回路的接設各級放大器的參數相同，晶體管接入諧振回路的接入系數為入系數為P1，下級負載接入諧振回路的接入系數為，下級負載接入諧振回路的接入系數為P2.coouiciUUUAUUU則：則：31223111.feifeoeLioeLy UyyYU pPUU pyYP2212oeLieSPyYPyY21oeLieSyYPPyY則 feuoeLieSyAyYyY諧振時，電壓增益為：諧振時，電壓增益為：feuooeLiesyAgggg將穩定系數S式中的 代入上式oeLiesgggg21cosfeuosrefereyAS y穩定電壓增益：穩定電壓增益：結論結論: :根據穩定系數的要求(S5)確定 這是沒有穩定措施 的情況下，允許的最高電壓增益。實際的電壓增益 ，則放大器穩定uosASuuAA0021feuoeLyPAyYP21 cosiesoeLferefereggggSyy2226.436.445.0feyms36.45426.4fearctg 220.080.30.31reyms0.3750.08rearctg 3321 cos2 45 1012.525 0.31 101 cos5475feuosrefereyAS yu放大器穩定的判斷（例題）放大器穩定的判斷（例題）這說明用這個晶體管設計制作放大器，只要放大器電壓增益不這說明用這個晶體管設計制作放大器