第二章 高频小信号放大器

四、主要质量指标
• • • • • • 1、中心频率: 2、增益:电压增益、功率增益 3、通频带: 4、选择性 5、工作稳定性 6、噪声系数
1、中心频率f0：谐振频率 2、 增益 ： （放大系数） 放大器输出电压 V 0 （或功率 P 0 ）与输入电压 V i （或功率 P i ）之比，称为放大器的增益或放大倍 数，用 A v ( 或 A p ) 表示（有时以 dB 数计算）。 我们希望每级放大器在中心频率（谐振频率）及 通频带处的增益尽量大，使满足总增益时级数尽 量少。 电压增益 ： 功率增益 ： 分贝表示 ：
第二章 高频小信号放大 器
本章内容和重点、难点：
• 1、晶体管的高频等效电路 • 2、单调谐放大器（重点） • *电路的组成 • *电路的特性指标 • *多级单调谐放大器的特性 • 3、非谐振回路式（宽带）高频小信号放 大器
本章难点：谐振放大器的性能分析 及性 能指标计算
§2.1 概论
• • • • 一、作用 二、特点： 1、工作频率高:几百千赫兹到几百兆赫兹 2、频带放大器:已调信号带宽常为几千赫兹到几兆
赫兹
3、晶体管工作在线性范围：几百毫伏以下的输入
信号
• 4、常用谐振回路作负载
三、分类：
• 1、按照所用器件分类：
• 晶体管、场效应管、集成电路高频小信 号放大器 • 2、按照通过频谱的宽窄分类： • 窄带、宽带高频小信号放大器 • 3、按照电路形式分类： • 单级、级联高频小信号放大器 • 4、按照放大器所用负载的性质分类： • 谐振、非谐振高频小信号放大器
可见，β 随工作频率ω 变化而变化。
2）β截止频率 f
• 定义： • f 是当β值随f上升而下降到低频电流放大系 数 0的 1 2 倍时，所对应的频率
f
由定义可得:
1 rb 'e 2f Cb 'e Cb 'c
解上述方程得：
0
2

0
2
• 图 ：理想的与实际的频率特性 图： 对 f n 的抑制能力 • 用分贝表示： d n (dB) = 20 lgd n 。 A n 为干扰信号的放大倍数， A v0 为 谐振点 f 0 的放大倍数。 • 例 A v0 = 100 A n = 1
• 5. 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、谐振曲线变 形等，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。 • 原因：寄生反馈 • 为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即 限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用 中和或失配方法，采取必要的工艺措施等。
简化的混合π型等效电路
• 1）低频时：忽略极间电容和 rb c（很大） 的影响，图2.2.1简化为下图(也叫做低频 的晶体管h参数等效模型图）
'
• 2) 高频时,考虑电容的作用,忽略rb’c，可 简化为：
这是对工作频率较高时的简化电路，对工作频率范围不同时，等效电路可 进行不同的简化。
二、高频时晶体管的放大 能力及相关的频率参数

0
f 1 f
2

0 f
fห้องสมุดไป่ตู้
时, 则β可用下式近似计算。
fT f fT f f f
上式说明，在f > fβ的区域，工作频率每增加一倍，β减少一 半（下降6dB），故此区域称为每倍频程下降6dB工作区。
3. 截止频率fα及其与fβ和fT的关系
26 26 rbe (1 0) 0 IE IE
Cb 'e -- 包括发射结的势垒 • (3) 发射结电容： 电容CT和扩散电容CD 由于发射结正偏，主 要是扩散电容。它随工作点电流增大而增 大，数值范围100～500PF • （ 4 ）Cb c -- 集电结电容，包括集电结势垒 电容CT和扩散电容CD，因集电极反偏，主要 为势垒电容CT它随c,b间反向电压的增大而 减小，数值范围2～10PF） • （5）rb’c—集电结电阻，因集电结处反偏， rb’c较大，100KΩ-10MΩ
i c gm U ,be
低频时：
g m 反映发射结电压对极
电极电流的控制能力，它 越大则体现控制能力越强， 即放大能力越强。约为 几十 ms 的数量
Uce K
gm
0 iB
rbeiB

0
rbe
0 1 IE (1 0 )re re 26
•可见，跨导与工作点电流IE成正比，而与管子的 0 无关
'
•（6）等效电流发生器
与加到发射结上的实际电压成正比，此比例系数就是gm
g m U b ′e ： 表示晶体管放大作用，它
•当在 b ′到 e 之间加上交变电压U b ′e 时，对集电极电路的作用就相当于 有一电流源g m U b ′e 存在。 •跨 导 （ 或 互 导 ） 定 义 为 ： 当 Uce 为 常 数 时 ic 的 微 变 量 △ ic 与 相 应 的 的微变量△U b 'e之比。
c g U I m b 'e g m rb 'e 1 jrb 'e (Cb 'e Cb 'c ) 0 g m rb 'e
↓ I g r c m b ' e 0 2.1.3 I b 1 jrb 'e (Cb 'e Cb 'c ) 1 jrb 'e (Cb 'e Cb 'c )
各元件参数的物理意义和数值
• （2） rb'e--有效基极到发射极间的电阻，指发 射结电阻re折合到基极回路的等效电阻，又叫 发射结的结电阻。 • 晶体管放大时，发射结总工作在正向偏置， 所以 rb'e 较小，一般为几百Ω 。
rbe (1 0)re 0re
2 6( m v) re IE
当晶体管用作共基极联接时，其输出端交流短路的电 0 时， 流放大倍数 也是随频率提高而降低的, 当α下降到 2 所对应的频率称为 截止频率。由于共基极短路电流放 的近似表示式为: 大系数
3. 通频带 ：
放大器的电压增益下降到最大值的 0.7 （即 1/ 对应的频率范围称为放大器的通频带，用 所示。 2 Δ f 0.7 也称为 3 分贝带宽。 ）倍时，所 表示，如图
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 回路相同，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 Q L 。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。
2
当β0远远大于1时
fT 0 f
由于 0
rb 'e ，代入上式得fT与晶体管内部参数的关系： re
rb 'e 1 1 fT re 2 rb 'e Cb 'e Cb 'c 2 re Cb 'e Cb 'c
若工作频率
f 3～ 5 f
6. 噪声系数 ： 放大器的噪声性能可用噪声系数表示 ：
N F 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，相互之间即有联系又有矛盾。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，进行分析和讨论。
0 ,
2、特征频率fT：
晶体管的放大性能有时还用特征频率fT表示。
fT的定义：当频率再高使β下降至1时所对 应的频率。 •
• fT的物理意义：表示晶体管丧失电流放大能力 时的极限频率。 0 1 2 根据定义: f
T 1 f
解之得:
fT 0 1 f
• 晶体管结构示意图及其等效电路
各元件参数的物理意义和数值
• （1）基区体电阻rbb,:指从基极引线到有效基区间的电 阻（几十～一百Ω）。 • 从晶体管内部结构可知，从基极外部引线 b 到内部扩 散区中某一抽象点 b ′ 之间，是一段较长而又薄的 N 型半导体（或 p 型），因掺入杂质很少，因而电导率 不高，所以存在一定体积电阻，故在 b- b ′ 之间，用 集总电阻 r b b ′ 表示。发射区和集电区掺入杂质多，电 导率高，电阻很小，故可略去其体积电阻。不同类型 的晶体管， r b b ′的数值也不一样。 r b b ′ 的存在，使 得输入交流信号产生损失，所以 r b b ′ 的值应尽量减小， 一般 高频晶体管r b b ′ = 15 — 50 Ω，而低频小功率管 r b b ′ =几百Ω 。
• (7) 集射极间电阻 rce ，它表示集电极电压对 集电极电流的作用，用rce来模拟（几十千Ω 以上） 由输出特性曲线可以看出： Uce 对 IC 影响较小， 证明rce很大（恒流）
rce U

I c
ce
各元件参数的物理意义和 数值
（8）三个附加电容Cbe ，Cbc，Cce属引线 和封装结构所形成的分布电容，数量很 小（2-10PF）， ，其影响一般可以忽略。
• 在电路分析中，“等效电路”是一种很有用的 方法，晶体管在高频运用时，它 的等效电路 主要有两种表示方法： 物理模拟等效电路（混合
•
π 等效电路）
形式等效电路（Y参数等效电路）
• 2.2.1 共发射极混合π型等效电路 • 一、混合π型等效电路：
• 若把晶体管内部的结构及复杂关系，用集中元件 RLC 表示，则每一元件与晶体管内发生的某种物理过程具 有明显的关系。用这种物理模拟的方法所得到的物理 等效电路就是所谓混合 π 等效电路。
§2.2 晶体管高频小信号 等效电路与参数
• 说明： • 在“低频电路”里，我们采用低频 h 参数及其等效电 路对晶体管低频放大器进行了分析，在那里忽略了晶 体管高频运用的内部物理现象，现在，当我们分析晶 体管高频放大器时，就必须采用一种能够反映晶体管 在高频工作时的高频参量及其等效电路。 晶体管在高 频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本 没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电 容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。
• 晶体管的混合π型等效电路分析法物理概念比 较清楚，对晶体管放大作用的描述比较全面， 且各个参量基本上与频率无关，因此，这种分 析法可以适用于相当宽的频率范围。 • 但这个等效电路比较复杂，且由于电容、电阻 对高低频的影响不同，在实际应用中，可根据 给定的工作频段，把某些次要因素忽略。下面 就介绍两种简化情况:
2.1.4
1 f 2rb 'e Cb 'e Cb 'c
f f
将式2.1.4代入式2.1.3得 0
1 j | |
2.1.5
0
2
于是
f 1 f 当f f , 0 , f
当f f , 1 2
• 4. 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 信号的能力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能力。 • 矩形系数 • • 2 Δ f 0.1 为放大倍数下降至 0.1 处的带宽， K r 愈接近于 1 越好。 • ② 抑制比 ： 表示对某个干扰信号 f n 的抑制能力，用 d n 表示。 • •
• 1、短路电流放大系数β和β截止频率 f • 1）短路电流放大系数 • 定义：共发射极∏型高频等效电路输出交流短 路时，集电极电流Ic和基极电流Ib的比值
Ic Ib
Uce 0
& & Ic & & 由定义知： U c 0 Ib 0 时，Cb′e，Ｃb′c和rb′e 由简化电路图可知：即U c 三者并联。因此 1 rb 'e j (Cb 'e Cb 'c ) rb 'e U b 'e I b Ib 1 1 jrb 'e (Cb 'e Cb 'c ) rb 'e j (Cb 'e Cb 'c )