高频小信号放大电路

的幅值随频率的增高而下降。 当下
降到β0的 率fβ。
时, 对应的频率定义为共射晶体管截止频
2 特征频率fT

当 a 的幅值下降到1时, 对应的频率定义为特征频率fT。
3 共基晶体管截止频率fα
共基短路电流放大系数 是晶体管用作共基组态时的输出 交流短路参数, 即


a

IC

|U C 0
Ie
的幅值也是随频率的增高而下降, fα定义为
CM =(1+gmR′L)Cb′c
(2.2.1)
即把Cb′c的作用等效到输入端, 这就是密勒效应。其中gm是 晶体管跨导, R′L是考虑负载后的输出端总电阻, CM称为密勒电 容。
另外, 由于rce和rb′c较大, 一般可以将其开路。这样, 利用密 勒效应后的简化高频混合π型等效电路如图2.2.2所示。
其等效电路。其中晶体管部分采用了Ｙ参数等效电路, 忽略了
反向传输导纳ｙre的影响。输入信号源用电流源

IS
导纳Ｙs表示, 负载假定为另一级相同的单调谐放大器, 所以用
晶体管输入导纳ｙie表示。
单管单调谐放大器的电压增益为：


A

U0


U

i
我们先求 U C 与 U i
,


的关系, 即可导出 U 0


IC UCYL
由Y参数方程(2.2.3)可知:
与

IC



IC yfeUiyoeUc
代入式(2.3.3)可得:

Ui

yoeyfeYLUC


根据自耦变压器特性 Ui/Upn1,Ui/Upn2,
因此

U0

n2 n1

UC
将式(2.3.5)与(2.3.6)代入(2.3.1), 可得
yie=gie+jωCie yfe=|yfe|∠φfe
yoe=goe+jωCoe yre=|yre|∠φre
2.2.3
考虑电容效应后, 晶体管的电流增益是工作频率的函数。 下面介绍三个与电流增益有关的晶体管高频参数。
1 共射晶体管截止频率ｆβ
共射短路电流放大系数


是指混合π型等效电路输出交
流短路时, 集电极电流
谐振放大器的主要性能指标是电压增益, 通频带和矩形 系数。
本节仅分析由晶体管和LC回路组成的谐振放大器。
2.3.1
１．
图2．3．１是一个典型的单管单调谐放大器。Ｃb c分别是和信号源（或前级放大器）与负载（或后级放大器） 的耦合电容, Ｃe是旁路电容。
电容Ｃ与电感Ｌ组成的
并联谐振回路作为晶体管的集电极负载, 其谐振频率应调 谐在输入有用信号的中心频率上。回路与本级晶体管的耦合 采用自耦变压器耦合方式, 这样可减弱晶体管输出导纳对回路 的影响。
现以共发射极接法的晶体管为例, 将其看作一个双口网络,
如图2．2．4所示, 相应的Ｙ参数方程为：



Ib yieUbyreUc



Ic yieUbyoeUc
其中, 输入导纳

Yie

Ib

|Uc
0
Ub
反向传输导纳

Yie

Ib

|Ub 0
Ub
正向传输导纳

Yie

Ic

|Uc 0
第2章 高频小信号放大电路
２.１ 概述
２.２ 晶体管高频等效电路
２.３ 谐振放大器
２.４ 宽频带放大器
２.５ 集中选频放大器
２.６ 电噪声
２.７ 集成高频放大电路的选用与实例介绍
２.８ 章末小结
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第2章 高频小信号放大电路
2.1概述
高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大 电路两大类。前者对中心频率在几百千赫到几百兆赫, 频谱宽 度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进行不失真的放大, 故不 但需要有一定的电压增益, 而且需要有选频能力。后者对几兆 赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大, 故要 求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流), 上 限截止频率很高。
确定晶体管混合π型参数可以先查阅手册。 晶体管手册中 一般给出r bb′、Cb′c 、β0和fT等参数, 然后根据式(2.2.2)可以计 算出其它参数。 注意各参数均与静态工作点有关。
2.2.2 Ｙ参数等效电路
图2.2.3是双口网络示意图。
双口网络即具有两个端口的网络。所谓端口是指一对端 钮, 流入其中一个端钮的电流总是等于流出另一个端钮的电流。 而四端网络虽然其外部结构与双口网络相同, 但对流入流出电 流没有类似的规定, 这是两者的区别。
到低频放大系数α0的
1 时的频率。
2
三个高频参数之间的关系满足下列各式：
a 的幅值下降
fT≈β0fβ=g m rb′e f β fT≈α0fα fα＞fTfβ
(2.2.9)
2.3 谐 振 放 大
由晶体管、场效应管或集成电路与ＬＣ并联谐振回路组 成的高频小信号谐振放大器广泛用于广播、电视、通信、雷 达等接收设备中, 其作用是将微弱的有用信号进行线性放大 并滤除不需要的噪声和干扰信号。
Ub
输出导纳

Yoe

Ic

|Ub 0
Uc

图中受控电流源 y re U C
作用（反向控制）；y re U C 表示输入电压对输出电流的控制作
用（正向控制）。ｙfe越大, 表示晶体管的放大能力越强；ｙre 越大, 表示晶体管的内部反馈越强。ｙre的存在, 对实际工作带 来很大危害, 是谐振放大器自激的根源, 同时也使分析过程变 得复杂, 因此应尽可能使其减小, 或削弱它的影响。
Ui
,

U0

与 Ui
Au
。
因为负载的接入系数为ｎ2, 晶体管的接入系数为ｎ1, 所以
负载等效到回路两端的导纳为n22yie。
设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为Y′L, 则:
YL n 11 2(ge0jwcj1wLn2 2yie
由于
U
C
相反, 所以
是 Y L

,且 U C
对于双口网络, 在其每一个端口都只有一个电流变量和一 个电压变量, 因此共有四个端口变量。如设其中任意两个为自 变量, 其余两个为应变量, 则共有六种组合方式, 也就是有六组 可能的方程用以表明双口网络端口变量之间的相互关系。 Ｙ参数方程就是其中的一组, 它是选取各端口的电压为自变量, 电流为应变量, 其方程如下：
大器谐振频率和Ｑ值均有变化。
谐振频率处放大器的电压增益

Au0

U00 Ui

n1n2 yfe g
其电压增益振幅
Au0=
U 00 n1n2 y fe
Ui
g
根据N(f)定义和式（１．２．１０）, 可写出放大器电压
增益振幅的另一种表达式
Au=
U U0i U U000U U0i0N(f)Auo g
.
Au
U 0 Ui
n12ny1no2e yfYe L
其中, YL=n21Y′L是Y′L等效到谐振回路两端的导纳, 它包括
回路本身元件Ｌ、Ｃ、ｇe0和负载导纳总的等效值, 即
YL=(ge0+jωC+
1 jwL
) +n22yie
(2.3.8)
根据式（2．2．7）, 将式（2．3．8）代入（2．3．7）中, 则:
窄频带放大电路由双极型晶体管(以下简称晶体管)、场效 应管或集成电路等有源器件提供电压增益, LC谐振回路、陶瓷 滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功 能。它有两种主要类型：以分立元件为主的谐振放大器和以集 成电路为主的集中选频放大器。
宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供 电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能 好, 而且在电路结构上采取了一些改进措施。
与各参数有关的公式如下：
gm

1 re
re= kT 26(mv) ()
qIEQ IEQ(mA)
rb′e=(1+β0)re Cb′e +Cb′c =
1 2 f re
其中k为波尔兹曼常数, T是电阻温度(
K
计量), IEQ是发射极静态电流, β0是晶体管低频短路电流放大系 数, fT是晶体管特征频率。
ｃb′e：发射结电容, 约１０ 皮法到几百皮法。
ｃb′c：集电结电容, 约几个皮法。
ｇm：晶体管跨导, 几十毫西门子以下。
由于集电结电容C b′c跨接在输入输出端之间, 是双向传输 元件, 使电路的分析复杂化。为了简化电路, 可以把C b′c 折合 到输入端b′、 e之间, 与电容C b′e并联, 其等效电容为：
值有关, 而且是工作频率的函数。

增加时, 输入与输出电导都将加大。 当工作频率较低时I , 电容
效应的影响逐渐减弱。所以无论是测量还是查阅晶体管手册,
都应注意工作条件和工作频率。
显然, 在高频工作时由于晶体管结电容不可忽略, Ｙ参数 是一个复数。晶体管Ｙ参数中输入导纳和输出导纳通常可写 成用电导和电容表示的直角坐标形式, 而正向传输导纳和反向 传输导纳通常可写成极坐标形式, 即:
前者是从模拟晶体管的物理机构出发, 用集中参数元件Ｒ、 Ｃ和受控源来表示管内的复杂关系。优点是各元件参数物理意 义明确, 在较宽的频带内元件值基本上与频率无关。缺点是随 器件不同而有不少差别, 分析和测量不方便。因而混合π型等效 电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。
Ｙ参数法则是从测量和使用的角度出发, 把晶体管作为一 个有源线性双口网络, 用一组网络参数构成其等效电路。优点 是导出的表达式具有普遍意义, 分析和测量方便。 缺点是网络 参数与频率有关。由于高频小信号谐振放大器相对频带较窄, 一般仅需考虑谐振频率附近的特性, 因而采用这种分析方法较 合适。
A0 g
n1n2yie
jwc
1 jwL
其中ｇΣ与ＣΣ分别为谐振回路总电导和总电容:
谐振频率 或
gΣ=n21goe+n22gie+ge0
CΣ=n21Coe+n22Cie+C
f0 2
1 LC
w0 2
1 LC
回路有载Ｑ值
Qe=
w0CX 1 g w0Lg
以上几个公式说明, 考虑了晶体管和负载的影响之后, 放
晶体管的Ｙ参数可以通过测量得到。根据Ｙ参数方程, 分 别使输出端或输入端交流短路, 在另一端加上直流偏压和交流 信号, 然后测量其输入端或输出端的交流电压和交流电流, 代 入式（2．2．6）中就可求得。通过查阅晶体管手册也可得到 各种型号晶体管的Ｙ参数。
需要注意的是, Ｙ参数不仅与静态工作点的电压值、电流

IC

Ib
。从图
2.2.1可以看到, 当输出端短路后, r b′e 、Cb′e 和Cb′c三者并联。

IIC b |UC1jwbgrem(rbccbecbc)1j0ff
其中
gmrbe
β0= gmr b′e
1
fβ= 2rbe(cbe cbe )
由式(2.2.8)可知,
n1n2 yfe
2
12ff0Q C
(2.3.15)
由式（2．3．15）可知, 单管单调谐放大器的单位谐振函数Ｎ （ｆ）与其并联谐振回路的单位谐振函数相同, 且都可以写成：
N(f)U0 UiAu Au
1
U00 UiAu0 Au0
12ff0Q C2



I1y11U1y12U2


Leabharlann Baidu
I2y21U1y22U2
其中ｙ11、ｙ12、ｙ21、ｙ22四个参数均具有导纳量纲, 且:

Y11
I

|U2 0
U1

Y12
I1

|U1 0
U2

Y21
I2

|U2
0
U1

Y22
I2

|U1 0
U2
所以Ｙ参数又称为短路导纳参数, 即确定这四个参数时必 须使某一个端口电压为零, 也就是使该端口交流短路。
高频小信号放大电路是线性放大电路。Y参数等效电路和 混合π型等效电路是分析高频晶体管电路线性工作的重要工具, 晶体管、场效应管和电阻引起的电噪声将直接影响放大器和整 个电子系统的性能。本书将这两部分内容作为高频电路的基础 也在这一章里讨论。
2.2
晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析, 一是混合π型等效电路, 一是Ｙ参数等效电路。
图 2.3.1 单管单调谐放大电路
负载（或下级放大器）与回路的耦合采用自耦变压器耦合 和电容耦合方式, 这样, 既可减弱负载（或下级放大器）导纳对 回路的影响, 又可使前、 后级的直流供电电路分开。另外, 采 用上述耦合方式也比较容易实现前、 后级之间的阻抗匹配。
２．
为了分析单管单调谐放大器的电压增益, 图2．3．2给出了
2.2.1 混合π
图2．2．1是晶体管高频共发射极混合π型等效电路。 图中各元件名称及典型值范围如下： ｒbb′： 基区体电阻, 约１５Ω～５０Ω 。 ｒb′e： 发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻, 约几十欧 到几千欧。 ｒb′c：集电结电阻, 约１０kΩ～１０MΩ。 ｒce：集电极—发射极电阻, 几十千欧以上。