宽带放大电路基础知识教案解读_放大电路基础教案

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讲稿2：宽带放大电路基础知识（3课时）

目标：

1.了解高频小信号放大器的基本概念 2.了解宽带放大器和扩展通频带的方法 2.了解高频调谐放大器的功能及分类 4.了解高频小信号放大器主要性能指标

讲解目录

2.1 高频小信号放大器概述………………………………了解 2.2 宽带放大器和扩展通频带的方法……………………会 2.3 单管单调谐高频小信号放大器…………………………会 2.4单管双调谐高频小信号放大器…………………………了解 2.5集成中频放大器…………………………………………了解 *2.6放大电路的噪声…………………………………………了解

讲课要点

放大高频小信号（中心频率在几百千赫到几百兆赫）的放大器称为高频小信号放大器。根据工作频宽的宽窄不同，高频小信号放大器有宽带型和窄带型两大类。所谓频带的宽窄，指的是相对频带，即通频带与其中心频率的比值。宽带放大器的相对频带较带（往往在0.1以上），窄带放大器的相对频带较窄（往往小到 0.01）。

2.1 高频小信号放大器概述

一、高频小信号放大器的分类

高频小信号放大器若按器件分可分为晶体管放大器，场效应管放大器，集成电路放大器；若按通带分可分为窄带放大器，宽带放大器；若按负载分可分为谐振放大器，非谐振放大器。

本章主要讨论单级窄带负载为 LC 调谐回路的谐振放大器，这种放大器不仅有放大作用，而且有选频作用。

二、高频小信号放大器的质量指标 1.增益（放大倍数）

放大器输出电压V O（或功率P O）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）。

电压增益：(2-1)功率增益：(2-2)分贝表示：(2-3)(2-4)2.通频带

放大器的电压增益下降到最大值的 0.7（即 1/）倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用BW=2Δf 0.7表示，如图 2-1。2Δf 0.7 也称为 3 分贝带宽。

图 2-1 高频小信号放大器的通频带

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.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(2-5)(2-6)2Δf 0.1、2Δf 0.01 分别为放大倍数下降至 0.1 和 0.01 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 dn 表示。(2-7)图 2-2 理想的与实际的频率特性图 2-3 对 f n 的抑制能力

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。

4.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。

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等。

5.噪声系数

放大器的噪声性能可用噪声系数表示：(2-8)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。

2.2 宽带放大器和扩展通频带的方法

随着电子技术的发展及其应用日益广泛，被处理信号的频带越来越宽。例如，模拟电视接收机里的图像信号所占频率范围为0~6MHz而雷达系统中信号的频带可达几千兆赫。要放大如此宽的频带信号，以前所介绍的许多放大器是不能胜任的，必须采用宽带放大器。按待放大信号的强弱，宽带放大器可分为小信号和大信号宽带放大器。本节讨论的是小信号放大器。大信号宽带放大器又称宽带功放，将在后面讨论。

一.宽带放大器的主要特点

宽带放大器由于待放大的信号频率很高，频带又很宽，因此有着下述与低频放大器和窄带谐振放大器不同的特点：

1、三极管采用fT很高的高频管，分析电路时必须考虑三极管的高频特性。

2、对于电路的技术指标要求高。例如，视频放大器放大的是图像信号，它被送到显像管显示，由于接收这个信号时，人的眼睛对相位失真很敏感，因此对视频放大器的相位失真应提出较严格的要求。而在低频放大器中，接收信号的往往是对相位失真不敏感的耳朵，故不必考虑相位失真问题。

宽带放大器的主要技术指标有通频带、增益和失真等，不再一一说明。

3、负载为非谐振的。由于谐振振回路的带宽较窄，所以不能做为带宽放大器的负载，即它的负载只能是非谐振的。

二.扩展通频带的方法

要得到频带较大的放大器，必须提高其上限截止频率。为此，除了选了择fT足够高的管子和高速宽带的电流模集成运放等器件外，还广泛采用组合电路和负反馈等方法。

1、组合电路法

影响放大器的高频特性除器械件参数外，还与三极管的组态有关。

我们知道，不同组态的电路具有不同的特点。因此，如果我们将不同组态电路合理的混合连接在一起，就可以提高放大器的上限截止频率，扩展其通频带，这种方法称为组合电路法。组合电路的形式很多，如图2-4所示，常用的是“共谢-共基”和“共集-共射”两种组合电路。

图2-4 常见组合电路形式

2、负反馈法

我们知道，引入负反馈可扩展放大器的通频带，而且反馈越深，通频带扩展得越宽。利用负反馈技术来扩展放大器的通频带，被广泛应用于宽带放大器。但是引入负反馈容易造成放大器工作的不稳定，甚至出现自振荡，这是必须注意的问题。

常用的单级负反馈是电流串联负反馈和电压并联反馈，也可以采用交替负反馈电路：由单级负反馈电路组成多级宽带放大器时，若前级采用电流串联负反馈，则后级应采用电压并联负反馈；反之，若前级采用电压并联负反馈，则后级应采用电流串联负反馈。

在多级宽带放大器中，为了加深反馈，使频带扩展得到更宽一些，可采用两级放大器的级间反馈方式，常用的有两级电流并联负反馈放大器和两级电压串联负反馈放大器。

3、集成宽带放大器

随着电子技术的发展，宽带放大已实现集成化。集成宽带放大器性能优良，使用方便，已得到广泛的应用。

本课小结：

1．高频小信号放大器的主要性能指标有增益、带宽、选择性等。

2．宽带放大器的主要特点是三极管采用fT很高的高频管、电路的技术指标要求高、负载为非谐振；扩展频带通常采用组合电路和负反馈等方法。本课作业：

1．通频带为什么是小信号谐振放大器的一个重要指标？通频带不够会给信号带来什么影响？

2.3 单管单调谐高频小信号放大器

一、基本电路与工作原理 1.电路组成单调谐放大的电路如图2-5所示。图中，V1、R1、R2、Re组成稳定工作点的分压式偏置电路，Ce为高频旁路电容，初级电感L和电容C组成的并联谐振回路作为放大器的集电极负载。可以看出，三极管的输出端采用了部分接入的方式，以减小它们的接入对回路Q值和谐振频率的影响（其影响是Q值下降，增益减小，谐振频率变化）从而提高了电路的稳定性，且使前后级的阻抗匹配。

(a)电路(b)交流通路

图2-5 基本电路

2.工作原理高频信号电压

合互感耦合基极电压

管子be结

基极电流

管子放大作用

集电极电流

谐振回路选频

回路谐振电压

互感耦负载电流iL在负载上产生较大的高频信号电压

二、电路分析 1.直流通路

2.交流通路

2.高频Y参数等效电路

图2-6 高频Y参数等效电路

晶体管接入回路的接入系数 p 1＝N12/ N13 负载接入回路的接入系数 p 2＝N45/ N13 IS＝ p1 IS＝p1 Yfe Ube g’oe’

2＝ p1 g oe，C

2’

＝ p1 Coe

gL＝ p2 g L，CL＝ p2 CL

g＝g‘oe’

＋gL ＋g P

‘ C ＝C‘

＋CL ＋C

‘ 导纳 Y ＝g  ＋jw C  ＋1/jwL

输出电压 Uo＝－Is / Y ＝－p1 Yfe Ube / Y ＝Uo / p 2

三、性能指标分析

1.电压增益 A u＝U0  Ube －p1 p2Yfe / 〔g （1＋j2 Q L f / f0）〕

当回路谐振时，f＝0，放大器谐振电压增益为

A uo＝－p1 p2Yfe / g 

 A uo ＝p1 p 2Yfe / g ＝p1 p 2Yfe /（p1 g oe＋p2 g L＋g P）2.功率增益 A po＝Po P i ＝U2.单调谐放大器的通频带根据前述

当得为放大器的通频带。

4.单调谐放大器的选择性当时

因此

所以单调谐放大器的矩形系数比 1 大得多，选择性比较差。

2.4单管双调谐高频小信号放大器

一.双调谐耦合回路的基本特性

双调谐耦合回路有电容耦合和互感耦合两种类型，这里只讨论后者，互感耦合调谐回路如图2-7所示。

22‘

‘

 Ui＝A 2

2uo

图2-7 互感耦合调谐回路图2-8 次级电压谐振曲线

初、次级回路之间的耦合系数

初、次级回路的谐振频率

f012LC定义耦合因数 η =kQ0

式中，Q0为空载品质因数。则η =1称为临界耦合状态，而η >

1、η

式中ζ为一般失谐，当ζ=0、η =1时I2取得最大值I2max。

由上式可画出互感耦合双调谐回路的次级电压谐振曲线，如图2-8所示，可以看出，强耦合时曲线出现双峰，中心下陷；弱耦合时曲线为单峰，但峰值较小。比较理想的是临界耦合时的情况，谐振曲线既为单峰，峰值又大。

二.双调谐放大器的电路组成和性能指标 1.电路组成(a)电路(b)交流通路

图2-9 双调谐放大器

双调谐放大器的电路如图2-9所示。图中，Rb1、Rb2和Re组成分压式偏置电路，Ce为高频旁路电容，ZL为负载阻抗（或下级输入阻抗），Tr1、Tr2为高频变压器，其中Tr2的初、次级电感L1、L2分别与C1、C2组成的双调谐耦合回路作为放大器的集电极负载，三极管的输出端在初级回路的接入系数为p1，负载阻抗在次级回路的接入系数为p2。

2、电路性能分析

为了简化分析，设初次级回路的元件参数相同，则它们的谐振频率、有载品质因数也相同，且都用W0和Qe表示。

与单调谐放大器相似，可以求得双调谐放大器的电压增益和临界耦合时的谐振电压增益分别为

.Aup1p2gmg(122)24Au0.p1p2gm2g不难得到，临界耦合状态的双调谐放大器的通频带和矩形系数

BW0.7= 2f0Qe K0.1 = BW0.1 / BW0.7 2.16 因此，在f0与Qe相同的情况下，临界耦合状态的双调谐放大器的通频带为单调谐放大器通频带的2倍，而矩形系数小于单调谐放大器的矩形系数，即其谐振曲线更接近于理想的矩形曲线，选择性更好。

总之，与单调谐放大器相比较优，处于临界耦合状态的双调谐放大器具有频带宽、选择性好等优点，但调谐较麻烦。

本课小结：

1.单调谐放大器采用谐振回路作为负载，其选择性较差。

2.双调谐耦合回路比较理想的是临界耦合时的情况；与单调谐放大器相比，处于临界耦合状态的双调谐放大器具有频带宽、选择性好等优点，但调谐较麻烦。本课作业：

1．已知某高频管在UCEQ=6V,IEQ=2mA时的参数为fT=250MHz，rbb’=50Ω,Cb’c=3pF,βo=60,求f=465kHz时的共发射极Y参数。

2．试推导共发射极单调谐放大器谐振电压增益、通频带及选择性（矩形系数）公式。2.中心频率都是6.5MHZ单调谐放大器和临界耦合的双调谐放大器，若Qe均为30，试问两个放大器的通频带各为多少？

2.5集成中频放大器

集中选频式放大器是采用集中滤波和集中放大相结合的小信号谐振放大器，由于这种放大器多用于中频放大，故常称为集成中频放大器，集成中频放大器克服了分散选频放大器的缺点，正越来越得到广泛的应用。

一．集成中频放大器的组成集成中频放大器是由集成宽带放大器的集中滤波器组成的，如图2-10所示。其中，图2-10(a)的集中小滤波器接在集成宽放的后面，图2-10(b)的集中滤波器则接在集成宽放的后面，无论采用哪一种形式，集成宽放的频带应比放大信号的频带和集中滤波器的频带更宽一些。

集中滤波器的任务是选频，要求在满足通频带指标的同时，矩形系数要好。其主要类型有集中LC滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。后面二种集中滤波器目前应用得很广泛。

图2-10 集成中频放大器组成框图

二．陶瓷滤波器

陶瓷滤波器是由钎钛酸铅陶瓷材料制成的，把这种材料制成片状，两面覆盖银层作为电极，经过直流高压极化后，它具有压电效应。所谓压电效应是指，当陶瓷片受机械力作用而发生形变时，陶瓷片内将产生一定的电场，且它的两面出现与形变大小成正比的符号相反、数量相等的电荷；反之，若在陶瓷片两面之间加一电场，就会产生与电场强度成正比的相械形变。陶瓷片具有串联谐振特性，可用它来制作滤波器。

1、两端陶瓷滤波器

上述的单个陶瓷片就构成两端陶瓷滤波器，其结构、符号、等效电路如图2-11所示，其电抗特性曲线如图2-12所示。

(a)结构(b)符号(c)等效电路

图2-11 两端陶瓷滤波器图2-12 电抗特性曲线

由图可知串联支路的串联谐振频率

整个陶瓷滤波器的并联谐振频率

式中C为C1和C0串联后的电容值。

当信号频率f

fqfp12L1C112L1Cfp时，陶瓷片相当于一个电感；当f = fp时，陶瓷片相当于开路；当f > fp时陶瓷片又相当于一个电容。

2、四端陶瓷滤波器

两端陶瓷滤波器的通频带较窄，选择性较差。为此，可将不同谐振频率的陶瓷片进行适当的组合连接，就得到性能接近理想的四端陶瓷滤波器，如图2-13所示。

图2-13 四端陶瓷滤波器

陶瓷滤波器的工作频率可从几百千赫到几百兆赫，带宽可以做得很窄，其等效Q值约为几百，它具有体积小、成本低、耐热耐湿性好、受外界条件影响小等优点。已广泛用于接收机中，如收音机的中放、电视机的伴音中放等。陶瓷滤波器的不足之处是频率特性的一致性较差，通频带不够宽等。

三．声表面波滤波器

声表面波滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺，制造简单，成本低，频率特性的一致性好，因此广泛应用于各种电子设备中。

声表面波滤波器的结构示意图及符号如图2-14所示。它是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要没着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播，故称为声表面波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，别一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

图2-14 声表面波滤波器

在声表面波滤波器中，信号经过电-声-电的两次转换，由于基片的压电效应，则叉指换能器具有选频特性。显然，两个叉指换能器的共同作用，使声表面波滤波器的选频特性较为理想。图2-15为声表面波滤波器的幅频特性。

图2-15 声表面波滤波器的幅频特性

*2.6放大电路的噪声

噪声的种类很多。有的是从器件外部窜扰进来的，称为外部噪声；有的是器件内部产生的，称为内部噪声。内部噪声源主要有电阻热噪声和晶体管噪声二种。

一、电阻热噪声

电阻热噪声是由电阻内部自由电子的热运动而产生的。自由电子的这种热运动在导体内会形成非常微弱的电流，这种电流呈杂乱起伏的状态，称为起伏噪声电流。起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。

这种在整个无线电频段内具有均匀频谱的起伏噪声称为白噪声。1.噪声电流功率频谱密度和噪声电压功率频谱密度 SI(f)＝4kT/R A /Hz SU(f)＝4kTR V /Hz k＝1.38102.热噪声均方值电流和均方值电压 In＝ SI(f)BW＝ 4kTBW/R Un＝ SU(f)BW ＝ 4kTRBW 所以，一个实际电阻可以分别用噪声电流源和噪声电压源表示。

二、晶体管噪声

晶体管噪声主要包括以下三部分： 1.热噪声

由体电阻及引线电阻产生。2.散弹噪声

散弹噪声是晶体管的主要噪声源。是由单位时间内通过PN结的载流子数目随机起伏而造成的。2.闪烁噪声

闪烁噪声又称低频噪声。一般认为是由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的，其特点是频谱集中在约lkHz以下的低频范围，且功率频谱密度随频率降低而增大。

三、噪声系数 1．信噪比

有用信号功率Ps与噪声功率Pn的比值。2 2

2－23

2J/K 2.噪声系数的定义

放大器的噪声系数NF(Noise Figure)定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，即 NF=（Psi / Pni）/（Pso / Pno）

NF用以说明放大电路的噪声性能，NF越小，则放大电路本身所产生的噪声越小，其噪声性能也越好。

3．降低噪声系数的措施