高频小信号放大器

高频小信号放大器

摘要引言 ..................................................................................................... 2 1.高频小信号谐振放大器的原理说明 .................................................... 3 2.放大器的质量指标 ................................................................................ 5 2.1电压增益 .............................................................................................. 5 2.2 电路的输入输出导纳 ........................................................................ 6 2.3放大器的频率特性 ............................................................................. 6 3.实验分析 ................................................................................................. 7 3.1 实验代码 ............................................................................................. 7 3.2 实验分析 ............................................................................................. 9 3. 21选择性 ............................................................................................ 11 3.22增益 .................................................................................................. 12 3.23自激 .................................................................................................. 12 3.24放大器的噪声 ................................................................................. 13 4.总结 ....................................................................................................... 13 5.参考文献 ............................................................................................... 14

1

高频小信号谐振放大器

摘要

随着现代通信技术的不断发展，具有放大和选频功能的高频小信号谐振放大器应用越来越广泛。高频小信号谐振放大电路具从众多信号中选出有用信号，滤除无用的干扰信号的能力。高频小信号谐振放大器在通信设备中的主要用途是作为接收机的高频放大器和中频放大器。本论文主要讨论高频小信号放大电路的选频特性及其有关问题，对高频小信号谐振放大器存在的缺陷和不足做了一些罗列，在此基础上总结了一些解决方案。从而有了怎么在实际电路中合适地选择高频小信号谐振放大器的一些认识。

Summary

High-frequency small-amplifier applications with the development of the resonance of modern communication technology,with amplification and frequency small-signal amplifier and frequency selection function more widely.A high-frequency small-signal amplifier circuit having a resonant signal selected from a number of useful signals,filter unwanted interference signal power.High-frequency small-signal amplifiers in a communication device resonant main use is as a high-frequency amplifier and receiver IF amplifier.This paper focuses on the high-frequency small-signal frequency small-signal frequency-selective amplifier circuit characteristics and related issues,defected and deficiences resonant high-frequency small-signal amplifiers do exist in some lists,on the basis of a summary of some solutions.So how in the actual circuit with proper selections.So how in the actual circuit with proper selection of some of the

2

small-signal high-frequency resonant understanding of the amplifier.

关键词：高频，小信号放大，选择性，增益

引言

放大高频小信号（中心频率在几百KHZ到几百MHZ，频谱宽度在几KHZ到几十MHZ的范围内）的放大器，称为高频小信号放大器。这类放大器，按照所用器件可分为晶体管，场效应管和集成电路放大器；按照通过频谱的宽窄可分为窄带和宽带放大器；按照电路形式可分为单级和级联放大器；按照所用负载性质可分为谐振放大器和非谐振放大器。所谓谐振放大器，就是采用谐振回路作负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。

高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。高频信号放大器理论非简单，但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡，同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。

LC

3

g –Is

gp1goegp, pＹ参数法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2gie2

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Cp2CCp2C

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。



1

oe

2

ie2

22



YLgpjCp2yie2

jII12

yieyfeV0V0VV1 1YL11222gpjCYp2yie2 L

p1p1jL

2

2

1

yre

I1

V2

0V1

yfe

I

2V0

V12

Yie,Yre,Yfe,Yoe分别对应输出短路时的输入导纳，输出短路时的反向传输导纳，输出短路时的正向传输导纳，和输入短路时的传输导纳。这四个参数会随频率的影响。

4

g

2.

QL

0C

f0

,fff0

2.1电压增益

AV

p1p2yfe

2f

g1jQL

f0

“—”表示输入输出有180度的相位差，此外，一般情况下Yfe通常是一个负数，实际相位差不是180度。

式中，分母视为并联回路的导纳，当角频率ω在谐振角频率ω0附近时AV可写成：

yoegoejCoe

yie2gie2jCie2

p1p2yfe

1jL

其中QL是电路的品质因数。f0是回路的谐振频率。

AV

p12goegpp22gie2jp12CoeCp22Cie

5

g 2.

QL0Cf0,fff02.1电压增益

AVp1p2yfe

2fg1jQLf0

“—”表示输入输出有180度的相位差，此外，一般情况下Yfe通常是一个负数，实际相位差不是180度。

式中，分母视为并联回路的导纳，当角频率ω在谐振角频率ω0附近时AV可写成：

yoegoejCoe yie2gie2jCie2

p1p2yfe

1

jL其中QL是电路的品质因数。f0是回路的谐振频率。 AVp12goegpp22gie2jp12CoeCp22Cie

5

2f0.12.2 Kr 0.12f0.7

输入导纳 Yi=Yie-YreYfe/(Yoe+Y’L)第一项为晶体管输出端短路时的输入导纳，第二项是由反馈系数引起的输入导纳，一般情况下，如果不考虑Yre的作用，则Yi=Yie，这是电路分析中常用的一个工程结果。

输出导纳Yo=Yoe-YreYfe/(Ys+Yie），同样，在忽略Y re的作用时，Yo=Yoe。

2.3放大器的频率特性 2f0.1Kr0.112f0.7由信号与系统的理论可知，幅频特性为矩形窗口的函数的选频电路是物理不可实现的系统，因此实际选频网络的电路的幅频特性只能是接近矩形，接近的程度与选频电路本身的结构形式有关。 通常用矩形系数定义

其中放大器的通频带

B2f0.7f0/QL

2f0.7 为归一化电压增益由1下降至2

时，两边界频率f1与f2之间的频带宽度，称为通频带，通常用B表示。

故矩形系数

由上可见，带宽增益乘积为一定值。对于宽带而言，要使 AV尽量大，因为频带很宽，谐振曲线不稳定是次要的，对于窄带放大器， 电容C尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。

说明单调谐回路的谐振曲线与矩形相差甚远，选择性比较差，这是单调谐放大器的缺点。

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3.实验分析

3.1 实验代码

%电路基本参数赋值

rbc=5e+8;

h=[700 3.37e-4;50 27.1e-8];

%h11(hie)为三极管输入电阻，取发射结电阻；

%h12(hre)为反向电压传输比，为1e-4数量级，常忽略；

%h21(hfe)为放大系数β=50；

%h22(hoe)为电导量纲，约为1/rce，rce约几千欧；

Ic=2;

ft=1e+08;

Cc=1e-12;

R=100e+03;

C=1e-12;

L=8e-6;

%参数初始化

f=(0:0.1:100)*1e+06; %设定扫频范围

hie=h(1,1); %混合PI参数

hfe=h(2,1); %混合PI参数

hoe=h(2,2); %混合PI参数

gm=Ic/26; %跨导

rbe=hfe/gm; %发射结折合电阻

rbb=hie-rbe; %基极体电阻

cbe=5e-12; %发射结电容

%混合参数转化为Y参数

w=2*pi.*f; %角频率转化

yden=(1+rbb/rbe)+j*w*cbe*rbb;%Y参数的分母

yie=(1/rbe+j*w*cbe)/yden; %混合参数转化为Y参数

yre=-(1/rbc+j*w*Cc)/yden; %混合参数转化为Y参数

yfe=gm./yden; %混合参数转化为Y参数

yoe=hoe+j*w*Cc+rbb*gm.*(1/rbc+j*w*Cc)/yden;%混合参数转化为Y参数 Y=1/R+1./(j*w*L)+j*w*C; %总电导

Av=-yfe./(yoe+Y); %Y参数放大倍数计算

[Avmax,I]=max(abs(Av)); %AV最大值

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Av=Av./Avmax; %归一化电压增益

%Av放大器增益作图

subplot(2,2,1) %作图位置

plot(f,abs(Av),'r'); %作图

xlabel('频率(Hz)'); %标注

ylabel( '幅值'); %标注

title('小信号放大器的幅频响应')%标注

grid on; %网格

axis([10e6,21e6,0,1.1]); %作图范围

%相频响应作图

subplot(2,2,2) %作图位置

plot(f,angle(Av)./(pi/180),'r')%作图

xlabel('频率(Hz)'); %标注

ylabel( '相位(度)'); %标注

title('小信号放大器的相频响应')%标注

grid on; %网格

axis([10e6,21e6,-190,+190]); %作图范围

%输入电导作图

Yi=yie-yre.*yfe./(yoe+Y); %Y参数的输入导纳

subplot(2,2,3); %作图位置

plot(f,real(Yi),'r'); %作图

xlabel('频率(Hz)'); %标注

ylabel( '输入电导'); %标注

title('小信号放大器的输入电导曲线')%标注

grid on; %网格

axis([10e6,21e6,-0.1,+0.15])%作图范围

%输入电纳作图

subplot(2,2,4); %作图位置

plot(f,imag(Yi),'r'); %作图

xlabel('频率(Hz)'); %标注

ylabel( '输入电纳'); %标注

title('小信号放大器的输入电纳曲线')%标注

grid on; %网格

axis([10e6,21e6,-0.05,0.21]);%作图范围

该实验采用晶体管的Y参数等效模型其中参数由混合PI参数转换而来根据以上分析的原理进行计算，计算出幅频特性，相频特性，及其输入电导，输入电纳随 8

其频率变化的图像。

3.2 实验分析

9

10

由图可知，谐振频率f0大致为15.3MHZ。由于实验操作的缺陷， 得不到Av/Av0=0.1时所 对应的频率范围，不过明显可以看到Kr0.1的值明显大于11。

3. 21选择性

由此可得高频小信号的选择性太差，为了解决这个问题，我们提出了高频小信号双调谐回路。

其f0与Av的计算公式与单调谐回路一致，但其矩阵系数可以改善至5左右。相对于单调 谐

11

回路改善很大。

3.22增益

若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。

b p2 L d R5 R 1C2 p C4 1T1 T2 T3 c 输出 C1 a + R + 输入 R6 2

Vi Vo R3

– C3 – – L L L FFFCF CF CF +

增益变大后，带宽变窄，且二者乘积为一常数。单调谐回路特点是电路简单，调试容易，但选择性差，增益和通频带的矛盾比较突出。在小信号谐振放大器中，

三极管与回路之间常采用部分接入，回路与负载之间也采用部分接入，这是因为外接负载阻抗会使回路的等效电阻减小，品质因数下降，导致增益下降，带宽展宽，谐振频率变化等。因此，采用部分接入，可以减小它们的接入对回路Q值和谐振频率的影响，从而提高了电路的稳定性，且使前后级的阻抗匹配。

3.23自激

虽然在该MATLAB仿真中，没有涉及到这个问题。但在做实际的高频实验时，经常在测试电路中会出现自激的现象，特别是在多级放大的情况中。我们将这种没有外部输入信号，由于电路内部正反馈作用而自动维持输出交流信号的现象称为自激。

由于晶体管内部存在反向传输导纳yre，使晶体管成为双向器件，在一定频率下使回路的总电导为零，这时放大器会产生自激。为了克服自激常采用“中和法”和“失配法”使晶 12

体管单向化。保持放大器稳定工作所允许的电压增益称为电压增益，用(AV0)S表示，(AV0)S只考虑了内部反馈，未考虑外部其他原因引起的反馈。

3.24放大器的噪声

在实际电路中放大器的选择很重要。噪声系数是衡量放大器噪声性能的好坏，具体定义为输入的信噪比与输出的信噪比。 级联放大器总噪声系数取决于各级放大器的噪声系数，且各级影响程度不同，前级大于后级。一般情形下，主要取决于前面两级，与后面各级几乎无关。

4.总结

利用Matlab可以对电路参数进行很好的数学仿真。每种电路的数学模型的建立是很重要的，建立一个好的数学模型可以提高仿真的准确度，也可以单独仿真某些参数。使用

MATLAB可以仿真小信号放大器的各种参数，如电压增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应等。本实验能仿真分析各种小信号放大器的结构、参数及特性。

通过这次实验我学会了利用Matlab可以对电路参数进行很好的数学仿真；使用MATLAB可以仿真小信号放大器的各种参数。

但是，在实验过程中还存在一些不足之处。一开始在分析的时候出现了一些小偏差，使敲出来的程序不正确，幸亏检查发现了问题所在，及时改正了过来，不然又会出现一个错误的结果。这也是值得我深思的一个问题，如何在今后的学习中减少这种差错，是我要改正的问题。

总的来说收获还是很多的，通过实验与理论的结合，让我对这个知识点有了更透彻的理解，这也是今后课程学习过程中要更加注意，值得学习的地方。

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5.参考文献

[1]俞家琦。高频电子线路（第三版），北京：西安电子科技大学出版社，1995.

[2]赵春华等. Multisim9电子技术基础仿真实验，2007，05.

[3]华永平.电子线路课程设计—仿真、设计与制作.机械工业出版社，2002.

[4]王卫东.高频电子线路.北京：电子工业出版社.2009

[5]王卫东.模拟电子技术基础.北京：电子工业出版社2009.

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