晶体管高频等效电路.ppt
《晶体管高频等效电路.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《晶体管高频等效电路.ppt(129页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、.概述概述.晶体管高晶体管高频频等效等效电电路路.谐谐振放大器振放大器.宽频带宽频带放大器放大器.集中集中选频选频放大器放大器.电电噪声噪声.集成高集成高频频放大放大电电路的路的选选用与用与实实例介例介绍绍.章末小章末小结结 第第2章章 高高频频小信号放大小信号放大电电路路返回主目录1-第第2章章 高高频频小信号放大小信号放大电电路路2.1概述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
2、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。2-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。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
3、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。3-2.2晶体管高晶体管高频频等效等效电电路路晶体管在高频线性运用时常采用两种等效电路进行分析,一是混合型等效电路,一是参数等效电路。前者是从模拟晶体管的物理机构出发,用集中参数元件、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。因而混合型等效电路法较适合于分析宽频带小信号放大器。4-参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
4、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。5-2.2.1 混合混合型等效型等效电电路路图221是晶体管高频共发射极混合型等效电路。图中各元件名称及典型值范围如下:bb:基区体电阻,约。be: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。bc:集电结电阻,约kM。ce:集电极发射极电阻,几十千欧以上。6-7-be:发射结电容,约皮法到几百皮法。bc:集电结电容,约几个皮法。m:晶体管跨导,几十毫西门子以下。由于集电结电容Cbc跨接在输入输出端之间,是双向传输元件,
5、使电路的分析复杂化。为了简化电路,可以把Cbc折合到输入端b、e之间,与电容Cbe并联,其等效电容为:CM=(1+gmRL)Cbc(2.2.1)即把Cbc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,RL是考虑负载后的输出端总电阻,CM称为密勒电容。8-另外,由于rce和rbc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型等效电路如图2.2.2所示。与各参数有关的公式如下:re=rbe=(1+0)reCbe+Cbc=9-10-其中k为波尔兹曼常数,T是电阻温度(以绝对温度K计量),IEQ是发射极静态电流,0是晶体管低频短路电流放大系数,fT是晶体管特征频率。确定晶体管
6、混合型参数可以先查阅手册。晶体管手册中一般给出rbb、Cbc、0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。11-2.2.2参数等效参数等效电电路路图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。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
7、端口变量之间的相互关系。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:12-13-其中11、12、21、22四个参数均具有导纳量纲,且:14-所以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。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224所示,相应的参数方程为:其中,输入导纳15-16-反向传输导纳正向传输导纳输出导纳17-图中受控电流源表示输出电压对输入电流的控制作用(反向控制);表示输入电压对输出电流的控制作用(正向控制)。fe越大,表示晶体管的放大能力越强;re越大,表示晶体管的内部反馈越强。
8、re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。晶体管的参数可以通过测量得到。根据参数方程,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(226)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参数。18-需要注意的是,参数不仅与静态工作点的电压值、电流值有关,而且是工作频率的函数。例如当发射极电流增加时,输入与输出电导都将加大。当工作频率较低时,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
9、工作时由于晶体管结电容不可忽略,参数是一个复数。晶体管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:yie=gie+jCieyoe=goe+jCoeyfe=|yfe|feyre=|yre|re19-2.2.3晶体管的高晶体管的高频频参数参数考虑电容效应后,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 共射晶体管截止共射晶体管截止频频率率共射短路电流放大系数是指混合型等效电路输出交流短路时,集电极电流与基极电流的比值。从图2.2.1可以看到,当输出端短路后,rbe、Cbe和Cbc三者并联
10、。20-其中0=gmrbef=由式(2.2.8)可知,的幅值随频率的增高而下降。当下降到0的时,对应的频率定义为共射晶体管截止频率f。2 特征特征频频率率fT当的幅值下降到1时,对应的频率定义为特征频率fT。21-3 共基晶体管截止共基晶体管截止频频率率f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,即的幅值也是随频率的增高而下降,f定义为的幅值下降到低频放大系数0的时的频率。三个高频参数之间的关系满足下列各式:22-fT0f=gmrbeffT0fffTf(2.2.9)23-2.3 谐谐 振振 放放 大大 器器由晶体管、场效应管或集成电路与并联谐振回路组成的高频小信号谐振放大器
11、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。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。24-2.3.1单单管管单调谐单调谐放大器放大器 电电路路组组成及特点成及特点图23是一个典型的单管单调谐放大器。b与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,e是旁路电容。电容与电感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。25-图2.
12、3.1单管单调谐放大电路26-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。电电路性能分析路性能分析为了分析单管单调谐放大器的电压增益,图232给出了其等效电路。其中晶体管部分采用了参数等效电路,忽略了反向传输导纳re的影响。输入信号源用电流源并联源导纳s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ie表示。27-28-单管单调谐放大器的电压增益为:我们先求与的关系式,然后求出与的关系,即可导出与之比,即电压增益
13、。因为负载的接入系数为2,晶体管的接入系数为1,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YL,则:29-由于是上的电压,且与相位相反,所以由Y参数方程(2.2.3)可知:代入式(2.3.3)可得:根据自耦变压器特性因此30-将式(2.3.5)与(2.3.6)代入(2.3.1),可得其中,YL=n21YL是YL等效到谐振回路两端的导纳,它包括回路本身元件、e0和负载导纳总的等效值,即YL=(ge0+jC+n22yie(2.3.8)31-根据式(227),将式(238)代入(237)中,则:其中与分别为谐振回路总电导和总电容:g=n21goe+n22gi
14、e+ge0C=n21Coe+n22Cie+C谐振频率或32-回路有载值Qe=以上几个公式说明,考虑了晶体管和负载的影响之后,放大器谐振频率和值均有变化。谐振频率处放大器的电压增益其电压增益振幅Au0=33-根据N(f)定义和式(),可写出放大器电压增益振幅的另一种表达式Au=(2.3.15)由式(2315)可知,单管单调谐放大器的单位谐振函数()与其并联谐振回路的单位谐振函数相同,且都可以写成:34-由于fe是复数,有一个相角fe,所以一般来说,图所示放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差。另外,由上述公式可知,电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关:(1)为了
15、增大u0,应选取|yfe|大,oe小的晶体管。(2)为了增大u0,要求负载电导小,如果负载是下一级放大器,则要求其ie小。(3)回路谐振电导e0越小,u0越大。而e0取决于回路空载值0,与0成反比。35-(4)u0与接入系数1、2有关,但不是单调递增或单调递减关系。由于1和2还会影响回路有载值e,而e又将影响通频带,所以1与2的选择应全面考虑,选取最佳值。实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下,尽可能提高电压增益。在单管单调谐放大器中,选频功能由单个并联谐振回路完成,所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同,其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响,比单个并联
16、谐振回路加宽,因为有载Q值小于空载Q值。例21在图231中,已知工作频率0MHz,cc,emA。晶体管采用型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下:36-gie=12mS,Cie=12pF;goe=400S,Coe=95pF;|yfe|=583mS,fe=-22;|yre|=310S,re=-888,回路电感H,接入系数1,2,0。负载是另一级相同的放大器。求谐振电压增益振幅u0和通频带07,并求回路电容是多少时,才能使回路谐振?所以g=ge0+n21goe+n22gie=37.910-6+40010-6+0.321210-3=0.5510-3S37-从而Au0=因为又所以由Qe=
17、可得38-从对单管单调谐放大器的分析可知,其电压增益取决于晶体管参数、回路与负载特性及接入系数等,所以受到一定的限制。如果要进一步增大电压增益,可采用多级放大器。39-2.3.2多多级单调谐级单调谐放大器放大器如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上,则称为多级单调谐放大器。设放大器有级,各级电压增益振幅分别为u1,u2,un,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积,即nu1u2un如果每一级放大器的参数结构均相同,根据式(2315),则总电压增益振幅An=(Au1)n=(n1n2)n|yfe|n40-谐振频率处电压增益振幅单位谐振函数N(f)=级放大器通频带BWn=2f0.7=由上述公式
18、可知,级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了,而通频带比单级放大器的通频带缩小了,且级数越多,频带越窄。41-换句话说,如多级放大器的频带确定以后,级数越多,则要求其中每一级放大器的频带越宽。所以,增益和通频带的矛盾是一个严重的问题,特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说,这个问题更为突出。这一特性与低频多级放大器相同。例2.2某中频放大器的通频带为MHz,现采用两级或三级相同的单调谐放大器,两种情况下对每一级放大器的通频带要求各是多少?解:根据式(2321),当n=2时,因为42-所以,要求每一级带宽同理,当时,要求每一级带宽根据矩形系数定义,当0.1时,nn001,由式(2.
19、3.20)可求得:所以,级单调谐放大器的矩形系数43-表231列出了n0.1与的关系。表表2.3.1 单调谐单调谐放大器矩形系数与放大器矩形系数与级级数的关系数的关系级数n12345678910矩形系数Kn019.954.903.743.403.203.103.002.932.892.852.56从表中可以看出,当级数增加时,放大器矩形系数有所改善,但这种改善是有一定限度的,最小不会低于.。44-2.3.3谐谐振放大器的振放大器的稳稳定性定性共射电路由于电压增益和电流增益都较大,所以是谐振放大器的常用形式。以上我们在讨论谐振放大器时,都假定了反向传输导纳re,即晶体管单向工作,输入电压可以控制
20、输出电流,而输出电压不影响输入。实际上re0,即输出电压可以反馈到输入端,引起输入电流的变化,从而可能引起放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大,且在相位上满足正反馈条件,则会出现自激振荡。为了提高放大器的稳定性,通常从两个方面着手。一是从晶体管本身想办法,减小其反向传输导纳re值。45-re的大小主要取决于集电极与基极间的结电容bc(由混合型等效电路图可知,bc跨接在输入、输出端之间),所以制作晶体管时应尽量使其bc减小,使反馈容抗增大,反馈作用减弱。二是从电路上设法消除晶体管的反向作用,使它单向化。具体方法有中和法与失配法。中和法是在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路(中和
21、电路),以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。由于re的实部(反馈电导)通常很小,可以忽略,所以常常只用一个电容N来抵消yre的虚部(反馈电容)的影响,就可达到中和的目的。46-为了使通过N的外部电流和通过bc的内部反馈电流相位相差,从而能互相抵消,通常在晶体管输出端添加一个反相的耦合变压器。图233()所示为收音机常用的中和电路,()是其交流等效电路。为了直观,将晶体管内部电容bc画在了晶体管外部。47-48-由于re是随频率而变化的,所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用,对其它频率只能有部分中和作用,又因为re是一个复数,中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路,但这给调
22、试增加了困难。另外,如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响,中和电路的效果很有限。失配法通过增大负载电导L,进而增大总回路电导,使输出电路严重失配,输出电压相应减小,从而反馈到输入端的电流减小,对输入端的影响也就减小。可见,失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。49-用两只晶体管按共射共基方式连接成一个复合管是经常采用的一种失配法。图2.3.4是其结构原理图。由于共基电路的输入导纳较大,当它和输出导纳较小的共射电路连接时,相当于使共射电路的负载导纳增大而失配,从而使共射晶体管内部反馈减弱,稳定性大大提高。50-51-由于re是随频率而变化的,所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完
23、全中和的作用,对其它频率只能有部分中和作用,又因为re是一个复数,中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路,但这给调试增加了困难。另外,如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响,中和电路的效果很有限。失配法通过增大负载电导L,进而增大总回路电导,使输出电路严重失配,输出电压相应减小,从而反馈到输入端的电流减小,对输入端的影响也就减小。可见,失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。52-2.4 宽频带宽频带放大器放大器宽频带放大器既要有较大的电压增益,又要有很宽的通频带,所以常用电压增益Au和通频带BW的乘积作为衡量其性能的重要指标,称为增益带宽积,写成GBW=AufH。此处的通频带用上限截
24、止频率fH表示,因为宽频带放大器的下限截止频率fL一般很低或为零频。Au是电压增益幅值。增益带宽积越大的宽频带放大器的性能越好。宽频带放大器既可以由晶体管和场效应管组成,也可以由集成电路组成。本节以单级差分放大器为例进行分析,可以推广到由差分电路组成的单级或多级集成电路宽频带放.53-2.4.1单级单级差分差分宽频带宽频带放大器放大器集成宽频带放大器常采用单级或多级差分电路形式。由于单级共射电路可看成是单级差分电路的差模半电路,所以先分析单级共射电路的电压增益和通频带(用上限截止频率fH表示)。宽频带放大器中的晶体管特性适合采用混合型等效电路。图2.4.1(a)、(b)分别是共射电路的交流通路
25、和高频等效电路。设RL是交流负载,且Zbe=rbe=54-55-Ct=Cbe+CM=Cbe+(1+gmRL)Rt=rberbb=(2.4.3)则(2.4.4)56-其中H=,即上限截止频率fH=(2.4.7)下面继续推导差分电路的差分电压增益和上限截止频率。图2.4.2是一个双端输入双端输出的差分放大电路。它的差模电压增益与单管共射电路的电压增益 相同。此处RL=Rc 。上限截止频率fH与式(2.4.7)相同。增益带宽积57-GBW=AudfH=例2.3在图2.4.2所示差分放大器中,V1管和V2管的参数相同,在 IEQ=1mA时,均 为 o=100,rbb=50,Cbc=2pF,fT=200
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 晶体管 高频 等效电路
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。