晶体管高频等效电路

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。
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。
折合
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。 与各参数有关的公式如下：
1 gm re
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。


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 值有关, 而且是工作频率的函数。
I , 电容 增加时, 输入与输出电导都将加大。 当工作频率较低时
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
YL=(ge0+jωC+
(2.3.8)
根据式（2．2．7）, 将式（2．3．8）代入（2．3．7）中, 则:
A0
n1n2 yie g jwc 1 jwL
其中ｇΣ与ＣΣ分别为谐振回路总电导和总电容:
gΣ=n21goe+n22gie+ge0
CΣ=n21Coe+n22Cie+C 谐振频率
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 I S 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
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
| U2 0
Y22
| U1 0
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。 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：
I b yie U b yre U c I c yie U b yoe U c
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。
2.2.1
Ui

, ,
Ui U0 与
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:
1 1 2 YL 2 ( ge0 jwc n2 yie n1 jwL
由于 U C 相反, 所以
2
当
a 的幅值下降到1时, 对应的频率定义为特征频率fT。

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 交流短路参数, 即 是晶体管用作共基组态时的输出
a

IC Ie


|UC 0
1 时的频率。 2
的幅值也是随频率的增高而下降, fα定义为 到低频放大系数α0的
a的幅值下降

三个高频参数之间的关系满足下列各式：

Au0=
U 00 n1n2 y fe Ui g
I 1 y11 U 1 y12 U 2 I 2 y21 U 1 y22 U 2
其中ｙ11、ｙ12、ｙ21、ｙ22四个参数均具有导纳量纲, 且:






ห้องสมุดไป่ตู้

Y11
I U1 I2 U1

| U2 0
Y12
I1 U2 I2 U2

| U1 0
Y21
或
1 f0 2 LC 1 w0 2 LC
回路有载Ｑ值
w0C X 1 Qe= g w0 Lg 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Ｑ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
U 00 n1n2 y fe Au 0 Ui g
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。 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：

传输导纳通常可写成极坐标形式, 即:
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 。从图 IC Ib 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。
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
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
b′c
元件, 使电路的分析复杂化。为了简化电路, 可以把C 到输入端b′、 e之间, 与电容C b′e并联, 其等效电容为： CM =(1+gmR′L)Cb′c (2.2.1)

是
YL

,且
UC

与
IC

I C U C YL
由Y参数方程(2.2.3)可知:
I C y fe U i yoe U c
代入式(2.3.3)可得:



yoe YL Ui UC y fe

根据自耦变压器特性 U / U n ,U / U n i p 1 i p 2, 因此
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