第18讲 微波晶体管小信号放大器的设计基础

微波晶体管放大器设计导师：学生：1.引言随着通信技术特别是无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信终端的要求进一步提高，作为承担天线感应下来的微弱信号放大任务的低噪声放大器也必须进一步的适应通信信号对其的要求。

通信信号本身就是高频载波信号，这就要求低噪声放大器能够在高频情况下工作。

由于硅器件的截止频率f T 为50GHz 的理论极限已在日趋接近。

在这种情况下，由于三~五族化合物半导体GaAs 的电子迁移率比硅高出5倍，目前的戒指频率f T 已经超过了100GHz ，集成化技术也取得很大进展，但是GaAs 材料具有明显的缺点：价格贵它的晶片制造工艺复杂，难度大，机械强度不好，容易碎片；热导率低，只有硅材料的1/3。

更主要的是GaAs 工艺与硅平面工艺不能兼容。

使得现有的无法继续使用，如更换器材成本太大。

所以这些缺点很大程度上影响了GaAs 器件及其集成电路技术的发展。

在本世纪80年代，在硅片上外延生长出了高质量的SiGe 应变材料，人们利用“能带工程”理论成功地研制出Si 1-x Ge x 基区的双极性异质结晶体管，由于Si 1-x Ge x 应变材料，电子迁移率高，其禁带宽度可通过Ge 组分变化调节的优点，显示出独特的有价值的物理性质。

在高频、高速、光电、低温等器件及集成电路应用方面有非常重要的意义。

2.国内外SiGe 技术的研发现状早在20世纪50年代中期，Kroemer 就提出异质结器件的原理和概念。

由于Si 和Ge 晶格失配达4％，SiGe 材料的制备有很大难度。

直到80年代，异质结技术才有明显发展。

早期在Si 衬底上生长SiGe 外延层的研究主要采用MBE 方法。

1975年，Kasper等人发表了关于在Si衬底上MBE生长Si/Ge超晶格的文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低缺陷密度的高质量SiGe/Si异质结材料。

随后各种SiGe/Si异质结期间相继研制成功，如：SiGe HBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和超过200GHz，2GHz下，驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。

1.放大器与晶体管放大电路1.1放大器1.1.1 放大器概述放大电路广泛应用于各种电子设备中，如音响设备、视听设备，精密仪器、自动控制系统等。

放大电路的功能是将微弱的电信号（电流、电压）放大得到所所需要的信号。

一个放大器可以用一个带有输入端和输出端的方框表示。

输入端结欲放大的信号源，输出端接负载，如图2—1所示。

输入信号经过放大器放大后通过输出端接到负载上。

如果满足下面两个条件，就说电信号已经放大。

图2—1 放大器方框图（1）输出信号的功率大于输入信号的功率。

（2）力求输出到负载上的信号波形与输入源的波形一致。

1.1.2 对放大器的基本要求（1）要有足够的放大倍数。

（2）要具有一定宽度的同频带。

（3）非线性失真要小。

（4）工作要稳定1.2 晶体管放大器1.2.1 基本放大电路的组成晶体管基本放大电路如图所示。

根据放大电路的组成原则，晶体管应工作再放大区，即u BE>Uon,uCE>>uBE,所以在图所示基本人共集放大电路中，晶体管的输入回路加基极电源Vbb，它与Rb、Re共同确定合适的基极静态电流；晶体管的输出回路加集电极电源Vcc ，它提供集电极电流和输出电流。

画出图a 所示电路的直流通路如图b 所示，集电极是输入回路和输出回路的公共端。

交流信号ui 输入时，产生动态的基极电流ib ，驼载在静态电流上IBQ 上，通过晶体管得到放大了的发射极电流iE,其交流分量ie 在发射极电阻Re 上产生的交流电压即为输出电压uo 。

由于输出电压由发射极获得，故也称共集放大电路为射极输出器。

1.2.2 静态分析静态分析：就是求解静态工作点Q ，在输入信号为零时，BJT 或FET 各电极间的电流和电压就是Q 点。

可用估算法或图解法求解。

图解法确定Q 点和最大不失真输出电压（1）用图解法确定Q 点的步骤：已知晶体管的输出特性曲线族→由直流通路求得I BQ →列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线→在输出特性曲线平面上作出直流负载线→由I BQ 所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q 点。

课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子1001班指导教师：韩屏工作单位：信息工程学院题目：晶体管中频小信号选频放大器设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

要求完成的主要任务：1.采用晶体管或集成电路完成一个调幅中频小信号放大器的设计；2.放大器选频频率f0＝455KHz，最大增益200倍，矩形系数不大于5；3.负载电阻R L＝1KΩ时，输出电压不小干0.5V，无明显失真；4.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。

时间安排：1．2013年12月10日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2．2013年12月11日至2013年12月26日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。

3. 2013年12月27日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)一、绪论 (1)二、中频小信号放大器的工作原理 (2)三、中频选频放大器的设计方案 (3)3.1 稳定性分析 (3)3.2 提高放大器稳定性的方法 (4)3.3中频选频放大 (5)3.4 信号负反馈 (6)四、电路仿真与分析 (7)4.1 multisim仿真软件简介 (7)4.2 中频选频放大部分仿真 (7)五、实物制作及调试 (9)六、个人体会 (12)参考文献 (13)附录I 元件清单 (14)附录II总电路图 (15)摘要本文对中频小信号选频放大器的工作原理进行了详细解析，通过对放大器的性能分析，确定最佳制作方案。

通过multisim的仿真分析，按照设计要求，来确定最佳参数，并利用其他相关电路来调试放大电路，解决了放大电路中自激振荡问题和调谐准确的问题。

小信号放大器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解小信号放大器的基本工作原理，掌握放大电路的类型及特点；2. 学生能掌握小信号放大器的关键参数，如增益、频率响应、输入输出阻抗等；3. 学生能了解小信号放大器在实际应用中的电路设计方法和注意事项。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计并搭建简单的小信号放大器电路；2. 学生能通过实验测试小信号放大器的性能，分析并解决电路中可能出现的问题；3. 学生能运用相关软件（如Multisim等）对小信号放大器电路进行仿真分析。

情感态度价值观目标：1. 学生通过学习小信号放大器，培养对电子技术的兴趣，提高学习积极性；2. 学生能认识到小信号放大器在科技发展中的重要作用，增强社会责任感和创新意识；3. 学生在团队协作中，培养沟通能力、合作精神和解决问题的能力。

课程性质：本课程为电子技术基础课程，以理论教学和实践操作相结合的方式，帮助学生掌握小信号放大器的相关知识。

学生特点：学生具备一定的电子技术基础，对实际操作感兴趣，但可能缺乏系统性的电路设计经验和问题分析能力。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过实际操作和案例分析，提高学生的电路设计能力和问题解决能力。

将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。

二、教学内容1. 理论教学：a. 放大器基本概念：介绍放大器的定义、分类及用途；b. 小信号放大器原理：讲解小信号放大器的工作原理、关键参数及其影响因素；c. 放大器电路设计：分析常见的小信号放大器电路，如共射、共基、共集放大器，以及差分放大器等；d. 电路分析方法：介绍小信号放大器电路分析的基本方法，如交流分析、直流分析等。

2. 实践操作：a. 电路搭建：指导学生搭建常见的小信号放大器电路，并观察其工作状态；b. 性能测试：教授学生如何测试小信号放大器的关键参数，如增益、频率响应等；c. 故障分析与排除：培养学生分析电路故障的能力，并提出相应的解决方法；d. 仿真实验：引导学生运用Multisim等软件进行小信号放大器电路的仿真分析。

小信号放大器设计VSRb2ReRcRb1RLC1C2+VCCVo+-图1 首先画出此电路的微变等效电路VSRcRLRb1Rb2rbeReIbβIiIbIb1Ib2+Vbe +-Ic图2首先此电路的输入电阻由定义式：0|==Vo iii I V R ，0=Vo 也即输出短路。

由图所示： ))1(//(//)])1(//(//[2121e be b b i iie be b b i i i R r R R R I I R r R R I V R ββ++=⋅++==输入电阻：我们来看此电路的输出电阻定义式：∞===L R Vi tto I V R ,0| 输出电阻的定义：输入信号源短路，负载开路（即不接负载），再 在输出端外加激励电压源t V ，此时在输出端对应着一个输出电流t I 。

由于输入信号源短路，be r 没有电流流过，也即0=⋅b i β，此时的输出电阻为c o R R = 这一个首先记住，输入电阻，输出电阻对以后分析电路很重要，以后再提。

首先我们分析这一种共射电路电压放大倍数和什么因数有关。

ie be b b L c b i o V I R r R R R R i I V A ⋅++⋅==)])1(//(//[)//(21ββ。

由此关系失可知b b b i I I I I ++=21这三者电流之和，假设21,b b R R 的阻值如果取的足够大，则流过21,b b R R 的电流很少，这就意味着全部电流流进三极管，近似满足关系b i I I =那么原始就可写成：))1(()//())1(()//(e be L c b e be L c b i o V R r R R I R r R R I I V A ββββ++⋅=++⋅==只要将21,b b R R 取得足够大，V A 就会相对提高。

如果式中分母e R )1(β+去掉，则上式V A 的放大倍数会进一步提高，此时我们的想法还是 如果将e R 交流短路的话，此方案完全可行（只要电容取得 大点）VSRcRLRb1Rb2rbeIbβIiIbIb1Ib2+Vbe +-Icbc地Vi +-图3此时我们看到，在e R 并联这一电容的话，可以看到如下好处 b 的动态电阻只有be r 了，也即b 和地间的电阻相对之前大大减小②之前1b R 和2b R 是相对于e be R r )1(β++要取大一些，一般5－9倍（也即])1()[95(]min[2,1e be b b R r R R β++-≈。