高频谐振放大器教学138p课件

第三章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号谐振放大器 3.3 高频功率放大器的原理与特性 3.5 高频功率放大器的实际线路,第三章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号谐振放大器*,高频小信号放大器的特点,频率较高：中心频率一般在几百kHz到几百MHz , 频带宽度在几kHz到几MHz。,小信号：信号较小故工作在线性范围内。,具有选频功能：采用谐振回路作负载。,高频小信号放大器的技术指标,增益：（放大系数）,电压增益：,分贝表示：,功率增益：,高频小信号放大器的技术指标,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 。,2 f 0.7也称为3分贝带宽。,高频小信号放大器的技术指标,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 。,fH / fL 1,fH / fL 1,高频小信号放大器的技术指标,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。,选择性常采用矩形系数来表示,工作稳定性：指放大电路的工作状态、电源电压变化或元器件参数变化时，放大器主要性能指标的稳定程度。,高频小信号放大器的技术指标,噪声系数：衡量放大电路噪声性能的一个重要指标。,高频小信号放大器的技术指标,（输入信噪比）,（输出信噪比）,（一） 高频小信号谐振放大器的工作原理*,gmube,晶体管的物理参数模型,基极体电阻,集电结势垒电容,发射结扩散电容,集电结电阻，可以忽略,发射结电阻,晶体管的混合型等效电路,晶体管的混合型等效电路,晶体管的Y参数等效电路,直接使用晶体管的混等效电路分析放大器的性能很不方便，通常在低频时采用H参数等效电路，而在高频时，一般采用Y参数等效电路。,双口（四端）网络的参数方程,Y参数方程,Z参数方程,双口（四端）网络的参数方程,H参数方程,在忽略rbe及满足CC的条件下, Y参数与混参数之间的关系为,晶体管的Y参数等效电路,在忽略rbe及满足CC的条件下, Y参数与混参数之间的关系为,晶体管的Y参数等效电路,Y参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，而且是工作频率的复函数。 当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可以将Y参数看作常数。,晶体管的Y参数等效电路,忽略管子内部的反馈, 即令Yre =0,晶体管的Y参数等效电路,忽略管子内部的反馈, 即令Yre =0,实际电路：,高频小信号谐振放大器,比较低频共射放大器：,高频小信号谐振放大器,直流偏置电路与低频放大器的电路相同。 电容Cb、 Ce对高频旁路，其电容值较小。 负载为抽头谐振回路，完成阻抗匹配和选频滤波功能。 放大器工作在A(甲)类状态。,高频小信号谐振放大器,单调谐回路谐振放大器,实际电路：,单调谐回路谐振放大器,交流通路：,晶体管接入系数,负载接入系数,单调谐回路谐振放大器,等效电路：,单调谐回路谐振放大器,等效电路：,晶体管接入系数,负载接入系数,单调谐回路谐振放大器,等效电路：,单调谐回路谐振放大器,等效电路：,C=p12Coe+p22CL+C,回路总电导,g=p12goe+p22gL+g0,回路总电容,单调谐回路谐振放大器,电压增益：,单调谐回路谐振放大器,电压增益：,谐振时,单调谐回路谐振放大器,通频带：,（ ）,令：,得：,单调谐回路谐振放大器,矩形系数：,令：,得：,例：已知工作频率030MHz，电感L1.4H, 晶体管接入系数11, 负载接入系数20.3, Q0100，Vcc6V, E2mA。晶体管采用3DG47高频管，其Y参数在上述工作条件下的数值如下：gie=12mS，Cie=12pF，goe=400S，Coe=9.5pF，|yfe|=58.3mS，|yre|=0S，负载是另一级相同的放大器。,求：,1）回路电容 2）谐振电压增益V0 3）通频带2f0.7,单调谐回路谐振放大器,单调谐回路谐振放大器,g=n21goe+n22gie+g0 C=n21Coe+n22Cie+C,Y参数等效电路如下图。,回路总电导和总电容：,而,1）回路电容,单调谐回路谐振放大器,单调谐回路谐振放大器,AV0 =,2）谐振电压增益V0,单调谐回路谐振放大器,3）通频带2f0.7,调频中频放大器的工作频率010.7MHz，谐振回路L4H, N1320, N238, N453, Q0100，晶体管的Y参数为：gie=2860S，Cie=7pF，goe=200S，Coe=7pF，|yfe|=45mS，|yre|=0，负载是另一级相同的放大器。,求：,1）谐振电压增益V0 2）回路电容 3）等效品质因数QL 4）通频带2f0.7,课 堂 练 习,解：,1）谐振电压增益V0,课 堂 练 习,解：,g=p12goe+p22gie+g0=174S,1）谐振电压增益V0,课 堂 练 习,2）回路电容,解：,课 堂 练 习,解：,3）等效品质因数QL,4）通频带2f0.7,课 堂 练 习,谐振放大器的稳定性,由于晶体管是一个双向器件，通过集、基间电容（混合型网络中）的反馈，也就是通过反向传输导纳yre（Y参数等效电路）中的反馈，使放大器存在着工作不稳定的问题。,提高放大器稳定性的方法： 从晶体管本身考虑：减小反向传输导纳 yre ，也就是选择集、基电容小的管子； 从电路上考虑：消除晶体管的反向传输作用，使它单向化，具体方法有中和法和失配法。,谐振放大器的稳定性,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, 所以常只用一个电容n来抵消re的虚部（反馈电容）的影响, 达到中和的目的。,提高放大器稳定性的方法,中和法,提高放大器稳定性的方法,利用中和电容Cn的中和电路。 为了抵消Yre的反馈, 从集电极回路取一与 反相的电压 , 通过Cn反馈到输入端。根据电桥平衡有,则中和条件为,提高放大器稳定性的方法,提高放大器稳定性的方法,通过增大负载导纳L, 进而增大总回路导纳, 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。,提高放大器稳定性的方法,失配法,失配法的典型电路是共射共基级联电路：,提高放大器稳定性的方法,共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发电路连接时，处于失配状态，从而使共发晶体管内部反馈减弱，稳定性提高。 失配时的共发电路虽然电压增益减小，但电流增益仍很大，而共基电路虽然电流增益接近于1，但电压增益较大，所以二者级联后相互补偿，电压增益和电流增益均较大。,多级单调谐放大器的谐振频率相同, 均为信号的中心频率。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生复杂的变化。,多级单调谐回路谐振放大器,1）增益,设各级放大器的电压放大倍数分别为K01、 K02、 K0n,则总的电压放大倍数为：,多级单调谐回路谐振放大器,2）带宽和矩形系数,可见，级联的放大器级数越多，总增益越大，但通频带越窄。换句话说，当多级放大器带宽确定后，级数越多，要求每一级的带宽越宽。,多级单调谐回路谐振放大器,例1：前例单调谐放大器的谐振电压增益Av0=23，通频带BW0.7=504kHz，矩形系数K0.1=9.95，若组成三级单调谐放大器，求总的谐振电压增益、通频带和矩形系数。,多级单调谐回路谐振放大器,例1：前例单调谐放大器的谐振电压增益Av0=23，通频带BW0.7=504kHz，矩形系数K0.1=9.95，若组成三级单调谐放大器，求总的谐振电压增益、通频带和矩形系数。,多级单调谐回路谐振放大器,例2：某中频放大器的通频带为 6MHz，若分别采用两级或三级相同的单调谐放大器，则对每一级放大器的通频带要求各是多少？,多级单调谐回路谐振放大器,例. 某中频放大器的通频带为 6MHz，若分别采用两级或三级相同的单调谐放大器，则对每一级放大器的通频带要求各是多少？,当n=2时,所以要求每一级放大器的带宽,同理，当n=3时，要求每一级放大器的带宽,多级单调谐回路谐振放大器,从下表可以看出, 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2.56。,结论: 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。,多级单调谐放大器的带宽和矩形系数,双调谐回路谐振放大器,初、次级均调谐到同一中心频率上，是改善放大器选择性和解决放大器增益和通频带之间矛盾的有效方法之一。,多级双调谐放大器的带宽和矩形系数,参 差 调 谐 放 大 器,两个或多个调谐放大器的谐振频率分别略高于和略低于中心频率，相对双调谐放大器来说调整较方便。,参 差 调 谐 放 大 器,两个或多个调谐放大器的谐振频率分别略高于和略低于中心频率，相对双调谐放大器来说调整较方便。,参 差 调 谐 放 大 器,理论分析表明：对于两级参差调谐放大器，在临界偏调时有：,与两级单调谐放大器比较：,可见，通过牺牲一定的增益，展宽了频带，同时提高了选择性。,高 频 集 成 放 大 器,集中选频放大器组成框图,课 外 作 业,31 对高频小信号放大器的主要要求是什么？高频小信号放大器有哪些分类？,34 一晶体管组成的单回路中频放大器如图所示。已知fo=465kHz，晶体管经中和后的参数：gie=0.4mS，Cie=142pF，goe=55S，Coe=18pF，Yfe=36.8mS，Yre=0，回路等效电容C=200pF，中频变压器的接入系数p1=N1/N=0.35，p2=N2/N=0.035，回路无载品质因数Q0=80，设下级也为同一晶体管，参数相同。试计算：,（1）回路有载品质因数 QL和 3dB带宽B0.7 （2）放大器的电压增益； （3）中和电容值。（设Cbc=3 pF）,3.3 高频功率放大器的原理与特性*,第三章 高频谐振放大器,高频功率放大器以高效输出大功率为目的, 主要应用于各种无线电发射机中, 使发射机末级获得足够大的发射功率。,输出功率大, 从节省能量的角度考虑, 效率更加显得重要。因此, 高频功放常采用效率较高的C类工作状态。,高频功率放大器,功率放大器工作状态的分类,高频功率放大器,A类：=180 B类：= 90 AB ：90180 C类： 90,高频功率放大器与小信号谐振放大器的异同,相同之处：放大的信号均为高频信号，负载均为谐振回路。 不同之处：工作点不同，放大器的工作状态不同； 激励信号大小不同，放大器的分析方法不同。,谐振功率放大器 波形图,小信号谐振放大器 波形图,（一） 高频功率放大器的工作原理*,高频功率放大器除电源和偏置电路外, 由晶体管、 谐振回路和输入回路三部分组成。,高频功率放大器,设输入信号为,则基极回路电压,高频功率放大器,高频功率放大器,C（丙）类： 90,半导通角,周期性脉冲可以分解成直流、 基波和各次谐波分量, 即,(3 18),高频功率放大器,谐波分解系数 与 的关系曲线示于下图：,高频功率放大器,回路输出电压：,集电极电压：,如何理解：通角越小，功放的效率越高？,高频功率放大器,回路输出电压：,集电极电压：,从图中可见，越小， ic 越集中在ucemin附近，故损耗将减小，效率得到提高。,高频功率放大器,在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为,集电极电源供给的直流输入功率P0为,直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc, 即,高频功放的能量关系,Pc变成耗散在晶体管集电结中的热能。,定义集电极效率为,其中：,为集电极电压利用系数。,高频功放的能量关系,为波形系数；,提高效率的两种途径：一是提高，即提高UC，这可以通过提高回路谐振阻抗RL来实现；二是提高。,高频功放的能量关系,导通角越小, 越大, 效率越高, 但输出功率也越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面, 选取合适的导通角，一般以70作为最佳导通角。,高频功放的能量关系,已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态，输出功率P1=15W，电源电压EC=24V, 导通角为70，UC= 21.84V, 试求P0 、 Pc 、 。,(0( 70) = 0.253,1( 70) = 0.436),1) 求P0,2) 求PC,3) 求,高频功放的能量关系,已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态，输出功率P1=15W，电源电压EC=24V, 导通角为70，UC= 21.84V, 试求P0 、 Pc 、 。,(0( 70) = 0.253,1( 70) = 0.436),1) 求P0,2) 求PC,3) 求,高频功放的能量关系,另一种求法：,已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态，输出功率P1=15W，电源电压EC=24V, 导通角为70，UC= 21.84V, 试求P0 、 Pc 、 。,(0( 70) = 0.253,1( 70) = 0.436),1) 求,2) 求P0,3) 求Pc,高频功放的能量关系,已知谐振功率放大器的EC=24V, IC0=250mA,输出功率P1=5W，电压利用系数=1, 试求P0 、IC1、RL 、和。,课 堂 练 习,已知谐振功率放大器的EC=24V, IC0=250mA,输出功率P1=5W，电压利用系数=1, 试求P0 、IC1、RL 、和。,1) 求P0,2) 求Ic1,3) 求RL,课 堂 练 习,查余弦脉冲分解系数表得：,已知谐振功率放大器的EC=24V, IC0=250mA,输出功率P1=5W，电压利用系数=1, 试求P0 、IC1、RL 、和。,4) 求,5) 求,课 堂 练 习,（二） 高频功率放大器的工作状态*,动态特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶体管集电极电流ic与电极电压(ube或uce)的关系曲线。,高频功放的动态特性,高频功放的动态特性,输出特性的特点: （1）iC与uCE的关系用uBE作参变量； （2）在截止区， iC =0； （3）在放大区， iC与uBE成线性关 系而与uCE基本无关； （4）在饱和区，iC与uCE成线性关 系而与uBE基本无关；,高频功放的动态特性,高频功放的动态特性,ube = Eb+ Ub uce = Ec Uc,A点: t=0,（最大）,（最小）,高频功放的动态特性,Q点: t=/2, ube = Eb uce = Ec,B点: QA与横轴的交点,高频功放的动态特性,C点: t=, ic = 0 uce = Ec+Uc,高频功放的动态特性,AB C: 动态特性曲线,高频功放的工作状态,观察UC由小到大变化时，动特性曲线的变化。,欠压状态 过压状态 临界状态（P1最大）,欠压,过压,临界,高频功放的工作状态,欠压状态下，UC增加时iCmax基本不变，即IC0、IC1基本不变， P1 UC IC1/2随UC增加，而P0 EC IC0 基本不变，故效率随UC而增加；,临界状态下P1达到最大，高频功放通常工作在此状态。,过压状态下IC0、IC1都小于欠压状态时的值；,欠压,过压,临界,高频功放的工作状态,UCEmin UCES ：欠压状态 UCEminUCES ：临界状态 UCEmin UCES ：过压状态,判定工作状态的方法：,（三） 高频功率放大器的外部特性*,高频功放的外部特性是指放大器的性能（高频功放电流、 电压、 功率及效率）随外部参数变化的规律。,高频功放的外部特性,外部参数主要包括负载电阻RL、激励电压Ub、偏置电压Eb 和Ec等，因此高频功放的外部特性包括负载特性、放大特性及调制特性等。,高频功放的负载特性,负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率随之变化的特性。,高频功放的负载特性,欠压状态可当作交流恒流源,过压状态可当作交流恒压源,负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率随之变化的特性。,从图中可见：,高频功放的负载特性,P0曲线与Ico曲线形状相同； P1曲线为Uc曲线与Ic1曲线相乘； Pc曲线为P0曲线与P1曲线相减。,负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率随之变化的特性。,P0、P1、PC的画法：,请说明各曲线的物理意义！,P0、P1、PC的曲线略。,高频功放的放大（振幅）特性,高频功放的放大（振幅）特性是指只改变激励信号振幅Ub时, 放大器电流、 电压、 功率及效率的变化特性。,基极调制特性,基极调制应工作在欠压区,高频功放的调制特性,高频功放中，可以用改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅，从而实现振幅调制的目的。,高频功放的调制特性,高频功放中，可以用改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅，从而实现振幅调制的目的。,集电极调制特性,集电极调制应工作在过压区,集电极调制特性,放大特性,请思考一下两者的区别！,3.5 高频功放的实际线路*,第三章 高频谐振放大器,（一） 直流馈电电路*,直流馈电电路,直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路，应保证： 集电极和基极回路能使放大器正常工作，集电极电流的直流、基波及谐波分量有各自正常的通路； 高频信号不要流过直流源，以减小不必要的高频功率的损耗。,馈电电路的组成原则,对直流分量,对基波分量,对谐波分量,集电极馈电电路,晶体管、负载回路和直流电源组成串联联接形式， 称为串联馈电。,：高频扼流圈,对直流短路,对交流开路,作用：阻挡高频信号流过直流电源,Lb,集电极馈电电路,晶体管、负载回路和直流电源组成并联联接形式，称为并联馈电。,基极馈电电路,基极的反向偏压供给方式分为外加偏置和自给偏置。,外加偏置的串联馈电 外加偏置的并联馈电形式,基极馈电电路,基极的反向偏压供给方式分为外加偏置和自给偏置。,利用输入信号电压产生的基极电流的直流分量 在电阻 上的压降产生自给负偏压。,利用发射极电流的直流分量 在 上的压降产生自给负偏压。,基极馈电电路,基极的反向偏压供给方式分为外加偏置和自给偏置。,自给偏压能随激励信号的大小而变化，即自动维持放大器工作的稳定性。,（二） 输出匹配网络*,输出匹配网络,为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率, 输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求, 在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。,输出匹配网络,输出匹配网络应具有的几个特点： 阻抗匹配 滤波功能； 调谐方便。,常用输出线路的类型：（1）LC匹配网络；（2）耦合回路。,输出匹配网络,输出匹配网络应具有的几个特点： 阻抗匹配 滤波功能； 调谐方便。,常用输出线路的类型：（1）LC匹配网络；（2）耦合回路。,高频功放的实际线路举例,(a) 50 MHz谐振功放电路,(b) 175 MHz谐振功放电路,高频功放的实际线路举例,310 什么叫高频功率放大器？它的功用是什么？应对它提出哪些主要要求？为什么高频功放一般在B类、C类状态下工作？为什么通常采用谐振回路作负载？,答 高频功率放大器是一种能将直流电源的能量转换为高频信号能量的放大电路，其主要功能是放大高频信号功率。 对高频功放的基本要求是有选频作用、输出功率大、自身损耗小、效率高。 为了提高效率，一般选择在B或C类下工作。 C类功放的集电极电流是一个余弦尖顶脉冲，因此必须用谐振电路做负载，且谐振在基波频率上，才能选出所需频率的正弦高频信号。,课 堂 练 习,311 高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的？各有什么特点？当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时，高频功放的工作状态如何变化？,课 堂 练 习,当晶体管工作在线性区时的工作状态叫欠压状态，此时集电极电流随激励而改变，电压利用率相对较低。 如果激励不变，则集电极电流基本不变，通过改变负载电阻可以改变输出电压的大小，输出功率随之改变；该状态下输出功率和效率都比较低。,311 高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的？各有什么特点？当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时，高频功放的工作状态如何变化？,课 堂 练 习,当晶体管工作在饱和区时的工作状态叫过压状态，此时集电极电流脉冲出现平顶凹陷，输出电压基本不发生变化，电压利用率较高。 过压和欠压状态分界点，即晶体管临界饱和时，叫临界状态。此时的输出功率和效率都比较高。,311 高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的？各有什么特点？当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时，高频功放的工作状态如何变化？,课 堂 练 习,当只改变RL时，随着RL的增大，从欠压状态逐步变化到过压状态。,311 高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的？各有什么特点？当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时，高频功放的工作状态如何变化？,课 堂 练 习,当只改变EC时，随着EC的增大，从过压状态逐步变化到欠压状态。,311 高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的？各有什么特点？当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时，高频功放的工作状态