《高频》教案03 高频谐振放大器

高频教案03 高频谐振放大器 第3章高频谐振放大器3.1高频小信号放大器（甲类）高频小信号放大器放大、选频（线性放大电路）例如从天线接收到的微弱信号，需要经过高频小信号放大器放大。 高频小信号放大器按频带宽度可以分为窄带放大器和宽带放大器。 对高频小信号放大器的主要要求是: (1)增益要高，也就是放大量要大。 (2)频率选择性要好。 选择性就是描述选择所需信号和抑制无用信号的能力，这是靠选频电路完成的。 (3)工作稳定可靠。 3.1.1高频小信号谐振放大器的工作原理电容C b、C e对高频旁路。 抽头谐振回路作为放大器负载，对信号频率谐振，即=0，完成阻抗匹配和选频滤波功能。 图3-1高频小信号谐振放大器(a)实际线路;(b)交流等效电路3.1.2放大器性能分析1晶体管的高频等效电路图3-2晶体三极管等效电路(a)混等效电路;(b)Y参数等效电路3-1&图（a）为两端口网络，表示晶体管输入和输出电压，为其对应电流。 以为自变量，为因变量，则描述它们之间的关系的线性方程为o iUU&，o iI I&和o iUU&，o iII&和o oi foo ri iiU yU yIU yU yI&+=+=（fforward rreturn）式中是Y参数，具有导纳量纲，故又称为四端网络的导纳参数。 其中o fr iy yyy、导纳输入交流短路时的输出传输导纳输入交流短路时的反向传输导纳输出交流短路时的正向导纳输出交流短路时的输入|0000=iiooUoooUoirUiofUiiiUIyUIyUIyUIy&o rUy&、是受控电流源,正向传输导纳越大,晶体管的放大能力越强；反向传输导纳越大,晶体管的内部反馈越强。 减小有利于放大器的稳定工作。 i fUy&fyryry晶体管的Y参数通常可以用仪器测出，有些晶体管的手册或数据单上也会给出这些参数量(一般是在指定的频率及电流条件下的值)。 2放大器的性能参数3-2图3-3图3-1高频小信号放大器的高频等效电路忽略管子内部的反馈，即令Y re=0，由图3-3可得 (1)电压放大倍数K (2)输入导纳Y i式中，第一项为晶体管的输入导纳，第二项是反向传输导纳Y re引入的输入导纳。 (3)输出导纳Y o式中，第一项为晶体管的输出导纳，第二项也与Y re有关。 (4)通频带B0.707式中，f0为谐振回路的谐振频率，)2/(10=LC f，L为回路电感，C为回路的总电容，包括回路本身的电容以及Y oe等效到回路中呈现的电容;Q L为有载品质因数，Q L=1/(0Lg)，g为回路的总电导，包括回路本身的损耗以及Y oe、R L等效到回路中的损耗。 3.1.3高频谐振放大器的稳定性提供稳定性的方法 一、从晶体管本身，减少Yre 二、中和法和失配法1.中和法在晶体管的输出端和输入端之间连接一个电容，通过一个反相耦合变压器，使得通过的外部电流和通过的内部反馈电流相位相差，从而能互相抵消。 NCc bCo1803-3应该注意的是，完全中和很难达到。 因晶体管的是随频率变化的。 c bC2.失配法失配是指信号源内阻不与晶体管的输入阻抗匹配，晶体管输出端的负载不与本级晶体管的输出阻抗匹配。 失配法的实质是降低放大器的电压增益，以满足稳定的要求。 可以选用合适的接入系p 1、p2或在谐振回路两端并联阻尼电阻来降低电压增益。 在实际运用中，较多采用共射共基级联放大器，其等效电路如图通过增加负载电导，来减少对输入端的反馈。 采用共射共基连接LY从图中可以看出，输入回路与晶体管采用部分接入，而输出回路与晶体管直接接入，这是由于共基晶体管输出电阻很大。 3.1.4多级谐振放大器1多级单调谐放大器多级单调谐放大器的谐振频率相同，均为信号的中心频率。 设各级谐振时的电压放大倍数为K 01、K 02、K0n，则放大器总的电压放大倍数2.多级双调谐放大器采用多级双调谐放大器可以改善放大器的频率选择性，设各级均采用同样的双回路，并选择临界耦合。 3参差调谐放大器多级参差调谐放大器，就是各级的调谐回路和调谐频率都彼此不同。 采用参差调谐放大器的目的是增加放大器总的带宽，同时又得到边沿较陡峭的频率特性。 3-4图3-8参差调谐放大器的频率特性(a)单、双回路特性;(b)总特性图3-9电视机高频放大器的简化电路3.1.5高频集成放大器高频集成放大器有两类:一种是非选频的高频集成放大器，主要用于某些不需要选频功能的设备中，通常以电阻或宽带高频变压器作负载;另一种是选频放大器，用于需要有选频功能的场合。 3.2高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。 低频功率放大器可以工作在A(甲)类状态，也可以工作在B(乙)类状态。 高频功率放大器多工作在C类状态。 为了进一步提高高频功率放大器的效率，近年来又出现了D类、E类和S类等开关型高频功率放大器;3-5高频功放和低频功放的共同点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。 低频功放的工作频率低，但相对频带很宽，工作频率一般在2020000Hz，高频端与低频端之差达1000倍。 所以，低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻、变压器等非调谐负载。 而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫兹到几百兆赫兹，甚至几万兆赫兹，但相对频带一般很窄，例如调幅广播电台的频带宽度为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1。 因此高频功放一般都采用选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。 3.2.1工作原理图3-12晶体管高频功率放大器的原理线路晶体管供电电源的直流能量交流能量。 1电流、电压波形丙类工作状态，集电极电流是一个周期性的尖顶脉冲，分解为傅里叶级数Ci t n I t I t It II imm cm cm cC Ccos.3cos2cos cos3210+=当输出回路的选频网络谐振于基波频率时，输出回路只对集电极电流中的基波分量呈现很大的谐振电阻，而对其它各次谐波分量呈现很小的电抗，并可看成短路。 因而输出电压可以看成只有基波，近似为余弦波形。 输入、输出电压表达式为t U V ut U V ucm CCCEbm BB BEcoscos?=+?=3-62.近似分析法（工程分析方法）（参考其他资料） （1）折线法根据理想化原理，晶体管的输入输出静态转移特性可用交横轴于的一条直线来表示(为截止偏压)。 onUonU图4.4采用折线的转移特性曲线 （2）余弦脉冲分解折线方程on BEonBEon BECUuU uUu Gi?=) (0)(BE Cuf i=其中，G为折线的斜率。 将t UV ubmBBBEcos+?=代入，可得()on bmBB CUt UV G i?+?=cos4.1由图4.4的B点，=t时，代入4.1得到0=Ci()on bmBBU UV G?+?=cos04.2bmBB onUVU+=aros4.14.2得)cos(cos?=t GUibm C4.3由图4.4的A点，0=t时，代入4.3得到max C Ci i=)cos1(max?=bm CGUi4.44.3除以4.4，得3-7cos1cos cosmax?=ti iCC4.5式4.5为集电极尖顶余弦脉冲的表达式。 将周期尖顶脉冲分解为傅里叶级数.cos.2cos cos210+=tnItItIIicmn cm cmcC由傅里叶级数的求系数法得)()(maxmax10max0C nC cmnCC cmCCCiIi IiI=)(=1其中)cos1)(1(sin coscos sin2)()cos1(sin cos)()cos1(cos sin)(210 n c nn nn?=?=?=所以只要知道电流脉冲的最大值和半导通角max Ci就可以计算直流分量、基波分量，以及各次谐波分量。 图4.5余弦脉冲分解系数谐波次数越高，振幅越小。 在谐振功率放大器中，只需要研究直流功率和基波功率。 当c120时，max1CcmiI达到最大值。 在与负载阻抗R p为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。 这样看来，取max Cic=120应该是最佳半导通角了。 但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。 思考如何改变半导通角？改变VBB。 1n02.01.00.50.40.30.20.10204060801001001c180120160231403-83.谐振功率放大器的功率和效率P DC=集电极直流电源供给的直流功率；P o=交流输出信号功率；P c=集电极耗散功率；以热能的形式消耗在集电极直流功率集电极直流电流分量与V的乘积0c CCDCI VP=输出功率等于集电极基波分量在有载谐振电阻上的功率pR p cmpcmcm cmoR IRUIU P2121212121=?=注输出谐振回路谐振在1次谐波。 放大器集电极效率等于交流输出功率与直流电源供给功率之比，即)(2121101 CCcmcmDCocgI VIUPP=?=CCcmVV=集电极电压利用系数011)(mcIIg=波形系数，导通角c的函数；c越小)(1cg越大极端情况c=0时，此时=1，c可达100%不同工作状态下放大器效率见书3.2.2高频谐振功率放大器的工作状态复习三极管的输出特性分为放大区、饱和区、截止区、击穿区注以下各个区是根据三极管的直流偏置划分的。 放大区发射结正偏，集电结反偏，V VCE3.0截止区条件。 近似0=EI0=BI3-9饱和区发射结集电结均正偏。 V VCE3.0 CEV/1.谐振功率放大器的动态特性工作状态由负载阻抗R p、激励电压u b、供电电压V CC、V BB等4个参量决定。 谐振功率放大器的交流负载线当V CC、V BB、U bm和负载谐振电阻R p确定后，在准线性条件下，变化时，谐振功率放大器工作点变化的轨迹。 CE BEuu和交流负载线反映基极电压、集电极电压和集电极电流之间的关系。 BEuCEuCi当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为t UV utUVucm CCCEbm BBBEcoscos?=+?=以电阻作为负载的功率放大器中，集电极电压和电流的波形是一样的。 在谐振功率放大器中，由于集电极负载采用谐振回路，造成了集电极电压和电流的波形截然不同，二者互为确定。 先假设上述几个参量保持不变，将t按等间隔给定不同的数值，则、便是确定的，如上图(a)。 BEuCEu接下来确定的关系CE Cui3-10消去tcos cmCECCbm BBBEUu VU Vu?+?=代入()on bmBB CUtUV G i?+?=cos，得?+?=oncmCE CCbmBB CUUuVU VG i直线方程)(CE Cuf i=令=V CC，得CEu()on BBCU VG i?=为图4.6中的Q点令0，得Cibmon BBcmCC CEUUVU Vu+?=为图4.6中的B点图4.6谐振功率放大器动态线说明BE Cui转移特性曲线；CE Cui输出特性曲线通过这两条曲线（转移函数）可以建立CE BEuu的关系。 动态路径OA?AB?BD(注0)Ci当 当某个值时，晶体管进入放大区AB，此时受、控制。 CEuCiCEuBEuCiCEuCiCEuBEu/动态负载电阻了解/根据?+?=oncmCE CCbmBB CUUuVUVGi)(CE Cuf i=3-11得到函数的斜率为bmcmCCEGUUiuk?=称)cos1()(11?=pbm Cp cmbmcmCR aUGR IGUUR为功率放大器的动态负载电阻其中1cmcmpIUR=上式修改为CEp cmbmoncmCCbmBB CuRIGUUUVU VGi?+?=1)(CE Cuf i=/动态负载电阻了解/2.谐振功率放大器的三种工作状态根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种图4.7三种工作状态欠压状态动态线AQ，工作点都处在晶体管放大区。 的脉冲高度最大，而的幅度最小。 CiCEu临界状态动态线BQ，除了B点外，其余工作点都处在晶体管放大区。 的脉冲高度略小，而的幅度较大。 CiCEu过压状态动态线CQ，工作点都处在晶体管饱和区。 的脉冲出现凹顶形状，而的幅度最大。 CiCEu3-12图4.8过压动态线说明的脉冲出现凹顶形状的原因，可由上图输出特性曲线进行解释。 （CiC CEi u）高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态，即如果满足uceminuces时，功放工作在欠压状态;如果ucemin=uces，功放工作在临界状态;如果ucemin 临界状态下，晶体管的输出功率P1最大，功放一般工作在此状态。 3.2.3高频功放的外部特性即、V CC、U bm、V BB变化对工作状态的影响（欠压、临界、过压工作状态的调整）pR (1)改变R p，但V CC、U bm、V BB不变（负载特性）当负载电阻R p由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。 图4.9Rp变化对的影响Ci3-13图4.10谐振功放的负载特性?=t di ICc210?=t tdi ICcmcos11上式表明，I c0与脉冲电流的面积成正比。 I cm1与t iCcos在管子导通期间的积分值成正比。 由于管子工作在丙类，管子导通期间，与Ci tcos均为正值，因此，对于上述接近余弦脉冲波来说，脉冲宽度越宽，高度越高，I c 0、I cm1就越大。 如果出现凹陷，则凹陷越深，I c 0、I cm1就越小。 注1.分别用直流表和交流表测I c 0、I cm1，调R p,使之达到临界状态。 2.图4.10根据图4.7做大致分析即可。 欠压工作状态I c 0、I cm1只是略有减小（见图4.7AB段，变化小），因此Cip cmcmR IU1=p cmoR IP2121=近似线性增大。 0C CCDI VP=略有减小D oCP P/=增大O D CP PP?=减小临界工作状态pcmoR IP2121=达到最大值（注I cm1只是略有减小，R p增大）0C CCDI VP=略有减小D oCP P/=较高O DCP PP?=较小应用发射机的末级因为在临界状态时，谐振功率放大器的输出功率最大；效率oPC也比较高；集电极耗散功率较小。 CP过压工作状态I c 0、I cm1迅速减小（见图4.7BCD段，变化大），而R p又增大，因此基本不变。 Cip cmcmR IU1=pcmoR IP2121=迅速较小（Q I cm1以二次方减小，而Rp仅以一次方增加）0C CCDI VP=减小D oCP P/=减小O DCP PP?=减小应用需要维持输出电压比较平稳的场合（中间级） (2)改变V CC，但R p、U bm、V BB不变集电极调制特性当集电极供电电压V CC由小至大变化时，动态线由左向右平移。 放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。 3-14图4.11V CC变化对工作状态的影响在过压区，脉冲的高度随V CC增大而增高，凹陷深度变浅，因而I c 0、I cm 1、U cm将随V CC增大而增大。 Ci在欠压区，脉冲的高度随V CC变化不大，因而Ic 0、I cm 1、U cm将随V CC增大而变化不大。 Ci图4.12V变化对工作状态的影响 (3)改变V BB，但R p、V CC、U bm不变基极调制特性当基极供电电压V BB由负变正增大时，据图4.6，管子的导通时间加长，而且也增大，结果使集电极电流脉冲的宽度和高度均增大，放大器由欠压区进入过压区。 【见图4.6（max BEuCCEiu）】3-15图4.13VBB变化对工作状态的影响 (4)改变U bm，但R p、V CC、V BB不变放大特性当U bm由小增大时，放大器由欠压区进入过压区。 图4.14Ubm变化对工作状态的影响总结1.基极调幅、集电极调幅2.以上讨论的结果可以用于指导我们调试谐振功率放大器。 3.4谐振功率放大器的管外电路组成直流馈电、滤波匹配网络3.4.1直流馈电电路（直流静态工作点）1.集电极馈电电路LC负载回路L高频扼流线圈，对直流可认为短路，对高频呈现很大的阻抗，可视为开路。 防止高频电流通过电源。 C高频旁路电容隔直电容CC、C对高频相当于短路。 分为串联馈电和并联馈电两种。 (1)串馈电路指直流电源V CC、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接。 A点为高频地电位，C、L的选取原则3-161pRC100501CL1)10050( (2)并馈电路指直流电源V CC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接。 C、L、的选取原则与串馈电路基本相同。 C图集电极馈电形式 (3)串并馈直流供电路的优缺点串馈电路V CC、L、C均处于高频低电位，分布电容不会影响回路。 缺点是回路处于直流高电位，电容动片就不能直接接地，安装调试不方便。 并馈电路信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。 对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠，安装调整方便；缺点是在并馈电路中，L对有旁路作用，1cIL处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；2.基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种。 基极偏置电压V BB可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源V CC分压供给。 图基极馈电形式3-173.自给偏置图自给偏置电路（a）基极自给偏置，利用基极电流中的直流成分在上产生反偏电压，使放大器工作于丙类。 C为高频旁路电容，使上仅有方向偏置直流电压。 0BIBRBRB BBBR IU0?=BRC1（b）零偏置，若忽略管子的导通电压（约0.3V）放大器工作于乙类。 （c）发射极自给偏置，利用发射极电流中的直流分量在发射极电阻上产生的电压（注该电压反向加在三极管的B-E结）。 0EIERe EBBR IU0?=ERCe ceR双端口网络应具有这样的几个特点: (1)以保证放大器工作在要求的状态,即起到“阻抗变换”作用; （2）抑制工作频率范围以外的频率,即有良好的“滤波”作用;2.匹配网络的分类大多数发射机为波段工作，匹配网络分为输入匹配网络（级间耦合网络）和输出匹配网络，几种常用的LC匹配网络如图4.18所示。 图几种常用的LC匹配网络3-18注LC元件功耗很小；窄带参考前面章节3.L型匹配网络的具体电路（a）L-I型（b）L-