第三章 高频谐振放大器

1、3.1 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器 3.2 低噪声小信号放大器的设计低噪声小信号放大器的设计 3.3 高频功率放大器的原理与特性高频功率放大器的原理与特性 3.4 高频功放的高频效应高频功放的高频效应 3.5 高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路 3.6 功率放大器线性化技术功率放大器线性化技术 3.7 高效功放、功率合成与射频模块放大器高效功放、功率合成与射频模块放大器 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 2 功用：功用：放大高频小

2、信号，以便作进一步的变换和处理。所谓“小信 号”，主要是强调输入信号电平较低，放大器工作在它的线性范围。 分类：分类： 按频带宽度分为窄带放大器（各种选频电路做负载，如并联谐振 回路）和宽带放大器（无选频作用的负载电路，如高频变压器）。 按有源器件可以分为以分立元件为主的高频放大器和以集成电路 为主的集中选频放大器。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 3 射频前端（射频前端（RF Front-end）电路：输入回路、）电路：输入回路、高频放大器高频放大器、本

3、地、本地 振荡器、混频器、振荡器、混频器、中频放大器中频放大器。 高频放大器和中频放大器是小信号放大器。高频放大器和中频放大器是小信号放大器。 具有低通传输特性的负反馈控制系统具有低通传输特性的负反馈控制系统自动增益控制（自动增益控制（AGC）。）。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 4 例：窄带放大器例：窄带放大器 负载是谐振回路或者负载是谐振回路或者声表面波声表面波滤波器等。滤波器等。 s V s R 0C CC V LR C eReC 0C 1bR 2

4、bR M 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 5 工作频率高。工作频率高。目前广泛使用的目前广泛使用的GSM数字移动通信系统的手机中，为数字移动通信系统的手机中，为 900MHz和和1800MHz（ 1900MHz ）。 增益要高。增益要高。80100dB。 频率选择性好。频率选择性好。放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的两个放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的两个 重要参数。重要参数。 工作稳定可靠。工作稳定可靠。这要求放大器的性能应尽可能地不受温度

5、、这要求放大器的性能应尽可能地不受温度、 电源电电源电 压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。 噪声系数小。噪声系数小。放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力就越强。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 6 直流偏置电路与低频放大器的电路相同。直流偏置电路与低频放大器的电路相同。 电容电容Cb、 Ce对高频旁路，其电容值较低放中较小。对高频旁路，其电容值较低放中较小。 抽头谐振回路作为放大器负载，完成阻抗匹配和选频滤

6、波抽头谐振回路作为放大器负载，完成阻抗匹配和选频滤波 功能。功能。 放大器工作在放大器工作在A(甲甲)类状态。类状态。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 7 3.1.2 放大器性能分析放大器性能分析 晶体三极管混晶体三极管混等效电路等效电路 混混等效电路反映了晶体管中的物理过程。等效电路反映了晶体管中的物理过程。 直接用混直接用混等效电路分析放大器性能时很不方便，常采用等效电路分析放大器性能时很不方便，常采用Y参参 数等效电路。数等效电路。 cbeb CCC

7、C , 1. 晶体管的高频等效电路晶体管的高频等效电路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 8 晶体三极管晶体三极管Y参数等效电路参数等效电路 .: : : : r f o 向向传传输输导导纳纳输输入入端端交交流流短短路路时时的的反反 向向传传输输导导纳纳；输输出出端端交交流流短短路路时时的的正正 出出导导纳纳；输输入入端端交交流流短短路路时时的的输输 入入导导纳纳；输输出出端端交交流流短短路路时时的的输输 e e e ie Y Y Y Y Y参数通常可以用仪

8、器测出。参数通常可以用仪器测出。 晶体管的手册或数据单上也会给出这些参数量。晶体管的手册或数据单上也会给出这些参数量。 crebieb UYUYI coebfec UYUYI 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 9 Y参数与混参数与混参数之间的关系参数之间的关系 的条件下：的条件下：及满足及满足忽略忽略 CCr eb bb re bb m fe bb mbb oe bb ie rCj Cj Y rCj g Y rCj grCj CjY rCj Cj Y 1 1

9、 1 1 Y参数不仅与静态参数不仅与静态 工作点的电压、电流工作点的电压、电流 值有关，而且与工作值有关，而且与工作 频率有关，是频率的频率有关，是频率的 复函数。复函数。 当放大器工作在当放大器工作在窄窄 带带时，时，Y参数变化不参数变化不 大，可以大，可以将将Y参数看参数看 作常数。作常数。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 10 例例1：单管单调谐放大器：单管单调谐放大器 4 5 1 2 3 Rb1 Rb2 Re yL Cb Ce C Tr1 Tr2

10、T L VCC 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 11 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 12 3 2 1 5 4 Tr1 Tr2 C L yL T 输入回路输入回路 输出回路输出回路 晶体管晶体管 3 2 1 5 4 yie yoe yrevceyfevbe C yL L + v54 - + u31 - + v21 -

11、画出交流小信号等效电路，画出交流小信号等效电路， 负载和回路之间采用了负载和回路之间采用了 变压器耦合，变压器耦合，接入系数接入系数 N N p 1 31 54 2 v v 晶体管集、射回路与振晶体管集、射回路与振 荡回路之间采用抽头接入，荡回路之间采用抽头接入， 接入系数接入系数 212 1 31 v v N p N 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 13 3 2 1 5 4 yie yoe yrevceyfevbe C yL L + v54 - + v3

12、1 - + v21 - 出于分析的方便，假定晶体管不存在内反馈，即出于分析的方便，假定晶体管不存在内反馈，即yre=0。 oe1oe1oe jCgy ie2ie2L jCgY 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 15 3 2 1 5 4 yie yoe yrevceyfevbe C yL L

13、 + v54 - + v31 - + v21 - 把晶体管集电极回路和负载把晶体管集电极回路和负载 折合到振荡回路两端折合到振荡回路两端 yfeubeyoe YL YL yfeube yoe + u54 - + u31 - p1yfevbe + v31 - 其其 中中 ： ie2 2 2oe1 2 1 2ie 2 2oe1 2 1p CpCpCC gpgpgg 2ie2ieL 1oe1oeoe j j Cgy Cgy LC谐振回路本身损耗谐振回路本身损耗 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高

14、 频频 电电 子子 线线 路路 16 be 312 i o v v v v v p A 31254 vvvp o L Cg yp j 1 j v befe1 31 v p1yfevbe + v31 - 3 2 1 5 4 yie yoe yrevceyfevbe C yL L + v54 - + v31 - + v21 - 其其 中中 ： ie2ie2L oe1oe1oe j j Cgy Cgy ie2 2 2oe1 2 1 2ie 2 2oe1 2 1p CpCpCC gpgpgg 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线

15、路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 17 p1yfevbe + v31 - 其其 中中 ： ) 2 1 ( 1 2121 0 L fef j j j f f Qg ypp L Cg ypp A e v be 312 i o v v v v v p A ie2ie2L oe1oe1oe j j Cgy Cgy ie2 2 2oe1 2 1 2ie 2 2oe1 2 1p CpCpCC gpgpgg L Cg yp j 1 j befe1 31 v v 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟

16、电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 18 p1yfevbe + v31 - ) 2 1 ( 1 2121 0 L fefe j j j f f Qg ypp L Cg ypp A v 谐振时：谐振时： 2ie 2 2oe1 2 1p fe21fe21 0 gpgpg ypp g ypp A v gp befe vyp 1 oe1 gp 2 1 2 2 2ie gp + v31 - 输出回路传输匹配，则可得最大功率增益。输出回路传输匹配，则可得最大功率增益。 匹配：匹配：ie2 2 2p1oe 2 1 gpggp 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路

17、 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 19 2. 放大器的性能参数放大器的性能参数 coebfec crebieb UYUYI UYUYI 参数方程得到：由晶体管的Y 图3-1高频小信号放大器的高频等效电路 cLc IY U 图3-1高频小信号放大器的高频等效电路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 20 由以上方程，可得出高频小信号放大器的主要性能指标： （1）电压放大倍数 （2）输入导纳

18、（3）输出导纳 （4）通频带与矩形系数 Loe fe b c V YY Y U U K Loe fere ie b b i YY YY Y U I Y ieS fere oe 0I c c o YY YY Y U I Y S L o 0.707 Q f B 95. 9K 1 . 0r 反向传输导纳引起反向传输导纳引起 的输入导纳的输入导纳 反向传输导纳引起反向传输导纳引起 的输出导纳的输出导纳 单调谐回路单调谐回路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 1. 1

19、. 放大器的输入导纳放大器的输入导纳 refe iie oeL y y Yy yY 3.1.3 高频谐振放大器的稳定性高频谐振放大器的稳定性 稳定性分析：稳定性分析：由于晶体管集基间电容由于晶体管集基间电容 (混混网络中网络中)的反馈，的反馈， 也就是通过也就是通过Y参数等效电路中反向传输导纳参数等效电路中反向传输导纳 的反馈，使放的反馈，使放 大器存在着工作不稳定的问题。大器存在着工作不稳定的问题。 cb C re Y 记反向传输导纳引入的输入导纳为：记反向传输导纳引入的输入导纳为： Loe fere ir YY YY Y 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路

20、模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 如果放大电路输入端也接有谐振回路如果放大电路输入端也接有谐振回路( (或前级放大器的或前级放大器的 输出谐振回路输出谐振回路) )，那么输入导纳，那么输入导纳Y Yi i并联在放大器输入端回路后并联在放大器输入端回路后 ( (假定耦合方式是假定耦合方式是全部接入全部接入) )， 2. 2. 自激振荡的产生自激振荡的产生 ( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) ) refe iieieir oeL y y YyyY yY ie1ie1ie jCgy irFF jYgb ir Y 模

21、拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 所谓所谓“自激振荡自激振荡”，就能量关系而言，是指：回路中储，就能量关系而言，是指：回路中储 存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加 电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振 荡。荡。 此时，如果此时，如果g= gs+ gie + gF 0，即整个回路的能量消耗为，即整个回路的能量消耗为 零，回路中储

22、存的能量恒定，在零，回路中储存的能量恒定，在 电感与电容之间相互转换，回路电感与电容之间相互转换，回路 中的等幅振荡得以维持，而不需中的等幅振荡得以维持，而不需 外加激励。外加激励。 ir Y 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 如果反馈电导为负值，那么如果反馈电导为负值，那么g g = = g gs s+ +g gie1 ie1+ +g gF F= 0 = 0 可能存在，即发生自可能存在，即发生自 激振荡现象。激振荡现象。 3.3.自激产生的原因自激产生的原

23、因( (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例) ) fere irFF oe j L y y Ygb yY 若若g= gs+ gie + gF 0，回路中的等，回路中的等 幅振荡得以维持，而不需外加激励。幅振荡得以维持，而不需外加激励。 电导为正，负反馈；时： 0 电导为负，正反馈。时： 0 引起自激引起自激 存在存在 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 放大器的频率特性放大器的频率特性 25 fere irFF oe j L y y Ygb yY ir

24、Y g= gs+ gie + gF 0 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 26 提高放大器稳定性的方法提高放大器稳定性的方法 1.从晶体管本身考虑：减小反向传输导纳 ， 也就是选择 小的管子； 2.从电路上考虑：消除晶体管的反向作用，使它 单项化，具体方法有中和法和失配法。 cb C re Y 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线

25、路路 27 中和法 20 cb0 10 n0 Lj Cj 1 Lj Cj 1 11 nb cb c 22 LN CCC LN 结论： 固定的中和电容只能在某一个频率点上起到完全的中和作用，对 其他频率只能有部分中和作用； 考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响，则中和电路的 效果是很有限的。 原理：在晶体管的输出端与输入端引入一个附加的外部反馈电路来 抵消晶体管内部参数的反馈作用。电桥平衡则 为零，消除了 对 的反馈作用。 中和电容中和电容 电桥等效电路电桥等效电路 b v b v L v L C 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模

26、 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 28 失配法 原理：增大负载导纳，进而增大总回路导纳，使输出电路失配，输 出电压相应减小，对输入端的影响也就减小。可见，失配法是用牺 牲增益来换取电路的稳定。 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，相当于增大共发电路的负载导纳而使之失配，从而使共发晶 体管内部反馈减弱，稳定性大大提高。 共发电路在负载导纳很大的情况下，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，互相补偿，电压增益和电流增益均较大。 共发-共基级联电路 模 拟 电 子

27、 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 29 外部反馈引起的不稳定性 放大器外部的寄生反馈均是以电磁耦合的方式出现，电 磁干扰的耦合途径主要有： 1.电容性耦合； 2.电感性耦合； 3.公共电阻耦合； 4.辐射耦合。 接地是控制干扰的重要方法 1.就近多点接地； 2.接地线尽量加粗。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 30 噪声系数低； 功率

28、增益高； 动态范围大； 带宽大； 工作稳定。 对接收机前端的小信号放大器的基本要求： 低噪声放大器设计与一般小信号放大器设计的区别： 一般小信号放大器为了获得高的功率增益，其每一级 都是按照功率匹配原则进行设计； 低噪声放大器为了获得小的噪声系数，其第一级进行 最佳噪声匹配，后级进行功率匹配。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 31 低噪声放大器设计要点： 选择低噪声半导体器件； 确定低噪声工作点； 选择合适的电路形式； 满足信号源阻抗与放大器 的噪声匹配。

29、 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 32 3.2.1 半导体器件及其工作点选择 器件选择的原则见下图。 工作点选择的原则 1）第一级的工作点应根据最小噪声系数的要求来选取； 2）第二级的工作点应从最佳增益的条件来考虑，同时应 兼顾噪声； 3）各级放大器工作点的选取还应考虑到晶体管放大器的 工作稳定性。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子

30、 线线 路路 33 3.2.2 放大器噪声匹配网络的设计 功率匹配是指信号源阻抗与负载阻抗匹配，以使放大器获 得最大的功率输出； 噪声匹配是指信号源阻抗与最佳源阻抗匹配，以使放大器 获得最佳的噪声性能。 由图可见，满足噪声匹配的信号源内阻随着工作点、工作 频率的变化而变化，且该内阻不等于功率匹配时的内阻。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 34 噪声匹配网络牺牲了增益，同时获得了最小噪声系数。 适合于源电 阻很小 适合于微弱 信号 适合于微弱 信号 适合于源

31、电 阻很小 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 35 3.2.3 电容、电感选择 电感：高Q值电感； 电容：电容器质量常用损耗角衡量，小电容常用云母和 瓷介电容器，大电容常用钽电解电容。 p CR 1 arctan 3.2.4 其他 印制板应具有损耗小、易于加工、性质稳定的特点，材料 的物理和电器性能均匀（介电常数、厚度）。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路

32、高高 频频 电电 子子 线线 路路 36 功能：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。 本质：在输入高频信号控制下，将电源直流功率转换为高 频功率。 输出功率范围：小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电 广播电台的几十千瓦， 甚至兆瓦级。 分类：C、D、E、F、G、H类（低频功放一般工作在A、 B、AB类）。 与低频功放的区别：高频功放工作频率高、相对频带窄， 低频功放工作频率低、相对频带宽。 要求：输出功率大、效率高。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高

33、高 频频 电电 子子 线线 路路 37 图 3-12 晶体管高频功率放大器的原理线路 采用负偏置：减小无用功耗，提高效率； 采用变压器耦合：阻抗匹配，减小负载电阻R对谐振回 路的影响； 采用电感部分接入：减小晶体管输出电阻对谐振回路的 影响。 BB U CC U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 38 在晶体管负偏置，输入信号为大信号的条件下：晶体管在 输入信号的正半周的部分时间内导通，在输入信号的其他 时间内截止；基级电流和集电极电流为高频脉冲信号；集 电

34、极电流流过具有选频作用的并联谐振回路后，产生了与 输入信号同频的集电极电压信号。 BB U CC U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 cos thBB im VU V U BB C i BE v O th V cos IBBim vtUVt 尖顶余弦脉冲 ( (流流) )通角通角： 有电流出现时所对应相角的一半。有电流出现时所对应相角的一半。 1 电流、电流、 电压波形电压波形 晶体管转 移特性的 折线近似 通角取决于通角取决于 三个电压三个电压 模 拟

35、电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 cos thBB im VU V coscos tgVti im cos1 imm gVI ( )cos BBimth i tg UVtV ( )cos 0 BBimth i tg UVV B V i v im VO th V cos IBBim vtUVt g 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路

36、41 tnItItIIi cncccC cos2coscos 210 0max max0 1max max1 max 2 max 1sincos ( ) 21 cos 1sincos ( ) cos 1 cos 12sincos2 sincos ( ) cos 1 1 cos 1 cC C cC C cnC Cn Ii t d tI I Ii tt d tI I nnn Ii tn t d tI nn In 集电极电流：集电极电流： 式中： 次谐波分解系数。称为余弦脉冲的nn maxC I 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子

37、 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 42 输出电压的产生： tRIuu Lcco cos 1 tUUuUu cCCoCCCE cos 负载选频负载选频 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 43 C类高频功放的电流、电压波形 tRIuu Lcco cos 1 tUUuUu cCCoCCCE cos CC U BB U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模

38、 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 44 2 高频功放的能量关系高频功放的能量关系 输出功率：输出功率： L c Lccc R U RIUIP 2 2 111 2 1 2 1 2 1 2 00 0 1 2 cCCcCC Pi Ud tI U 10 PPP c 直流输入功率：直流输入功率： 集电极损耗功率：集电极损耗功率： 集电极效率：集电极效率： 2 1 2 1 0 1 0 1 CC c c c U U I I P P 称为波形系数 0 1 0 1 c c I I式中：式中： 数称为集电极电压利用系 CC c U U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电

39、 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 45 图 3-15 、0()、1()、2()、3()与的关系 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 46 讨论： 1. 效率上限效率上限 %100,75. 1 %;5 .78,75. 190 %;50, 1180 o o 类： 类： 类： C B A 2. 输出功率与集电极损耗功率的关系输出功率与集电极损耗功率的关系 1/1 1 c P P 当损

40、耗功率一定时，效率越高，输出功率越大当损耗功率一定时，效率越高，输出功率越大 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 47 提高电压利用系数提高电压利用系数 2 1 2 1 0 1 0 1 CC c c c U U I I P P 提高 提高提高RL的值的值 减小减小 值，效率变高，但是输出功率减小。为保持输出功率不变，需值，效率变高，但是输出功率减小。为保持输出功率不变，需 增大激励信号，势必增加前级负担。一般来说增大激励信号，势必增加前级负担。一般来说 按如下

41、取值：按如下取值： 7060 %8865 CC c U U 提高 Lcc RIU 1 提高 0 1 提高 2 1 2 1 0 1 0 1 CC c c c U U I I P P 提高 减小 提高波形系数提高波形系数 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 48 1. 高频功放的动特性 动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，它在ic uce或icube坐标系统中是一条曲线。 2. 高频功放的工作状态

42、 欠压状态 临界状态 过压状态 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 1. 高频功放高频功放 的动特性的动特性 ;C. 4点得到取t 点；得到取Q2/. 2t 点；得到取A0. 1t 点；，交横轴于、连接BQA. 3 三点即为动态线。、连接CBA. 5 CC U BB U th U BEBBb CECCc uUu uUu c i 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路

43、 高高 频频 电电 子子 线线 路路 50 高频功放的工作状态 CE u C i O P maxBE U C i t O Q 1 A 2 A 3 A 5 A 4 A 增加的方向 L R 欠压 状态 临界 状态 过压 状态 CC U BBBE Uu CES CE U U 1min CES CE U U 2min CES CE U U 3min ，称为欠压状态；较小，使得较小，使得 CEScCCCEcL UUUUUR 1min ) 1 ( ，称为临界状态；增大，使得增大，使得 CEScCCCEcL UUUUUR 2min )2( ，称为过压状态。继续增大，使得继续增大，使得 CEScCCCEcL

44、UUUUUR 3min )3( 表示。载电阻，一般用称为临界电阻或最佳负负载电阻临界状态对应的集电极 LcrL RR 此状态。最大，功放一般工作在出功率临界状态下晶体管的输 1 P 如下图。对集电极电流的影响，到由以上的分析，可以得 L R 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 51 此处的RP即为RL 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子

45、线线 路路 52 是余弦信号。选频作用，输出电压还余弦脉冲，由于负载的输出电流为中间凹陷的 压状态下，出电压为余弦信号；过功放的工作频率，故输由于输入信号频率等于 电流为余弦脉冲，时，临界状态下，输出输入为解：V102sin5 . 25 . 0 7t uBE 其他 的输出电流波形。其中时的临界和过压状态下 及分别为试画出 ）所示，（，晶体管输出特性如图为一谐振功放的工作频率例 0 2 2 2 1 tK V 2 1025 . 25 . 0V102sin5 . 25 . 0 MHz101-3 77 ntn tKutuu a BEBEBE 号。但输出电压还是余弦信 方波脉冲，输出电流为中间凹陷的弦信

46、号；过压状态下，压降，故输出电压为余 的信号在负载上产生只有由于负载的选频作用，输出电流为方波脉冲， 号，临界状态下，时，输入的是一方波信输入为 MHz10 V 2 1025 . 25 . 0 7 tKuBE 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 53 例3-1图 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 54 1.负载特性 2.振幅

47、特性 3.调制特性 基极调制特性 集电极调制特性 4.调谐特性 高频功放的外部特性是指放大器的性能随放大器的外部参 数变化的规律，外部参数主要包括放大器的负载RL、激励 电压Ub、偏置电压UBB和UCC 。 BEBBb CECCc uUu uUu 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 55 负载特性是指只改变负载电阻RL，高频功放电流、电 压、功率及效率变化的特性。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟

48、 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 56 增大 L R 基本不变 10,cc ii 不变为余弦脉冲，大小基本 C i 成正比增大随 Lc RU 在欠压状态也较小，高频功放工作较小时，在 cL UR) 1 ( 界状态时，高频功放工作在临增大到 LcrL RR)2( LcrL RR 与欠压状态基本相同 10,cc ii 压状态基本相同为余弦脉冲，大小与欠 C i 大于欠压状态的值 c U 压状态时，高频功放工作在过大于 LcrL RR)3( LcrL RR 迅速下降 10,cc ii 为顶部凹陷的余弦脉冲 C i 缓慢增大 c U 电流、电压随负载而变化 R

49、L变化对集电极余弦脉冲的影响 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 57 功率、效率随负载而变化 的变化规律相同。与直流输入功率 000 ) 1 ( cCCc IUIP 1 )2(P输出功率 增加而减小。随过压状态下， L L c R R U P 2 2 1 时达到最大值；至临界增加而增加与随欠压状态下， LcrL Lc RR RI P, 2 2 1 1 2 )3( 集电极效率 成近似线性关系；与成近似线性关系，则与基本不变，欠压状态下， LL CC c c c

50、 RR U U I I 0 1 增加而稍有增加；也随增加而稍有增加，则随基本不变，过压状态下， LL CC c c c RR U U I I 0 1 也有所下降。下降，则数波形强烈畸变，波形系态，很大时，到达强过压状当 cL iR 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 58图 3-20 高频功放的负载特性 输出功率 最大，效 率较高 交流恒 压源 交流恒 流源 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电

51、子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 59 tUUu bBBbe cos 高频功放的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。在放大 某些振幅变化的高频信号时，必须了解它的振幅特性。 bBBBE UUu max 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 60 bBBBE UUu max 的增加而增加随 bBE Uu max 的增加而增加随和，且集电极电流为余弦脉冲 maxmaxBEC uI 在欠压

52、状态下： 的增加而增加随和 bcc UII 10 在过压状态下： bBBBE UUu max 的增加而增加随 bBE Uu max 的增加而增加随和的余弦脉冲，且集电极电流为顶部凹陷 maxmaxBEC uI 的增加而略有增加随和 bcc UII 10 相同。的变化规律与不变，因此另外，由于 1ccL IUR 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 61 图 3-21 高频功放的振幅特性 放大等幅信号 放大振幅变 化的信号 b U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电

53、 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 62 在高频功放中，有时希望用改变它的某一电极直流电压来 改变高频信号的振幅，从而实现振幅调制的目的。高频功 放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。 1) 基极调制特性 基极调制特性是指仅改变UBB时，放大器电流、电压、 功率及效率的变化特性。由于基极回路的电压uBE= UBB +Ub cost, UBB和Ub决定了放大器的uBEmax，因此，改 变UBB的情况与改变Ub的情况类似，不同的是UBB可能为 负。下图给出了高频功放的基极调制特性。 模

54、拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 63 BB U BB U BB U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 64 2) 集电极调制特性 集电极调制特性是指仅改变UCC，放大器电流、电压、功率 及效率的变化特性。在UBB、 Ub及RL不变时，动特性曲线将 随UCC的变化左右平移，当 UCC由大到小变化时，功放的工作 状态由欠压工作状

55、态到临界，再进入到过压状态，集电极电 流ic从一完整的余弦脉冲变化到凹顶脉冲。因此，放大器的集 电极调制特性曲线可如下图所示。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 65 cc U cc U cc U 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 66 要实现振幅调制，就必须使高频信号振幅Uc与直流电压 (UBB或UCC)成线性关系(或近

56、似线性)，因此在基极调制特性中， 则应选择在欠压状态工作; 在集电极调制特性中，应选择在过 压状态工作。在直流电压UBB(或UCC)上叠加一个较小的信号(调 制信号)，并使放大器工作在选定的工作状态，则输出信号的 振幅将会随调制信号的规律变化，从而完成振幅调制，使功放 和调制一次完成，通常称为高电平调制。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 67 4 高频功放的调谐特性高频功放的调谐特性 在前面所说的高频功放的各种特性时，都认为其负 载回路处于谐振状态，因而呈

57、现为一电阻RL，但在实际 使用时需要进行调谐，这是通过改变回路元件(一般是回 路电容)来实现的。功放的外部电流Ic0、Ic1和电压Uc等随 回路电容C的变化特性称为调谐特性，利用这种特性可以 指示放大器是否调谐。 当回路失谐时，不论是容性失谐还是感性失谐，阻 抗ZL的模值要减小，而且会出现一幅角，工作状态将发 生变化。设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐 后，由于阻抗ZL的模值减小，根据负载特性可知，功放 的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ic0和Ic1要增 大，而Uc将下降，如图3-24 所示。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线

58、路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 68 图 3-24 高频功放的调谐特性 可以利用Ic0或 Ic1最小，或者 利用Uc最大来 指示放大器的 调谐。通常因 Ic0变化明显， 又只用直流电 流表，故采用 Ic0指示调谐的 较多。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 69 应该指出，回路失谐时直流输入功率P0=Ic0UCC随Ic0的增加而 增加，而输出功率P1=UcIc1cos/2将主要因cos因子而下降， 因此失谐

59、后集电极功耗Pc将迅速增加。这表明高频功放必须经 常保持在谐振状态。调谐过程中失谐状态的时间要尽可能短， 调谐动作要迅速，以防止晶体管因过热而损坏，为防止调谐时 损坏晶体管，在调谐时可降低UCC或减小激励电压。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 70 3.4.1 少数载流子的渡越时间效应少数载流子的渡越时间效应 少数载流子在基区扩散而到达集电极需要一定的时间， 称此时间为载流子渡越时间。 晶体管低频工作时，渡 越时间远小于信号周期， 各级电流与外加电压一 一

60、对应。 高频工作时，渡越时间 可以与信号周期相比较， 各级电流并不取决于此 刻的外加电压。 在晶体管的中频区和高频区， 功率增益大约按每倍频程 6dB的规律下降。 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路 高高 频频 电电 子子 线线 路路 71 3.4.2 非线性电抗效应非线性电抗效应 功放管中的集电结电容是随集电结电压变化的非线性 势垒电容。此电容一方面可能引起功放自激，另一方 面会在输出端形成一个输出电容。 的集电结的静电容。为对应于 CCCEc UuC c CC2 0 3.4.3 发射极引线电