高频电子电路学习教案

1、会计学1高频电子电路高频电子电路第一页，编辑于星期三：八点 五十六分。 功率放大器一般分为功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类丁类与与戊类戊类放大器。放大器。表 3-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 c=180 50% 电阻 低频 乙类 c=90 78.5% 推挽，回路 低频，高频 甲乙类 90c180 50%78.5% 推挽 低频 丙类 c90 78.5% 选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100% 选频回路 高频 谐振功

2、率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路第1页/共26页第二页，编辑于星期三：八点 五十六分。谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处：激励信号幅度大小不同；不同之处：激励信号幅度大小不同； 放大器工作点不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形

3、图 ic Q ubet o o ic tw ic t o o ic twVBZ ube第2页/共26页第三页，编辑于星期三：八点 五十六分。共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。不同之处：工作频率与相对频宽不同；不同之处：工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；（后者一般是纯阻和变压器）放大器的负载不同；（后者一般是纯阻和变压器）放大器的工作状态不同。（后者一般是甲类，乙类和甲乙类）放大器的工作状态不同。（后者一般是甲类，乙类和甲乙类）功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。功率放大器实质上是一

4、个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。功率放大器的主要技术指标是功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率输出功率与效率高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处第3页/共26页第四页，编辑于星期三：八点 五十六分。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态，其工作状态通常选为丙类工作状态( c90 )，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。，为了不失真的放大

5、信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法小结小结第4页/共26页第五页，编辑于星期三：八点 五十六分。第5页/共26页第六页，编辑于星期三：八点 五十六分。第6页/共26页第七页，编辑于星期三：八点 五十六分。第7页/

6、共26页第八页，编辑于星期三：八点 五十六分。晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。由上图可见，根据理想化原理，在放大区由上图可见，根据理想化原理，在放大区,集电极电流只受基极电压的控制集电极电流只受基极电压的控制,与集电极电压无关与集电极电压无关; 在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。 理想化折线 （虚线） ic gc ube0 VBZ i

7、c 过压区 临界线 欠压区 ubeuce 0 (a) (b) gcr 第8页/共26页第九页，编辑于星期三：八点 五十六分。在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极电流是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极电流是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：1)欠压工作状态：欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方，集电极最大点电流在临界线的右方， 交流输出电压较低且变化较大。交流输出电压较低且变化较大。2)过压工作状态：过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区， 交流输出电压较高且变化不大。交

8、流输出电压较高且变化不大。3)临界工作状态：临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点，是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。集电极最大点电流正好落在临界线上。第9页/共26页第十页，编辑于星期三：八点 五十六分。功率放大器功率放大器 2功率放大器工作状态的功率放大器工作状态的分类分类 (1) 甲类（甲类（A类）工作状态类）工作状态 （a） 甲类功放的转移特性甲类功放的转移特性Q饱和区饱和区截止截止区区iCuBE功率管在输入信号的一周功率管在输入信号的一周期内都导通期内都导通晶体管导通角晶体管导通角1800 0t第10页/共26页第十一页，编辑于星期三：八点 五十六分。2

9、功率放大器工作状态的分类功率放大器工作状态的分类 (2) 乙类乙类(B类类) 工作状态工作状态 QiC饱和区饱和区截止区截止区uBE（b） 乙类功放的转移特性乙类功放的转移特性晶体管只在输入信号正半周工作在放大区晶体管只在输入信号正半周工作在放大区(导通导通) 晶体管导通角晶体管导通角900 0t第11页/共26页第十二页，编辑于星期三：八点 五十六分。(3) 甲乙类甲乙类(AB类类) 工作状态工作状态 晶体管在信号的大半周期间导通，导通角晶体管在信号的大半周期间导通，导通角180090900 0t（c） 甲乙类功放的转移特性甲乙类功放的转移特性Q饱和区饱和区截止区截止区iCuBE第12页/共

10、26页第十三页，编辑于星期三：八点 五十六分。(4)丙类丙类(C类类) 工作状态工作状态 Q饱和区饱和区截止区截止区iCuBE（d） 丙类功放的转移特性丙类功放的转移特性输出信号电流波形只有一个尖顶，导通角输出信号电流波形只有一个尖顶，导通角900 0t第13页/共26页第十四页，编辑于星期三：八点 五十六分。ECICEO uCE iCO转转移移特特性性曲曲线线输输出出特特性性曲曲线线 常常量量 CEuBEcufi 常常量量 BEuCEcufiBBU UBZ QQA 类类：o180Q位位 于于 放放 大大 区区B类类：o90BZBBUU C 类类：o90 ,BZBBUU 。 休息1休息2BEu

11、ci截止区截止区饱和区饱和区第14页/共26页第十五页，编辑于星期三：八点 五十六分。1 基基本本电电路路结结构构除除电电源源和和偏偏置置电电路路外外，主主要要由由三三个个部部分分组组成成：晶晶体体管管：输输入入激激励励电电路路：提提供供所所需需信信号号电电压压；输输出出谐谐振振回回路路：（1）滤滤波波选选频频，(2)阻阻抗抗匹匹配配。休息1休息2+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b) 等效电路等效电路+uc1-UBBCECL+uS-+ub-(a) 原理电路原理电路第15页/共26页第十六页，编辑于星期三：八点 五十六分。+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic常常数数

12、ceuBEccuiguBEic-UBBUBZubCCicCC(1) 集集电电极极电电流流ci 设设输输入入信信号号电电压压:tUubmbw wcos Ubm则则 加加 到到 晶晶 体体 管管 基基 极极 ,发发 射射 级级 的的有有效效电电压压为为 :tUUUuubmBBBBbBEw wcos 由由晶晶体体管管的的转转移移特特性性曲曲线线可可以以看看出出：当当BZBEUu ， BZBEccUugi 式式中中cg为为：gC折线的斜率折线的斜率有有 BZbmBBccUtUUgi w wcos +uBE _第16页/共26页第十七页，编辑于星期三：八点 五十六分。(1) 集集电电极极电电流流ci B

13、ZbmBBccUtUUgi w wcos0 cibmBZBBcUUU cosbmBZBBcUUU 1cos cbmccbmbmcBZBBbmcctUgUtUgUUtUgi w w w ww wcoscoscoscos)(cos 又又当当0t w w时时， cbmccUgI cos1max vBEic-UBB-UBZvbCCicCCVbmgCIcmaxccbmcIUg cos1max 代代 入入ci有有 ： 尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的数数学学表表达达式式cccmaxccos1coscos w w tIi+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _必须强调指出：必须强调指出：

14、集电极电流集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。第17页/共26页第十八页，编辑于星期三：八点 五十六分。ccmaxcccos1costcosii w w 若若对对ci分分解解为为付付里里叶叶级级数数为为： ntItItIIicw ww ww wcos2coscoscmncm1cm1co其其中中各各系系数数分分别别为为： ccoIItdiI w w 0cmaxcccccmaxc)cos1cossin)(21 cccccccmIIttdiIcc w ww w 1cmaxcmax1)

15、cos1cossin1()(cos21 cncccccccccmnInnnnittdniIcc w ww w cmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21 (2) coI，cm1I，cm2I，cmnI为为直直流流及及基基波波和和各各次次谐谐波波的的振振幅幅。 休息1休息2ictccic1ic2ic3IcoIcmax第18页/共26页第十九页，编辑于星期三：八点 五十六分。iC频谱频谱ci经经 LC 并并联联谐谐振振回回路路后后，此此回回路路对对基基波波产产生生谐谐振振，呈呈纯纯电电阻阻PRci（最最大大值值） ，而而对对其其它它谐谐波波失失谐谐阻阻抗抗很很低低，呈呈电电

16、容容性性。因因而而回回路路选选出出基基波波电电压压1cu，而而滤滤除除各各次次谐谐波波电电压压。 w ww w2w w3LC回回路阻路阻抗抗w wRp故故回回路路输输出出的的基基波波电电压压：tUtRIRiucmpcmpccw ww wcoscos111 而而晶晶体体管管集集电电极极的的输输出出电电压压：tUEucmCCEw wcos 0休息1休息2+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _仿真ictccic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic-UBBUBZubC UbmgCC 第19页/共26

17、页第二十页，编辑于星期三：八点 五十六分。(1) 集集电电极极电电源源提提供供的的直直流流功功率率：0CCDIEP (2) 集集 电电 极极 输输 出出 交交 流流 功功 率率 （ 负负 载载 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210 （注注意意PR为为回回路路谐谐振振阻阻抗抗）(3) 集电极耗散功率集电极耗散功率CP，oDCPPP (4) 集集电电极极能能量量转转换换效效率率c ： cCOCCmCmCooDocgIEIUPPPPP 112121 其其中中：CCmEU 为为集集电电极极电电压压利利用用系系数数； CO1Cmc1IIg )()(

18、01cc称称为为波波形形系系数数，是是导导通通角角c 的的函函数数，通通常常可可查查表表求求出出。讨讨论论：(1 )CPCmCCmERIEU1 ， cPR (2) COCmcIIg11 ，一一般般有有： cccg 1 (3)cccocoocPPPPP 1 co13g11.02.02如果如果Pc不超过规定值，提高不超过规定值，提高 c，则，则Po增加。谐振功放就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。增加。谐振功放就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。第20页/共26页第二十一页，编辑于星期三：八点 五十六分。谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理

19、是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。由前述所知：由前述所知： 有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率cPD=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量

20、守衡定理：PD= Po+ Pc 故集电极效率：故集电极效率：oocDocPPPPP第21页/共26页第二十二页，编辑于星期三：八点 五十六分。功功用用：输输出出信信号号的的频频率率是是输输入入信信号号频频率率的的整整数数倍倍。在在无无线线电电发发射射机机中中常常采采用用倍倍频频器器，其其目目的的是是降降低低振振荡荡器器频频率率，提提高高振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度。常常用用的的倍倍频频器器：丙丙类类倍倍频频器器：利利用用丙丙类类放放大大器器脉脉冲冲电电流流的的谐谐波波获获得得倍倍频频。参参量量倍倍频频器器：利利用用结结电电容容电电压压变变化化的的非非线线性性来来获获得得倍倍频频。休息2

21、休息1第22页/共26页第二十三页，编辑于星期三：八点 五十六分。1 丙丙类类倍倍频频器器的的电电路路结结构构晶晶体体管管倍倍频频器器与与高高频频功功放放的的线线路路基基本本相相同同，唯唯一一不不同同之之处处是是它它的的集集电电极极回回路路对对输输入入信信号号的的某某次次谐谐波波频频率率 nf 调调谐谐。 (1) 丙丙类类倍倍频频器器工工作作原原理理分分析析已知丙类放大器集电极电流已知丙类放大器集电极电流ci为尖顶余弦脉冲，即：为尖顶余弦脉冲，即： tncosIt2cosItcosIIiCn2C1CCOcw ww ww w如如果果集集电电极极回回路路不不是是调调谐谐于于基基波波，而而是是调调谐

22、谐于于 n 次次谐谐波波那那么么回回路路对对基基波波和和其其它它谐谐波波的的阻阻抗抗很很小小，而而对对 n 次次谐谐波波的的阻阻抗抗则则达达到到最最大大值值，且且呈呈电电阻阻性性。于于是是回回路路的的输输出出电电压压和和功功率率就就是是 n 次次谐谐波波，故故起起到到了了倍倍频频作作用用。仿真仿真休息2休息1第23页/共26页第二十四页，编辑于星期三：八点 五十六分。工工作作于于二二次次谐谐波波倍倍频频器器的的电电流流和和电电压压关关系系如如下下图图所所示示：其其中中：tUEuCCcew w2cos2 , 而而 PCCRIU22 PR为为 LC 回回 路路 谐谐 振振 在在 2时时的的并并联联谐谐 振振 电电 阻阻。iC+uce- Ec +-uc2+iciC1iC2