教学用《高频电子线路》模块开发

1、 正弦波振荡器2 正弦波振荡器的介绍2 振荡器和放大器的区别2 正弦波振荡器的构成2 正弦波振荡器的工作原理2 三点式振荡器3 正弦波振荡器实际设计6 高频小信号放大器7 高频小信号放大器的简述7 高频小信号放大器的主要性能指标8 高频小信号选频放大器的稳定性能9 高频小信号放大器的实际设计10 高频功率放大器11 功率放大器的定义11 功率放大器与电压放大器的区别12 功率放大器的分类12 功率放大器的主要性能指标12 功放管的保护和散热问题12 甲乙类互补对称功率放大器13 丙类谐振功率放大器的概述14 丙类谐振功率放大器的特点14 谐振功率放大器与小信号谐振放大器的区别14 丙类谐振功率

2、放大器的主要性能指标15 丙类谐振功率放大器的电路原理图15 实际设计电路16 振幅调制18 调制的概念18 调制的方式18 振幅调制的定义和分类18 普通调幅波（AM）的性质18 普通调幅波的功率关系19 普通调幅波的特点19 低电平调制电路-模拟乘法器调幅电路20 普通调幅波解调21 检波的概念：21 检波电路的分类21 包络检波22三极管包络检波器中的主要性能指标22 三极管包络检波器中的几种失真22 实际设计电路231 模块设计及原理1.1 正弦波振荡器1.1.1 正弦波振荡器的介绍正弦波振荡器就是能量转换的装置但是它无需外加激励信号，它是直接将直流电源提供的能量转换成按特定频率变化的

3、交流信号能量的电路。1.1.2 振荡器和放大器的区别从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变成按照输入信号有规律变化的交变能量的电路，振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路。1.1.3 正弦波振荡器的构成要保证正弦波振荡器正常工作，必须要包括以下四个部分：（1）、放大器：至少有一个有放大作用的有源器件。（2）、正反馈通路和负阻：必须选用一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路和负阻器件，以保证有稳定的振荡。（3）、频率决定元件或回路：振荡器必须有频率决定元件或回路，如电阻、电容、电感和晶体管，以及他们构成的选频回路

4、、相移网络或者延时网络。（4）、电源：为振荡器提供能量。1.1.4 正弦波振荡器的工作原理正弦波振荡器要产生稳定的正弦波振荡，电路必须满足一下三个条件：（1）、振荡器的起振条件：首先，是让正弦波振荡器自己起振又叫做自激振荡。正弦波起振条件是：式中，T(j)表示环路增益，振幅起振条件UfUi或T(j)1，相位起振条件T=2n n=0,1,2,3。（2）、振荡器的平衡条件：其次，是保证振荡器回路中的能量的补充刚好抵消能量的消耗，达到回路平衡。振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去，而是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平衡条件。在接通电源后，依据放大器大振幅的非线性抑

5、制作用，回路增益T(j)必具有随振荡器电压振幅Ui增大而下降的特性。振幅平衡条件UfUi或T(j)1相位平衡条件T=2n n=0,1,2,3（3）、振荡器的稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态在平衡点附近回路增益T(j)应具有随Ui增大而减小的特性，即振幅稳定条件为外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2n。相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复T=2n所应具有的条件即1.1.5 三点式振荡器（1）三点式振荡器的基本组成三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一

6、种振荡器如下图：设回路谐振时有电流I在流动，则有（jX1+jX2+jX3)=0 即：X1+X2+X3=0根据得三点式的一般组成原则：X1与X2电抗性质相同，X3与X1（或X2）电抗性质相反。（2）三点式振荡器的分类：A、与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路,称为电容三点式电路,也称为考毕兹电路。如下图：由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件,只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致,所以只要能起振,必定满足平衡和稳定条件。振荡角频率为本电路的反馈系数：的取值一般为。为了使电容三点式电路易于起振,应选择跨导m

7、较大的晶体管,其负载L和回路谐振电阻e0也要大, 而接入系数要合理选择。如果选用截止频率T大于振荡频率五倍以上的晶体管作放大器,负载L不要太小（k以上）,接入系数取值合适,一般都能满足起振条件。电容三点式振荡器的优点是：反馈电压取自2,而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量很小,因而输出波形好,接近于正弦波。缺点是：反馈系数因与回路电容有关,如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率,必将改变反馈系数,从而影响起振。B、与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路,称为电感三点式电路,也称为哈特莱电路。如下图：本电路反馈系数F=n=电感三点式振荡器的优点

8、是便于用改变电容的方法来调整振荡频率,而不会影响反馈系数，缺点是反馈电压取自2,而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量较多,输出波形较差。两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联,影响回路的等效电抗元件参数,从而影响振荡频率。由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化,所以三点式电路的频率稳定度不高,一般在-3量级。C、改进型电容三点式振荡电路C1、串联改进型电容三点式振荡器克拉泼电路如下图：克拉泼电路的功能主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性，使振荡频率的稳定度得以提高。克拉泼电路的优点：振荡频率和

9、反馈系数互不影响。缺点：调节C3改变频率时影响振幅。C2、并联改进型电容三点式振荡器西勒电路西勒电路是在串联型电容三点式振荡电路的电感L旁并接了一个电容C而构成的。而C3为远小于 C1C2的固定电容。如果使3固定, 通过变化4来改变振荡频率, 则RL在振荡频率变化时基本保持不变, 从而使输出振幅稳定。西勒电路的优点：频率稳定度高，振荡频率高，覆盖宽，振幅平稳，输出波形好。1.1.6 正弦波振荡器实际设计（1）、实际电路图如下：电路中一定要保证晶体三极管处于放大状态，让信号不失真的放大。放大电路采用基极分压式射极偏置电路，这个电路有稳定静态工作点（发射极电阻）和保证增益不会下降（跟发射极电阻Re

10、并联电容）的特点。（2）、电路参数确定：A1、三极管放大部分：A2、LC振荡部分：为了使反馈系数F=1/21/8，C1=1000p，C2=100p，C3=300p，C4=20p可调，电感L=2.2uh，电源供电电压为12V。此振荡电路频率稳定度高，输出波形好，频率可调。1.2 高频小信号放大器1.2.1 高频小信号放大器的简述高频小信号放大器的特点：放大高频小信号(中心频率在几百kHz到几百MHz，频谱宽度在几kHz到几十MHz的范围内)的放大器。高频小信号放大器的基本组成是：由“放大部分+选频滤波部分”按“级联”方式构成。放大部分的核心元器件是增益元器件，如三极管、场效应管、集成运放或专用集

11、成放大器等。选频部分的必要元器件是电感、电容等动态元件。高频小信号放大电路分为窄频带放大电路和宽频带放大电路两大类。前者对中心频率在几百千赫到几百兆赫,频谱宽度在几千赫到几十兆赫内的微弱信号进行不失真的放大,故不但需要有一定的电压增益,而且需要有选频能力。后者对几兆赫至几百兆赫较宽频带内的微弱信号进行不失真的放大,故要求放大电路的下限截止频率很低(有些要求到零频即直流),上限截止频率很高。窄频带放大电路由双极型晶体管(以下简称晶体管)、场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益, LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。它主要有两种类型：以分立元件为主的谐振放

12、大器和以集成电路为主的集中选频放大器。宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好, 而且在电路结构上采取了一些改进措施。1.2.2 高频小信号放大器的主要性能指标A、增益增益定义为放大器的输出信号电量与输入信号电量的比值，用A加下标来表示。（1） 电压放大倍数：或者（2）功率放大倍数：或者B、通频带通频带定义为放大器的增益比最大增益下降3dB时的上限截止频率fH 与下限截止频率fL之差，用BW0.7 = fH - fL 表示。通频带决定于回路负载Q值，且随级数的增加带宽越来越窄如下图：C、选择性选择性表示放大器对通频带以外的各种干

13、扰信号及其噪声的滤除能力，或者从各种干扰中选出有用信号的能力。放大电路的选择性主要由选频回路来决定。衡量选择性的指标是矩形系数Kr。矩形系数Kr：表示与理想滤波特性的接近程度。如图：D、工作稳定性放大器的工作稳定性是指放大器的工作状态，晶体管参数，电路元件参数等发生可能变化时，其主要质量指标的稳定程度，放大器的不稳定现象表现为增益的变化，中心频率的偏移，通频带变窄，谐振曲线变形等，其极限状态是放大器产生自激。E、噪声系数噪声系数是用来反映电路本身噪声大小的技术指标。其定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。噪声系数越接近于1，说明放大器的抗噪能力越强，输出信号的质量越好1.2.3 高频

14、小信号选频放大器的稳定性能A、放大器不稳定的原因：在放大器回路中，由于电路中存在正向传输导纳yre，且不为零，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流的变化，从而可能使放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大，且在相位上满足正反馈条件，则会出现自激振荡现象。B、提高放大器稳定性的方法：（1）选择高频性能好的三极管。通常Cb¢c (即Cm)越小越好。（2）中和法。在晶体管外部接一个中和电容CN来抵消内部反馈有害的影响。（3）失配法。是一种通过适当降低放大器的增益，提高放大器的稳定性的方法。失配法通过增大负载电导Yl进而增大总回路电导，使输出电路严重失配，失配法以牺牲增益来换取电路的稳定。实

15、际电路的设计中，运用了失配法，采用共射共基级联电路就是一种典型的失配法的应用电路，如图：共射-共基级联放大器的稳定性比一般共射放大器的稳定性高的多，共射极在负载导纳很多的情况下，虽然电压增益很小，但是电流增益却很大，而共基极虽然电流增益接近1，但电压增益却较大，因此级联后功率增益较大，而且噪声系数小，由于共发射极的输入阻抗高，可以保证输入端有较大的电压传输系数，这对于提高信噪比有利，而且共射-共基极电路稳定，可以允许有较高的功率增益，有利于抑制后面的噪声。也为后面展宽放大器的通频带做 好了准备。1.2.4 高频小信号放大器的实际设计A、展宽放大器通频带的方法：单级调谐型放大器的通频带不够宽，为

16、了展宽放大器的通频带，获得较好的效果，由于实际电路设计中，使用了组合电路法来展宽通频带，典型电路即共射-共基组合电路，在这个电路中，上限截止频率由共射级电路的上限截止频率决定，运用共基极电路输入阻抗小的特点，把它作为共射电路的负载，使共射电路输出总电阻Rl大大减小，使回路的密勒电容Cm大大 减小，高频性能有所改善，从而有效的扩展了共射电路亦即整个组合电路的上限截止频率，由于共射电路负载小，所以电压增益减小，但是这可以对电压增益较大的共基级电路进行补偿。B、实际电路图：该电路负载采用部分接入的并联谐振回路，此回路有两个作用：一是选频滤波，二是实现阻抗匹配或变换。C、测试数据：中心频率F=5.81

17、Mhz，实际测得的中心频率为4.90Mhz。（1）、当输入Vi=20mv，Vo=780mvA=Vo/Vi=39.0 （2）、（3）、A=Vo/Vi=35.6 共射共基谐振放大器静态工作点可调。根据实际情况，调整静态工作点使输出电压达到最大不失真，电路稳定，波形较好，失真小。1.3 高频功率放大器1.3.1 功率放大器的定义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。1.3.2 功率放大器与电压放大器的区别电压放大器的主要要求是使其输出端得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出功率不一定大。功率放大器主要

18、要求获得一定的不失真的输出功率。1.3.3 功率放大器的分类功率放大器通常是根据功放管工作点选择的不同来进行分类的。（1）、凡是功率管在一个周期内导通的称为甲类；（2）、仅在半个周期内导通的称为乙类；（3）、介于甲类和乙类之间，即大于半个周期小于一个周期内导通的称为甲乙类；（4）、小于半个周期内导通的称为丙类。如图：甲类功放 乙类功放 甲乙类功放 丙类功放如果保持输出功率相同，四种功放电路的效率关系如下：甲类（最高50%）<乙类（最高50%78%）<甲乙类（最高78%）<丙类（最高85%90%）1.3.4 功率放大器的主要性能指标（1）输出功率Po输出电压有效值与输出电流有效

19、值的乘积定义为输出功率Po。其中Vom和Iom分别为输出电压和电流的峰值。（2）效率放大电路的效率定义为放大电路输出给负载的交流功率Po与直流电源提供的功率PV 之比，即：（3）管耗PT损耗在功放管上的功率称为功放管的损耗，简称管耗，用PT表示。1.3.5 功放管的保护和散热问题（1）、为了输出较大功率的信号功率，器件承受的电压要高，通过的电流要大，功放管损坏的可能性也就比较大。所以功放管的保护成为一个不可忽视的问题（2）、在功放电路中，有相当大的功率消耗在功放管的集电极上，使结温和管壳的温度升高，所以功放管的散热也成为了一个不可忽视的问题。（3）、输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的

20、非线性失真就越严重，如何减小非线性失真是功放电路的一个重要问题。1.3.6 甲乙类互补对称功率放大器为了提高效率，可将放大电路做成推挽式电路，并将功放管的工作状态设置为甲乙类，以减小交越失真。（1）、实际设计的电路原理图如下：在该电路的设计中，三极管8050为推动级，8050的集电极电路中接有两个二极管D1和D2，利用8050的集电极电流在D1、D2的正向压降给两个功放管2N3904和2N3906提供基极偏置，从而克服交越失真。因为NPN型三极管2N3904和PNP型三极管2N3906两管电路对称，两管静态电流相等，负载上无静态电流，输出电压Uo=0。当有交流信号输入时，D1和D2的交流电阻很

21、小，可视为短路，从而保证了2N3904和2N3906两管基极输入信号幅度基本相等。由于二极管正向压降具有负温度系数，所以这种偏置电路具有温度稳定作用，可以自动稳定输出级功放管的静态电流。该电路采用单电源供电。（2）、测试数据A、当Vi=2v时，Vo=5.92v，中心频率F=1Mhz直流电源提供的功率Pu效率=Po/Pu=78.1%B、当Vi=3v时，Vo=5.98v，中心频率F=4Mhz直流电源提供的功率Pu效率=Po/Pu=79.6%甲乙类功率放大电路设计方便，输出效率高，能较好的克服信号波形的交越失真。同时兼有甲类功率放大器和乙类功率放大器的特点。1.3.7 丙类谐振功率放大器的概述高频功

22、率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。它研究的主要问题是如何获得高效率以及大功率输出。在实际的电路设计中采用的是丙类谐振功率放大器。1.3.8 丙类谐振功率放大器的特点（1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。（2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。（3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压（- ），使电路工作在丙类状态。（4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。1.3.9 谐振功率放大器与小信号谐振放大器的区别A、相同之处：它

23、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。B、不同之处：为激励信号幅度大小不同，放大器工作点不同，晶体管动态范围不同。1.3.10 丙类谐振功率放大器的主要性能指标（1）、输出功率PO（2）、效率:（3）、功率增益:Ap（4）、非线性失真1.3.11 丙类谐振功率放大器的电路原理图（1）、电路图如下：LC谐振回路：为放大器的负载。谐振回路的谐振频率为信号的中心频率。LC谐振回路的作用是滤波和阻抗匹配。VBB:基极直流偏置电压，作用是保证三极管工作在丙类状态。VBB的值应小于放大管的导通电压Uon；通常取VBB0。VCC：集电极直流电压，作用是给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。

24、（2）、丙类谐振功率放大器的三种工作状态欠压状态：当谐振负载Re较小，输出电压的最大值Ucm也较小时，在高频一个周期内各动态工作点都处在晶体管特性曲线的放大区，此时集电极电流波形为尖顶余弦脉冲，且脉冲幅度较高。临界状态：当谐振负载Re较大，输出电压的最大值Ucm也较大时，在高频一个周期内各动态工作点都处在晶体管特性曲线的临界饱和线，此时集电极电流波形为尖顶余弦脉冲，但脉冲幅度比欠压时略低。过压状态：当谐振负载Re很大，输出电压的最大值Ucm也很大时，在高频一个周期内各动态工作点都处在晶体管特性曲线的饱和区，此时集电极电流波形为凹顶脉冲，且脉冲幅度较低。（3）、丙类谐振功率放大器的特性A负载特性

25、：所谓的负载特性就是指当Ec、Eb、Ubm一定时，放大器的电流电压、功率和效率等随Re变化的特性。B集电极调制特性：所谓的集电极调制特性就是指当Re、Eb、Ubm一定时，放大器的电流、电压、功率及效率等随集电极电压Ec变化的特性。C基极调制特性：所谓的基极调制特性就是指当Re、Ec、Ubm一定时，放大器的电流、电压、功率及效率等基极电压Eb变化的特性。D放大特性：所谓的放大特性就是指当Re、Ec、Eb一定时，放大器的电流、电压、功率及效率等基极电压Ubm变化的特性。（4）、丙类谐振功率放大器的滤波匹配网络为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，需要设计输入和输出匹配网络。输出滤波

26、匹配网络：把放大器的输入阻抗变换成前级信号源所需的负载阻抗，以使电路能从前级信号源中获得最大的激励功率。将外接负载RL变换为谐振功放所要求的负载电压RP，以保证放大器输出所需的功率。输入滤波匹配网络：具有滤波和阻抗变换能力，可以滤除各次谐波，使负载上只有基波电压。1.3.12 实际设计电路（1）、电路图如下：该电路采用2种功率放大电路相结合的方式，前级是甲类功率放大电路，负载采用的是部分接入式并联谐振回路，后级丙类谐振功率放大电路的集电极馈电线路采用的是并馈接法，保证了集电极电流ic中的直流分量Ic0只流过集电极直流电源VCC，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管，而且还保证谐振回路两端仅

27、有基波分量压降，以便把变换后的交流功率传送给回路负载。基极馈电线路采用的是串馈接法，保证了基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源，而且还保证了基极电流中的基波分量ib1只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。该电路前级电路与后级电路之间采用电容耦合的方式接入，后级输出匹配网络采用的是L型回路，如：（2）、实际测试数据A、中心频率F=8.8Mhz，上限截止频率Fh=9.4Mhz，下限截止频率Fl=8.5Mhz，带宽B=Fh-Fl=0.9Mhz。B、中心频率F=8.8Mhz，上限截止频率Fh=10Mhz，下限截止频率Fl=8.4Mhz，带宽B=Fh-Fl=1.6M

28、hz。效率该电路输出功率大，效率较高，波形失真较小，因此高频丙类功率放大器通常用于各种无线发送设备中。1.4 振幅调制1.4.1 调制的概念调制:携带信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数,该信号按照电信号的规律而变化的一种处理方式.1.4.2 调制的方式调幅：用调制信号去控制高频载波的幅度。调频：用调制信号 去控制高频载波的频率。调相：用调制信号 去控制高频载波的相位。1.4.3 振幅调制的定义和分类振幅调制：凡是能实现将调制信号频谱搬移到载波一侧或两侧的过程，称为振幅调制。振幅调制分为低电平调制和高电平调制，其中低电平调制电路是先在低功率电平级进行振幅调制，然后再经过高频功率放大器放大到

29、所需要的发射功率。方法有平方率调幅和斩波调幅。高电平调幅是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波。它的优点是整机效率高。方法有集电极调幅和基极调幅。1.4.4 普通调幅波（AM）的性质载波信号：，调制信号：AM波的波形如下图：（1）、普通调幅波的数学表示式为:其中调制度，当ma1时，已调波振幅的包络形状与调制信号一样不失真调幅，当ma1时，包络形状会产生严重失真，必须尽力避免。（2）、普通调幅波的频谱单频调制的AM波的频谱：单频调制的AM波的频带宽度：B=2F1.4.5 普通调幅波的功率关系将普通调幅波电压加在电阻R两端，电阻R上消耗的各频率分量对应的功率可表示为：（1）、载波功率：（2）、每

30、一边频功率：（3）、调制一周内的平均总功率：1.4.6 普通调幅波的特点（1）、普通调幅波中载波分量占有的功率较大，而含有信息的上、下边频分量占有的功率较小。（2）、从能量观点看，普通调幅波进行传送，不含信息的载波功率过大，是一种很大的浪费。这是普通调幅波本身固有的。1.4.7 低电平调制电路-模拟乘法器调幅电路（1）、模拟乘法器是完成两个模拟信号（电压或电流）相乘作用的电子器件。在实际的电路设计中采用了集成调幅芯片MC1496P进行振幅调制（2）、实际设计电路如下：A、低频信号源：该电路采用了文氏电桥正弦波发生器，该电路能够产生1.5khz的正弦信号，该信号用作调制信号，输出电压可调。B、MC1496调制电路：MC1496的调试非常困难，芯片的1，4脚接可调电位器，故三个可调电位器一起调，当载波频率为1MHZ时，幅度为2V时，调制信