高频电子电路与仿真设计课件3

1、第3章 高频功率放大器o 【本章教学目标与要求本章教学目标与要求】o 掌握单调谐回路谐振放大器和多级单调谐回路谐振放大器的基本原理o 掌握高频功率放大器的基本工作原理及电路组成原理o 了解常用高频放大器的基本原理o 能够看懂和正确分析各种应用电路3.1 概述o 放大高频小信号（中心频率在几百千赫到几百兆赫）的放大器称为高频小信号放大器。o 根据工作频宽的宽窄不同，高频小信号放大器有宽带型和窄带型两大类。所谓频带的宽窄，指的是相对频带，即通频带与其中心频率的比值。宽带放大器的相对频带较带（往往在0.1以上），窄带放大器的相对频带较窄（往往小到 0.01）。o 高频小信号放大电路分为窄频带放大电路

2、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。o 高频小信号放大器广泛用于广播、电视、通信、测量仪器等设备中。高频小信号放大器可分为两类：一类是以谐振回路为负载的谐振放大器；另一类是以滤波器为负载的集中选频放大器。它们的主要功能都是从接收的众多电信号中，选出有用信号并加以放大，同时对无用信号、干扰信号、噪声信号进行抑制，以提高接收信号

3、的质量和抗干扰能力。o 高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出，其输出信号与输入信号的频谱相同。 3.2 高频小信号放大器3.2.1 基本原理o 高频小信号放大器是通信设备中常用的功能电路。所谓高频，是指放大的信号频率在数百千赫至数百兆赫。小信号是指输入信号小，可以认为放大器的晶体管是在线性范围内工作。1、高频小信号放大器的功能o 高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频小信号进行不失真放大，如常见的无线电接收机中高频和中频放大器。从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。o 2、小信号选频放大器的信

4、号环境特点o 3、高频小信号选频放大器的基本组成o 高频小信号选频放大器由“放大部分+选频部分”按“级联”方式构成。具体分为：先放大后选频，先选频后放大，以及选频、放大、再选频的三种基本模式。4、高频小信号放大器的分类o 按所使用的元器件分为晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器；o 按照所放大信号的频带宽窄可分为窄带放大器和宽带放大器；o 按照所用负载的性质可分为谐振放大器和非谐振放大器；o 按调谐回路可分为单调谐回路，双调谐回路和参差调谐回路放大器；o 按晶体管连接方法可分为共基极、共发射极和共集电极放大器。5、晶体管高频小信号等效电路o （1） y 参数等效电路o 设输入端有输入电

5、压 ，和输入电流 ，输出端有输出电压 和输出电流 。1U1I2U2I1121 11 2IyUyU2122 12 2IyUyU 其中o 输出短路时的输入导纳o 输入短路时的反向传输导纳211110/iUyyI U121210/rUyyI Uo 输出短路时的正向传输导纳o 输入短路时的输出导纳212120/fUyyI U122220/oUyyIU（2）混合 等效电路（3） 高频参数o 和截止频率 o 特征频率o 最高振荡频率 3.2.2 特性分析o 放大器的主要特性包含放大器的增益、电路的稳定性，以及电路自身产生的输出信号失真等；选频性能的技术指标包含通频带、选择性等1. 增益（放大倍数）o 电压

6、增益 ：o 功率增益 ：o 分贝表示 ：oViVAVoPiPAP20logoViVAV10logoPiPAP2. 通频带3. 选择性4. 工作稳定性 o 工作稳定性是指放大器的直流偏置、晶体管参数、电路元件参数等发生可能变化时，放大器主要性能的稳定程度。5. 噪声系数o 越接近 1 越好，在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。/()/()siniFsonoPPNPP输入信号噪比输出信号噪比FN3.2.3 单调谐谐振回路放大器 1 放大器的等效电路及其简化biciereIy Uy UcicfeoeIy Uy UccLIY U fecioeLyUU

7、yY ferebiieoeLiy yIYyyYUferecooeiescy yIYyyYU2 . 放大器的技术指标o （1）电压增益 uoiAUU C P1 g P2 a b L Is Ys Ui + Ib gie1 yreUc yqeUi yoe gie2 Uo + Uo + c Ic 单调谐放大器的简化等效电路aboUpU21pUUcabcoUppU12LoefeicYypypUUpp1212ioUOUUA其中222212111iepLLypLjCjGppYYLoefeLoefeLoefeYypypppYypypYypyp2121211212UOAo 令o 其中222ieieieoeoeo

8、eCjgyCjgyLjCpCpCjGpgpgpyppieoeieoefe1A22212222121UO）（LjCjgyppfe121222221gieieoeGpgpgpCpCpCCoe2221gyppAfeU210（2）谐振曲线 12000011111feuup p yAALjCLgj CLgLgj L0001uLAjQ000001111uuLLAffAjQjQff（3）放大器的通频带201121uuAA0.70.7021LfQf0.702LffQ（4）放大器的矩形系数o 根据矩形系数的定义0.10.10.722rfKf2011101uuAA0.199rK0.102100 1LfQf单调谐回

9、路放大器的矩形系数远大于 1 。也就是它的谐振曲线与矩形相差较远，选择性差。3.2.4 多级单调谐回路谐振放大器 o 1 电压增益 o 2 谐振曲线o 3 通频带o 4 矩形系数3.3 高频功率放大器o 高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大， 以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内 的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。o 高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率

10、放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。3.3.1基本原理o 1、谐振功放工作原理o 与非谐振功放比较，谐振功放工都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。o （1）在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波形。顺便指出，在某些特定情况下，为了满足对非线性失真的严格要求，也有采用甲类或乙类工作的谐振功放。o （2）为实现不失真

11、放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的已调波信号。o （3）与非谐振功放一样，在特定的偏置条件下，对应于特定大小的输入信号，功率管有一最佳负载，这时，谐振功放的输出功率最大，效率也较高。滤波匹配网络除了滤波作用外，还起到匹配作用2、 基本电路及特点高频功率放大器原理图3、工作原理o 谐振高频功率放大器的发射结在 的作用下处于负偏压状态，当无输入信号电压时，晶体管了处于截止状态，集电极电流 。o 当输人信号电压为 时 , 基极与发射极之间的电压 o ，由输入特性可得基极流 为脉冲形状。bbV0CI cosbbmUUtcosbebbbmUVUtbI0

12、123coscos2cos3.cosbbb mb mb mbnmIIItItItIn t0123coscos2cos3.cosccc mc mc mcnmIIItItItIn t3.3.2 电路组成o 1组成原理o 谐振功率放大器由直流馈电电路和滤波匹配网络组成，其电路组成原理与非谐振功率放大器相同，尚需强调下列几点。o （1）功率管的输出、输入回路都必须有直流电路o （2）直流通路不能影响匹配滤波网络的工作，匹配滤波网络亦不能影响直流通路的正常供电。2直流馈电电路o （1）集电极馈电电路（2）基极偏置电路3滤波匹配网络o 谐振功率放大电路的匹配滤波网络的作用是阻抗匹配和选频滤波。3.3.3

13、特性分析o 1、 准静态分析方法o 假设输入和输出滤波匹配网络具理想的滤波特性。所谓理想的概念是指能完全抑制无用的各种分量，只取出有用的基波分量。这样，尽管三极管的基极和集电极电流波形是非正弦的，但加在三极管输入和输出端的电压波形却是正弦的，即 是任意的波形RiCiBEBBbmCECCcmcoscosvVVtvVVto 2、 负载特性o 负载特性是指在晶体管及 、 一定时，改变回路谐振电阻 的值，对高频功率放大器的工作状态、电流、电压、功率和效率等功率性能影响的特性。bmVBBVCCVeR输出特性曲线由余弦脉冲波变为中间凹陷高度下降的脉冲波集电极电流波形不同 时集电极电流的波形 不同 时功率性

14、能的变化特性 o 3、调制特性和放大特性o 调制特性分集电极调制特性（当 、 、 不变时， 随 变化的特性）和基极调制特性（ 、 、 不变， 随 变化的特性）两种。o 放大特性与基极调制特性相仿BBVbmVeR、 CiCCVbmVeRCiCCVBBV集电极调制特性基极调制特性放大特性o 4、高频功放的动态特性 o 功率放大器通常是按晶体管集电极电流通角 不同划分为甲类、乙类和丙类放大器。谐振功率放大器的工作状态是指处于丙类或乙类放大时，在输入信号激励的一周内，是否进入品体管特性曲线的饱和区来划分。它分为欠压、临界和过压三种状态。用动态特性能较容易区分这三种工作状态。C功率放大器的动态特性3.3

15、.4 常用的高频功放器o 1、宽带高频功率放大器o （1）传输线变压器的工作原理o 传输线变压器是由绕在高导磁环上的传输线构成的，其中，传输线可以用同轴电费，也可以用双绞电线或带状线，它们都可看成两根等长的、相距很近的平行线，而且匝数很少，而磁环一般由镍锌铁氧体制成o 传输线变压器既具有传输特点，又具有变压器的特点，是二者的结合统一（a）结构图（b）等效电路（c）等效电路（d）等效电路图3.3.15 1：1传输变压器的结构示意图及等效电路o 传输线圈变压器确实具有极高的上限截止频率和极宽的工作频带。o 传输线变压器的功能：实现平衡和不平衡的转换和作为阻抗变换器o 当工作在低频段时, 由于信号波

16、长远大于传输线长度, 分布参数很小, 可以忽略, 故变压器方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量, 保证了传输线变压器的低频特性较好。o 当工作在高频段时,传输线方式起主要作用,在无耗匹配的情况下,上限频率将不受漏感、分布电容、高导磁率磁芯的限制。而在实际情况下,虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的,但上限频率仍可以达到很高。o （2）传输线变压器的应用o 极性变换 o 平衡和不平衡的互相变换 o 阻抗变换o o （3）宽带功率合成与分配网络o 利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,这样得到的总输出功率可以远远大于

17、单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。o 利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。IaIdAUdUdUaRcIcT1UbBIbIdDT2DRdUd功率放大器A功率放大器BI12CUd2功率合成原理电路2、丁类（D类）功率放大器o 高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率。甲、乙、丙类放大器就是沿着不断减小电流通角 的途径，来不断提高放大器效率的。c晶体管丁类放大器原理图3.4 小结o 1.高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频小信号进行不失真放大，如常见的无线电接收机中高频和中频放大器。从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。

18、o 2.高频小信号选频放大器由“放大部分+选频部分”按“级联”方式构成。具体分为：先放大后选频，先选频后放大，以及选频、放大、再选频的三种基本模式。常用的选频电路有：LC谐振回路、陶瓷滤波电路、声表面滤波电路等。o 3.晶体管在高频线性运用时，晶体管的内部参数将随工作频率而变化。因而必须讨论晶体管的高频等效电路。用的最多的是 y 参数等效电路和混合 等效电路。o 4.放大器的主要特性包含放大器的增益、电路的稳定性，以及电路自身产生的输出信号失真等；选频性能的技术指标包含通频带、选择性等。o 5.谐振高频功率放大器的特点是：1.为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由 来保证，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；2.负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。bbVo 6.谐振功率放大器由直流馈电电路和滤波匹配网络组成，其电路组成原理与非谐振功率放大器相同，但功率管的输出、输入回路都必须有直流电路：直流通路不能影响匹配滤波网络的工作，匹配滤波网络亦不能影响直流通路的正常供电。o 7.高频功放的外特性是指放大器的性能随放大器的外部参数变化的规律。主要包括：高频功放的负载特性(功放性能随负载的变化特性)、高频功放的振幅特性(