高频电子线路(第二版)课件 第三章

第3章高频谐振放大器

3.1高频小信号放大器

3.2高频功率放大器的原理和特性

3.3高频功率放大器的高频效应3.4高频功率放大器的实际线路

3.5高频功放、功率合成与射频模块放大器13.1高频小信号放大器

一、概述

1、定义：高频小信号放大器的功能就是放大各种无线电设备中的高频小信号。此处的“小信号”是指输入信号的电平较低，放大器工作在它的线性范围。2、高频小信号放大器的分类：

(1)按放大器的频带宽度来分：窄带放大器和宽带放大器。

(2)按有源器件来分：分立元件高频小信号放大器和集成放大器。2

3、高频小信号放大器的主要要求

(1)高增益，即要求放大器的放大量要高。一般可达80～100dB；(2)频率选择性要好；

(3)工作稳定可靠。二、高频小信号谐振放大器的工作原理

图3-1(a)是一典型的高频小信号谐振放大器的实际线路。其中：Cb、Ce为高频旁路电容；Rb1、

Rb2、Re为偏置电阻。图3-1(b)为其交流等效电路，有抽头的谐振回路为放大器的负载，完成阻抗匹配和选频功能。放大器工作在甲(A)类状态。34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5二、放大器性能分析

1．晶体管的高频等效电路

要分析和说明高频调谐放大器的性能，首先必须考虑晶体管在高频时的等效电路。图3-2(a)是晶体管在高频运用时的混Π等效电路,它反映了晶体管中的物理过程,也是分析晶体管高频时的基本等效电路。图3-2晶体三极管等效电路混Π等效电路6

直接使用晶体管的混Π等效电路分析放大器的性能很不方便，通常在低频时采用h参数等效电路，而在高频时，一般采用Y参数等效电路。晶体管的Y参数等效电路如图3-2(b)所示。

图3-2晶体三极管等效电路Y参数等效电路7其中：

Yie————输出端交流短路时的输入导纳

Yoe————输入端交流短路时的输出导纳

Yfe————输出端交流短路时的正向传输导纳

Yre————输入端交流短路时的反向传输导纳8在忽略rb′e及满足Cπ»Cμ的条件下,Y参数与混Π参数之间的关系为：(3-1)(3-2)(3-3)

(3-4)9特别说明：

(1)Y参数不仅与晶体管的静态工作点有关，而且与工作频率有关，不过当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可近似看作常数；

(2)在以后如没有特别说明，高频小信号放大器都是工作在窄带，晶体管一律用Y参数等效。

由图3-2可以得到晶体管Y参数等效电路的Y参数方程为：(3-5a)(3-5b)10

2．放大器的性能参数根据图3-1可以画出其高频等效电路如图3-3所示。忽略管子内部的反馈,即令Yre=0,

由图3-3可得：(3-6a)图3-3图3-1高频小信号放大器的高频等效电路(3-6b)11(3)输出导纳Yo(3-9)利用式(3-6)和晶体管的Y参数方程(3-5)式，联立可求出放大器的相关参数。

(1)电压放大倍数K(2)输入导纳Yi

(3-7)(3-8)12四、高频谐振放大器的稳定性

1．放大器的稳定性

(1)稳定性的引入：前面分析了高频小信号放大器的性能，但由于晶体管内部存在集基间电容Cb’c的反馈，或者通过Y参数的反向传输导纳Yre的反馈，使放大器存在不稳定的问题。

(4)通频带B

0.707与矩形系数K

0.1

由于图3-1为一单调谐放大器，通频带B

0.707为：(3-10)其矩形系数B

0.1仍为9.95。13

(2)定性分析

下面分析由于反向传输导纳Yre的反馈引起的不稳定。假设：反向传输导纳Yre引入的输入导纳,记为Yir。忽略Rbb′的影响,则由式(3-3)、(3-4)有：考虑谐振频率ω0附近情况,有：其中Zp为有载时并联谐振回路阻抗,根据第二章(2-9)式，设回路有载谐振阻抗为R’L=1/G’L，有：(3-11a)(3-11b)(3-11c)(3-11d)14并将Yoe归入谐振回路负载中，则谐振回路总导纳为：由上述式(3-11a)~(3-11d)可得：故(3-11)15由上式可得：当回路谐振时，Yir为一电容（由反向传输导纳引入的输入导纳）；当ω>ω0时，Yir的电导为正，是负反馈。当ω<ω0

时，Yir的电导为负，是正反馈，将导致放大器不稳定。正反馈使放大倍数增大负反馈使放大倍数下降16

2.提高放大器稳定性的方法（1）中和法

图3-5(a)是利用中和电容Cn的中和电路。为了抵消Yre的反馈,从集电极回路取一与反相的电压,通过Cn反馈到输入端。根据电桥平衡有：则中和条件为

(3-12)17中和电容18图3-5中和电路(a)原理电路;(b)某收音机实际电路中和电容19图3-6共发—共基电路（2）失配法

失配法是通过增大放大器的负载导纳，使输出电路失配，以降低输出电压，从而减少对输入端的影响。因此失配法是用牺牲电路增益来换取电路的稳定。共发—共基电路是典型的失配法应用。20图3-7双栅场效应管调谐放大器

21（3）减少放大器的电磁耦合

前面讨论放大器的稳定性，是从放大器内部来看的，实际上还应考虑由于外部原因造成的不稳定，而电磁耦合是引起外部寄生反馈的主要因素，因此抑制和减少电磁耦合是提高放大器稳定性的重要途径。放大器中的电磁耦合途径主要有：

A、电容性耦合；

B、电感性耦合；

C、公共电阻耦合；

D、辐射耦合22五、多级谐振放大器

1．多级单调谐放大器假设多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率，且各级放大器的电压放大倍数分别为K01、K02、…K0n,则总的电压放大倍数为：(3-13)(3-14)(3-15)由第二章可知，单调谐放大器的归一化频率特性为：则有n的回路的多级单调谐放大器的归一化频率特性为：232.多级双调谐放大器

表3－2多级双调谐放大器的带宽和矩形系数(3-16)243.参差调谐放大器

参差调谐的概念：

图3-8是采用单调谐回路和双调谐回路组成的参差调谐放大器的频率特性。

图3-9示出了一彩色电视机高频头的调谐放大器的简化电路。2526图3-9电视机高频放大器的简化电路

27六、

高频集成放大器

1、高频集成放大器的分类

高频集成放大器分为以下两类:(1)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；

(2)另一种是选频放大器,用于需要有选频功能的场合,如接收机的中放就是它的典型应用。

通常为了满足高增益放大器的选频要求，集成选频放大器一般采用集中滤波器作为选频电路。28

2、高频集成放大器与集中滤波器的接法

(1)集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面在图3-10(a)中,集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面，这是一种常见接法。

该接法需注意的问题为：集成放大器与集中滤波器之间的阻抗匹配问题，这包括两重含义：其一是从放大器输出上看，阻抗匹配表示放大器有较大的功率增益；其二是从滤波器的输入端看，要求信号源的阻抗与滤波器的输入阻抗，方能得到预期得频率特性。

(2)集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面图3-10(b)是集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面的一种接法。29图3-10集中选频放大器组成框图30

图3-11示出了MiniCircuits公司生产的一集成放大器MRA8的应用电路，MRA8是硅单片放大器,其主要指标见表3-3。图3-11集成选频放大器应用举例

31323.2高频功率放大器的原理和特性

高频功率放大器的主要功能是放大高频信号,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。一、高频功率放大器概述

1、高频功放管的类型

电子管：主要用于输出功率在几百瓦以上的场合；高频大功率晶体管和场效应管：主要用于输出功率在几百瓦以下的场合。33

2、功率放大器工作状态

A(甲)类：其理想效率为50%；

B(乙)类：其理想效率为78.5%；

AB(甲乙)类：其理想效率为50%~78.5%；

C(丙)类：高频非线性功率放大器

E类：开关型高频功率放大器

S类：开关型高频功率放大器其中：A类、B类和AB类主要用于低频功率放大器，而C类、E类和S类一般只用于高频功率放大器。34

3、高频功率放大器的特点

我们知道低频功率放大器的工作频率低，相对频带宽度很大；如一般工作在20～20000Hz，高端频率与低端频率相差1000倍。

对于高频功率放大器：工作频率高，相对频带宽度很小；例如调幅广播的带宽为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1％。因此高频功率放大器为了达到对选择性（频带）的要求，一般采用调谐放大器。由于高频功放要求高频工作、高效率，因而工作在高频状态和大信号非线性状态是其主要特点。35二、工作原理

图3-12是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外,它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。其中：

晶体管：常采用NPN高频大功率晶体管，其特征频率fT高。

静态工作状态：一般在C类，即基极偏置为负值；

输入信号：输入信号为大信号，可达1～2V，甚至更大。

工作状态：晶体管工作在截止和导通(线性放大)两种状态，基极电流和集电极电流均为高频脉冲电流。

放大器的负载：用带抽头的LC并联谐振回路作负载，可以起到选频和阻抗变换两方面的作用。36图3-12晶体管高频功率放大器的原理线路37

1．电流、电压波形

设输入信号为

则由图3-12得基极回路电压为：(3-17)

周期性脉冲可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即：(3-18)式中38(3-19b)

(3-19a)

(3-19c)3940其中θ称为导通角，α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数,数值见附录。由图3-12可以看出，放大器的负载为并联谐振回路，当谐振频率ω0等于激励信号频率ω时，回路对ω频率呈现一大谐振电阻RL，因此式(3-18)中基波分量在回路上产生电压，而对远离ω的直流和谐波分量2ω、3ω等呈现很小的阻抗，因而这些频率成分的输出很小，几乎为零，可以忽略。故回路输出电压为：(3-20)(3-21)晶体管的集电极电压为：4142

图3-14给出了放大器各点信号的波形图。

由图可以看出，当集电极回路调谐时，Ubemax、ICmax、UCEmin是同一时刻出现的，导通角θ越小，iC越集中在UCEmin附近，故耗损越小，效率越高。另外，我们也可根据集电极电流的导通角来划分功放的工作类型：当θ＝180o时，为A类；

当90o<θ<180o时，为AB类；

当θ<90o

时，为C类。432．高频功放的能量关系与效率

在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为：(3-22)集电极电源供给的直流输入功率P0为(3-23)

直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc,

即：(3-24)44

Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率η为：(3-25)式中称为波形系数，称为集电极电压利用系数。由式(3-24)、(3-25)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为：(3-26)上式说明：当功放管的允许耗散功率Pc一定时，效率越高，输出功率越大。45

由式(3-25)可知，要提高效率，有两种途径：提高电压利用系数ξ，即提高Uc，这通常式靠提高回路谐振阻抗RL来实现；提高波形系数η，由于η与θ

有关。图(3-15)画出了

它们间的关系。为了兼顾输出功率和效率，通常导通角选在65～75度之间。4647(3-27)高频功放的功率放大倍数为：(3-28)用dB表示为(3-29)3、功率放大倍数

设其基波电流振幅为Ib1,且与ub同相(忽略实际存在的容性电流),则激励功率为：48三、高频谐振功率放大器的工作状态

1．高频功放的动特性

(1)高频功放的动特性的概念：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与集电极电压(ube或uce)的关系曲线,它在ic～uce或ic～ube坐标系统中是一条曲线，反映的是功放的工作点在激励作用下的变化曲线。

(2)动特性的作法我们知道，在小信号放大器中，若已知负载电阻，通过静态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值的倒数的直线，即为交流负载线，动特性为负载线的一部分。在高频功放中，其动特性一般不是直线。49和逐点(以ωt为变量)由uBE、uCE从晶体管输出特性上找出iC，并连成线即为动特性。

当晶体管的特性用折线近似时的作法为：见P79如图(3-16)所示。2．高频功放的工作状态

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。下面根据其动特性分析这三种的特点。

(1)欠压状态：是指功放的最高工作状态还未进入饱和区的状态，即动特性的A点未进入饱和区的工作状态。动特性的具体作法：根据5051

欠压状态功放的特点：功放的工作点只在截止区和线性放大区内变化；功放的集电极电流为余弦脉冲；功放的效率将随着Uc的增大而增加，在这种状态下，集电极电压利用不充分；有UCEmin>uCES。(2)过压状态：当功放的激励足够大时，功放的最高工作状态将进入饱和区，即动特性的A点在饱和区的工作状态，称为过压状态。如图(3-17)所示。过压状态功放的特点：功放的工作点将在截止区、线性放大区和饱和区三个区内变化；功放的集电极电流为顶部凹陷的余弦脉冲；功放的效率将随着Uc的进一步增大而降低，在这种状态下，由于导通角过大导致波形系数较小；有UCEmin<uCES。5253

(3)临界状态：功放的最高工作状态刚好进入饱和区的边缘状态，即动特性的A点刚好进入饱和区和放大区的边缘，我们将这种工作状态称为临界状态。临界状态功放的特点：功放的工作点只在截止区和线性放大区内变化；功放的集电极电流为余弦脉冲；功放的输出功率最大，高频功放一般工作在此状态；有UCEmin＝uCES。

保证功放工作在这一状态所需的集电极负载电阻RL称为临界电阻或最佳负载电阻，一般用RLcr表示。例3-1（见教材P80)54四、高频功放的外部特性

高频功放是工作于非线性状态的放大器,同时也可以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)，因此高频功率放大器的性能参数只能在一定条件下进行估算，在实际设计中，要达到设计要求常常还需对其进行调整。

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(功放性能随激励电压的变化特性)、高频功放的调制特性(功放性能随偏置电压和电源的变化特性)以及高频功放的调谐特性等。55

1．高频功放的负载特性

高频功放的负载特性：是指只改变负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率η变化的特性。图3-18(b)是根据图3-18(a)而得到的功率、效率曲线。分析图3-18(a)、(b).根据负载特性可以进一步看出高频功放各种状态的特点：P835657

2．高频功放的振幅特性

高频功放的振幅特性：是指只改变激励信号振幅Ub时,放大器的电流、电压、功率及效率的变化特性。

高频功放的振幅特性曲线如图3-20所示。高频功放的振幅特性的特点：

(1)在欠压区：Ic0、Ic1、Uc随Ub的增加而增加，但并不一定为线性关系，而在放大振幅变化的高频信号(如调幅信号)时，通常要求输出的高频信号振幅与输入激励信号的振幅成线性关系，这只有在B(乙)类状态才能得到。

(2)在过压区：Ic0、Ic1、Uc基本上不随Ub的增加而增加，可以认为是恒压区，放大等幅信号，应选择这种状态。5859

3.高频功放的调制特性

高频功放的调制特性：是指功放的性能随放大器的偏置电压和电源的变化特性。包括基极调制特性和集电极调制特性。

(1)基极调制特性：是指仅改变放大器的基极偏置电压UBB，放大器的电流、电压、功率及效率的变化特性。如图3-20(2)集电极调制特性：是指仅改变放大器的电源电压UCC，放大器的电流、电压、功率及效率的变化特性。如图3-21

说明：利用高频功放的调制特性可以实现调幅，不过要求选择输出高频信号振幅UC与直流电压（UCC或UBB）成线性关系或近似线性关系的工作区域。为此，在基极调制中，应工作在欠压状态；而在集电极调制中，应工作在过压状态。

6061

4.高频功放的调谐特性

高频功放的调谐特性：是指功放的外部电流Ic0、Ic1和电压Uc随回路电容C的的变化特性。利用这个特性可以指示放大器是否调谐。623.3高频功率放大器的高频效应

前面以静态特性为基础，分析了高频功放的原理，但不能反映高频工作时的其他现象，如当晶体管工作于0.5fβ~0.2fT

甚至更高的频率时，会出现输出功率下降、效率降低等。这是因为功放管性能随频率变化引起的，通常称为功放管的高频效应。一、少数载流子的渡越时间效应

晶体管本质上是电荷控制器件。少数载流子的注入和扩散是晶体管能够放大的基础。63

渡越时间的概念：将少数载流子由基区扩散到达集电极所需要的时间，称为载流子的渡越时间。晶体管工作在低频和高频时的渡越时间效应如图3-24所示。

2464二、非线性电抗效应功放管中存在集电结电容,这个电容是随集电结电压Ube变化的非线性势垒电容。在高频时对放大器主要有两个影响：

1、构成放大器输出到输入的反馈支路，造成放大器不稳定；

2、通过他的反馈会在输出端形成一输出电容Co

(3-30)三、发射极引线电感的影响

(3-31)65四、饱和压降的影响

晶体管工作于高频时,实验发现其饱和压降随频率提高而加大。66

3.4高频功率放大器的实际线路

一、

直流馈电线路

直流电源加到功放管各极上去的线路叫直流馈电线路。直流馈电线路包括集电极馈电线路和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明旁路电容Cb、扼流圈Lb的应用方法。

1、集电极馈电线路

由于集电极电流是脉冲电流，因此集电极馈电线路须满足：

A、直流能量能有效地加到功放管的集电极和发射极之间，而不能再有其他耗损；67

B、高频基波分量应有效地流过负载回路，除了回路应尽可能小地消耗基波分量能量；

C、除倍频器外，应有效的消除高频谐波分量，输送到负载上的谐波分量应尽可能小；

D、直流电源及馈电元件的接入应尽可能减小分布参数的影响。图3-25是集电极馈电线路的两种形式:串联馈电线路和并联馈电线路。

(1)串联馈电线路

结构：晶体管、电源、谐振回路三者是串联连接的,故称为串联馈电线路。如图3-25(a)所示。68

优点：Ucc、LB、CB处于高频地电位，使得回路不容易受分布参数影响。

(2)并联馈电线路

结构：其晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的,故称为并联馈电线路。如图3-25(b)所示。

优点：回路一端为直流地电位，L、C元件一端可以接地，安装方便。69图3-25集电极馈电线路两种形式

(a)串联馈电;(b)并联馈电70

2．基极馈电线路

基极馈电线路也有串联和并联两种形式。图3-26示出了几种基极馈电形式,基极的负偏压既可以是外加的,也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。分析图3－26(见下页）。

例3-2：改正右图中的错误，不得改变馈电形式。解：分析改正见下图71

图3-26基极馈电线路的几种形式基极自给偏压基极组合偏压基极零偏压72图3－28例3-2图73二、输出匹配网络通常在功放级与级之间，或功放与负载之间使用输出匹配连接的，它为一双口网络。输出匹配网络应具有这样的几个特点:

(1)以保证放大器传输到负载的功率最大,即起到阻抗匹配的作用;

(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率,即有良好的滤波作用;

(3)大多数发射机为波段工作，因此双端口网络要适应波段工作的要求。

1.LC匹配网络

图3-27是几种常用的LC匹配网络。74图3-27几种常见的LC匹配

(a)L型;(b)T型;(c)Π型75

对于L-I型网络(负载电阻Rp与并联电抗器件Xp并联，如图3-30a所示)，容易求出：(3-32a)

(3-32b)

(3-32c)

由此可见：在负载电阻RP大于功放要求的最佳负载阻抗容抗RLcr时，采用对于L-I型网络，并通过调整Q值，将大的负载电阻RP变换较小的为R’s(R’s=RLcr)。谐振时应有Xs+X’s=0.其中：76图3-28L型匹配网络

(a)L-I型网络;(b)L-II型网络串联电抗并联电抗77对于L-II型网络(负载电阻RP与感抗器件XS串联，如图3-30b所示)有：(3-33a)(3-33b)

(3-33c)

由此可见：在负载电阻RP小于功放要求的最佳负载阻抗容抗RLcr时，采用对于L-II型网络，并通过调整Q值，将小的负载电阻RP变换为较大的R’s(R’s=RLcr)。谐振时应有XP+X’P=0。其中：78例3-3

试设计一L型匹配网络作为功放的输出电路。已知工作频率f=5MHz，功放的临界电阻为RLcr=100欧姆，天线端电阻R2=10欧姆。解：根据题意，由于负载电阻（天线端电阻）R2>RLCR，故选择L-II型。且串联支路用电感，并联支路用电容。根据（3-33b）式，回路的品质因素为：其它见教材。79

图3-29是一超短波输出放大器的实际电路,它工作于固定频率。图3-29一超短波输出放大器的实际电路L2是为抵消天线的容抗而设立的C1、C2、L2构成型匹配网络80

2．耦合回路图3-30是一短波发射机的输出放大器，它采用互感耦合回路作输出电路,多波段工作。（简单分析教材图3-34)图3-33短波输出放大器的实际线路1:4传输线变压器81三、高频功放的推挽连接线路

在高频功放中，不论是输出级还是中间级，有时会用到推挽连接线路，其主要目的是为了提高输出功率，工作原理与低频功放类似。此处不再祥述。82四、高频功放的实际线路举例

图3-38(a)是工作频率为50MHz的晶体管谐振功率放大电路,它向50Ω外接负载提供25W功率,功率增益达7dB。83图3-38高频功放实际线路(a)50MHz谐振功放电路;(b)175MHz谐振功放电路84

3.5高频功放、功率合成与射频

模块放大器

一、

D类高频功率放大器

1.电流开关型D类放大器图3-39是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图，线路通过高频变压器T1,使晶体管V1、V2获得反向的方波激励电压。85由此可得集电极回路两端的高频电压有效值为集电极回路两端的高频电压峰值为

(3-46)

(3-47)86图3-39电流开关型D类放大器的线路和波形UCC87

V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形,它的基频分量振幅等于(2/π)Ic0。V1、V2的ic1、ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗R’L(考虑了负载RL的反射电阻)两端产生的基频电压振幅为：将式(3-35)代入式(3-37),得输出功率为

输入功率为

(3-51)(3-50)

(3-49)88集电极损耗功率为(3-54)(3-53)(3-52)

2．电压开关