高频谐振放大器课件

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3.1高频小信号放大器

高频小信号谐振放大器的功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。放大器工作在线性范围的A类工作状态按频带宽度分：窄带放大器：各种选频网络为负载，兼有阻抗变换和选频滤波的功能。宽带放大器：采用无选频作用的负载电路，如高频变压器或传输线变压器。按有源器件分：以分立元件为主的放大器；以集成电路为主的集中选频放大器。高频小信号放大器的主要要求：

1)增益高；2)频率选择性好；3)工作稳定可靠

4)动态范围要宽3.1.1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。

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3.1.2放大器性能分析

1．晶体管的高频等效电路图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。(3─5a)(3─5b)

图3─2晶体三极管等效电路(a)混Π等效电路;(b)Y参数等效电路由图3─2(b)可以得到晶体管Y参数等效电路的Y参数方程混合π型等效电路上图是晶体管高频共发射极混合π型等效电路。图中各元件名称及典型值范围如下：ｒbb′：基区体电阻,约１５Ω～５０Ω。ｒb′e：发射结电阻re折合到基极回路的等效电阻,约几十欧到几千欧。ｒb′c：集电结电阻,约１０kΩ～１０MΩ。ｒce：集电极—发射极电阻,几十千欧以上。

ｃb′e：发射结电容,约１０皮法到几百皮法。ｃb′c：集电结电容,约几个皮法。ｇm：晶体管跨导,几十毫西门子以下。由于集电结电容Cb′c跨接在输入输出端之间,是双向传输元件,使电路的分析复杂化。为了简化电路,可以把Cb′c折合到输入端b′、e之间,与电容Cb′e并联,其等效电容为：CM=(1+gmR’L)Cb’C即把Cb′c的作用等效到输入端,这就是密勒效应。其中gm是晶体管跨导,R′L是考虑负载后的输出端总电阻,CM称为密勒电容。(3)输出导纳Yo(3─9)(1)电压放大倍数K(另一种形式)(2)输入导纳Yi(3─7)(3─8)(4)通频带B

0.707与矩形系数K

0.1

通频带B

0.707为(3─10)矩形系数1.单调谐回路谐振放大器附图1单调谐回路谐振放大器附：晶体管谐振放大器为分析的简化，假设晶体管yre=0。其简化的等效电路如图(a)所示设T1、T2是同型号的晶体管，电感线圈的电感量为L，在工作频率时的空载品质因数为Qo，则3.放大器的技术指标(1)电压增益K放大器谐振时(2)谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。(4)放大器的矩形系数例1：在图中晶体管3DG39的直流工作点是UCE＝8V，IE＝2mA，工作频率f0=10.7MHz；调谐回路采用中频变压器，L13=4uH，Qo=10，其抽头为N23=4匝，N13=20匝，N45=5匝，试计算放大器的下列各值：(1)回路有载品质因数QL

和带宽B0.7(2)放大器的电压增益和功率增益。晶体管3DG39的参数为：gie=2860uS，Cie=18pF，goe=200uS，Coe=7pF，|Yfe|=32mS，Yre=0。设下级也为相同晶体管。

高频小信号谐振放大器的仿真与性能分析

pspiceexample/exam1.sch将Yoe归入负载中,并考虑谐振频率ω0附近情况,有(3─11)

则

当回路谐振时Δω=0，Yir为一电容；当ω>ωo时，Yir的电导为正，是负反馈；当ω<ωo时，Yir的电导为负，是正反馈，这将引起放大器的不稳定。

图3─5中和电路(a)原理电路;(b)某收音机实际电路

图3─6共发—共基电路

失配法通过增大负载导纳，进而增大回路总导纳，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，即失配法是用牺牲增益来换取电路的稳定。常用的失配法是用两只晶体管按共发—共基方式连接成一个复合管。使Yi=yie，即使后项0，则必须加大YL中和法与失配法比较

中和法：优点：简单，增益高缺点：①只能在一个频率上完全中和，不适合宽带②因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。③采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。失配法：优点：①性能稳定，能改善各种参数变化的影响；②频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；③生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低。

图3─7双栅场效应管调谐放大器

在场效应管放大器中也存在着稳定性问题，这是由于漏极的电容构成输出和输入之间的反馈。3.1.4多级谐振放大器

1．多级单调谐放大器多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。放大器总的电压放大倍数为(3─13)(3─14)(3─15)单振荡回路的归一化频率特性为有n个回路的多级放大器的归一化频率特性为表3-2多级双调谐放大器的带宽和矩形系数2.多级双调谐放大器(3─16)3.参差调谐放大器

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。

图3─9电视机高频放大器的简化电路

3.1.5高频集成放大器高频集成放大器有两类: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;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。

图3─10(a)中,集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面。图3─10(b)是另一种接法。图3─10集中选频放大器组成框图

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

一、二级共发-共基级联中频放大器电路

下图表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中频放大器电路。附：调谐放大器的常用电路与集成电路谐振放大器二、由MC1590构成的选频放大器：

器件MC1590具有工作频率高，不易自激的特点，并带有自动增益控制的功能。其内部结构为一个双端输入、双端输出的全差动式电路。

器件的输入和输出各有一个单谐振回路。输入信号V1通过隔直流电容C4加到输入端的引脚“1”，另一输入端的引脚“3”通过电容C3交流接地，输出端之一的引脚“6”连接电源正端，并通过电容C5交流接地，故电路是单端输入、单端输出。由L3和C6构成去耦滤波器，减小输出级信号通过供电电源对输入级的寄生反馈。

三、MC1110制成的100MHz调谐放大电路

MC1110集成块是一种适合于放大频率高达100MHz信号的射极耦合放大电路，其内部电路及由它制成的100MHz调谐放大器的实用电路如图所示。片内电路如虚线框内所示，两只晶体管VT1和VT2组成共集一共基组合放大电路，使电路的上限截止频率得以提高，且输入、输出阻抗均较高，故对外接调谐回路的影响减小。

片内电容C约30pF，跨接在VT1的集电极与VT2的基极之间，对于100MHz以上的工作频率，C的容抗较小，以构成这两极间的高频短路，使VT1的集电极在管内经C至VT2的基极，形成良好的高频接地，实现共集—共基（CC—CB）放大对。由C1、C2、L1构成的回路调谐于信号频率，为了减弱信号源对回路的影响，信号是部分接入的。L1、C3、C4组成并联谐振回路，RL是负载，阻值较小，也是部分接入回路的。3.2高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的主要功用是放大高频信号,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。高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。相同点：要求输出功率大和效率高。

相异点：负载特性：低频功放工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，因此用谐振回路作负载。工作状态：低频功放工作于甲类或乙类。高频功放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。分析方法：低频功放利用晶体管实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲电流，因此用折线近似法。高频功率放大器的主要特点：

工作在高频状态和大信号非线性状态。

3.2.1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。

图3─12晶体管高频功率放大器的原理线路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)

由晶体三极管的转移特性曲线可得到集电极电流的波形，如图3—13。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)图3—13集电极电流的波形(3─19b)(3─19a)(3─19c)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。图3—14C类高频功放的电流、电压波形输入回路：

ube=Eb+ub=Eb+Ubcosωt输出回路：

uce=EC-uc=EC-Ic1RLcosωt=EC-Uccosωt导通角：2．高频功放的能量关系在集电极电路中,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)

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)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)提高效率η的两种途径：一是提高电压利用系数ξ，即提高Uc，这靠提高回路谐振阻抗RL来实现；二是提高波形系数γ，γ与θ有关，见图3—15。(3─27)高频功放的功率放大倍数为(3─28)用dB表示为(3─29)

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),则激励功率为例2：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率P1=5W，晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压Uc=22.5V,试求：直流输入功率Po；集电极效率η；谐振电阻RL；基波电流IC1；导通角θ。3.2.2高频谐振功率放大器的工作状态

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ic～ube坐标系统中是一条曲线。动特性曲线的斜率为动特性曲线不仅与RL有关，而且与θ有关。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

Uc由小到大增加时，欠压状态：ICO、IC1基本不变，则P0基本不变，P1增大临界状态：有较大的IC1和UC，所以P1最大过压状态：ICO、IC1均小于欠压状态的值，则P0、P1下降。欠压状态：判据：临界状态：过压状态：三种工作状态图3—17过压状态的ic波形3.2.3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)。

1．高频功放的负载特性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。

RL变化时的ic波形图3—18高频功放的负载特性高频功放三种工作状态的特点：临界状态输出功率最大，效率也较高，通常应选择在此状态工作。过压状态的特点是效率高、损耗小，并且输出电压受负载电阻RL的影响小，近似为交流恒压源特性。欠压状态时电流受负载电阻RL的影响小，近似为交流恒流源特性，但由于效率低、集电极损耗大，一般不选择在此状态工作。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,放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。

放大振幅变化的高频信号时，选择θ=900的乙类状态。放大等幅信号时，选择在过压状态工作。3.高频功放的调制特性

1)基极调制特性基极调制特性是指仅改变Eb时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。

2)集电极调制特性集电极调制特性是指仅改变Ec时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在基极调制特性中，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。图3—20高频功放的基极调制特性图3—21高频功放的集电极调制特性

4.高频功放的调谐特性高频功放的外部电流ICO、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。例3：谐振功率放大器工作于临界状态，晶体管的gc=10mS，Eb’=0.5V，饱和临界线的斜率gcr=6.94mS，Ec=24V，Eb=-0.5V，基极激励电压振幅Ub=2V，试求：

θ、Uc、.Po、P1

、η、RL例4：某谐振功率放大器，Eb=-0.2V，Eb’=0.6V，gcr=0.4S，Ec=24V，RL＝50Ω，Ub=2V，P1＝1W，试求：icmax、Uc、η，并判断放大器工作于什么状态。3.3高频功率放大器的高频效应1.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进行放大的基础。少数载流子在基区扩散到达集电极需要的时间称为载流子渡越时间。2.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。(3─30)3.发射极引线电感的影响(3─31)

4.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。

3.4高频功率放大器的实际线路3.4.1直流馈电线路直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、Lb的应用方法。

1.集电极馈电线路图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。图3─25(b)中晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的,故称为并联馈电线路。

图3─25集电极馈电线路两种形式

(a)串联馈电;(b)并联馈电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。

图3─26基极馈电线路的几种形式(a)是发射极自给偏压;(b)是基极组合偏压;(c)是零偏压3.4.2输出匹配网络该双端口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。

1.LC匹配网络图3─27是几种常用的LC匹配网络。

图3─27几种常见的LC匹配

(a)L型;(b)T型;(c)Π型

图3─28L型匹配网络

(a)L-I型网络;(b)L-II型网络

对于L—I型网络有(3─32a)(3─32b)(3─32c)

在负载电阻Rp大于高频功放要求的最佳负载阻抗RLcr时，采用本网络。谐振时，应有Xs+Xs’=0

对于L-Π型网络有(3─33a)(3─33b)(3─33c)

在负载电阻Rs小于高频功放要求的最佳负载阻抗RLcr时，采用本网络。谐振时，应有Xp+Xp’=0L型网络简单，但阻抗匹配时，回路的Q值就确定了，当阻抗变换比不太大时回路Q值低，滤波性能差，需采用T型、Π型匹配网络。

T型、Π型匹配网络可看成二个L型网络的级联。

T型网络的输入端有近似串联谐振回路的特性，因此不作为功放的输出电路，而常作为功放的级间耦合电路。

下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。

下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。图中，介于电子器件与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介回路；RACA分别代表天线的辐射电阻与等效电容；Ln、cn为天线回路的调谐元件，它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以获得最大的天线回路电流iA，亦即使天线辐射功率达到最大。复合输出回路(为了简化电路，省略了直流电源及辅助元件L、C、C等)这种电路是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。

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。

图3─30短波输出放大器的实际线路3.4.3高频功放的实际线路举例图3─31(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25

W功率,功率增益达7dB。

图3─31高频功放实际线路(a)50MHz谐振功放电路;(b)175MHz谐振功放电路例5.如图是L型网络，它作为谐振功率放大器的输出回路。已知天线电阻rA=8Ω，线圈的Qo=100，工作频率的2MHz，若放大器要求匹配阻抗Rp=40Ω，试求L、C值3.5高频功放、功率合成与射频模块放大器3.5.1D类高频功率放大器

1.电流开关型D类放大器图3─32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。

图3─32电流开关型D类放大器的线路和波形

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─36)(3─35)(3─34)

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(3─39)(3─38)(3─37)

集电极损耗功率为(3─42)

(3─41)(3─40)

2．电压开关型D类放大器图3─33为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。两个同型(NPN)管串联,集电极加有恒定的直流电压Ec。输入功率为集电极效率为ic2iLL0C0RLV2uce2uce1V1T1Ec(a)ic1图3─33电压开关型D类功放的线路及波形