《高频电子线路》-第3章

3.1高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器的功能就是从众多微弱的高频信号中选出有用频率信号并加以放大，对无用信号加以抑制。分为两类：一类是以分立元件为主的谐振放大器，放大器件可采用单管、双管组合电路等，LC谐振回路可以是单谐振回路或双耦合谐振回路；另一类是由集中选频滤波器来选频，由集成宽带放大器进行放大的集中选频放大器。3.1.1单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器电路简单，调制方便，应用广泛。它是由单个LC谐振回路作为选频网络，由单管对小信号进行放大的放大电路，又称为调谐放大器，单调谐回路谐振放大器的原理电路和直流等效电路如图3-1(a)、(b)所示。下一页返回3.1高频小信号谐振放大器3.1.2多级单调谐回路谐振放大器单调谐回路谐振放大器的增益不高、选择性较差。在实际应用中如满足不了要求时，可将几级单调谐回路谐振放大器进行级联，构成多级单调谐回路谐振放大器。多级单调谐回路谐振放大器根据每级的调谐方式不同，可分为同步调谐和参差调谐两类。3.1.3调谐放大器的稳定性由于实用调谐放大器在工作时都会尽可能地采取一些措施来减小内部反馈的作用，所以前面讨论调谐放大器时，都是在假设反向传输导纳Yre=0的情况下进行分析的。上一页下一页返回3.1高频小信号谐振放大器实际上，由晶体管混合π形等效电路图可知，集电极与基极间跨接有结电容Cb′c，它也接在放大器的输入、输出端之间，Cb′c

虽然很小（只有几个皮法），在低频时可以忽略，但在高频时Cb′c会形成反馈通路，工作频率增高，影响就会增大，此时反向传输导纳Yre≠0，即输出电压可以反馈到输入端，引起输入电流的变化，形成内反馈。此外，LC谐振回路阻抗的大小和性质会随频率变化，使内反馈也随频率变化，导致放大器工作不稳定。一般情况下，内反馈会使调谐放大器的频率特性曲线变形，增益、通频带和选择性发生变化，严重时，内反馈在某一频率上满足正反馈条件，将会产生自激振荡，从而使放大器的正常工作受到破坏。调谐放大器的工作频率越高，LC谐振回路的品质因数越大，电压增益越大，放大器的工作就越不稳定。上一页下一页返回3.1高频小信号谐振放大器为了提高放大器的稳定性，可从两个方面着手：一是从晶体管本身想办法，在制作晶体管时应设法减小集电极和基极间的结电容Cb′c

，从而减小其反向传输导纳Yre

的值，或尽量选用Cb′c

小的晶体管；二是设法从电路上消除晶体管内反馈的影响，使它单向化，具体方法有中和法与失配法两种。上一页返回3.2集中选频放大器3.2集中选频放大器前面介绍的调谐放大器主要用于对窄带信号进行选频和放大，常采用多级放大电路来提高增益，要求每级均有LC谐振回路，因此不易获得较宽的通频带，选择性也不够理想，但它的优点是可以方便地改变LC谐振回路的谐振频率，从而接收到不同工作频率的信号。为了展宽通频带和提高选择性，可采用集中选频放大器来对信号进行选频和放大，由集中选频滤波器和集成宽带放大器组成的选频放大器称为集中选频放大器。由于集中选频滤波器的中心频率是固定的，一旦选定后就不能改变，所以集中选频放大器只适用于固定频率信号的放大，而无法像调谐放大器那样方便地变换谐振频率，集中选频放大器的组成如图3-9所示。下一页返回3.2集中选频放大器在集中选频放大器里，先采用矩形系数较好的集中选频滤波器进行选频，省掉了逐级选频、调试的麻烦，然后利用集成宽带放大电路进行信号放大，可充分发挥线性集成电路的优势。集中选频滤波器的相关内容已在第2章作了介绍，本节主要介绍由四端陶瓷滤波器和声表面波滤波器构成的集中选频放大器电路实例。上一页返回3.3丙类谐振功率放大器高频功率放大器是无线通信系统的重要组件，用于发射机的末级。其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。高频功率放大器按工作频带的宽窄，可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谐振电路作为输出回路，故又称为调谐功率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。下一页返回3.3丙类谐振功率放大器3.3.1丙类谐振功率放大器的工作原理1．电路组成及工作原理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，由“模拟电子技术基础”课程中已知，放大器可以按照晶体管电流导通角的不同，分为甲（A）类（导通角θ=180o

）、乙（B）类（导通角θ=90o

）、丙（C）类（导通角θ<90o

），如使晶体管工作于开关状态，可构成丁类和戊类功放。高频功率放大器与低频功率放大器的共同之处都是要求输出功率大、效率高，但二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。上一页下一页返回3.3丙类谐振功率放大器乙类和丙类都适用于大功率工作，高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类），丙类工作状态的输出功率和效率是3种工作状态中最高者，本节讨论的丙类谐振功率放大器原理电路如图3-12所示。2．输出功率与效率丙类谐振功率放大器的主要技术指标有输出功率Po

、集电极电源提供的直流功率PD

、集电极耗散功率PC

和集电极效率ηC

等。集电极电流基波分量在负载Re

上的平均功率称为输出功率，为上一页下一页返回3.3丙类谐振功率放大器上一页下一页返回3.3丙类谐振功率放大器3.3.2丙类谐振功率放大器的特性分析丙类谐振功率放大器的特性分析是指其主要技术指标与输入信号、晶体管及偏置电压等参数间的关系，共有负载特性、放大特性、基极调制特性和集电极调制特性4种。通过对丙类谐振功率放大器特性的分析，可以了解丙类谐振功率放大器的应用情况和正确的调试方法。上一页下一页返回3.3丙类谐振功率放大器3.3.3丙类谐振功率放大器电路前面的图3-12是丙类谐振功率放大器的原理电路，还需要在此基础上添加直流馈电线路和滤波匹配网络才能构成实际电路，滤波匹配网络在第2章讨论过，本小节主要讨论直流馈电电路。1．直流馈电电路馈电电路就是指直流供电电路，对于丙类谐振功率放大器而言，首先要保证为晶体管提供合适的工作点。在实际的丙类谐振功率放大器中，为了提高效率，减小损耗，一般不像低频电路那样采用电阻偏压方式，而是将直流馈电电路与输入、输出回路组合在一起。上一页下一页返回3.3丙类谐振功率放大器直流馈电电路分为基极馈电线路和集电极馈电线路两种。实现方式是在合适的位置设置合适的旁路电容和高频扼流圈，旁路电容的作用是让高频信号通过，隔断直流；高频扼流圈的作用正好相反，让直流通过，隔断高频信号。一般地，在短波范围（3～3MHz），高频旁路电容取0.01～0.1µF，高频扼流圈取几十至几百µH。2．丙类谐振功率放大器电路实例3.3.4丁类和戊类功率放大器由前面分析可知，在功率放大器中，要提高效率，就要减小功放管的集电极耗散功率PC，而耗散功率PC的大小由式(3-29)决定，即上一页下一页返回3.3丙类谐振功率放大器可见，减小集电极耗散功率PC的方法有两种：（1）减小PC的积分区间θ，即减小导通角θ。丙类谐振功率放大器就是采用这种方法来提高效率的，但导通角θ的值不能太小，太小会导致输出功率Po下降，因而其效率的提高受到限制。（2）为了进一步提高效率，可采用减小iC与uCE乘积的方法，需要使功放管工作于开关（饱和、截止）工作状态。上一页返回3.4宽带高频功率放大器高频功率放大器按工作频带的宽窄，可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工作在丙类或丁类工作状态，通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器通常工作在非线性失真较小的甲类或乙类（互补推挽）工作状态，输出电路采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，能在很宽的频带范围内获得线性放大，可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫，能覆盖很宽的频带，同时以功率合成技术来增大输出功率，从而提高效率。下一页返回3.4宽带高频功率放大器3.4.1传输线变压器的应用传输线变压器的工作原理和特性在第2章已做了介绍，它的用途非常广泛，除了可以实现1:1倒相外，还可以实现1:1平衡和不平衡电路转换及阻抗变换等，是一种常用的宽带匹配网络，可构成功率合成和分配器网络。3.4.2功率合成技术1．功率合成原理宽带高频功率放大器无须调谐，因此功放管集电极输出电流iC不能失真，通常工作在甲类或乙类推挽工作状态。但这两种工作状态的效率低，输出功率较小，需要采用功率合成技术来增大输出功率，提高效率。上一页下一页返回3.4宽带高频功率放大器功率合成技术就是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单个功放电路的输出功率，利用功率合成技术可以在单个功放管输出功率不大的情况下，获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。功率合成器主要由若干功率合成和分配网络、高频功率放大器和平衡电阻（假负载）构成，其原理框图如图3-36所示。其中有7个功率增益为2倍，最大输出功率为12W，工作于甲类或乙类推挽工作状态的高频功放，3个一分为二的功率分配器和3个二合一的功率合成器，经过功率合成后，可以获得48W的功率输出，平衡负载正常情况下不消耗功率，当某一路功率放大器损坏后可吸收多余的功率。上一页下一页返回3.4宽带高频功率放大器功率合成器的基本单元如图3-37中虚线框所示，每个基本单元可将功率提高一倍，可根据需要进行组合，构成更加复杂的功率合成器，输出更大功率。理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能，还必须在输入端使与其相接的前级各放大器互相隔离，即当其中某一个功率放大器损坏时，相邻的其他功率放大器的工作状态不受影响，仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。2．功率合成与分配网络利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配和合成网络，具有频带宽、结构简单、插入损耗小、隔离度好等优点。图3-37(a)所示为由4:1阻抗变换器构成的反相功率合成器原理电路，其功能如图3-37(b)

所示。上一页下一页返回3.4宽带高频功率放大器由图3-37可见，当电路处于平衡状态时，RS1

＝RS2

，US1

＝US2

，即A、B端输入等值反相功率时，D端负载电阻RD得到两输入信号的合成功率，称为合成端，C端因为无输出，称为平衡端，平衡电阻RC

上无功率，为了实现阻抗匹配，要求上一页下一页返回3.4宽带高频功率放大器3.4.3宽带高频功率放大器电路将前面介绍的混合网络与合适的放大电路组合起来就可构成宽带高频功率放大器，图3-41是一个功率合成器的基本单元，由反相功率合成器和分配器所构成，其输出功率为75W，带宽为30～75MHz。Tr1、Tr6为不平衡-平衡转换器，用来将不平衡的输入和负载变平衡后接到混合网络D端，Tr2为反相功率分配网络，Tr5为反相功率合成网络，接混合网络C端的两个6Ω电阻为平衡电阻；Tr3