第3章--高频谐振放大器--高等教育出版社

1、1,1,第三章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号谐振放大器 3.2 低噪声小信号放大器的设计 3.3 高频功率放大器的原理和特性 3.4 高频功率放大器的高频效应 3.5 高频功率放大器的实际线路 3.6 功率放大器的线性化技术 3.7 高频功放、 功率合成与射频模块放大器,小信号 大信号,2,2,第一节 高频小信号谐振放大器,高频小信号谐振放大器的功用就是有频率选择性的放大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。 一、 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。 ,3,图11 音频无线通信系统

2、的基本组成,4,4,图3 1 典型的高频小信号谐振放大器,5,5,二、 放大器性能分析,1 晶体管的高频等效电路,放大电路的动态参数如何？,6,6,图 3 1 高频小信号谐振放大器 (b) 交流等效电路,BJT的H参数模型 (太简单不准确),7,7,图 3 2 晶体三极管等效电路 (a) 混等效电路; (不方便) (b) Y参数等效电路,8,8,Y参数通过仪器测量，或查手册，或由混合型等效电路求取,9,9,称为晶体管输出端交流短路时的输入导纳,称为晶体管输出端交流短路时的正向传输导纳,称为晶体管输入端交流短路时的反向传输导纳,称为晶体管输入端交流短路时的输出导纳,10,10,在忽略rbe及满足

3、CC的条件下, Y参数与混参数之间的关系为,(3 1),(3 2),(3 3),(3 4),输出端交流短路时的输入导纳:,输入端交流短路时的输出导纳:,输出端交流短路时的正向传输导纳:,输出端交流短路时的反向传输导纳:,11,11,由此可以得到晶体管Y参数等效电路的Y参数方程,(3 5a),(3 5b),12,12,2 放大器的性能参数,图 3 3 图3 1高频小信号放大器的 高频等效电路,13,13,(3) 输出导纳Yo,(3 9),(1) 电压放大倍数K,(2) 输入导纳Yi,(3 7),(3 8),动态参数,14,14,三、高频谐振放大器的稳定性 1放大器的稳定性(不发生自激振荡的可能性

4、) 反向传输导纳Yre引入的输入导纳, 记为Yir。,(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 K 0.1=9.95,15,电容反馈式振荡电路,16,16,(3 11),反向传输导纳Yre引入的输入导纳为:,当=0即回路谐振时, Yir为一电容; 当0时, Yir的电导为正,是负反馈,稳定; 当0时, Yir的电导为负,是正反馈,可能振荡,不稳定;,17,17,18,18,2. 提高放大器稳定性的方法 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。在放大器线路中插入一个外

5、加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。根据电桥平衡有,则中和条件为,(3 12),19,19,中和法,20,20,图 3 5 中和电路 (a) 原理电路; (b) 某收音机实际电路,21,21,图 3 6 共发共基电路,失配法,增大负载导纳进而增大总回路导纳，减少输出，牺牲增益。,22,22,图 3 7 双栅场效应管调谐放大器,失配法,共源-共栅,23,23,四、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。,(3 13),总电压放大倍数：,2多级双调谐放大器,24,24,表 3-2 多级双调谐放大器的带宽和矩形系数,可以改善放大器的

6、频率选择性,25,25,较宽频带、 带内平坦、 带外陡峭,参差调谐：,3. 参差调谐放大器,26,26,五、 高频集成放大器 宽带集成放大器+集中选频滤波器 集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面,图3 10(a)。 接于中间，图3 10(b) 。,27,27,图3 10 集中选频放大器组成框图,宽带放大集中选频,集中选频滤波前先放大,28,28,第二节 低噪声小信号放大器的设计,基本要求： 噪声系数低、足够的功率增益、工作稳定可靠、足够 的带宽和 大的动态范围。 噪声匹配重于功率匹配。,29,29,一、半导体器件及其工作点选择（晶体管4倍截止频率） 二、放大器噪声匹配设计（信号源阻抗与最佳源

7、阻抗匹配） 三、电感电容选择(高Q电感、漏电小的担电容) 四、其他：电磁兼容、成本,30,30,第三节 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、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。 2、高频功率放大器使用中需要解决的两个问题 高功率输出 高效率输出 （已知能量是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质就是在输入高频信号的控制下将电源直流功率转换成高频功率）,31,图11 音频无线通信系统的基本组成,32,32,图 3 16 晶体管高频功

8、率放大器的原理线路,33,3、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2020000Hz，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。,34,相同点：工作在高频段、调谐回路作负载 不同点： 1）输入信号大小不同 2）分析方法不同 3）任务不同 4）工作状态不同,（1） 与高频

9、小信号调谐放大器的异同点,小信号谐振放大器 波形图,谐振功率放大器 波形图,35,（2） 与低频功率放大器的异同点,相同点：输出功率大、效率高 不同点：1） 频带宽度不同 低频功放：工作频率20Hz20kHz，相对频带宽。 高频功放：工作频率几百kHz几百MHz，相对频带窄。 2） 负载不同,36,4、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。 静态工作状态：为了保证在C类工作,基极偏置电压UBB应使晶体管静态工作是工作在截止区,其值一般为负； 输入信号：

10、输入信号为大信号，可达12V，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。,37,5、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。,38,设输入信号为 则由图3 12得基极

11、回路电压为 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,输出波形是否失真？为什么？,39,对ic进行傅里叶级数展开,式中0()、 1()、 n()分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n次谐波的分解系数,40,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0等于激励信号频率时，回路对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，而对远离的直流和谐波分量2、3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：,41,41,42,42,43,高频功放

12、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：,集电极电源供给的直流输入功率P0为,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：,44,Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。 定义集电极效率为：,式中 称为波形系数， 称为集电极电压利用系数。,由上式可知，要提高效率，有两种途径： 提高电压利用系数，即提高Uc，这通常是靠提高回路谐振阻抗RL来实现； 提高波形系数 ，由于与 有关。图(3-15)画出了 它们间的关系。,45,高频功放的功率放大倍数为：,用dB表示为,功率放大倍数 信号源供给的功率，称为高频功放的激励功率，因

13、为信号电压为正弦信号，因此激励功率大小决定于基极电流中基波分量的大小。设其基波电流振幅为I b1, 且与ub同相(忽略实际存在的容性电流), 则激励功率为,46,例3-1 某高频谐振功率放大器工作于临界状态，输出功率P1=6W,集电极电源UCC=24V，集电极电流直流分量IC0=300mA，电压利用系数=0.95。 试计算：直流电源提供的功率P0，功放管的集电极损耗功率Pc及效率，临界负载电阻RLcr。,提示： 直接利用功率放大器的电流、电压、能量关系即可求解。,47,1. 当谐振功率放大器的输入激励信号为余弦波时，为什么集电极电流为余弦脉冲波形？但放大器为什么又能输出不失真的余弦波电压？ 答

14、：因为谐振功率放大器工作在丙类状态（导通时间小于半个周期），所以集电极电流为周期性余弦脉冲波形；但其负载为调谐回路谐振在基波频率，可选出ic的基波，故在负载两端得到的电压仍与信号同频的完整余弦波。,思考讨论题,2. 小信号谐振放大器与谐振功率放大器的主要区别是什么？,1）输入信号大小不同 2）分析方法不同 3）任务不同 4）工作状态不同,48,二、高频谐振功率放大器的工作状态,49,1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与电极电压(uBE或uCE)的关系曲线, 它在icuCE或icuBE坐标系统中是一条曲线。反映的是

15、功放的工作点在激励作用下的变化曲线。,(2) 动特性的作法 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。,50,51,动特性的具体作法：根据,逐点(以t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：,特别注意:输出特性曲线上横轴对应的uBE=UBB,连接ABC三点，就是功放动态特性曲线。,UBB,如果A点进入到饱和区，饱和区中的线用临界饱和线代替。,52,2高频功放的工作状态,为了提高放大器的效率，可以提高电压利用系数来实现，也就是加大UC,这

16、是靠增大负载RL来实现。,下面讨论当 由小到大变化时，即当调解RL 增大时动特性曲线的变化。,高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区或用UCEmin与晶体管饱和压降UCES相比较分为欠压、 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。,53,(1) 欠压状态,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 。,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。,54,(2) 临界状态： 功放的最高工作状态刚好

17、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。 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。,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 。,55,(3) 过压状态： 当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。,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；P1和P0都下

18、降，在弱过压状态，有所增加，但到达强过压状态，因IC波形强烈畸变，要下降， 减小。这种状态下，有UCEmin uCES 。,56,57,3. 谐振功率放大器的计算,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。 以临界状态为例：,1) 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和,导通角,集电极电流脉冲幅值Icm,或从输出特性曲线上直接得出。,58,2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数0()、1()、 n()可查表求得，并求得个分量的实际值。,3) 谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,P0=Ic0 UCC,交流输出功率：,集电极效率：,4) 根据,可求得最佳负载电阻：,59,例3-2:某谐振

19、功率放大器的动特性如图5中的所示试回答并计算以下各项：,动特性曲线上特殊点的坐标是分析、计算的关键,60,三、高频功率放大器的外部特性,1，负载特性,61,62,2高频功放的振幅特性,(1) 在欠压区：Ic0、 Ic1、Uc随Ub的增加而增加，但不成线性关系, 因为也会随之增大, 使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于乙类工作状态时, 固定90， 不会随Ub的变化而变化, 此时Uc与Ub才成正比关系。 (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。,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

20、、 功率及效率的变化特性（ RL 不变）。,63,3. 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。,因为,所以 决定了,UBB 和Ub,改变UBB与改变Ub,类似，不同的是,UBB可以为负值。,谐振功放用作基极调制电路时，必须工作于欠压区。,64,（2）集电极调制特性,高频功放的集电极极调制特性是指改变直流偏置Ucc 时, 放大器电流、 电压、 功率及效率的变化特性（ UBB Ub RL 不变）。,在UBB Ub RL 不变时，动

21、特性曲线将随Ucc的变化左右平移，由大变小时，工作状态由 欠压 临界 过压，如图。电流由完整到凹陷。,集电极调制特性曲线,当Ucc由小到大变化时，功放的状态将由过压区逐步进入欠压区，进入欠压状态后，集电极电流几乎不随Ucc而改变，而完全取决于激励的大小。,65,谐振功放用作集电极调制电路时，必须工作于过压区。,在UBB或UCC上叠加一个缓慢变化的小信号（调制信号），使放大器工作在特定的状态，则输出信号的振幅就会随叠加的小信号变化，同时完成放大和调制，通常称为高电平调制。,66,4. 高频功放的调谐特性,前面的分析都是假定放大器工作在调谐状态，实际工作时放大器需要调谐。,功放的调谐特性是指，功放

22、的输出电流，电压，随回路电容C或电感L变化的特性。,失谐时，阻抗的模RL，工作状态会发生变化。,若谐振时处于弱过压状态，则失谐时，阻抗的模下降，由阻抗特性，可知工作状态：由 临界,欠压,利用Uc和Ic0的峰值来调谐。,为防止调谐过程中烧坏晶体管，动作要快，先降低Ucc或减小激励电压。,Ic0和Ic1要增大，而Uc将下降。,P1=Uc1Ic1cos/2将下降,67,68,69,70,小结 根据以上对丙类谐振功放的性能分析, 可得出以下几点结论: (1) 若对等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在临界状态, 此时输出功率最大, 效率也接近最大。比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大。 (2) 若

23、对非等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在欠压状态, 但线性较差。若采用乙类工作, 则线性较好。比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大。 (3) 丙类谐振功放在进行功率放大的同时, 也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上, 功放应工作在欠压状态； 若调制信号加在集电极电压上, 功放应工作在过压状态。 (4) 回路等效总电阻RL，对功放的各项性能指标关系很大, 在分析和设计功放时应重视负载特性。 ,71,思考讨论题,3.谐振功放原工作于临界状态，若集电极回路稍有失谐， 放大器的IC0、 IC1、 PC 将如何变化？有何危险？,答案：回路阻抗减小，使放大器工作于欠压区，IC0 和IC1 增大

24、； PC增大；失谐大时可能烧坏晶体管。,72,4.某谐振功放，当增大UCC时，发现输出功率增大，则为什么？若发现输出功率增大不明显，则又为什么？,答案：P1增大明显，则表明谐振功放原来工作于过压区；否则 表明谐振功放原来工作于欠压区。,5.一谐振功率放大器,原来工作在临界状态,后来发现该功率放大器的输出功率下降,但效率反而提高,但电源电压Ucc、输出电压振幅Uc及Ubemax不变，问这是什么原因造成的，此时功率放大器工作在什么状态？,答案：由已知，功率放大器的工作状态不变。 由于 ，所以 不变；而=1/2，故效率的提高是由于的增加，这是通过的减小来实现的。要减小 ，有两个途径：一个是减小输入信

25、号的振幅Ub，另一个是减小UBB；但要求Ubemax不变，故只能减小UBB ，同时增大Ub 。输出功率下降，但Uc不变，所以只能是增加负载阻抗。,73,6.某谐振功放工作在过压状态，现欲将它调整到临界状态，应改变哪些参数？不同的调整方法所得到的输出功率是否相同？,答案：减小RL ，或减小UBB ，减小Ub ，或增大UCC ； 或综合调节。 不同的调整方法所得到的输出功率不相同。,74,7. 有一个丙类高频功放工作在临界状态， 已知输出功率P1=10W，电源电压Ec=30V，饱和电压UCES=2V， 导通角=75o,且0(75o)=0.269,1(75o)=0.455,求(1)集电极电压振幅UC

26、，(2)集电极最佳谐振阻抗RLCr，(3)输出效率，(4)电源功率P0,(5)集电极耗散功率Pc，(6)电源电流IC0 解：根据已知条件得：,集电极电压振幅 UC=Ec-UCES=30-2=28 （V）,75,76,8. 如果一个丙类功率放大器原来工作在临界状态，现分别单独(a)增大电源电压Ec、(b)减小谐振电阻、(c)减小负向基极偏置、(d)减小激励电压的幅度，则放大器将由临界状态进入何种状态？输出功率将有什么变化？ 解： (a)进入欠压状态，输出功率基本不变。 (b)进入欠压状态，因为电压幅度将减小，故功率将减小。 (c)进入过压状态，因为基频电流将减小，故功率将减小，。 (d)进入欠压

27、状态，功率将减小，因为基频电流和幅度都会减小。,77,77,第四节 高频功放的高频效应,低频,78,78,79,79,80,80,四、 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。,81,81,第五节 高频功率放大器的实际线路,一 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。,82,82,图 3 25 集电极馈电线路两

28、种形式 (a) 串联馈电; (b) 并联馈电,83,83,2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。,84,84,图 3 26 基极馈电线路的几种形式,85,85,二 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。,86,86,图 3 27几种常见的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型,87,87,图 3 28L型匹配网络 (a) L-I型网络; (b) L-型网络,88,88,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。