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1、射频电路基础,1,第三章 高频谐振放大器,第一节 高频小信号放大器 第二节 高频功率放大器的原理和特性 第三节 高频功放的高频效应 （了解） 第四节 高频功率放大器的实际线路,第一节 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，以便作进一步的变换和处理。即：不失真地放大高频小信号和选频滤波。“小信号”是相对放大器的线性范围来讲的。选频滤波主要由谐振回路来实现。 高频小信号放大器按频带宽度可以分为窄带放大器和宽带放大器。 按有源器件可以分为以分立元件为主的高频放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。,4,宽频带放大电路也是由晶体管、场效应管或集成电路提供电压

2、增益。为了展宽工作频带,不但要求有源器件的高频性能好, 而且在电路结构上采取了一些改进措施。,窄带放大器由晶体管、场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益, LC谐振回路、陶瓷滤波器、石英晶体滤波器或声表面波滤波器等器件实现选频功能。它有两种主要类型：以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。分立元件高放通常用于窄带放大，工作频率可以很高，但调整困难；集成高放一般用于宽带放大，增益较高，性能稳定，但噪声性能差。实际中，集成高放非常重要，但其组成和原理以分立为基础。,对高频小信号放大器的主要要求是： 增益要高； 频率选择性要好； NF 要小； 工作稳定可靠。,第一节 高频小信号

3、放大器,6,第一节 高频小信号放大器,一、工作原理,高频小信号谐振放大器实际线路,高频小信号谐振放大器交流等效电路,特点： 集电极负载为LC并联谐振回路。 采用了部分接入方式。,7,第一节 高频小信号放大器,二、放大器性能分析 1晶体管的高频等效电路 混参数等效电路。图中,图3-2 (a)晶体三极管混 等效电路,rbb： 基区体电阻, 约1550,rbe： 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,rbc：集电结电阻, 约10k10M,rce：集电极发射极电阻, 几十千欧以上,gm：晶体管跨导, 几十毫西门子以下,8,Cbc：集电结电容, 约几个皮法,Cbe：发射结电容, 约

4、10 皮法到几百皮法,图3-2 (a)晶体三极管混 等效电路,9,第一节 高频小信号放大器,Yie 是输出端交流短路时的输入导纳； Yoe 是输入端交流短路时的输出导纳； Yfe 是输出端交流短路时的正向传输导纳； Yre 是输入端交流短路时的反向传输导纳。,直接用混 等效电路分析放大器性能时很不方便，常采用Y参数等效电路，如图所示。,10,反向传输导纳,正向传输导纳,输出导纳,图中受控电流源 表示输出电压对输入电流的控制作用（反向控制）； 表示输入电压对输出电流的控制作用（正向控制）。Yfe越大, 表示晶体管的放大能力越强；Yre越大, 表示晶体管的内部反馈越强。Yre的存在, 对实际工作带

5、来很大危害, 是谐振放大器自激的根源, 同时也使分析过程变得复杂, 因此应尽可能使其减小, 或削弱它的影响。 ,输入导纳,11,第一节 高频小信号放大器,高频小信号放大器的Y参数等效电路： 信号源用电流源 表示， 是电流源的内导纳，负载导纳为 ， 忽略管子内部的反馈，即令 ，可得：,12,第一节 高频小信号放大器,2.高频小信号放大器的性能分析 1)电压放大倍数K 2)输入导纳Yi,3)输出导纳Yo,13,第一节 高频小信号放大器,谐振频率：,通频带：,矩形系数：,其中：C为等效的回路总电容。,其中：可见其矩形系数远大于1，选择性较差。,其中：QL为回路的有载品质因数。,4)通频带B0.707

6、与矩形系数K0.1,14,第一节 高频小信号放大器,三、谐振放大器的稳定性,共射电路由于电压增益和电流增益都较大, 所以是谐振放大器的常用形式。,以上我们在讨论谐振放大器时, 都假定了反向传输导纳Yre, 即晶体管单向工作, 输入电压可以控制输出电流, 而输出电压不影响输入。实际上Yre0, 即输出电压可以反馈到输入端, 引起输入电流的变化, 从而可能引起放大器工作不稳定。如果这个反馈足够大, 且在相位上满足正反馈条件, 则会出现自激振荡。 ,为了提高放大器的稳定性, 通常从两个方面着手。,15,提高放大器稳定性的方法 1、是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳Yre 。 2、是从电路上设法

7、消除晶体管的反向作用，使它单向化，具体方法有中和法和失配法。,由于Yre是随频率而变化的, 所以固定的中和电容N只能在某一个频率点起到完全中和的作用, 对其它频率只能有部分中和作用, 又因为Yre是一个复数, 中和电路应该是一个由电阻和电容组成的电路, 但这给调试增加了困难。另外, 如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响, 中和电路的效果很有限。 ,失配法通过增大负载电导L, 进而增大总回路电导, 使输出电路严重失配, 输出电压相应减小, 从而反馈到输入端的电流减小, 对输入端的影响也就减小。可见, 失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。 ,选Cbc或Yre小的晶体管，如双栅场效应管,

8、16,第一节 高频小信号放大器,1、中和法通过在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路(中和电路)来抵消晶体管内部参数 Yre 的反馈作用。 中和条件为：,图3-5 (a) 中和电路原理电路,Cb C,17,第一节 高频小信号放大器,2、失配法通过增大负载导纳，进而增大总回路导纳，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。 失配法是用牺牲增益来换取电路的稳定。,共发-共基电路,由于共基电路的输入导纳较大, 当它和输出导纳较小的共射电路连接时, 相当于使共射电路的负载导纳增大而失配, 从而使共射晶体管内部反馈减弱, 稳定性大大提高。,18,第一节 高频小信号放大器,

9、四、多级单调谐放大器的性能指标, 电压增益：如果有n级且各级增益相同,则：,Au,=,Au1 Au2 Au3 Aun,(Au1)n,=,19, 通频带：,20, 选择性：,所以N级的矩形系数为,21,四、双调谐放大器的电路及特点,第一节 小信号谐振放大器,集电极负载为双调谐耦合回路； 初、次级均采用了部分接入方式。,22,第一节 小信号谐振放大器,双调谐放大器在临界耦合的条件下谐振电压增益是单调谐的1/2倍。,双调谐的通频带和单调谐通频带的关系：,矩形系数小于单调谐，选择性好，即,缺点是调谐不方便。,23,第二节 高频功放的原理和特性,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

10、率为目的。高频功放的本质是将电源供给的直流功率装换成高频功率。 为提高转换效率，高频功率放大器多工作在C类状态，且一般采用选频网络作为负载，完成阻抗变换和滤波功能，也称谐振功放。,24,丙类谐振功放的主要特点 （高频和大信号非线性）,1.与低频功放相比较,工作频率和相对频带不同 负载性质不同 工作状态不同（甲类、乙类、甲乙类）,对放大信号的要求不同 谐振网络的作用不同 工作状态不同,2.与小信号谐振放大器比较,低频功放频率低，但相对频带宽；高频功放工作频率高，但相对频带较窄,25,第二节 高频功放的原理和特性,一、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

11、外，它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成。,图3-12 晶体管高频功率放大器的原理线路,三极管V（高频大功率管）在工作时应处于丙类工作状态，只有小部分时间导通。LC谐振回路起到滤波和匹配作用。基极电源UBB应小于死区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一般UBB略小于0。集电极电压UCC是功率放大器的能量来源。,26,第二节 高频功放的原理和特性,1、电流电压波形 设输入信号为 ， 则得基极回路电压为 ，画出 的波形，再由晶体三极管的转移特性曲线即可得到集电极电流的波形，如图所示。,27,第二节 高频功放的原理和特性,集电极电流这样的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

12、量，即,式中,28,其中0()、1() 、n ()为谐波分解系数；另定义 =Ic1/Ic0= 1() / 0()为波形系数，随减小而增大。,29,第二节 高频功放的原理和特性,由图可以看出，放大器的负载为并联谐振回路，回路输出的电压为： 按图规定的电压方向，集电极电压为：,波形变化见下页示意图,30,波形分析：,三极管输入特性 基极脉冲电流及谐波分量 集电极脉冲电流及谐波分量 LC谐振回路两端电压波形 晶体管集电极和发射极之间的瞬时电压波形,31,第二节 高频功放的原理和特性,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,集电极电源供给的

13、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,PC变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率为,32,效率：,其中：,为集电极电压利用系数。,为集电极电流利用系数（波形系数）。,各类功放效率估算（ 1）：,A类（甲类）：,B类（乙类）：,C类（丙类）：,33,由效率的表达式可以看出，要提高功放的效率有两种途径：一是提高电压利用系数，即提高Uc，这就需要提高谐振回路的谐振阻抗RL，后面我们会做详细讨论；另一是提高波形系数 ，显然与晶体管的通角有关，波形系数和通角的关系可见下页示意图。由图可知， 越小，越大，效率越高，但太小时，输出功率将下降。如=0时，=

14、max=2，1()=0,输出功率也为零，为了兼顾效率和功率，常选在6575左右。,34,其中0()、1() 、n ()为谐波分解系数；另定义 =Ic1/Ic0= 1() / 0()为波形系数，随减小而增大。,35,第二节 高频功放的原理和特性,基极电路中，信号源供给的功率称为高频功放的激励功率:Pd=1/2 Ib1Ub 高频功放的功率放大倍数为:KP=P1/Pd 用dB表示为:KP=10lgP1/Pd ，也称为功率增益。,36,例： 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EC=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

15、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。,题意分析：本题直接采用功放的电流、电压、能量关系即可。已知电源电压以及输出电流的直流分量，可以求出集电极电源供给的直流功率，从而得到集电极损耗功率及效率，通过电压利用系数，可以计算出波形系数，进而利用输出电流的直流分量，求出输出电流里的基波分量，再利用输出功率可以得到临界负载阻抗。,37,解：,38,第二节 高频功放的原理和特性,1.高频谐振功率放大器的动特性 高频功放的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

16、。,高频功放的动特性,二、工作状态,39,第二节 高频功放的原理和特性,t=0,uBE=uBEmax =UBB+Ub,iC=iCmax,uBE=uBEmax =UBB+Ub,uCE=uCEmin =UCC-Uc,40,高频功放的动特性的绘制方法：,41,动态线的作法,可见，动态线和UCC，UBB，Ub，Uc相关。,在以UBE作为参变量的三极管输出特性曲线上作出的交流负载线。,AB为动态线，且有：,42,第二节 高频功放的原理和特性,2.高频谐振功率放大器的工作状态 根据集电极电流是否进入饱和区 欠压状态（UCEmin uCEs ）、 过压状态 、 临界状态,43,第二节 高频功放的原理和特性,

17、临界饱和线,A1Q欠压状态,A2Q临界状态,A3Q过压状态,44,前面提到，要提高高频功放的功率、效率，除了工作与丙类状态外，还应提高电压利用系数=Uc/UCC，也就是加大Uc。这就要靠增加回路阻抗RL来实现。,当Uc不是很大时（A1Q），晶体管只在截止和放大区变化，集电极电流为余弦脉冲，随Uc的加大，集电极电流基本上不变化。输出功率P1=Ic1Uc/2随Uc的增加而增加。由于P0=Ic0UCC基本不变，随Uc的增加而增加，这种状态称为欠压状态。,45,当Uc加大到曲线A2Q，由于uCEmin下降，晶体管从放大区即将进入饱和区（集电结开始正偏），将这种情况称为临界状态。,当Uc进一步加大时，u

18、CEmin变得更小，晶体管进入饱和区（曲线A3Q），此时因接近1，称为过压状态。,从iC波形来看，欠压状态时iC是余弦脉冲；临界状态iC只是顶部稍平，iCmax比欠压时少小一点；过压状态的特点是顶部出现凹陷。,46,动特线的斜率,说明动特线的斜率不仅与RL有关，而且与有关。，随着RL的增加，斜率减小（负值），功放将从欠压状态向过压状态变化。,47,第二节 高频功放的原理和特性,三、高频功放的外部特性 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、功率及效率变化的特性。 按照欠压状态，临界状态和过压状态讨论。,48,上节讲到：随着RL的增大，高频功放先后经历：欠压

19、临界过压。,在欠压状态下，功放近似为交流恒流源，即iC近似不变（略有减少），从而IC1、IC0近似不变，故随着RL的增加，输出功率P1=1/2I2C1RL增加，电源功率P0=IC0UCC近似不变，所以效率也增加。,在过压状态下，功放近似为交流恒压源，即uC近似不变（略有增加），故随着RL的增加，输出功率P1=1/2U2C1/RL减少；且因为波形的凹陷IC1、IC0 都要减小；电源功率P0=IC0UCC减小；效率先在弱过压状态增加到最大值，然后减小。,49,第二节 高频功放的原理和特性,经上述分析可知：临界状态输出功率最大，效率较高。功放常设计临界状态工作，此时负载称为最佳负载电阻RLcr。,5

20、0,第二节 高频功放的原理和特性,2. 高频功放的振幅（放大）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。,特点：随着Ub的增大，先后经历：欠压临界过压，且增大。,应用：欠压时用于放大，过压时 用于限幅。,放大区,限幅区,51,第二节 高频功放的原理和特性,3.高频功放的调制特性 改变它的某一电极直流电压来改变高频信号的振幅，从而实现振幅调制。 高频功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。,52,第二节 高频功放的原理和特性,（1）基极调制特性 基极调制特性是指仅改变UBB时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。 特点：随着UBB

21、增大，先后经历：欠压临界过压， 且 增大。 作为基极调制时应工作于欠压区。,高频功放的基极调制特性,53,第二节 高频功放的原理和特性,(2) 集电极调制特性 集电极调制特性是指仅改变UCC，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。,高频功放的集电极调制特性,特点：随着UCC增 大，先后经历： 过压临界欠压 且不变。,作为集电极调制 时应工作于过压区,54,第二节 高频功放的原理和特性,4. 高频功放的调谐特性 在前面所说的高频功放的各种特性时，都认为其负载回路处于谐振状态，因而呈现为一电阻RL。实际使用时要通过改变回路元件(回路电容)来进行调谐。,高频功放的调谐特性,55,当回路失谐时，不论

22、是感性失谐还是容性失谐，阻抗ZL的模值要减小，工作状态发生变化。设原工作于弱过压状态，由于阻抗模值减小，将向临界和欠压状态变化，此时IC0和IC1要增大，而Uc将下降，如图所示。由图可知，可以利用Ic0或Ie0最小，或者利用Uc最大来指示放大器的调谐。通常因Ic0变化明显，故可在集电极串接直流表测试Ic0来指示调谐。,由于失谐后集电极功耗Pc将迅速增加，因此功放失谐时间要短，调谐要迅速，以防止功放因过热而损坏。当然也可通过减小激励信号或减小电源电压保证功放不会烧坏。,56,第二节 高频功放的原理和特性,例：一个丙类谐振功率放大器，其工作在临界状态。在调试中发现输出功率和效率均达不到设计要求，则

23、应如何进行调整。,答：输出功率不能达到设计要求，表明放大器没有进入临界状态，而是工作在欠压或过压状态。若增加负载RL能使P0增大，则根据负载特性判断实际工作于欠压状态，在这种情况下，可通过增加RL、UBB、Ub或同时增加或两两增大，可是放大器进入临界，效率和功率同时增大；否则工作过压，此时可在增大UCC的同时适当增大RL或Ub或UBB。,57,第三节 高频功放的高频效应,功放管的高频效应主要有以下几方面： 一、少数载流子的渡越时间效应 二、非线性电抗效应 三、发射极引线电感的影响 四、饱和压降的影响,58,第四节 高频功放的实际线路,一、直流馈电线路 馈电电路是为功放管基极提供适当的偏压，而为

24、集电极提供电源电压。直流馈电线路有两种不同连接方式，分别是串联馈电和并联馈电。所谓串馈，是指直流电源UCC、滤波匹配网络和功放管三者在电路形式上是串联起来的。所谓并馈，即这三者是并联起来的。,谐振功放的管外电路由两部分组成：直流馈电线路和滤波匹配网络。,59,馈电原则： 馈电电路应保证在集电极和基极回路使放大器正常工作所必须的电压、电流关系，即保证集电极回路电压uCE=UCC-uC和基极回路电压uBE=UBB-ub，以及在回路中集电极电流的直流和基波分量都有各自的正常通路。 高频信号不要流过直流源，以减少不必要的高频功率的损耗；还可防止会产生自激。 正确使用高频扼流圈和旁路电容。前者为大电感，

25、对高频而言接近开路；后者为大电容，对高频而言接近短路。,60,1.集电极馈电线路 下图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。,串联馈电,并联馈电,串联馈电的优点：UCC、LC、Cc处于高频地电位，分布电容不易影响回路。缺点是：回路处于直流高电位。,并联馈电的优点：回路处于直流地电位，安装方便。,61,第四节 高频功放的实际线路,2.基极馈电线路 基极馈电线路也有串馈和并馈两种形式。典型有下图三种方式：,串馈,并馈,62,基极组合偏置,基极自给偏置,发射极自给偏置,零偏置,IB0,IB0,IC0,63,第四节 高频功放的实际线路,例2： 改正图示线路中的错误，不得改变馈电形式，

26、重新画出正确的线路。,64,第四节 高频功放的实际线路,改正后的电路如图,65,第四节 高频功放的实际线路,二、输出匹配网络 常用的输出线路主要有两种类型：LC匹配网络和耦合回路。 主要作用有：（1）匹配：使外接负载阻抗与放大器所需的最佳负载电阻相匹配，以保证输出功率最大；（2）滤波：滤除不需要的各次谐波分量，选出所需的基波成分；（3）效率：要求匹配网络本身的损耗尽可能小，即传输效率要高。,66,第四节 高频功放的实际线路,LC匹配网络 LC元件消耗功率很小，可以高效地传输功率。同时，由于它们对频率的选择作用，决定了这种电路的窄带性质。,67,第四节 高频功放的实际线路,为了分析方便，首先我们

27、对串、并联阻抗转换做一简单分析。如图,68,第四节 高频功放的实际线路,1）L型匹配网络按负载电阻与网络电抗的并联或串联关系，可以分为L-I型网络(负载电阻RP与XP并联)与L-II型网络(负载电阻RS与XS串联)两种。,69,第四节 高频功放的实际线路,对于L-I型网络有,由此可见，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L-I型网络，通过调整Q值，可以将大的RP变换为小的RS以获得阻抗匹配(RS= RLcr )。谐振时，应有XS+XS=0 。,70,第四节 高频功率放大器的实际线路,对于L-II型网络有,由此可见，在负载电阻RS小于高频功放要求的最佳负载阻抗RLcr

28、时，采用L-II型网络，通过调整Q值，可以将小的RS 变换为大的RP 以获得阻抗匹配( RP=RLcr )。谐振时，应有XP+XP=0.,71,第四节 高频功放的实际线路,例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，功放临界电阻RLcr=100，天线端电阻R2=10。,分析：根据匹配网络的性质，本题只能选用L-II型网络，网络中的参数应如何选择呢？这是本题的主要目的。利用阻抗变换关系可以计算出匹配网络的Q值，从而利用第二章谐振回路的特性即可以设计出我们需要的网络。,72,解：根据匹配网络的性质，采用图示的电路，串联支路用电感，并联支路用电容，这对滤除高频有利（属

29、于低通型）。,回路的品质因数,串联电抗,串联电感,并联电容,讨论：本例只有清楚L型网络的阻抗变换，并对谐振回路充分了解的情况下才能正确分析。一些同学拿到本题后不知如何着手，其实冷静分析一下还是能正确求解的：由阻抗变换的要求，可以利用阻抗变换公式计算出网络所需的Q值，利用回路的Q值计算公式,73,第四节 高频功放的实际线路,2）T型匹配网络 3）型网络,74,第四节 高频功放的实际线路,T型匹配网络,L型匹配网络,基极自给偏置,集电极并馈,75,本章小结,1.高频谐振放大器分为高频小信号放大器和高频功率放大器（均有窄带和宽带之分）。 2.小信号放大器存在稳定性问题。常采用失配法和中和法提高电路稳

30、定性。 3.为了提高效率，谐振功放一般工作在丙类状态，其集电极电流是失真严重的脉冲波形。 4.谐振功率放大器有欠压、临界、过压三种状态。 5.谐振功放的外特性包括：负载特性、振幅特性、调制特性和调谐特性。 6.谐振功率放大器电路包括集电极馈电电路、基极馈电电路和匹配网络等。,76,典型例题分析,1.一谐振功放如图所示，试做选择： （1）该功放的通角为：（a） 90o；（b） 90o；（c） =90o （2）放大器的工作状态系：（a）由EC、EB决定；（b）由Uc、Ub决定；（c）由UBEmax、UCEmin决定。 （3）欲高效率、大功率，谐振功放应工作于（a）欠压状态；（b）临界状态；（c）过压状态。 （4）当把图中的A点往上移动时，放大器的等效阻抗是：（a）增大；（b）不变；（c）减小。相应的工作状态是：（a）向欠压状态变化；（b）向过压状态变化；（c）不变。,77,典型例题分析,例2 一晶体管组成的单回