第3章 高频谐振放大器(3.1)

1、第3章 高频谐振放大器（14学时）教学要求：1 充分了解高频小信号放大器的工作原理及特点；2 掌握高频小信号放大器的电路组成、晶体管工作的内部物理机制、高频参数、高频等效电路；3 掌握高频小信号放大器放大倍数、输入阻抗、输出阻抗的计算公式的推导与使用方法；4充分理解高频小信号放大器的内部反馈及稳定工作条件，掌握消除内部反馈的原理与基本方法；5 掌握高频小信号放大器阻抗匹配、接入系数的概念与基本计算方法；6 充分了解高频功率放大器的工作原理及特点；7 深刻理解高频功率放大器动态特性的含义，三种工作状态的特点及判别。掌握欠压、临界状态下功放性能指标的估算方法；8 充分理解高频功率放大器的负载特性、

2、振幅特性、调制特性和调谐特性；9 了解高频功率放大器实际电路中的直流馈电方法和阻抗匹配的概念。教学内容：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、功率合与射频模块放大器教学难点：高频小信号放大器的等效电路及分析方法；高频功率放大器特性和分析方法。教学重点：高频小信号放大器的分析过程；高频功率放大器的分析过程。3.1 高频小信号放大器 （6学时）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。以便做进一步的变换或处理。如在接收设备中，从天线上感应的信号很弱，微安级，需要放大到伏级才能

3、进行检波，以解调出音频信号。小信号：信号较小，放大器工作在放大区（线性区）。高频小信号谐振放大器的分类：从放大器的带宽分：窄带放大器，宽带放大器。窄带放大器：信号带宽只有中心频率的百分之几（甚至千分之几），以各种选频电路做负载（兼具阻抗变换和选频滤波作用），是具有选频作用的选频放大器。宽带放大器：无选频作用，可放大多个高频信号或信号中心变化的高频信号，采用无选频作用的电路（高频变压器或传输线变压器）作负载。从元件分类：分立元件电路，集成电路的高频放大器。分立元件的高频放大器：工作频率高，线路简单，应用仍很广泛。集成电路的集中选频放大器：由高频宽带放大器与选频电路（集中滤波器）组成，具有增益高，

4、性能稳定，调整简单的优点，应用十分广泛。高频小信号谐振放大器的要求：a. 增益要高；b. 选择性要好：由两个重要的参数频带宽度和矩形系数描述；在同一信道中，可能同时存在许多偏离有用信号频率的各种干扰信号，因此高频小信号放大电路除有放大功能外，还必须有选频功能，集放大、选频于一体。c. 工作稳定可靠：性能尽可能的不受温度、电源电压等外界因数影响，不产生任何自激；d. 内部噪声要小：放大器本身的噪声越低，接受微弱信号的能力越强，灵敏度越高。3.1.1 高频小信号谐振放大器的工作原理 图31(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)

5、 交流等效电路 直流电路：与低频放大器的直流电路相同，为高频旁路电容，对高频信号短路。负载：抽头式并联谐振回路，对要放大的信号谐振，完成阻抗匹配和选频滤波功能。输入高频小信号，放大器工作在A类状态，即在整个信号的周期内，晶体管都处于导通状态。3.1.2 放大器性能分析放大倍数、输入输出电阻、通频带、矩形系数1 晶体管的高频等效电路（1）晶体管混合型等效电路（物理模型等效）：在高频段，晶体管的结电容的作用增大，不可忽略，这时晶体管在忽略了集电区和发射区体电阻和时的物理模型如图： 这个模型称为晶体管混合参数等效电路模型，适用频段可到高频段。：基区纵向体电阻，几十一百欧。：发射结电阻折合到基极回路的

6、等效电阻，（流过的电流是，在等效电路中流过的电流是）几十几百欧。：集电结电阻，由于集电结反偏，很大，几百千欧几十兆欧。根据这一物理模型，相应的晶体管在高频运用时的混等效电路如图32(a)所示：图 3 2 晶体三极管在高频运用时的混合参数等效电路(a) 晶体管混合参数等效电路; (b)晶体管 Y参数等效电路它反映了晶体管在高频运用时中的物理过程, 也是分析晶体管高频时的基本等效电路。：直接加在发射结上的电压；：受控电流源，体现了发射结电压对集电极电流的控制作用；：跨导，其定义为：，物理意义是：为单位电压时，在集电极回路引起的集电极电流的大小，反映了对的控制作用，由于结电容的影响，与不能保持正比关

7、系，所以要用表示。即当等效基极到发射极e之间加上交流电压时，集电极电路就相当于有一个电流源存在。：集电结的结电容；相当于：100500pF：发射结的结电容；相当于：210pF：集电极与发射极之间的等效电阻，表示集电极电压对集电极电流的影响，一般几十千欧以上，很大可忽略，其倒数为ce间的等效电导。（2）混合型参数与h参数之间的关系： h参数中，对应于混合型参数中应该是，所以有： 得： h参数中的受控电流源的电流为，对应于混合型参数中的受控电流源的电流为，所以有： 得：混合型等效电路中，电容跨接在和之间，将输入回路与输出回路直接连接起来，这将使求解电路的过程变得十分复杂，可以利用密勒定理将问题简化

8、，使电路分为输入、输出两部分，从而能用线性电路的方法进行计算。从模拟晶体管的物理模型出发得到混合参数模型，适用于分析宽频带放大器。另一种方法是采用Y参数等效电路进行分析。Y参数等效电路：从测量和使用的角度出发，把晶体管看成一个有源四端网络，用一组网络参数来构成其等效电路，适用于高频小信号谐振放大器。（3）晶体管Y参数等效电路（形式上的等效）：晶体管电路组成一个有源的四端网络，共有四个参数表示电路的特性。根据四端网络理论，可以用这四个参数表示晶体管的功能，任意选择其中的两个参数为自变量，另外两个参数为应变量，可以得到六种不同的参数系，对应着六种等效电路，常用的有H,Y,Z三种参数系。选为自变量，

9、为应变量H参数系，H参数等效电路；选为自变量，为应变量Y参数系，Y参数等效电路；选为自变量，为应变量Z参数系，Z参数等效电路； 晶体三极管在高频运用时的Y参数等效电路：由等效电路可以看出：即：输入电流由两部分构成，流过输入导纳的电流和由输出端电压通过晶体管内部反馈到输入端产生的电流；输出电流也由两部分构成，流过输出导纳的电流和由输入端电压通过晶体管的电流控制作用在输出端产生的电流。 Y参数的物理意义：；输出端交流短路时的输入导纳，具体的形式：，反映了晶体管存在输入电阻；输入端交流短路时的输出导纳，具体的形式：，反映了晶体管的集电极与发射极之间存在输出电阻，即晶体管的输出端对外电路而言是有内阻的

10、电流源；输出端交流短路时的正向传输导纳，具体的形式：，反映了晶体管的输入端电压对输出电流的控制作用，即晶体管的电流放大作用；输入端交流短路时的反向传输导纳，具体的形式：，反映了晶体管输出端的电压对输入端的电流的控制作用，即晶体管内部的反馈作用；等效的物理意义：输入端be间等效为一个电阻和一个受控电流源，输出端等效为一个受控电流源和输出电阻，均为有内阻的电流源。 晶体管的Y参数可以通过仪器测量或晶体管手册查出。（4）晶体管的Y参数与参数之间的关系： 可采用不定导纳矩阵方法进行转换。在忽略rbe及满足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) 可见，

11、Y参数与信号的频率有关，反映了晶体管的高频特性。当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可视为常数。以后讨论的高频小信号谐振放大器都认为工作在窄带情况下，Y参数都是常数。2 放大器的性能参数（1）高频小信号谐振放大器的高频等效电路： 图 3 3高频小信号放大器的高频等效电路 忽略管子内部的反馈, 即令Yre =0, 可得简化的等效电路。高频小信号放大器简化的高频等效电路是由集电极和发射极两端向后看进去的回路的等效导纳，由图3 3可得 (3 6a) (3 6b) (2) 电压放大倍数K得： (3 7)其中：是回路考虑了后级晶体管的输入导纳后的回路总导纳后再折合到放大器的输出端的等效导纳。考虑了后级

12、晶体管的输入导纳后的回路总导纳：包括两部分，回路本身的导纳，后级晶体管的输入导纳折合到回路两端的等效导纳。其中：，折合到回路两端是从低抽头向高抽头折合，按照电阻的折合公式，对应的导纳折合有，所以有。 回路总导纳将回路总导纳再折合到放大器的输出端的等效导纳为：（从高抽头向低抽头折合）可见，单调谐放大器在谐振时的电压增益与晶体管的正向传输导纳成正比，与输出回路的总导纳成反比。由于本身是一复数，有相角，一般说在回路调谐时，输出电压与输入电压之间相差是，式中负号不能表示输出电压与输入电压之间相差是，只有在工作频率上，输出电压与输入电压之间相差才是。通常窄带，可以看作常数，但，输出电压与输入电压之间相差

13、不等于。(3) 输入导纳Yi，而：得：有： (3 8) 表明放大器的输入导纳由两部分组成：由晶体管的输入电阻引起的输入导纳；：由反向传输导纳引入的输入导纳。当时，即不考虑晶体管内部的反馈时，与低频电路相同。(3) 输出导纳Yo输出导纳：负载开路，信号源短路（电流源开路），在输出端加测试电流时从输出端看进去的等效导纳。其等效电路为： 虽然，但，内部反馈仍然存在，受控电流源仍然存在； 有就有和；有就有。由图可得：而：（两电流与方向相反）得： 得： (3 9)其中第二项是晶体管内部存在反馈而将的导纳折合到输出端的导纳。表明，输出导纳由两部分组成：晶体管输出电阻引起的的导纳和由内部反馈将输入端的导纳折

14、合到输出端而引起的导纳。当时，即不考虑晶体管内部的反馈时，与低频电路相同。 (4) 通频带B 0.707与矩形系数K 0.1 放大器的通频带就是谐振回路通频带，故： 通频带B 0.707为： (3 10) 其中：是谐振回路的谐振频率，是谐振回路接入放大器后谐振回路的总等效电容，包括回路本身的电容和及折合到回路两端的等效电容，因为具有电容效应，也具有电容效应，折合到谐振回路两端后与回路本身的电容并联，使总电容改变。为谐振回路的有载品质因数，是谐振回路的总电导，等于等折合到回路两端的电导与回路本身的谐振电导之和。矩形系数：采用了单调谐回路作为放大器选频电路，所以单调谐回路谐振放大器矩形系数等于谐振

15、回路的矩形系数，故。3.1.3高频谐振放大器的稳定性 1 放大器的稳定性晶体管集基间存在结电容，会使晶体管存在反馈作用，反映到Y参数中，就是反向传输导纳Yre，由于的反馈，使输出信号反馈到输入端，会引起输入电流的变化，如果这个反馈在某个频率相位上满足正反馈条件且足够大，则会在满足条件的频率上产生自激振荡，因此，放大器中存在着不稳定问题。 放大器输入导纳为 其中：是由反向传输导纳引起的输入导纳，现讨论的具体形式确定在什么时候会出现正反馈而引起自激。要分别确定具体的表达式。：由，可得，在忽略影响时（），。：由，可得，在忽略影响时（），具有电容效应。：由，可写成，写成晶体管的输出电导加上与输出电容对

16、应的电纳。：为了计算出的具体形式，要根据等效电路画出包括谐振回路在内的等效电路。由图可见，谐振回路部分接入放大电路中，接入系数为，下一级放大器与这一级放大器采用变压器方式，接入系数（变换系数）为，C和L为谐振回路的电容和电感，谐振回路谐振电阻为，且。是回路考虑了后级晶体管的输入导纳后的回路总导纳后再折合到放大器的输出端的等效导纳。考虑了后级晶体管的输入导纳后的回路总导纳：包括两部分，回路本身的导纳，后级晶体管的输入导纳折合到回路两端的等效导纳。其中：（是晶体管的输入导纳），折合到回路两端是从低抽头向高抽头折合，按照电阻的折合公式，对应的导纳折合有，所以有。 回路总导纳将回路总导纳再折合到放大器

17、的输出端的等效导纳为：（从高抽头向低抽头折合）而晶体管的输出导纳：所以： 令：；则应用公式： 其中得：其中：最后得到：将，代入中得，可见由反向传输导纳引起的输入导纳由两部分构成：电导部分和电纳部分。结论：当回路谐振时，为一个纯电容。回路失谐时，当时，电导为正，消耗能量，引入负反馈；当时，电导为负，补充能量，引入正反馈，当正反馈严重时，即使没有外加信号，放大器输出端也会有信号，产生自激。2. 提高放大器稳定性的方法(1)从晶体管本身入手：减小晶体管的反向传输导纳，反向传输导纳的大小主要取决于，要选尽可能小的管子。（2）从电路上入手：设法消除晶体管的反向作用，使它单向化。 中和法：是利用中和电容C

18、n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，使流过的电流的方向与流过的电流方向相反，抵消引入的正反馈。电路如图。图 3 5 中和电路(a) 原理电路; (b) 某收音机实际电路结电容，中和电容，电感和电感四个元件组成电桥，根据电桥平衡有 则中和条件为 (3 12)说明：a. 用表示晶体管的反馈只是近似，而和又只是在回路完全谐振的频率上才能准确的反相，因此只能在某一个频率上点起到完全中和的作用，对其它频率只有部分中和作用；b. 由于有分布电容和温度变化的影响，中和的效果有限，应用较少，主要用在收音机中。 失配法：增大负载导纳，进而增大总回路的导纳，

19、使输出电路失配（原电路的负载阻抗与电路的输出端匹配，总阻抗较大，而放大器的电压增益与总阻抗正比，所以总阻抗较大，输出电压较大），使输出电压减小，反馈到输入端的反馈量减小，对输入端的影响减小，从而破坏自激振荡条件，达到消除自激的目的。可见，失配法是用牺牲放大器的增益来换取电路的稳定的。通常是两者兼顾，在不自激的条件下，尽可能的增大放大器的增益。常用方法：采用共发共基电路。图 3 6 共发共基电路：共发射极接法，输出导纳适中（输出阻抗适中），：共基极接法，输入导纳很大（输入阻抗很小）很大的输入导纳与不大的输出导纳并联，使共发射极电路的总输出导纳较大而使电路失配，从而使共发射极晶体管内部的反馈减弱，

20、破坏自激振荡条件，达到消除自激的目的。此外由公式可知，晶体管内部的反馈主要由引起，对第一级电路，第二级的输入导纳，就是第一级的负载导纳（），增大第二级的输入导纳，使第一级总导纳增大，从而使引起内部反馈的导纳减小，反馈减弱，破坏自激振荡条件，达到消除自激的目的。数量级上，采用复合管后反向传输导纳只有单管时的0.67%左右，减小为单管的1/130，这充分说明共发共基电路在较小内部反馈、提高放大器稳定性方面的突出优点。同时复合管的输出导纳也比单管减小了一半左右（阻抗增大一倍），就可能将谐振回路直接接到复合管端，而不一定要采用部分接入方式。第一级共发射极电路在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益减小，但

21、电流增益仍很大，而第二级共基极电路虽然电流增益接近于1，但电压增益较大，二者级联后互相补偿，电压增益和电流增益均较大。比单管共射极放大器的增益高出3分贝左右，较好地解决了增益和稳定性的矛盾，在通信设备和质量较高的收音机中得到广泛应用。3.1.4多级谐振放大器 多级谐振放大器的增益是单级放大器增益的乘积； 多级谐振放大器的通频带比单级放大器的通频带要小。1多级单调谐放大器（一般若要求增益为80100分贝，则需要45级放大器）：多级单调谐放大器：各级放大器的谐振回路相同，均为单调谐并联谐振回路，各级放大器的谐振频率相同, 均为信号的中心频率，则： 总电压增益： (3 13) 若单级放大器的归一化的

22、频率特性： (3 14)，各级放大器的归一化的频率特性均为，则n级放大器的总的归一化的频率特性为： (3 15)据此可以算出多级放大器的总带宽和矩形系数。例：设多级单调谐放大器每一级放大器的带宽相同，为n=1时（只有一级，单级）：带宽：令， ， ， 取可得带宽为，相对带宽：矩形系数：令， ， ， 取可得，矩形系数为：n=2时（有二级，多级）：带宽：令， ， 取可得，带宽为，相对带宽：，即电路的总带宽只是单回路带宽的0.644倍，总带宽减小。矩形系数：令， ， ， 取可得，矩形系数为：可见，随着n的增加，总带宽减小，矩形系数改善，级数越多，改善越小，如果要求矩形系数小于2.5时，单调谐放大器无论

23、多少级也达不到。2. 多级双调谐放大器双调谐放大器在通频带一定时，其矩形系数比单调谐放大器要小，选择性较好，能较好的解决选择性和通频带之间的矛盾。双调谐放大器有两个相互耦合的谐振。集电极输出回路采用两个相互耦合的谐振回路，两个回路都对信号频率调谐，谐振频率相同, 均为信号的中心频率。反映两回路耦合大小的是两线圈间的互感M，的大小。选择临界耦合（耦合因子A=1），有n个双回路的多级放大器的归一化频率特性为： (3 16)由此可以计算出多级双调谐放大器的带宽和矩形系数。3. 参差调谐放大器 各级谐振回路的谐振频率不同，各级的谐振回路按一定规律分别调谐不同频率上。如将两级单调谐回路放大器的谐振频率分

24、别调谐在略高于和略低于中频频率上，得到的总的谐振曲线可使频带展宽，曲线更接近矩形。常用于带宽较宽的场合。 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彩色电视机高频头的调谐放大器的简化电路。 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 集中选频放大器组成框图图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 1

25、1示出了Mini Circuits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 例题：某中频放大器线路如图所示，已知放大器的工作频率为，回路电容，中频变压器接入系数，线圈的品质因数为，晶体管的Y参数（在工作频率下）如下：（晶体管输入导纳），（晶体管输入电容），（晶体管反向传输导纳），（晶体管正向传输导纳），（晶体管输出导纳），（晶体管输出电容），设后级晶体管的参数与前级晶体管的参数相同。求：回路的有载和通频带；放大器的电压增益；中和电容的值。（N为变压器初级线圈的总匝数）解：回路的有载和通频带：晶体管的参数：，谐振回路部分接入放大器前级的晶体管和下级放大器的晶体管，谐振回路的Q值与谐振回路两边所有的电路有关：其中：是回路考虑了前级晶体管的输出电阻和后级晶体管的输入电阻后的回路总电阻，与回路相连的所有的电阻有关，包括三部分：回路本身的电阻，前级晶体管的输出电阻折合到回路两端的等效电阻，后级晶体管的输入电阻折合到回路两端的等效电阻。空载时，回路的谐振电阻为：前级晶体管的输出电阻折合到回路两端的等效电阻（低抽头端向高抽头折合）：后级晶体管的输入电阻折合到回路两端的等效电阻（低抽头端向高抽头折合）：回路总电阻：是回路考虑了前级晶体管的输出电容和后级晶体管的输入