上海交通大学张肃文高频课件.ppt

第一章 绪 论, 1.1 无线通信系统概述 一.无线通信系统的组成 1.通信:传输电信号。即信息的传输过程。 传输指远距离。 信号指声音、图像、文字等。 发展历史从峰火台到现代通信。 通信系统：实现信息传递的系统。 2.组成:,发送设备:产生适合信道传输的信号。 信道：传递的媒介。有有线、无线、光纤之分。 接收设备：还原出原信号。 发射：,信源,发送设备,信道,信舍,接收设备,低频 放大器,调制器,高频小信号放大器,高频功率放大器,载波 振荡器,高频电路,语音,300-3400HZ,接收： 超外差接收机： 高频小信号放大器放大倍数作不高，容易自激。,高频小信号放大器,解调器,低频 放大器,高频小信号放大器,混频器,中频 放大器,检波器,低频 放大器,本机 振荡器,高频电路,二.无线通信系统的类型 1.按工作频段:(长波)、中波、短波、 超短波、微波、卫星通信。(红为高频) 2.按通信方式:全双工、半双工、单工。 单工：只能发或只能收。（单向） 半双工：既能发也能收，但要分时， 不能同时收发。（双向、时分） 例：对讲机 全双工：同时收发。例：手机 3.按调制方式:调幅(AM)、调频(FM)、,调相(PM)、脉冲调制。 4.按传送的信息:模拟通信、数字通信。 或分话音、图像、数据、多媒体通信。, 1.2 无线电信号与调制 一.信号分类 无线电信号:调制信号(基带信号)、载波 信号、已调波信号。 调制信号低频信号 载波信号 已调波信号 高频信号 二.无线电信号的特性 1.时间特性 时间和振幅之间的关系。,通常用波形图或数学表达式描述，f(t) 2.频谱特性 (角)频率和振幅之间的关系。F() 有幅频特性和相频特性。 周期信号离散的频谱；非周期信号连续的 频谱。 较复杂的信号用频谱表示较为方便。 重要参数是频带宽度。 例：语音范围在 100HZ-6KHZ， 一般在 300-3400HZ，,调幅带宽为 9KHZ， 调频带宽为 200KHZ， 电视带宽为 8MHZ。 频分复用是无线通信采用高频原因之一。 三.频率特性 指无线电信号的频率或波长。 无线电波在电磁波频谱中的位置看p5，在 电磁波中无线电波频率相对较低，波长相 对较长。 无线电波波段划分：p5,4.传播特性 指无线电信号的传播方式、传播距离和 传播特点。 无线通信的传输媒质(信道)是自由空间。 无线电信号经天线发射，由于能量被扩散、 吸收、反射、散射等现象，到接收天线时 强度大大衰减，为有效传输要选择传播方式， 传播方式的选择主要依据无线电信号的频率。 绕射传播(地波): 靠电磁波绕射传播。 长、中、短波特别是长、中波以地波传播,能传播很远。 折射和反射传播(天波): 靠电离层反射、折射 传播。 中、短波特别是短波以天波传播能远距离 传播。 直射传播(空间波): 由于地球曲率，直射传播 的距离有限。 寻呼台采用这种传播方式。 通过架天线、中继或卫星可以远距离传输。 超短波和微波以空间波传播。,5.调制特性 高频信号适合于天线发射,空间传播,只有 频率高,波长才短,使之与天线尺寸相比拟, 高效辐射. 为了有效发射低频信号,通常的做法是把 低频信号通过调制转化成高频信号发射, 这是无线电采用高频的原因之二; 调制:用调制信号控制高频载波的参数, 使载波的某参数按调制信号的规 律变化。 调幅(AM): 高频载波的振幅按调制信号的,规律变化。 调频(FM): 高频载波的频率按调制信号的 规律变化。 调相(PM): 高频载波的相位按调制信号的 规律变化。 脉冲调制: 当载波信号为脉冲信号时的上述 调制的总称。 解调(检波、鉴频、鉴相): 调制的逆过程。, 1.3 本课程的特点 一.功能多样化 放大、振荡、频变。 二.电路多样化，分立为基础 二极管、三极管、场效应管、变容二极管。 三.概念多，分散 章与章之间联系少。 四.非线性电路分析方法 除高频小信号谐振放大器外，都属于非线 性电路，所以不能用线性电路的分析方法和,定理，如微变等效电路法，叠加定理。而 非线性分析不成熟或无分析法，只有特定 的解。 多采用工程估算，高一级可采用CAD辅助 分析，EAD辅助设计。 要求： 1.典型基本电路工作原理, 工程估算。 2.基本概念。 3.非线性电路分析方法。,第二章 高频电路基础, 2.1 高频电路中的元器件 一.高频电路中的元件 1.高频电阻 LR引线电感; cR 分布电容 LR cR越小,高频特性越好, 高频特性与制作电阻的材料、封装形式和 尺寸大小有关。,R,LR,cR,R,金属膜电阻比碳膜电阻高频特性好； 碳膜电阻比线绕电阻高频特性好； 表面贴装电阻比引线电阻高频特性好； 小尺寸电阻比大尺寸电阻高频特性好。 2.高频电容 Lc 分布电感; Rc 极间绝缘电阻 电解电容高频特性差;云母、陶瓷电容 性能好。,c,Lc,c,Rc,3.高频电感 RL 交流电阻; cL 分布电容 Q 品质因数, 损耗越小 Q= L/RL,f,z,fs,感性,容性,L,L,RL,cL,f,z,fp,感性,容性,二.高频电路中的有源器件 1.二极管 在高频中用于检波、振幅调制、混频等 非线性变换电路中。 如 : 点接触二极管(2AP), 极间电容小, 工作 频率高; 表面势垒二极管, 工作频率高达微波; 变容二极管,电容随反偏电压变化;,u,cj,PN结呈电容效应: PN结正偏时,扩散电容cD起主要作用; PN结反偏时,势垒电容(结电容) cj起主要 作用。 在PN结反偏时经过特殊处理使cj有较大变 化范围变容二极管 2.晶体管 场效应管 高频小功率管:高增益,低噪声,工作频率可达 几GHz。 高频大功率管：高增益,较大输出功率。,几百MHz下，输出功率可达10-1000w。 场效应管：同高频率下，增益同级，噪声 更低。 一种砷化镓场效应管，工作频率可达十几 GHz。 金属氧化物场效应管，几GHz频率上， 输出功率能达几瓦。 3.集成电路 高频比低频品种少 通用有:宽带集成放大器,100-200 MHz, 50-60dB;,模拟乘法器,100 MHz以上, 专用:集成锁相环、单片集成接收机、集成 鉴频器、彩电专用芯片、手机专用芯片。, 2.2 高频电路中的基本电路 一.高频振荡回路 作用:选频、阻抗变换。 1.简单振荡回路 (1)并联谐振回路 (特性图) 谐振时0= ,此时|zp |最大,为纯阻Ro,L r,c,c,L,Ro,Q= 无功/有功; Q = 0L/r = 1/0Lr =/r ;或 Q = Ro /0L =0cRo = Ro / , 回路特性阻抗 =0L = 1/0c = Q越高,回路选择性越好,说明损耗越小, Q0空载; QL 有载, 失谐系数 = 2Q = 2Q , 当= 1时, 2f为带宽B, B0.707 = f0/Q , 矩形系数 kr0.1= B0.1/B0.707,越接近1越好, 是衡量选择性好坏的技术指标,单级为9.96,Q谐振曲线越尖锐B0.707kr0.1不变, zp= Ro/(1+j), z=-arctan, dz/d| =0= -2Q/0, 说明Q值越高,斜率越大,曲线越陡峭; 而在谐振频率附近, Q值越小,线性范围越宽, Ic= IL= QI,U,I,Ic,IL,例:有一并联谐振回路, f0 =10 MHz,c=50pF, (1)试计算L值; (2)若Q =100, 求Ro 和B; (3)若B =0.5 MHz, 则并联多大的负载才 能满足带宽的要求? 解: (1) f0 = L= 1/(42f02c) = 5uH (2) Q = Ro /0L Ro = Q 0L = 31.4 k B0.707= f0/Q = 100 kHz,(3) QL = f0/B = 20 R = QL0L = 6.28 k R = RL Ro RL= 7.87 k (2)串联谐振回路 (特性图) 谐振时0= ,此时|zs |最小, 为纯阻r,L r c,Q = 0L/r = 1/0cr = /r B0.707 = f0/Q kr0.1= B0.1/B0.707 (3)串并联阻抗变换 zs=zp 1/(Rs+j xs) = ,xs Rs,xp,Rp,Rp= (Rs2+ xs2)/ Rs = Rs(1+ Q2) 串 并 xp = (Rs2+ xs2)/ xs = xs(1+ 1/Q2) 或 Rs = Rp/(1+ Q2) xs = xp/(1+ 1/Q2) 并 串 例: Q = 0L/r1, Rp= Rs(1+ Q2) = r (1+ Q2) Lp= L(1+ 1/Q2) L,L r,c,c,Lp,Rp,2.抽头并联振荡回路 目的:实现信号源与回路或回路与负载的阻 抗匹配或阻抗变换。 保证通频带和选择性的要求。 接入系数 p = 被折合端电压/观察端电压 = Uab/ Ucd p 1 p = Uab/ Ucd =,Uab,Ucd,RS,RS,L1 L2,c,R0,按变换前后功率相等原则,有: RS= RS/ p2 或 gs= p2 gs 结论:从小端折合到大端电阻变大,电导变小。 p = cS= p2cS 结论:从小端折合到大端电容变小。 另外有负载的折合：RL= RL/ p2 或 gL= p2 gL cL= p2 cL 还有电流的折合：IS= pIS,c1 c2,cS,L,R0,cS,例：已知：Q0 1,i(t)=cos107t mA,R1=500, c1= c2= 2000pF,L=10uH, 求：u(t)、 u1(t)、B 解：p = = 0.5 R1 = R1/p2 = 2 k u(t)= R1i(t)= 2cos107t v i1(t)= i(t)/p= 2cos107t mA u1(t)= R1 i(t)=cos107t v,i(t)、 u(t),L,c1,c2,R1 、 u1(t),0=107 f0 = 0/2=1.59 MHz QL = R1/0L = 20 B = f0/QL = 80 kHz 二.高频变压器 与低频变压器作用一样:传输信号 阻抗变换 隔直流 特点:(1) 为了减少损耗,用导磁率高,高频损耗 小的软磁材料作磁芯 (2) 适用于小信号场合,尺寸小,线圈 匝数较少 1.理想变压器,n = N1/N2 E1= jM I2 E2= jM I1 U1= n U2 I1 = -I2 /n (没考虑M时) RL= n2 RL jL1I1 + jM I2 = U1 jL2I2 + jM I1 = U2,+ U1 -,+ U2 -,I1,I2,M,L1 N1,L2 N2,E1,E2,+,-,+,-,RL,+,-,U2,2.中心抽头变压器 U1= U2= N1/N2 U3 I1 + I2= - N2 / N1 I3 如 N1/N2 = 1/2 U1= U2= U3 /2 I1 = I2= - I3,+ U1,-,+ U2,-,N1 N1,N2,+ U3 -,I1,I3,I2,三.石英晶体谐振器 Sio2晶体管 1921年开始应用 把Sio2片,用两金属电极固定,抽出引线, 用外壳封装,就构成石英晶体振荡器。 1.物理特性 (1)压电效应:加外力而变形,在表面产生 电荷,呈现出电压;外加电压,晶体变形, 当电压变化,就使晶体产生振荡,当这 种振荡与机械的固有振荡频率接近时, 形成共振,而在电路上表现出电谐振。,(2) 振荡频率与晶片的材料、尺寸、几何 形状有关。 (3) 频率稳定性好,温度系数在10-6数量级以下。 (4) 泛音振荡:还可以在高次谐波上振荡, 如3、5、7奇次，实际振荡频率不一定 是整数倍。 2.等效电路及阻抗特性,c0,Lq cq rq,典型参数:Lq=4H cq=6.3*10-3pF rq=100 c0=3pF 串联谐振 fq= (fs) 并联谐振 f0= 1/2Lqcq (fp) (谐振曲线) 曲线中 当0 呈容性; q0 呈感性。 特点:(1) fq f0非常稳定而接近, fq=1.0026 MHz f0=1.0036 MHz,(2) 晶体振荡器Q值很高,一般在几万之上, (3) 外电路对晶体的接入系数小, p cq/c0 一般在10-3以下。,第三章 高频谐振放大器, 3.1 高频小信号放大器 分为 窄带放大器:负载具有选频特性,高频 小信号谐振放大器 宽带放大器:负载为高频变压器, 特点: (1)高频小信号:输入信号幅度小,放大 器工作在线性区; (2)Lc并联回路作为负载:具有选频、 阻抗变换作用。,要求: (1) 放大器数要大(ku) , 要达104105, 靠多级放大实现; (2)频率选择性要好(B0.707或kr0.1),以 抑制无用信号; (3)稳定性要高(kuy),放大器的性能不 受外界环境影响,内部噪声要小,不 产生自激。 一.电路组成和工作原理 (实际电路和交流等效电路),放大器,谐振回路,负载,Rb1 、Rb2是基极直流分压偏置电阻， cb、 ce是高频旁路电容，比低频值要小， 具有抽头的Lc并联回路作为VT管的集电 极负载， 部分接入的目的是为了保证通频带和选 择性的要求， ui由变压器耦合到VT管的基极， u0靠变压器或电感线圈耦合。 二.放大器性能分析 1.高频Y参数等效电路,Yie输出端交流短路时的输入导纳, Yie= gie+ jcie Y0e输入端交流短路时的输出导纳, Yoe= goe+ jcoe Yfe 输出端交流短路时的正向传输导纳, 因为它不能用器件等效,所以表达式为,+ Ube,-,+ Uce,-,Ib,Ic,Ube,+,-,Yie,Ib,YreUce,YfeUbe,Yoe,Uce,+,-,Ic,Yfe= | Yfe| e j fe Yre 输入端交流短路时的反向传输导纳, Yre= | Yre| e j re Y参数可以用仪器测出: Yie= Ib/ Ube | Uce=0 Yoe= Ic/ Uce | Ube=0 Yfe= Ic/ Ube | Uce=0 Yre= Ib/ Uce | Ube=0 Ib= Yie Ube+ Yre Uce Ic= Yfe Ube+ Yoe Uce,模拟电路中混合参数等效电路: 可见 gm Yfe 由上看出,Y参数是复数,除与静态值有关外, 还与工作频率有关, 高频小信号谐振放大器中的等效： (1) 晶体管工作在线性区; (2)工作频带窄, Y参数变化不大,可视为常数。,Ube,Uce,rbb,rbe,cbe,cbc,gmUbe,rce,2.实际电路分析和性能参数 (前交流等效电路、 Y参数等效电路、 抽头折合等效电路) 忽略管子内部反馈，即Yre 0 p1= U12/U13 p2= U45/U13 (1)电源的折合 Is = YfeUi Is = p1 Is = p1 YfeUi Uo= p2 U13 (2)电导的折合 goe= p12 goe gL= p22 gL gL=1/RL,(3)电容的折合 coe= p12 coe cL= p22 cL 所以 g= goe+ gL+go 其中go= 1/ Qo c= coe+ cL+ c f0 = QL = 1/ g 电压放大倍数 ku= Uo/ Ui= p1 p2Yfe/g 输入导纳 Yi= Yie 输出导纳 Yo Yoe 通频带B0.707=fo/QL,矩形系数kr0.1= B0.1/B0.707 一般情况下 kr0.11,理想情况下 kr0.1=1为 矩形, kr0.1越小,选择性越好,单级谐振放大 器的 kr0.1= 9.96 讨论; ku g (1) RL表明带负载能力差;所以用p2 接入系数改善带负载能力。 (2) QL B0.707说明放大倍数和通 频带是一对矛盾。 所以通过p1接入系数使ku,B0.707。,例:如图所示小信号谐振放大器,fo=300 MHz, 晶体管Y参数gie=1.5ms,cie=12pF,Yre=0, Yfe= 58-22 ms, goe=0.4ms, coe=9.5pF, Qo=100,RL=10k,L=0.8uH,p2=0.3 求:Ku、 B0.707、c,Ui,+,-,Uo,+,-,c,L,RL,解： ( Y参数等效电路图) (1) go= 1/ 0LQo= 0.066ms gL= p22/RL= 0.009ms g= go+ gL+ goe= 0.475ms Ku= p2Yfe/g= 36.6 (2) QL= 1/ 0Lg= 14 B0.707= fo/QL = 2.14 MHz (3) c= 1/(42 f02 L) = 35.2pF c = c-coe= 25.7pF,三.高频谐振放大器的稳定性 1.起因: Yre 0, 即极间电容cbc的反馈, 影响: (1) 轻者使放大器幅频特性变坏, 产生畸变(不对称,前沿变陡,后沿 没变,如图所示) (2) 重者产生自激振荡,即使没有外加 输入,放大器也会有输出,带来了 不稳定。,Uo= -YfeUi/(Yoe+YL) Yi= Yie+YreUo/ Ui= Yie- YreYfe/(Yoe+YL) 当 Ys+ Yi= 0时, 电路自激振荡 有 Ys+ Yie- YreYfe/(Yoe+YL)= 0 即 (Ys+ Yie) (Yoe+YL)/ YreYfe= 1 由此导出最大稳定放大倍数 kuy kuy= 0.6 | Yfe/Yre| 当 ku kuy, 放大电路能稳定工作。,Ui,+,-,Uo,+,-,Ys,Yie,Ib,YreUo,YfeUi,Yoe,YL,如：一放大器|Yre| =50us， |Yfe| = 50ms， ku= 60, kuy= 0.6 | Yfe/Yre|= 19 kuy ku 所以放大器工作不稳定。 2.提高放大器稳定性的措施 (1)减小Yre,即选Yre小的晶体管; (2)从电路上采用共发共基电路(失配法) 共基电路Yi2大,即YL1大,使Uo1减小,从而 使YreUo1影响减小,但同时ku也减小, 从上叙述可看出在共发电路负载端并一 电阻也能达到上述目的。,另采用中和电路：在输入和输出端 之间加一中和电容cn，用以抵消cbc的 影响。 有 joL2 / jocbc = joL1 / jo cn cn = N1 / N2 cbc 中和电路只对某一频率中和效果好,对其它 频率中和效果不佳。 四.多级谐振放大器 对于单调谐放大器 ku = ku1 ku2 kun= (ku1)n,依据Lc并联回路归一化频率特性: =1/1+2 ku (f)= (ku1)n/(1+2)n/2 B0.707= B0.707 21/n 1 结论:n增大, ku 增大, B0.707减小, kr0.1减小。 五.主要技术指标 1.增益 20lg ku 80 100dB 2.通频带 B0.707 B = f0/QL,B0.707大,选择性不好,信噪比低; B0.707小,选择性好,但信号易被切割。 中波 9 kHz，电视 8 MHz，调频 200 kHz 3.选择性 kr0.1 kr0.1= 1为矩形,选择性最好, kr0.1越大,选择性越差。 4.稳定性 kuy (Yre 0,的影响) 不产生自激振荡 kuy= 0.6 | Yfe/Yre| ku, 3.2 高频功率放大器 定义:谐振回路作为匹配网络的功放。 用在发射机末级 要求: (1) 输出功率po要大, (2)转换效率c 要高, 目前几百瓦以上的高频功放主要器 件用电子管;几百瓦以下的采用晶体 管或场效应管,另外,为了提高效率, 高频功放管工作在丙类(c类)工作状 态,即 90,理论上c =100%,(低频功放工作在乙类或甲乙类) (插讲三种工作状态) 特点:(1)高频功放工作频率高,相对频带较窄, 所以负载采用谐振回路,可以调谐 中心频率, (2)由于输入信号大,所以呈高频、大信 号非线性状态，采用折线分析法。 一.工作原理 (原理图) 为使静态时发射极反偏,UBB 0,或UBB UBB,这样才能保证加入大信号后(0.5v)晶体管 工作在丙类, Ucc为集电极电源,提供能量, Lc并联回路作用:传输信号,选频即滤波, 阻抗变换,使po大, c 也高, cb 、cc:旁路电容,保证电源不会短路。 1.电流、电压波形 设ub= Ubcost 则 ube= UBB +Ubcost,折线法:目的是简化分析过程,给出明确的 物理概念,为实验调整提供指导性 数据。 要求: (1) 输入信号幅度大 (2) 高Q回路,输出对基波之外的衰减 大,即能量集中在基波上, (波形图) 当 ube= UBB时， cost= cos cos=(UBB- UBB)/Ub ic=Ico+Ic1 cost+Ic2cos2t+,Ico= Icmax 0() Ic1 = Icmax 1(), 0()直流分解系数, 1() 基波分解系数, 可查表, Icmax = gc(ubemax- UBB) = gc Ub (1- cos) uce= Ucc-Uc cost = Ucc- Ic1 RL cost 其中 Uc = Ic1 RL uc= Uc cost =Ic1 RL cost,此处RL是R,谐振时QLRLUc, 而在2、3等处失谐, RL小,谐波电压 为0, 另 90 工作在丙类, 越小,ic脉冲越瘦,在ucemin附近,损耗小, 故效率得到提高。 2.能量关系 输出功率 po= Ic1 Uc/2 = Ic12 RL/2 = Uc2/2RL 电源功率 pd= Ico Ucc 管耗 pc = pd- po,效率 c = po / pd= 1- pc / pd = 1() Uc/20()Ucc = /2 波形系数, = 1() / 0(), 、1()、0()可同查一表。 集电极电压利用系数, 1, =180, =1, c 50% , = 90, =1.57, c 78.5% , 15,=2, c 100% , 提高c 的途径:,(1) 让UcRL 意味着带负载 能力不强, (2)让1()Ic1po 可见c与po存在矛盾,在6575 范围里, c与po兼顾最佳。 在基极回路: pb= Ib1Ub/2 功率放大倍数 kp= po/ pb 功率增益 kp= 10lg po/ pb (dB) 由于丙类工作状态,高频功放比低频功放 放大倍数低,通常在100倍以下。,例: UBB=0.8v, gc=1.4s, UBB=-0.66v, Ub=5.65v, 求Ico、 Ic1 解：cos=(UBB- UBB)/Ub= 0.258 =75 Icmax = gc Ub (1- cos)=5.866 A 查表1(75)=0.455 0(75)=0.269 Ico= Icmax 0(75)=1.58 A Ic1 = Icmax 1(75)=2.67 A,二.高频谐振功率放大器的工作状态 1.高频功放的动特性 定义:输入加激励,输出加负载时,集电极 ic与ube或ic与uce的关系曲线。 动态线：ic与ube动态转移特性， ic与uce动态输出特性。 (1)动态转移特性 (曲线图) 截止区:ub使工作在BC段, ic=0 放大区: ub使工作在AB段, Icmax = gc Ub (1- cos),饱和区: ub使工作在AD段, ic出现凹陷, 为凹陷脉冲, (2) 动态输出特性 (曲线图) ube= UBB +Ubcost uce= Ucc-Uccost 动特性曲线交流负载线 可能有三种 即ABC、ABC、A”BC 饱和区：uc使工作在ABA”B 间，Icmax 下降，并出现凹陷, 截止区： uc使工作在BC段，ic=0,放大区： uc使工作在ABAB之间， Icmax = -scUc(1- cos), sc为动特性曲线斜率, 其中临界饱和时, Icmax = gcrUces = gcr(Ucc-Uc), 2.高频功放的工作状态 在动态转移特性曲线上: (1)当ub使工作在AB段之间时为欠压状态, 此时晶体管工作在截止区和放大区, (动态线为二折线), ic为余弦脉冲, 此时Ub Icmax Ico 、Ic1，,(2)当ub使工作在A D段之间时为过压状态, 此时晶体管工作地截止区、放大区和 饱和区,(动态线为三折线), ic为凹陷余弦 脉冲,此时 Ub ic凹陷越深, 使宽度增加 Ico 、Ic1基本不变, (3)当ub使工作在A点时为临界状态,此时 晶体管工作在截止区、放大区和饱和线 上的一点,(动态线为二折线), ic为最大 余弦脉冲, Ico 、Ic1达最大值。,在动态输出特性曲线上: (1)当uc使动态线为ABC时为欠压状态,晶体管 工作在放大区和截止区, ic为余弦脉冲, 此时Uc Icmax不变Ico 、Ic1不变, (2)当uc使动态线为A”BC时为过压状态,晶体 管工作在放大区、截止区和饱和区, ic为 凹陷余弦脉冲,此时 Uc Icmax并凹陷, Ico 、Ic1 (3)当uc使动态线为ABC时为临界状态,晶体 管工作在放大区、截止区和饱和线上的 一点, ic为余弦脉冲,此时Ic1最大, Uc也较大, Po c达到最佳 状态,所以高频功放一般工作在临界状态。 总之,在输出特性曲线上: uceminUces, 欠压状态, ucemin= Uces, 临界状态, ucemin Uces, 过压状态。 临界状态主要计算公式： Icmax = gc Ub(1- cos) Icmax = gcrUces=gcr ucemin = gcr(UCC-Uc),例: 某谐振功放工作在临界状态,已知=80, Uc=16v, Po=2w, gcr=0.6s, 0(80)=0.286, 1(80)=0.472, 求:RL、pd、Ucc、c 解： po= Uc2/2RL RL= Uc2/2po= 64 Ic1= Uc/RL= 0.25 A Icmax = Ic1/1(80)= 0.53 A Ico = Icmax0(80)=0.152 A Uces= Icmax / gcr= 0.883 v Ucc= Uc+ Uces= 16.883 v,pd= UccIco = 2.56 w c= po /pd= 78.1% 三.高频功放的外部特性 1.高频功放的负载特性 为UBB、Ucc、Ub不变，负载电阻RL(Uc) 变化时,功放的工作状态以及Ico 、Ic1、 Uc、 po、 pd 、c各参量的情况。 在欠压下RL ic基本不变,即Ico 、Ic1不变, Uc AB 动态线下躺, sc斜率, 当RL再 临界状态过压状态,在过压下RL Icmax,凹陷越深, Ico 、Ic1 Uc基本不变, 欠压时: RL pd基本不变, po ,c , 过压时: RL pd, po, c略有上升, (两负载特性图) 特点:临界时, po最大, c较大,适合作功放, 过压时, c高, pc小, Uc基本不随RL变, 适合作交流恒压源, 欠压时, c低, pc大, ic基本不随RL变, 适合作交流恒流源,2.高频功放的振幅特性 为UBB、Ucc、RL 不变,Ub变化时,功放的 工作状态以及Ico 、Ic1、 Uc变化情况。 在欠压下Ub Icmax Ico 、Ic1 Uc 当Ub再 临界状态过压状态 在过压状态Ub Icmax不变,凹陷越深, Ico 、Ic1基本不变, Uc基本不变,(振幅特性图) 特点:在欠压时, Ico 、Ic1、 Uc均随Ub增大 而增大,但互不为线性关系,(只有 不变,如=90, Ub与三参数成线性 关系), 在过压时, Uc基本不随Ub变化,为 恒压区,可作振幅限幅器。 3.高频功放的调制特性 (1)基极调制特性 为 Ub、Ucc、RL 不变, UBB变化时,功放 的工作状态以及Ico 、Ic1、 Uc变化情况。,丙类工作UBB为负值, UBB ube ubemax 其情况与振幅特性 Ub ube 类似,曲线左移, (基极调制特性图) 完成基极调制就是使Uc与UBB成线性或 近似线性关系,因此应工作在欠压状态,在 欠压状态下,基极UBB为调制信号,输出uc将 是振幅调制信号。 (2)集电极调制特性 为 Ub、 UBB 、RL 不变, Ucc变化时,功放 的工作状态以及Ico 、Ic1、 Uc变化情况。,Ub、 UBB不变, 不变, Icmax不变, Ucc 动态线向左平移, 由欠压临界过压 Icmax基本不变, Icmax,凹陷越深, (集电极调制特性图) 集电极调制应选择在过压状态,此时, Uc 与Ucc成近似线性关系,如Ucc为一调制信 号,输出uc将是振幅调制信号。 特点:功放、调制一次完成,称高电平调制。,例: 某谐振功放,原工作在临界状态, =70, po=3w, c= 60%,后因某种原因,性能变 化,c增加到68%, po明显下降,若Ucc、Uc、 ubemax不变, 计算变化后的po 并分析原因 解: c = /2 Ucc 、Uc不变,所以不变, c /c = (70)/() ()= 1.96 = 24 po= Icmax1()Uc/2 ubemax不变,所以Icmax不变,po/ po= 1(70)/1() po= 1.2 w ubemax不变Ub 、UBB Ic1RL (过压状态), 3.4 高频功率放大器的实际线路 一.直流馈电线路 分 集电极馈电线路 基极馈电线路 要求:(1)保证 uce=Ucc-uc, ube=UBB+ub, (2)集电极电流的Ico 、Ic1有各自的通路, (3)高频信号不能流过直流电源。 一般要加cb、cc旁路电容,在0.010.1uF, Lb、Lc高频扼流圈,在几十几百uH, 1.集电极馈电线路 要求:(1)管外电路不消耗直流能量,必须对,Ico提供通路, (2)对基波分量Ic1cost呈现阻抗RL, 以保证负载上有压降Uccost输出, (3)对高频谐波分量Icncost呈现短路, 以保证输出电压为一个纯净的余弦波。 总之即对不同频率电流呈现不同阻抗。,Ico,Ic1,- uc +,RL,Icn,Ucc,串联馈电线路：VT、Lc回路、Ucc三者 串联连接， （如图） Lc:对基波及谐波开路,对直流短路, cc:对基波及谐波短路,对直流开路, 满足: uce=Ucc-uc, 为了阻止高频电流流过电源Lc1/cc 并联馈电线路: VT、Lc回路、Ucc三者 并联连接， (如图) cc1的作用:假设Lc中有高频电流通过,也被cc1旁路到地,不经过Ucc,减少高频功耗, 满足: uce=Ucc-uc, 性能比较:串馈:优:用元件数少, cc处于高频 接地,分布电容影响小, 缺:c没有一端接地,不便调谐, 并馈:优: c一端接地,便于调谐, 缺: cc2一端处于高频高电位, 分布参数影响大, 2.基极馈电线路 偏压UBB的产生:(1)外加UBB称固定偏压, (2)由基极直流或发射极直流电流流过,电阻产生,称自给偏压,优:偏压随激励 大小而变,使各极电流变化小,电路较稳定, (3)当即没外加UBB,又没Rb、Re时，称零 偏压， （自给偏压 零偏压图） 串联馈电线路：ub、VT、 UBB三者串联 连接。 (如图) 满足:(1) ube=UBB+ub, (2)对高频ub, cb短路,高频信号不流过 直流源,并联馈电线路:ub、VT、 UBB三者并联连接, (如图) (1) ube=UBB+ub, (2)对高频ub、 cb短路,高频信号不流过 直流源, 二.输出匹配网络 指级与级之间或功放输出与负载之间的电路。 一般用双端口网络实现 特点:(1)为了得到最大功率输出,有阻抗变换 作用,把负载电阻变成RL电阻, (2)具有抑制工作频率范围之外频率,即滤波作用,也就是对工作频率有选频作用, (3)能高效传输信号, 常用电路: Lc匹配网络,耦合回路。 1. Lc匹配网络: 有L、T、型网络 L-型变换： Rs = Rp/(1+ Q2) xs =,xs,xp,Rp,xs xs,Rs,Q = Rp/ |xp| 当Rp RL时,采用此电路达到阻抗匹配。 L-型变换： Rp= Rs(1+ Q2) , xp= xs(1+ ) Q = |xs|/ Rs 当Rs RL时,采用此电路达到阻抗匹配。 特点:电路简单,回路Q值好确定,但滤波效果,xp,xs,RS,xp,xp,Rp,不好。 T、型网络滤波效果比L型好,一般T型 网络不作功放的输出电路,作功放级与级 之间耦合电路。 2.耦合回路 级与级之间或输出与负载之间可采用 变压器耦合。不做赘述。 三.实际电路举例 (图例),第四章 正弦波振荡器,一.振荡器:无需外加激励就能自动地将直流电 能量转换成一定频率和振幅的交流 信号能量。 是一种能量转换器。 与小信号放大器比较：放大器是它激式产生 器， 振荡器是自激式产生器。 相同点：能量转换， pdpo,二.分类: 按工作原理分 反馈型振荡器 互感耦合式 三端式 负阻型振荡器 按产生的波形分 正弦波振荡器 非正弦波振荡器 按选频网络分 Lc振荡器 (高频) Rc振荡器 (低频) 晶体振荡器 本章重点介绍反馈式Lc正弦波振荡器,三.主要指标 1.频率稳定度, 用于通信领域要求高, 2.振荡波形, 用于通信领域要求好, 3. po和c, 用于医疗器械要求高。, 4.1 反馈振荡器的原理 一.原理分析 组成: 由放大器和反馈网络组成,放大器具有 选频特性,所以用谐振放大器,反馈网络 是线性元件组成的线性网络, 这个闭环网络相位必须满足正反馈,才能振荡,放大器 K(j),反馈网络 F(j),Uo (j),Uf (j),Ui (j),Us (j),开环增益 k(j)= Uo (j)/Ui (j) 反馈系数 F(j)= Uf (j)/Uo (j) 闭环增益 ku(j)= Uo (j)/Us(j) =Uo (j)/Ui (j)-Uf (j) =Uo (j)/Ui (j)- F(j)Uo (j) = k(j)/1- k(j)F(j) 环路增益 T(j)= k(j)F(j) (回归比) = Uf (j)/Ui (j) =T(j)ejT (1)当T(j)=1, T=0, ku(j),产生 自激振荡,Us=0,Ui =Uf 为等幅振荡,(2)当|T(j)| 1, |Uf | | Ui |,为增幅振荡, (3)当|T(j)| 1, |Uf | | Ui |,为减幅振荡, 二.平衡条件 平衡条件: T(j)=1 |T(j)|= |KF| =1 T= k+ f= 2n,0 即Ui 与Uf大小相等,相位相同, 当放大器为小信号谐振放大器时, k(j)= Uo (j)/Ui (j)= -YfeZL 其中Yfe= | Yfe| e j fe, ZL= RL e j L L= -arctan 2QL,F(j)= | F | e j f 为了方便,引入一个与F(j)反号的F(j), T(j)= K(j)F(j)=-YfeZL F= YfeZL F | YfeZL F | = 1 fe+ L+ f = 0 即 L =-(fe+ f) 平衡时(1)电源的能量抵消了振荡器损耗 的能量,所以输出幅度不变,振 幅平衡条件决定了输出振幅的 大小, (2)满足相位平衡条件时的频率只 有一个为振荡频率fg,一般在回,路谐振频率附近,通过解T= 0得到。 如: fe=-3，f=8, QL=50, fo=15MHz, 求:fg 解:L=-(fe+ f)= -arctan 2QL = -5 f = 0.013 MHz fg= 15.013 MHz或14.987 MHz 讨论:当T(j)1 (1)|T(j)| 1 ,T=0, 出现增幅或减幅振荡,振幅条件 不满足,振幅不稳定, (2)|T(j)| =1 , T0,相量图: 相位条件不满足, T 0,g T 1,T,T,ui,ui,ui,|T(j)| 1 k+ f= 2n,0 振荡建立的物理过程: Us=0,当电源一接通产生电冲击,热噪声 幅度小,频带宽,其中有一个与选频网络fo 一致的信号ui(g)放大(ic)选频(uo) 反馈(uf) 振荡幅度的稳定过程: (图示) 振幅稳定是靠放大器的非线性完成的。 起振过程很短,一般电源一通,就有稳定输出,四.稳定条件 稳定平衡,不稳定平衡 稳定平衡点:受外界影响,使T(j)发生变化, 破坏了原来的平衡条件,如果通过回路 不断循环,在原平衡点附近达到新的平 衡或去掉外界影响,能自动回到原平衡 点。 分 振幅稳定条件 相位稳定条件 1.振幅稳定条件 振荡器具有阻止振荡幅度变化的能力。,如果ui T不变,将引起增幅振荡, T也大,将引起更大的增幅振荡, T k uo uf ui,达到 新平衡, (图示) 振幅稳定条件:T/ Ui | B 0 或 K/ Ui | B 0 具有自偏压式的振荡器,振幅稳定性好。 2.相位稳定条件 = d/dt, =dt,可见相位不稳定, 引起频率的不稳定,并成正比例变化,当T 0,振荡频率也随之增大, (图示说明) 相位稳定条件: L/|1 0 并且曲线斜率越陡,相位稳定性越好, 并联谐振回路的相位具有此特性,所以能 稳定相位。 五.互感耦合反馈振荡器 (电路图,交流等效电路图,Y参数图) 特点:变压器中的同名端保证电路构成 正反馈。,p2= F = M/L T = KF = Yfe/(goe+go+ p22gie)F 例:有一个振荡器交流等效电路, Yfe为实数, E = jM Ic= jM YfeUi Uf= MYfeUi/L2gie+j(2L2c2-1) T=0, 2L2c2-1=0 g =,+,-,ui,+,-,uo,M,c,+,-,uf,+ -,E,YfeUi,gie,L2,L2,c,Uf,+,-,Ic, 4.2 Lc振荡器 一.三端式振荡器的组成原则 特点:晶体管三个极分别与谐振回路的 三个点相连。 x1 x2 x3构成并联谐振回路,与vT构成正反馈, 所以谐振回路应呈纯阻性, 即 x1+ x2 +x3= 0,-,+,Uc,-,+,Ub,X1,X2,X3,I,不考虑极间电容的影响, fe=0 又谐振时 L=0, 所以要F=0 所以 x1 x2 要为同性质电抗的元件, 而 x3与x1 x2电抗性质相反。 即 be ce间电抗元件相同,bc间与之相反。 (射同余异) 电容三端式: be ce间为电容, bc间为电感, 电感三端式: be ce间为电感, bc间为电容。 例:有一振荡器的等效电路如图所示,设有下 列四种情况:,(1) L1c1 L2c2 L3c3 , (2) L1c1 L3c3 , (4) L1c1 L2c2 L3c3 , f1 f2 f3 当f2 fg f3时,构成电感三端式振荡回路, (3) L1c1= L2c2 L3c3 , f1= f2 f3,当f1= f2 f2= f3 电路不能振荡。 二.电容三端式振荡器 (原理图 交流等效图) R1 R2 Re偏置电路提供合适的静态工作点, 动态时稳定输出振幅,ce为旁路电容, cb为 隔直、耦合电容,Lc