第2章 高频选频放大器

1、第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器通信电子电路2.1 LC2.1 LC谐振回路谐振回路2.2 2.2 小信号谐振放大器小信号谐振放大器2.3 2.3 集中选频小信号选频放大器集中选频小信号选频放大器2.4 2.4 丙类高频谐振放大器丙类高频谐振放大器2.5 2.5 丁类放大器丁类放大器( (* *) )2.6 2.6 晶体管倍频器晶体管倍频器第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器高频选频放大器主要有两类，一类是工作于小信号；另一类是工作于大信号；这两者有不同性能要求。本章的重点：本章的重点：1、熟悉掌握串并联LC谐振回路的谐振特性和提

2、高回路品质因数的方法。2、理解小信号谐振放大器的电路原理。3、了解丙类谐振功率放大器的三种工作状态以及电路的组成。本章的难点：本章的难点：1、小信号谐振放大器的电路分析。3、丙类谐振功率放大器的效率分析以及电路的设计。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.1 LCLC谐振回路谐振回路在通信电路中，选频问题是极其重要的问题，是无处不在的问题。实现选频功能的电路就是滤波器。滤波器，根据功能需要的不同，所用器件的不同，又分出许多的类型。如根据选频功能，分有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等；根据器件，分有RC滤波器、LC滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等。而在实际应用中， LC滤波器是

3、最基本的、应用最广的滤波器。所以这一节重点就介绍这一电路的构成、性能等理论知识。 LC滤波器LC谐振回路谐振回路主要作用：1、选频作用(从多个频率分量中选取出有用分量，滤除其它无用分量）。2、匹配作用（使前后级电路的阻抗匹配）。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器式中，R主要由负载电阻、源内阻和LC的损耗电阻(主要是L的）三部分并联组成。从式中可以知道，仅且当仅即时，回路得到最大电压。这时的工作角频率等于LC谐振回路的固有角频率，即此时，（1）回路的总电抗为零，回路的阻抗为纯电阻R，为最大值。R叫谐振电阻。（2）回路得到最大电压。电压与信号源电流同相。2.1.12.1.1单单LCLC谐

4、振回路谐振回路1 1、并联谐振回路、并联谐振回路ICLR+U-I)1(1)()(LCjRRjIjU01LC图2.1.4并联谐振回路回路的电压与电流的关系：LC1LC10为便于分析回路的性能，引入品质因数参数Q。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器0)(jU21抗干扰强选择性好通带越窄增大Q在并联谐振回路中，品质因数表示为：RCLRQ00由于谐振时，CLCL001称为回路特性阻抗。则品质因数可写为CLRRQ/（2.1-8）（2.1-6）（2.1-8）式表明，回路的品质因数是与回路参数的比值关系有关。Q值越大，幅频特性和相频特性曲线（见P58）在谐振频率附近的变化率越大。回路通频带：Qff

5、fBW0217 . 0第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器式中，R主要由负载电阻、源内阻和LC的损耗电阻(主要是L的）三部分串联组成。从式中可以知道，仅且当仅即时，回路得到最大电流。这时的工作角频率等于LC谐振回路的固有角频率，即此时，（1）回路的总电抗为零，回路的阻抗为纯电阻，且为最大值。（2）回路得到最大电流。电流与信号源电压同相。2 2、串联谐振回路、串联谐振回路)1()()(CLjRjUjI01CL图2.1.6串联谐振回路回路的电流与电压的关系：LC1LC10为便于分析回路的性能，也引入品质因数参数Q。U UR RL LC CI I第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器在

6、串联谐振回路中，品质因数为：RCRLQ001在谐振时，回路特性阻抗为CLCL001则串联谐振回路的品质因数可写为RCLRQ/（2.1-16）（2.1-14）（2.1-16）式表明，回路的品质因数是与回路参数的比值关系有关。Q值越大，幅频特性和相频特性曲线（见P58）在谐振频率附近的变化率越大。综上所述，在并联谐振回路中，总是采用内阻大的电流源激励，且尽可能增大负载电阻；在串联谐振回路中，总是采用内阻小的电压源激励，且尽可能减小负载电阻。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.1.22.1.2单单LCLC谐振回路的串并联等效转换谐振回路的串并联等效转换X Xr rR RX X 转换公式：

7、2XRrXQrQRXX并串ZZjXRjXRjXr0)()(XRXRXrjXXRr00XRXRXrXXRrXQQXrQR2221)1 (（2.1-3）（2.1-4）rXQ XRQ 第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.1.32.1.3提高回路品质因数的方法提高回路品质因数的方法1、品质因数Q是描述LC谐振回路性能的重要参数。如通频带、选择性、抗干扰性等。2、我们这里说的品质因数Q主要是指的有载品质因数。LC谐振回路本身有一个品质因数，即固有品质因数（也叫无载品质因数）。当LC谐振回路接有激励源和负载电阻后，固有品质因数会大大地降低，即回路的性能变差。因此用有载品质因数能更好地反映回路的

8、性能。但它受到电路的结构，电路中的电抗元件、电阻元件的品质和它们比值关系的影响。3、提高回路品质因数的方法有两个方面：一是调整电抗元件和电阻提高回路品质因数的方法有两个方面：一是调整电抗元件和电阻元件；二是调整谐振电路的结构。元件；二是调整谐振电路的结构。对于前者，由于会受到电路其它条件的限制，因此在提高回路的品质因数也会受到限制。对于后者，也是一种提高回路品质因数的有效方法，即使信号源、负载和回路电抗元件进行部分接入的连接方法。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器IsIsRsRsL LC2C2C1C1RLRL1 12 23 34 4例如见图2.1-8：L LC2C2C1C1IsIsR

9、sRsRLRL图2.1-8图2.1-9接入系数定义：电抗元件接电阻的那一部分电压与整个回路电压之比。通过例2.1-2（P31）与例2.1-1（P30）比较，可知，部分接入后可提高有载品质因数。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器4、选择性与矩形系数。在通信电路中的选择性，是用选频电路对无用信号的抑制程度来表征。并用矩形系数来描述。矩形系数的定义式1 . 07 . 0BBWD （2.1-22）0.70.1B0.1BW0.7D值的最大值为1（这是理想状态）。实际上，D值总是小于1的。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.1.42.1.4耦合谐振回路耦合谐振回路耦合谐振回路是指两个

10、相互耦合的谐振回路。耦合的方法是可以通过互感耦合，也可以通过电容耦合。见图2.1-11IsIsRsRsC2C2RLRLC1C1. . .L1L1L2L2+ +U1U1- -+ +U2U2- -I Is sR Rs sC C2 2R RL LC C1 1+ +U U1 1- -+ +U U2 2- -C CM ML L1 1L L2 2图2.1-11(a)(b)M第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器（2）随着值的增大，两个峰点的频率差增大，曲线中心的凹陷加深。互感耦合系数电容耦合系数21LLMk )(21MMMCCCCCkkQ从图中可知，耦合谐振回路传输阻抗的幅频特性有以下特点：（1）当

11、时，曲线的形状是单峰的，峰值随值的减小而减小。当时，曲线具有双峰，且所有峰值相等。11耦合因数第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.2 2.2 小信号谐振放大器小信号谐振放大器小信号谐振放大器的种类很多。按谐振回路的谐振特性区分，有单调谐放大器、双调谐放大器和参差调谐放大器。按谐振回路的类型区分，有LC谐振回路、陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等。按晶体管的连接方法区分，有共基极、共集电极、共发射极单谐振放大器。按晶体管的数量区分，有单管、多管、集成的小信号谐振放大器。小信号谐振放大器实际上就是在小信号放大器的基础上，在输入端、输出端接有谐振回路，其目的就是增大矩形系数，提高选

12、频特性，抑制干扰。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器V VT TR RB B1 1R RB B2 2R RE EC CA AC CB BC CE EC Cc cL LA AL LB BV VC CC CL Lc cL LL LB BC CE E+ +u uo o- -2.2.12.2.1单管小信号谐振放大器单管小信号谐振放大器图2.2-1单管小信号谐振放大器第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.2.22.2.2共射共射- -共基连接谐振放大器共基连接谐振放大器图2.2-2共射-共基连接小信号谐振放大器的交流通路原理图V VT T1 1C C1 1C C2 2L L1 1L

13、LB BL L2 2V VT T2 2第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器图2.2-3是MC1590单片集成放大器的内部电原理图。2.2.32.2.3集成集成LCLC小信号谐振放大器小信号谐振放大器第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器R RL LL L1 1C C3 3C C4 4C C5 5C C6 6 L L2 2C C1 1C C2 2L L2 2L L3 3U Ui iU Uo oU UA AG GC C+ +1 12 2V V3 32 21 14 48 87 76 65 5MC1590图2.2-4所示以MC1590作为放大器件的谐振放大器电路。第第2 2章章 高频选频

14、放大器高频选频放大器2.2.42.2.4多级谐振放大器的选频特性多级谐振放大器的选频特性通常在一个谐振放大器的输入端和输出端均接有LC谐振回路。而且在实际应用中还经常设有多个谐振放大器级连的方式进行工作，这样一个n级谐振放大器，就包含有n+1个谐振回路，因此，这对于单级谐振放大器而言，就表现出不同的选频特性。即随着级数的增多，通频带将变窄。我们知道一个谐振电路的选频特性可用下式表示：（见书P27式2.1-10）200)-(11)(QM利用广义失谐的概念，即)-(00Q211)(M当各个回路参数相同时，总选频特性为：12111)()(nnnMM因此，3dB带宽为：1211070nQfBW.第第2

15、 2章章 高频选频放大器高频选频放大器注意：这是在各个谐振放大器的谐振特性一致，或说参数相同时，多级谐振放大器的通频带将随n的增加而缩减。并有一定的规律性（见书表2.2-2）。实际上，我们还利用这一特点，以提高选择性，即增大矩形系数。另外，通过参差调谐电路来提高选频网络矩形系数。即可以把各个谐振回路的谐振频率不调谐在同一个中心频率上，如每两个谐振回路为一组，其中一个谐振频率高于中心频率，另一个谐振频率低于中心频率，即这两个谐振频率对称于中心频率，使总的谐振效果更具有矩形选频特性。如图2.2-5所示。这就叫参差调谐。实际中，有双参差调谐，三参差调谐等。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器

16、图2.2-5双参差谐振放大器的频响特性曲线第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.3 2.3 集中选频小信号选频放大器集中选频小信号选频放大器2.3.12.3.1石英晶体滤波器选频放大器石英晶体滤波器选频放大器1 1、石英晶体的谐振特性、石英晶体的谐振特性图2.3-2石英晶体的符号及等效电路； 石英晶体的谐振特性实际上是利用了它的压电效应。压电效应：当石英晶体沿某一电轴方向受到交变电场作用时，沿机械轴方向即产生机械振动；反之，当沿机械轴方向受力时，在电场方向也产生电场。可见石英晶体实际上是一种能把电场能转变为机械能，又能把机械能转换为电场能的可逆换能器件，且其能量转换具有谐振特性，在谐

17、振频率处换能效率最高。C C0 0C Cq qL Lq qR Rq qa ab ba ab b图2.3-2第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2 2、石英晶体的利用、石英晶体的利用（1）通过适当的连接可以用作滤波器（如P44图2.3-4的差接桥式石英晶体滤波器电路）。（2）可以用作振荡器的谐振元件。在之间，呈现感性；其它呈容性。2.3.22.3.2陶瓷滤波器选频放大器陶瓷滤波器选频放大器2.3.32.3.3声表面波滤波器大器声表面波滤波器大器pfqfabXof图2.3-3qqqq0q0qqpp2121CLffCCCCLff串联谐振频率并联谐振频率qpff ,第第2 2章章 高频选频放大

18、器高频选频放大器VTVTC1C1C2C2CBCBCcCcL1L1L2L2RLRLL3L3L4L4+ +uiui- -VBBVBBVCCVCC2.4 2.4 丙类高频谐振放大器丙类高频谐振放大器丙类高频谐振放大器主要用在通信电路中的发射设备中，实现载波信号或已调窄带信号的功率放大。顾名思义，放大器工作于丙类，功率器件工作于大信号状态。2.4.12.4.1丙类谐振放大器的组成及工作原理丙类谐振放大器的组成及工作原理图2.4-1丙类谐振放大器原理电路组成：1、丙类放大器2、LC谐振回路第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器功率放大效率丙类小于半个周期工作放大器的集电极电流为脉冲波用傅立叶级数展

19、开基波分量用LC谐振回路滤波在负载上得到最大的输出电压下面是转移特性曲线表示的输入电压与输出电流的波形（图2.4-2）。CitItItIIicCcos3cos2cosc3c2c10第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器Citt00BBVDVCi图2.4-2丙类放大器输入电压与输出电流波形图注意几个特点：1、丙类谐振放大器的输出电流波形是一个正弦(或余弦）脉冲波。2、谐振回路输出的电压为完整的正弦（或余弦）波。3、谐振回路的品质因数Q即不能高，也不能低。一般在110之间。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.4.22.4.2折线近似法分析丙类谐振放大器的动态特性折线近似法分析丙类

20、谐振放大器的动态特性分析一个放大器，利用图解法，可分有静态特性（即直流特性）和动态特性（交流特性）。如有直流负载特性和交流负载特性。1、折线近似法我们知道，在低频功率放大器中，在已知电源电压条件下，如已知负载电阻，就可作出负载线。而在谐振功率放大器中，由于负载是有储能功能的谐振回路组成，因此在已知谐振回路的参数时，还并不能确定负载线。但是要进行精确地分析，就需要求解非线性微分方程。显然不利于工程分析，因此，采用一种近似的分析方法，叫准静态的分析方法；或叫折线近似分析法。所谓近似分析法，就是将器件的特性曲线理想化，每一条特性线用一条或几条直线(组成折线)来代替。如下图2.4-4的三极管转移特性曲

21、线。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器图2.4-4晶体管特性曲线折线化第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2、动态特性在以纯电阻为负载的放大器中，放大器的输出特性曲线上的动态特性是一条直线，其斜率是电阻倒数的负值，即输出的电流与电压的瞬时值是正比的。而在谐振放大器中，由于输出电压的瞬时值是与输出电流的基波分量成正比，因此，它的输出特性曲线上的动态特性，不是一条直线了。这里的谐振放大器的动态特性，是指放大器的特性不仅与它的内部参数有关，而且与它的外部参数（电源电压、输入信号电压、输出信号电压、谐振回路的谐振电阻）也有关。经分析得：0cosCcnniIn t0011( )( )(

22、 )ccmccmcncmnIiIiIi 其中cnI各次分量cmi脉冲电流最大值电流分解系数电流分解系数（其计算式见P53式2.3-4）导通角导通角谐振电阻：1ccmacIUR第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器图2.4-5电流分解系数曲线图2.4-6与的关系曲线)()(01第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器CiDBEDBEDBEUuUuUuG0)(CtUVubmBBBEcos折线方程得时设0Cit)(cosbmBBDbmCCUVUtUGi联立求解bmBBDUVUcos可见，导通角与导通电压、基极偏置电压、输入信号电压都有关系。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2、主

23、要特性指标（1）输出功率CCcmccOViUIP)(2121111（2.4-5）CCcVU1称为集电极电压利用系数。当一定时，是的函数。从图2.4-5所示，当时，有最大值，但工作在甲乙类，效率不高。CCcmVi,OP)(10120)(1（2）效率)()(212101011CCcccdOCVIUIPP见图2.4-6 与的关系曲线。)()(01从图2.4-5和图2.4-6可知，谐振功率放大器的输出功率和效率的关系。在实际应用中，要兼顾两者，即，一般取。008060 070第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.4.32.4.3丙类谐振放大器的工作状态丙类谐振放大器的工作状态前面说过，丙类谐

24、振放大器具有特殊的动态特性，即它与外部参数有关。也就是说它的外部参数不同，谐振放大器就处于不同的工作状态。一般情况，根据器件在信号的一个周期内是否进入截止状态和进入截止状态的时间长短，将放大器的工作状态分为甲类、乙类和丙类等。另外，根据器件在信号的一个周期内是否进入饱和区，将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种工作状态。见下图。欠压状态：指三极管在任何时刻都工作在放大状态。过压状态：指三极管工作时有部分时间进入饱和区。临界状态：指三极管刚刚进入饱和区的边缘。放大器的这三种状态：主要取决于电源电压、偏置电压、激励电压幅度 及负载电阻。在过压状态时，集电极电流的脉冲波出现凹陷现象。这是与其它放

25、大器的根本不同之处。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器ttCiCiCEuA A A09009000 为欠压状态 为临界状态 为过压状态A A ACu根据输出功率和效率的问题，丙类谐振放大器的最佳工作状态是临界状态。书上说的是弱过压状态。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2.4.42.4.4丙类谐振放大器的电路设计丙类谐振放大器的电路设计主要涉及两个问题： 1、直流供电的问题 2、滤波匹配网络的问题（谐振回路）1 1、直流供电电路、直流供电电路（1 1）集电极直流供电电路）集电极直流供电电路从电路结构上分为两种：串联馈电和并联馈电。如图2.4-8所示。串馈：是指电源、谐振回路

26、和三极管在电路形式上为串接的一种馈电方式。并馈：是指电源、谐振回路和三极管在电路形式上为并接的一种馈电方式。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器V VT TC CC Cc cL LL Lc cV Vc cc c+ +u uo o- -V VT TC CC Cc c1 1L LL Lc cV Vc cc c+ +u uo o- -C Cc c2 2（a）串馈电路（b）并馈电路图2.4-8集电极供电电路串馈电路优缺点：频率稳定好，受分布电容的影响小。但安装不方便。并馈电路优缺点：受分布电容的影响大，频率稳定性差。但安装方便。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器（2 2）基极偏置电路

27、）基极偏置电路(a)基极分压偏置馈电电路（b）基极自给偏置馈电电路(主要是指基极直流电流或发射极直流电流提供)(主要是指外加的)书中提到自生反偏压第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器注意：1、这两种电路都具有产生自生反偏压的特点。2、自给偏置电路更多地应用在要求输出功率较大的丙类放大器中。3、自生反偏压具有稳定输出电压幅度作用。但自给偏置电路的作用更显著。而分压偏置的方式表现不突出。为什么能稳幅？在自给偏置的基极馈电方式中，丙类放大器在大信号工作时，给管子的B-E结加的直流偏置电压是由自生的电流产生的，这个电流是随着输入信号电压幅度的大小变化而变化。即B-E间的直流偏置电压是随输入信号

28、电压的幅度大小而变化。如当输入信号为零时，前面（b)图电路的偏置为零；当输入信号加大时，加到B-E间的偏置均向负方向变化。产生自生的反偏置电压。这种变化效应称为自给偏置效应。自给偏置效应具有稳幅的作用。这在后面的振荡器中还有用途。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器2 2、滤波匹配网络的设计、滤波匹配网络的设计对于丙类谐振功率放大器电路，前面解决了供电问题。下面主要解决谐振回路的电路问题。实际上，解决谐振回路的问题就是解决滤波匹配的问题。滤波对丙类谐振放大器和小信号谐振放大器都有要求，但不一样，前者要求不高，后者要求很高。前者对滤波要求不高，但是对匹配要求高。这就是它们的区别。下面就从

29、对滤波匹配网络的要求出发介绍滤波匹配网络的设计。第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器滤波匹配网络是介于功率管的外接负载之间的电路。滤波匹配网络LPeROP对滤波匹配网络的要求：1、将外接负载 变换为功率管所要求的负载 。(匹配）2、充分滤出所需谐波分量，以使负载上得到所需的输出功率 。（滤波）3、将功率管输出的信号功率 高效地传送到负载上。（效率）OPLPeRLR第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器L型T型型 在实际中，滤波匹配网络都是采用的几种比较固定的网络结构。如图：我们设计的目的就是：滤波、阻抗匹配两个问题，也就是在确定网络结构的情况下，如何确定电路中的L、C值。第第2

30、2章章 高频选频放大器高频选频放大器L型匹配网络的元件设计（书上型匹配网络的元件设计（书上P61的半节的半节形形LC网络）网络）并转串并 串CLeCeeCLLCeLLXRQXQQXRRXQRR 2221)1 (21R0eeLLCLCOQRRXXX谐振时eLCCeeCOCCOLQRXXQQXXXX 221即得21ReeLQR第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器L型的另外一种形式串 并串转并LLeLeeLLLLeLLRXQXQQXRRXQRR222)1 ()1 (LeLLCCORQRXXX)1 (R02e谐振时LeLLeeCOLCOCRQXXQQXXXX221求得LeRQ )1 (R2e可以看出：前一种L型后一种L型LReRLReR第第2 2章章 高频选频放大器高频选频放大器举例：设计一个L型匹配网络。已知工作频率 ，功放临界电阻 ，天线端电阻 。C0忽略。ZMHf5100Re10LR解：据 可知，要采用后一种L型匹配网络。LReR据前面推导得出元件的电抗值为：LeLLeeCOLCOCRQXXQQXXXX221LeRQ )1 (R2e31ReLeRQ3 .33303311301032222LeeCLeLXQQXRQXpF9562195. 02CLfXCHfXL