第06章高频电路

1、第一章第一章 X X射线物理射线物理1医学电子学基础医学工程与电子科学学院张展召15090050475271391311第一节第一节 小信号调谐放大器小信号调谐放大器第四节第四节 调频与鉴频调频与鉴频第二节第二节 高频功率放大器高频功率放大器第三节第三节 调幅与检波调幅与检波第一节第一节 小信号调谐放大器小信号调谐放大器一、单调谐放大器一、单调谐放大器三、集成高频放大器三、集成高频放大器二、双调谐放大器二、双调谐放大器一、单调谐放大器一、单调谐放大器1.1.工作原理工作原理(1)(1)电路结构电路结构 LC并联谐振回路为交流负载。并联谐振回路为交流负载。 RB1、RB2、RE组成分压式电流负反

2、馈直流偏置电路。组成分压式电流负反馈直流偏置电路。 CB、CE分别为基极和发射极旁路电容。分别为基极和发射极旁路电容。 ZL为负载阻抗。为负载阻抗。 变压器变压器TrTr2 2的初级线圈的初级线圈1-21-2的匝数的匝数N N1212，1-31-3的匝数的匝数N N1313，次级线圈，次级线圈4-54-5的匝数的匝数N N4545。 输入信号经输入信号经Tr1耦合和晶体管放大，产生集电极耦合和晶体管放大，产生集电极电流电流ic。(2)(2)工作原理工作原理 当当LC回路调谐于输入信号频率回路调谐于输入信号频率 f=f0，等效阻抗最，等效阻抗最大，产生最大的谐振电压，经大，产生最大的谐振电压，经

3、TrTr2 2耦合输出电压耦合输出电压uo 输入信号频率输入信号频率f 偏离偏离LCLC回路谐振频率回路谐振频率f0时，回路的时，回路的等效阻抗变小，输出电压随之变小，且偏离越多，等效阻抗变小，输出电压随之变小，且偏离越多，电压越小。电压越小。0210ggnnAmu电压放大倍数电压放大倍数n n1 1: : 三极管与三极管与LC 回路的接入系数回路的接入系数13121NNn n n2 2 : : 负载与负载与LC回路的接入系数回路的接入系数13452NNn g g0 0 : : 谐振回路的等效电导谐振回路的等效电导001Rgg gm m : : 三极管的等效跨导三极管的等效跨导）(mV26(m

4、A)mCQIg2.2.通频带和选择性通频带和选择性 0.70.7通频带通频带: : BW0.7fH - fL707.00uuAAfH、fL分别为相对电压增益分别为相对电压增益时的上限频率和下限频率时的上限频率和下限频率 0.10.1通频带：通频带：BW0.1f2 - f1f2 - f1对应于对应于1 .00uuAA的频率范围的频率范围 矩形系数：矩形系数： 0.121r0.7HLBWffKBWff3.3.参差调谐放大器参差调谐放大器 多级参差调谐放大器各级调谐在不同的频率上。多级参差调谐放大器各级调谐在不同的频率上。 设参差调谐放大器由三级单调谐放大器组成，设参差调谐放大器由三级单调谐放大器组

5、成，通频带为通频带为BW0.7，中心频率为，中心频率为f0。第一级第一级 ：f01= f0 fd，第二级第二级 ：f02= f0 + fd，第三级第三级 ：f03= f0 。其中其中 fd为频率偏移量。为频率偏移量。三级单调谐放大器的总电压增益提高，通频带展宽，三级单调谐放大器的总电压增益提高，通频带展宽，有较好的选择性。有较好的选择性。二、双调谐放大器二、双调谐放大器双调谐放大器通频带宽，选择性好。双调谐放大器通频带宽，选择性好。 因因L1C1调谐在输入信号频率上，输入信号经调谐在输入信号频率上，输入信号经Tr1耦耦合和三极管放大，在初级谐振回路合和三极管放大，在初级谐振回路L1C1两端产生

6、最大两端产生最大的谐振电压。的谐振电压。 1.1.互感耦合双调谐放大器的工作原理互感耦合双调谐放大器的工作原理 由于初、次级回路互感作用，且由于初、次级回路互感作用，且L2C2也谐振于输也谐振于输入信号频率上，回路两端产生最大的输出电压入信号频率上，回路两端产生最大的输出电压uo。 改变改变L1与与L2之间的距离或磁芯位置可调节回路间之间的距离或磁芯位置可调节回路间的耦合程度。的耦合程度。 21LLMk 要获得对称的谐振曲线，应：要获得对称的谐振曲线，应： L1=L2=L，C1=C2=C，Q1=Q2=Q两调谐回路的耦合因子：两调谐回路的耦合因子： =k Qk k为耦合系数，由下式决定：为耦合系

7、数，由下式决定：1（临界耦合），曲线为单峰，与强耦合的峰值相（临界耦合），曲线为单峰，与强耦合的峰值相等，顶部较平坦，下降较快，有较宽的通频带和较好的等，顶部较平坦，下降较快，有较宽的通频带和较好的选择性。选择性。2. 2. 双调谐放大器的谐振曲线随耦合因子双调谐放大器的谐振曲线随耦合因子而变化而变化1（弱耦合），曲线呈单峰形；（弱耦合），曲线呈单峰形；1（强耦合），曲线呈对称于中心频率（强耦合），曲线呈对称于中心频率f0的双峰；的双峰；三、三、 集成高频放大器集成高频放大器 集成高频放大器是一种集中选频滤波器和集成集成高频放大器是一种集中选频滤波器和集成宽带放大器组成的小信号谐振放大器。宽带

8、放大器组成的小信号谐振放大器。 集成高频放大器的两种组合形式集成高频放大器的两种组合形式: : L4 4、C6 6和和C7 7组成组成+12V+12V电源的电源的型滤波电路。型滤波电路。实例：实例：15901590组成的集成高频放大器组成的集成高频放大器 C4为输入耦合电容，为输入耦合电容，C5对输入信号短路；对输入信号短路； L1C1为输入端并联谐振回路；为输入端并联谐振回路； L2 2C2 2和和L3 3C3 3为输出端互感耦合双调谐回路，均调谐为输出端互感耦合双调谐回路，均调谐在中心频率在中心频率f0上，起选择信号作用；上，起选择信号作用；R可降低可降低L1 1C1 1回路的回路的值，展

9、宽频带；值，展宽频带；一、高频功率放大器的特点一、高频功率放大器的特点第二节第二节 高频功率放大器高频功率放大器二、丙类谐振功率放大器的工作原理二、丙类谐振功率放大器的工作原理 窄带型高频功率放大器采用具有选频功能的谐振窄带型高频功率放大器采用具有选频功能的谐振回路作为负载，称谐振功率放大器。回路作为负载，称谐振功率放大器。 一、一、 高频功率放大器的特点高频功率放大器的特点1. 1. 作用：放大高频信号并获得足够大的输出功率。作用：放大高频信号并获得足够大的输出功率。2. 2. 分类：窄带型和宽带型。分类：窄带型和宽带型。 宽带型高频功率放大器采用工作频带很宽的传输宽带型高频功率放大器采用工

10、作频带很宽的传输线变压器作为负载，可实现功率合成。线变压器作为负载，可实现功率合成。（3 3）输入信号较大，有较大的输出功率和较高的效）输入信号较大，有较大的输出功率和较高的效率，谐振回路的作用是从失真的集电极电流脉冲中选率，谐振回路的作用是从失真的集电极电流脉冲中选出基波分量，滤出谐波成分。出基波分量，滤出谐波成分。3.3.谐振功率放大器的特点谐振功率放大器的特点（1 1）工作频率高，从几百）工作频率高，从几百kHzkHz到几百到几百MHzMHz以上，但频以上，但频带很窄。带很窄。（2 2）采用选频谐振回路作为负载，工作在丙类状态。）采用选频谐振回路作为负载，工作在丙类状态。二、二、丙类谐振

11、功率放大器的工作原理丙类谐振功率放大器的工作原理1.1.电路结构电路结构 ui=0时，时， T处于截止状态。处于截止状态。 L1C1和和 L2C2为输入、输出并联谐振回路，均谐振为输入、输出并联谐振回路，均谐振 在工作频率在工作频率f0上；上； CB和和CC均为高频旁路电容；均为高频旁路电容； RL为负载；为负载； UB为基极直流工作电压。为基极直流工作电压。 T工作在丙类状态，取工作在丙类状态，取UB0。2.基波分量的选出基波分量的选出高频输入信号高频输入信号 ubUbmcos0tuBE =UB + ub = UB+Ubmcos0tT的导通角的导通角180T导通后产生的导通后产生的 ib和和

12、 ic均为均为余弦脉冲电流，波形如图余弦脉冲电流，波形如图（b）、（）、（c）所示。）所示。用付里叶级数展开，得：用付里叶级数展开，得：iC=ICO+Ic1m cos0t + Ic2m cos(20t )+ Icnm cosn(n0t )集、射极之间的电压：集、射极之间的电压： uCE =UCC uCUCCUc1mcos0t 经经Tr2耦合，在耦合，在RL上可得不失真的输出电压上可得不失真的输出电压 uo。 L2C2回路谐振于基波频率回路谐振于基波频率，iC中只有基波分中只有基波分量在回路两端产生较大的压降：量在回路两端产生较大的压降： uC RLIcmcosctUc1mcos0t输出谐振回路

13、有选取基波分量的作用。输出谐振回路有选取基波分量的作用。3.3.输出功率和效率输出功率和效率Lc1m2c1mc1mc1mc1m11121222RUIUIUIUPRL上的基波功率为上的基波功率为U1、I1分别为分别为RL上基波电压、电流的有效值上基波电压、电流的有效值COCCDIUP电源消耗的直流功率为电源消耗的直流功率为 1COm1cCCm1cD12121gIIUUPP输出效率输出效率为 越大，越大，越小，效率越小，效率越高。但越高。但减小，输出功减小，输出功率率P1减小。为兼顾减小。为兼顾P1和和，一般选，一般选=60，达到达到90%。CCmcUU1为集电极电压利用系数为集电极电压利用系数C

14、OmcIIg11)(为集电极电流利用系数为集电极电流利用系数与导通角与导通角有关，有关，越小，越小，g1（）越大。）越大。一、调幅的基本概念一、调幅的基本概念第三节第三节 调幅与检波调幅与检波二、高电平调幅电路二、高电平调幅电路三、二极管包络检波电路三、二极管包络检波电路 调幅波中各个波的峰点连调幅波中各个波的峰点连线（正弦虚线）称包络线，其线（正弦虚线）称包络线，其形状和频率与调制信号相同。形状和频率与调制信号相同。一、一、调幅的基本概念调幅的基本概念(a)(a)为低频正弦调制信号；为低频正弦调制信号；(b)(b)为高频载波信号；为高频载波信号；(c)(c)为为“携带携带”低频调制信号的低频

15、调制信号的调幅波。调幅波。 tUuccmccos设高频载波信号设高频载波信号tUummmcos低频调制信号低频调制信号( (cm) uc和和um同时输入调幅器中，输出端得高频调幅波同时输入调幅器中，输出端得高频调幅波信号：信号：)cos()()cos()cos(1 camcmcmattUttmUu cmCUUm 为调幅波中包络线的波幅与载波幅度之为调幅波中包络线的波幅与载波幅度之比，称调制系数。比，称调制系数。不同调制系数的调幅波：不同调制系数的调幅波： 调制系数调制系数m m1 1，图（，图（a a） ； 调制系数调制系数m m1 1，包络将出现，包络将出现失真，称为过调幅，图失真，称为过调

16、幅，图(c) (c) ； 正常情况下，应正常情况下，应m m1 1 ，图，图(b)(b)。二、二、高电平调幅电路高电平调幅电路利用丙类谐振功率放大器实现调制与功放合一。利用丙类谐振功率放大器实现调制与功放合一。 1.基极调幅电路基极调幅电路 Tr1为高频载波输入变压器，次为高频载波输入变压器，次级线圈级线圈L2与基极相连与基极相连; C1为低频调制信号输入耦合电容为低频调制信号输入耦合电容; C2为高频载波旁路电容；为高频载波旁路电容； L3 C3并联调谐回路，并联调谐回路，L4为调幅波为调幅波输出绕组；输出绕组； R1、R2为三极管的直流偏置电阻。为三极管的直流偏置电阻。2.电路工作原理电路

17、工作原理 高频载波信号经高频载波信号经Tr1加于三极管基极，低频加于三极管基极，低频调制信号经调制信号经C1、 L2耦合耦合同时加于三极管基极。同时加于三极管基极。 三极管工作于非线性三极管工作于非线性状态，工作点状态，工作点Q在特性在特性曲线的弯曲部分。曲线的弯曲部分。Q右右移时放大倍数增大；移时放大倍数增大；Q左移时放大倍数减小。左移时放大倍数减小。 um相对于相对于 uc变化缓慢，其作用相当于使三极变化缓慢，其作用相当于使三极管的工作点管的工作点Q移动。移动。 两信号同时加于基极后，三极管的非线性变两信号同时加于基极后，三极管的非线性变化产生新的频率分量，经化产生新的频率分量，经L3C3

18、的选频作用，再的选频作用，再由由L4输出，实现调幅。输出，实现调幅。2.电路工作原理电路工作原理结果：结果： 尽管尽管uBE为高频载波与低频调制波的线性叠加为高频载波与低频调制波的线性叠加（图（图a），但由于三极管处于非线性工作状态，），但由于三极管处于非线性工作状态，iB与与 uBE不成线性关系，使不成线性关系，使 iB和和 iC均为脉冲电流（图均为脉冲电流（图b），其峰点的包络线与调制信号的波形一致，经），其峰点的包络线与调制信号的波形一致，经 L3C3调谐回路的选频，得图（调谐回路的选频，得图（c）的调幅波。）的调幅波。三、二极管包络检波电路1.检波检波 从调幅波中取出其包络。从调幅波中

19、取出其包络。2.电路组成电路组成 高频输入电路、非线性元件、高频滤波电路。高频输入电路、非线性元件、高频滤波电路。3.工作原理工作原理 线圈线圈L1、L2组成高频输入电路，将调幅波信号组成高频输入电路，将调幅波信号传送到二极管传送到二极管D的输入端；的输入端； 利用二极管单向导电性和利用二极管单向导电性和RC 低通滤波电路，滤掉高低通滤波电路，滤掉高频信号，检出调制信号。频信号，检出调制信号。三、鉴频电路三、鉴频电路第四节第四节 调频与鉴频调频与鉴频一、调频的基本概念一、调频的基本概念二、调频电路二、调频电路调频或调相：使高频载调频或调相：使高频载波的频率或相位按照低波的频率或相位按照低频调制

20、信号的规律作相频调制信号的规律作相应的变化。应的变化。(a)(a)为调制信号；为调制信号；(b)(b)为高频载波；为高频载波；(c)(c)为调频波。为调频波。一、一、调频的基本概念调频的基本概念调频波的幅度不变，频率随调制信号而变化；调频波的幅度不变，频率随调制信号而变化；当调制信号电压正向增大时，调频波的频率升高，当调制信号电压正向增大时，调频波的频率升高，对应于调制信号正峰处，频率达到最高值；对应于调制信号正峰处，频率达到最高值；当调制信号电压负向增大时，调频波的频率降低，当调制信号电压负向增大时，调频波的频率降低，对应于负峰处，频率达到最低值；对应于负峰处，频率达到最低值；调制信号电压为

21、零时，频率等于载波频率（中心调制信号电压为零时，频率等于载波频率（中心频率频率fc c）。）。设高频载波设高频载波u uc c和低频调制信号和低频调制信号um分别为分别为 uc Uccosc t um Um cosmt调频后，调制信号的角频率在载波角频率上叠加，调频后，调制信号的角频率在载波角频率上叠加，调频波的瞬时角频率调频波的瞬时角频率 c+（t） 为最大角频偏。为最大角频偏。结果：结果：调频波的频率随调制信号而变化，调频波的频率随调制信号而变化，其最大瞬时角频率为其最大瞬时角频率为 max c，最小瞬时角频率为最小瞬时角频率为 min c。 二、二、调频电路调频电路LCf21高频载波振荡

22、器的频率高频载波振荡器的频率CfCLCCCLCf2)21(21)211(21dd电感电感L不变不变，则则 f 随随C 的变化关系为的变化关系为CCff2ddf 的相对变化与电容的相对变化与电容 C 变化的关系为变化的关系为LLff2dd若若C不变不变，f 的相对变化随的相对变化随L变化的关系为变化的关系为变容二极管调频电路变容二极管调频电路L1、C1组成高频载波振荡器的并联谐振回路，组成高频载波振荡器的并联谐振回路，C2、C3对高频载波信号短路，对直流电压对高频载波信号短路，对直流电压U U和低频调制信和低频调制信号隔离，号隔离， L2是高频扼流圈。是高频扼流圈。当调制信号当调制信号um=0时

23、，时，fc取决于取决于L1、C1及变容二极管的结电容及变容二极管的结电容 Cj；当有调制信号当有调制信号um输入时，输入时， Cj 随随um而变化。振荡器频率随调制信而变化。振荡器频率随调制信号电压号电压um而变化，从而实现调频。而变化，从而实现调频。 三、鉴频电路斜率鉴频器：利用谐振回路失谐的幅频特性将等幅斜率鉴频器：利用谐振回路失谐的幅频特性将等幅的调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调频的调频波变换成幅度随瞬时频率变化的调频- -调幅，调幅，然后用包络检波器将振幅变化检出，得到原来的低然后用包络检波器将振幅变化检出，得到原来的低频调制信号。频调制信号。鉴频：从输入调频波中检出反映频率变化的低

24、频调鉴频：从输入调频波中检出反映频率变化的低频调制信号的过程。制信号的过程。1.单失谐回路斜率鉴频器单失谐回路斜率鉴频器L1C1是失谐的谐振回路；是失谐的谐振回路；D、R、C组成二极管包络检波器。组成二极管包络检波器。（1 1）电路结构）电路结构（2 2）频幅转换过程）频幅转换过程 L1C1的谐振频率为的谐振频率为f0，调，调频波的中心频率频波的中心频率fc位于位于L1C1回路谐振曲线的回路谐振曲线的A点。点。 信号频率升高时，回路信号频率升高时，回路输出电压输出电压u2变大，信号频率变大，信号频率降低时，输出电压降低时，输出电压u2变小。变小。 调频波通过调频波通过L1C1回路后，变成调频回路后，变成调频-调幅波，其调幅波，其包络线与低频调制信号包络线与低频调制信号um的波形一致。经二极管包的波形一致。经二极管包络检波电路后，可获得原来的低频调制信号。络