第3章高频谐振放大器

1、2022-6-11第第3章章 高频谐振放大器高频谐振放大器 高频小信号放大器高频小信号放大器 高频功率放大器的原理与特性高频功率放大器的原理与特性 高频功放的高频效应高频功放的高频效应 高频功率放大器高频功率放大器的实际线路的实际线路 D类高频功放和高频功率合成器简介类高频功放和高频功率合成器简介2022-6-12一、一、 高频小信号放大器高频小信号放大器 1、概述、概述功能：功能：不失真地放大高频小信号和选频滤波。“小信号小信号”的含义的含义：使放大器工作在线性放大区(属于A类或甲类放大器)。小信号放大器的分类：小信号放大器的分类：(1) 窄带放大器和宽带放大器窄带放大器和宽带放大器窄带放大

2、器窄带放大器：放大的是窄带信号，相对带宽千分之几。负载为并联谐振回路、耦合回路或其它谐振回路，负载的功能是阻抗变换阻抗变换和选频滤波选频滤波。所以这种放大器又称为高频小信号谐高频小信号谐振放大器振放大器。宽带放大器宽带放大器：指需要放大多个高频信号，或者中心频率要随时改变的高频小信号放大器，它的负载为电阻、高频变压器或传输线变压器。2022-6-13分立元件分立元件：用作窄带放大器，工作频率较高，但调整困难；集成放大器集成放大器：用作宽带放大器，增益高，性能稳定，但噪声性能要差一些。主要要求：主要要求： 增益要高增益要高：接收机中频放大器需要电压增益80dB100dB，需要多级放大器级联才能实

3、现； 频率选择性要好频率选择性要好：选择性描述的是放大器选择有用信号、抑制无用信号的能力，衡量选择性好坏的参数是放大器的带宽和矩形系数； 工作稳定可靠工作稳定可靠：包括放大器的温度稳定性、受电源电压等外界因素的影响要小、不产生任何自激； 接收机前级放大器：接收机前级放大器：要求内部噪声要小。本章主要讲分立元件高频小信号谐振放大器。本章主要讲分立元件高频小信号谐振放大器。 (2) 分立元件和集成放大器分立元件和集成放大器2022-6-142、工作原理、工作原理直流偏置：直流偏置：直流偏置和低频电路完全一样。只不过基极和发射极高频旁路电容Cb和Ce的电容值比低频电路要小得多。2022-6-15交流

4、等效电路：交流等效电路：去掉直流偏置电路。l 高频旁路电容Cb和Ce交流短路；l 直流电源对地交流短路；放大器的负载：放大器的负载：是一个抽头并联谐振回路，对信号频率0谐振，完成阻抗匹配和选频滤波的功能。工作状态：工作状态：放大器工作在A(甲)类状态。2022-6-163、性能分析、性能分析对晶体管的要求：对晶体管的要求：特征频率fT要高、要高、噪声系数要低。晶体管的高频等效电路：晶体管的高频等效电路：包括混等效电路和Y参数等效电路。l 晶体管混晶体管混等效电路：等效电路：混等效电路能全面反映双极晶体管在高频运用时物理过程，也是分析晶体管高频应用时的基本等效电路。宽带放大器通常采用混等效电路来

5、分析。ebCCcbCCmg ：发射结电容；：集电结电容；：晶体管的跨导。2022-6-17晶体管晶体管Y参数等效电路：参数等效电路：由混等效电路导出，比混等效电路使用方便，仅适合分析窄带放大器。Yoe：基极和发射极交流短路时输出导纳；Yie：集电极和发射极交流短路时的输入导纳；Yfe：集电极和发射极交流短路时的正向传输导纳；Yre：基极和发射极交流短路时的反向传输导纳。Y参数等效电路的参数方程：参数等效电路的参数方程：coebfeccrebiebUYUYIUYUYI2022-6-18说明：说明：Y参数不仅与静态工作点有关，而且还与工作频率有关。只有当放大器工作在窄带时Y参数可以近似看作常数。Y

6、参数和混参数和混参数关系：参数关系：), 0(CCrebY参数实际应用中的近似参数实际应用中的近似:)0, 0(bbebrCCr，CjYiebbiej1jrCCYmfegYbbmfej1rCgYCjYrebbrej1jrCCYbbmoej1jjrCgrCCYbbCYjoe2022-6-19放大器的性能参数：放大器的性能参数：忽略管子内部的反馈，即令Yre=0，这时放大器的电流、电压关系为YL：代表负载等效到晶体管ce两端的等效导纳。 根据上述关系可以计算放大器的电压放大倍数、输入导纳、输出导纳以及通频带和矩形系数。cLcbssbUYIUYII2022-6-110l 通频带B 0.707与矩形系

7、数K 0.1 :95. 97 . 01 . 01 . 00707. 0BBKQfBL，为空载谐振电导，为接入系数，那么和，：如果设021220021o21/1/1/2/1RgpRpRgLgQCpCCLCfppCjgYoeLLoeoeoeoe注意注意l 电压放大倍数K：LYYYUUKoefebcl 输入导纳Yi:LoefereiebbiYYYYYUIYl 输出导纳Yo:iesfereoe0ccosYYYYYUIYI放大器的五个性能参数：放大器的五个性能参数：2022-6-1114. 高频谐振放大器的稳定性高频谐振放大器的稳定性 放大器不稳定的原因：放大器不稳定的原因：集电结电容Cbc引入的电流反

8、馈。也可以用Yre解释。放大器不稳定的表现：放大器不稳定的表现：电流反馈如果在某个频率点上满足正反馈的相位和幅度条件，就会产生自激振荡。 在输入导纳Yi中，反馈表现为Yre引入的输入导纳Yir：irieLoerefeieiYYYYYYYY021QjGYYCjYgYLLoeremfe，考虑202020200021212)21 (LLmuLLLmuLLmuirQGgCjQGQgCQjGgCjY78.50%，放大器有一少半时间处于导通状态。 为了进一步提高效率，近年来出现了如D类、E类和S类等开关型高频谐振功放， 本章主要介绍C类高频谐振功放。负载负载：和低频功放相比，高频功放的相对带宽比较低，故高

9、频功放用选频网络作为负载，以完成阻抗匹配和滤波功能，所以高频功放称为谐振功率放大器谐振功率放大器。高频谐振功放的分析方法高频谐振功放的分析方法：对于C类高频谐振功放，由于双极晶体管(或场效应管或电子管)工作在高频、大信号非线性状态，将采用近似地方法分析。2022-6-1282. 工作原理工作原理电路特点电路特点：由晶体管、谐振回路和输入回路组成。 晶体管晶体管：采用平面工艺制造的高频大功率NPN管，有较高的特征频率，能承受高电压和高电流，为保证在C类工作，基极偏置应使晶体管静态时工作在截止区，因此基极偏压为负电压；2022-6-129 谐振回路谐振回路：功能是阻抗匹配和选频滤波。一方面从集电极

10、高频脉冲电流中取出基波分量，得到不失真的输出电压； 另一方面通过阻抗变换实现阻抗匹配，使高频功放以高效率输出大功率。 输入激励信号输入激励信号：大信号，一般在0.5V以上，可达12V。2022-6-130基极和发射极电流：基极和发射极电流：假设激励信号为单一频率的余弦波，则基极电流和集电极电流为周期性的高频余弦脉冲。 2022-6-131三类功放与通角的关系：三类功放与通角的关系：;cos tUubb基极激励电压：tUEubbbecos基极回路电压：电流流通角电流流通角(简称通角简称通角)：当t=，晶体管由放大器区进入截止区，这个最小的正值称为电流流通角，简称通角。 ：，可可以以这这样样计计算

11、算那那么么如如果果发发射射结结导导通通电电压压为为bEbbbbbbUEEUEEcoscos180类高频功放：A 90类高频功放：B 90类高频功放：C2022-6-132集电极电流分析：集电极电流分析：集电极电流波形是周期性余弦脉冲，可以利用傅里叶级数分解成直流、 基波(信号频率分量)和各次谐波分量 tnItIIicnccoccoscos1) 1()()coscos1)(1(cossin2cossin2.)()cos1 (cossin)()cos1 (cossinmax2max1maxmax10maxmaxnainnnnniIaiiIaiiIncccncccccco说明：说明：0()、1()和

12、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波分解系数。可以查表(西电版或本章课件附有表格西电版或本章课件附有表格)。2022-6-133基极电流分析：基极电流分析：基极电流波形也是周期性余弦脉冲，分解方法同集电极电流相同，分解系数与集电极的完全相同。 tnItIIibnbbobcoscos1) 1()()coscos1)(1(cossin2cossin2)()cos1 (cossin)()cos1 (cossinmax2max1maxmax10maxmaxnainnnnniIaiiIaiiInbbbnbcbbbbo2022-6-134输出电压和集电极电压：输出电压和集电极电压：由于并联谐振回路

13、谐振于激励信号频率，因此回路对基波分量呈现大的谐振阻抗RL，对直流和其他谐波分量呈现的阻抗近似为零，所以并联谐振回路输出电压由Ic1产生。为回路谐振阻抗其中回路电压LLcccLccoRRIUtUtRIuu)(,coscos11tUEuEucccccecos集电极电压2022-6-135高频谐振功率放大器的电流波形关系：高频谐振功率放大器的电流波形关系：2022-6-136高频谐振功率放大器的电压波形关系：高频谐振功率放大器的电压波形关系：2022-6-137 高频功放的主要性能参数：高频功放的主要性能参数： (1) 高频输出功率P1:LccLcLccRIURURIUIPc12211,21212

14、11 (2) 集电极电源供给的直流输入功率P0：ccEIP00(3) 集电极损耗功率Pc：10PPPc21210101ccccEUIIPP (4) 定义集电极效率：集电极电压利用系数可以查表：波形系数1/,)(/)(/0101ccCcEUII(6) 基极激励功率：bbdUIP121(7) 高频功放的功率增益：,1dpPPK)(lg10)(1dBPPdBKdp(5) 输出功率与损耗功率的关系：1/11cPP2022-6-138提高功率和效率的方法：提高功率和效率的方法： 提高电压利用系数 (即提高Uc)：通常是通过提高谐振回路的谐振阻抗来实现；选择合适的通角：功率与的关系由1()决定，效率与的关

15、系由波形系数决定。 因此为了兼顾效率和输出功率，取6575。2022-6-1393. 高频谐振功率放大器的工作状态高频谐振功率放大器的工作状态高频功放的动特性：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坐标系统中是一条折线ABBC。 tUEubbbecostUEucccecos2022-6-140coscos0)(bbbecCcecUEuUEuitB；，：点)2sin2(2)cos1 (maxLccRUiAB段的斜率动特性各点的坐标计算：小结小结：高频功放的动特性曲线不仅与负载电阻RL有关，

16、还与放大器的通角有关；小信号放大器的动特性曲线仅与负载电阻有关。说明：连接A、Q点交Uce轴于B点，则ABC三点连线即为高频功放的动特性曲线。如果A点进入饱和区，则饱和区中的线用临界饱和线代替。如果A点没有进入饱和区，则maxminmax,)0(bebbbececCceccuUEuuUEuiitA；：点minmax, 0)(bebbbececCcecuUEuuUEuitC；：点bbeCcecEuEuitQ；：点, 0)2/(tUEutUEucccebbbecos,cos2022-6-141高频功放的工作状态：高频功放的工作状态：高频功放根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状

17、态 。(1) 欠压状态欠压状态：晶体管在放大区和截止区变化，集电极电流ic为高频脉冲、基本保持不变。输出功率P1=UcIc1/2随Uc增加而增加，P0=EcIc0不变，故效率随Uc增加而增加，说明集电极电压利用的不充分， 1，A点处于放大区，因此称为欠压状态欠压状态。2)过压状态过压状态：A点处于饱和区。由于放大器大部分时间处于饱和区，集电极余弦电流脉冲ic顶部向下凹陷，电压利用系数 1，这种状态称为过压状态过压状态。(3)临界状态临界状态：A点正好处于临界饱和线和放大区的交接点，称为临界状态。这时的集电极电流仍为余弦脉冲，而且基波电流和回路电压都最大，因此具有最大的输出功率。这是高频功放的最

18、佳工作状态，满足这一状态的负载电阻RL称为临界电阻或最佳负载电阻临界电阻或最佳负载电阻，用RLc r表示。2022-6-142过压状态的电流波形：过压状态的电流波形：2022-6-143例例3-1 已知某高频谐振功放的工作频率为10MHz。分析下列两种情况下在临界和过压状态下的输出电流波形：代表方波信号。其中）发射结电压为（）发射结电压为（)(V),21025 . 25 . 0(V);102sin5 . 25 . 077xKtKubtuabebe解解：(a) 发射结电压为余弦波临界工作状态临界工作状态：输出电流为余弦脉冲，输出电压为余弦波；过压工作状态过压工作状态：输出为凹陷的余弦脉冲，由于经

19、过选频滤波，输出电压为余弦波。(b)发射结电压为方波临界工作状态临界工作状态：输出电流为方波脉冲，输出电压为余弦波；过压工作状态过压工作状态：输出为凹陷的方波脉冲，由于经过选频滤波，输出电压仍为余弦波。(图示见课本)2022-6-144例例3-2 已知某高频功放工作在临界状态，通角70，输出功率为P1=3W，Ec24V，所用高频功率管的临界饱和线斜率Sc0.33A/V，转移特性曲线斜率S0.8A/V，Eb=0.65V，管子能安全工作。试计算：P0、负载阻抗、 Ub以及Eb的大小。 0 00 cecececcuuuSi解：解：临界状态的标志就是icmax值正好处于放大区向饱和区过渡的临界线上。临

20、界饱和线的斜率为Sc， 则临界线可表示为436. 0)(253. 0)(10，另外已知2022-6-145求临界时电压利用系数求临界时电压利用系数cr、 最大电流最大电流ic max以及与输出功率以及与输出功率P1的关系的关系：考虑最大电流处ccmaxc1ESicrccrccccceccESUESuSi1minmaxcrEiUIPc1max ccc11)(21210)(22c1c12ESPcrcr921. 024436. 033. 032415 . 0)(2412122c1c1ESPcr2022-6-146A626. 0A24)921. 01 (33. 0)1 (ccmaxcESicrA158

21、. 0253. 063. 0)(0max cc0iIA273. 0436. 06336. 0)(1max cc1iIW79. 324158. 0cc00EIPW79. 0379. 310cPPP%8079. 3301PP%8021cr或 81c1cc1cLcrIEIURcr2022-6-147根据转移特性计算所需激励电压根据转移特性计算所需激励电压Ub、基极偏置电压、基极偏置电压Eb：转移特性代表集电极电流与发射结电压的关系曲线，可以表示为)cos1 (/bbemaxcmaxUEUEEuiSbbbb , 0 , bebebecbbbEuEuEuSicosbbbUEE又V19. 18 . 0)3

22、42. 01 (626. 0)cos1 (cmaxbSiUV24. 0342. 019. 15 . 0cosbbbUEE说明说明：这个例子概括了临界状态高频谐振功放的各种公式。2022-6-1484. 高频功放的外部特性：高频功放的外部特性：指放大器的性能随放大器的外部参数变化的规律。外部参数包括外部参数包括RL、Ub、Eb和Ec。负载特性：负载特性：只改变负载电阻RL，集电极电流、电压、功率和效率的变化情况。2022-6-149振幅特性：振幅特性：只改变激励信号振幅Ub，集电极电流、电压、输出功率和效率的变化特性。l 欠压状态：Ic1、Ic0和Uc随Ub增加而增加;l 过压状态： Ub变化时

23、，Ic1、Ic0和Uc保持不变，因而输出功率和效率也不变。2022-6-150调制特性：调制特性：改变基极或集电极的偏置电压，输出高频信号的幅度相应改变。利用这种特性，可以实现振幅调制。调制特性分为基基极调制特性和集电极调制特性。极调制特性和集电极调制特性。 如果在直流电压Eb(或直流电压Ec)叠加一个较小的信号(调制信号)，再选择合适的工作状态，输出信号的幅度随着调制信号变化，就可以将调制和功放同时完成，通常称为高电平调制高电平调制。2022-6-151调谐特性：调谐特性：谐振回路在调谐过程中性能参数的变化情况。一般是通过调整回路电容来进行调谐的。注意：注意：调谐时，为了防止由于输出电压、电

24、流大幅度变化而损坏晶体管，可以减少Ec或减少激励电压。2022-6-152三、高频功率放大器的高频效应三、高频功率放大器的高频效应 高频效应：高频效应：当晶体管处于中频区(0.5fffT)甚至更高频率时，会出现功率下降、效率降低、增益下降以及输入/输出阻抗为复阻抗等现象，称为功放管的高频效应。1. 少数载流子的渡越时间效应少数载流子的渡越时间效应 晶体管是电荷控制器件，电荷控制器件，少数载流子的注入和扩散是信号放大的基础。载流子渡越时间载流子渡越时间：少数载流子在基区扩散而到达集电极的时间。晶体管在低频和高频时渡越时间的影响是不一样的。低频工作低频工作(信号周期大信号周期大)：渡越时间小于信号

25、周期，基区载流子分布可以跟上外加瞬时电压的变化，晶体管各极电流仅仅与当前输入信号电压有关。高频工作高频工作(信号周期小信号周期小)：渡越时间与信号周期相当，某一时刻基区载流子分布与前一时刻信号电压有关，因此各极电流并不取决当前信号电压，导致高频功放性能恶化。2022-6-153载流子渡越时间对电流波形的影响载流子渡越时间对电流波形的影响： (a) 低频； (b)高频 性能恶化的具体体现性能恶化的具体体现：集电极电流减少，输出功率下降；通角增大，集电极效率降低。 2022-6-1542. 非线性电抗效应非线性电抗效应功放管的集电结电容：功放管的集电结电容：就是随集电结电压Ube变化的非线性势垒电

26、容。数值可达10200pF。影响：影响：可以概括为两条。(1) 形成一条反馈支路，导致放大器不稳定。(2) 在输出端形成一个随Ube非线性变化的输出电容。91075. 043 . 21971. 0dllgLe3. 发射极引线电感的影响发射极引线电感的影响 发射极引线电感： 其中l为引线长度，d为直径。影响：影响：高频工作时Le不能忽略，在共发功放放大器中引入射极负反馈，导致增益降低。2022-6-1554. 饱和压降的影响饱和压降的影响 晶体管工作于高频时, 饱和压降Uces随频率提高而加大。 影响：影响：导致功放的集电极电压利用系数减少，这样会使输出功率和转换效率降低。2022-6-156

27、四、高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路 1、直流馈电线路直流馈电线路：包括集电极和基极馈电线路。功能：功能：包括三个方面： 保证集电极回路电压uce=Ecuc，基极回路电压ube=Eb+ub； 保证集电极和基极电流的直流和基波分量有各自的通路； 防止高频信号流过直流电源，增加高频功率损耗。 可通过设置旁路电容Cb和高频扼流圈Lb来实现上述目的。 在短波波段，Cb=0.01uF0.1uF， Lb=10uH100uH。2022-6-157集电极馈电线路集电极馈电线路：包括串联和并联馈电线路。串联馈电线路串联馈电线路：晶体管、谐振回路和集电极电源三者是串联关系(图(a)。(1) 直流通

28、路EcLb L 晶体管Ec(2) 交流通路发射极 Cb 谐振回路集电极 高频扼流圈Lb：防止高频电流流过Ec。旁路电容Cb：提供交流通路，防止高频电流流过Ec。2022-6-158集电极并联馈电线路集电极并联馈电线路：晶体管、谐振回路和集电极电源三者是并联关系。( 图(b)(1) 直流通路Ec Lb 晶体管Ec(2) 交流通路发射极谐振回路Cb 集电极Cb：耦合电容，Cb1：旁路电容，Lb：高频扼流圈。无论何种馈电方式，均有：uce=Ec-uc2022-6-159基极馈电线路基极馈电线路：有四种馈电方式。(1) 固定偏压:基极直流偏压由外部电源提供；(2) 自给偏压:由基极或发射极直流电流流过

29、电阻产生；(3) 组合偏压:固定偏压和自给偏压兼而有之；(4) 零偏压:基极没有偏置电压。 自给偏压的优点是偏压能随激励大小变化，电路工作稳定。图(a): 发射极自给偏压；图(b): 基极组合偏压；图(c):零偏压2022-6-160 举例举例：例3-2。改正图(a)线路中的错误，不得改变馈电形式，重新画出正确的线路。2022-6-161 2. 输出匹配网络输出匹配网络 主要功能主要功能: (1) 为了保证放大器传输到负载的功率最大，实现阻抗匹配；(2) 为了拟制工作频率之外的无用频率，实现滤波；(3) 适应发射机的波段工作。 常用的匹配网络有LC网络和耦合回路。 LC匹配网络匹配网络 ：主要

30、由LC元件组成，有三种形式。2022-6-162L-I型网络(负载电阻Rp与Xp并联)：pppspsXRQXQQXRQR,1,11222L-型网络(负载电阻Rs与Xs串联)：ssspspRXQXQQXRQR,1,)1 (2222022-6-163 举例举例1：已知工作频率f=5MHz，功放临界电阻RLcr=100 ，天线端电阻R2=10。例3-3。解：属于L-II型匹配电路。3112222RRQRQQRLcrLcrHXLQRXsss95. 0302pFXCXQQXXppspp99513 .331222022-6-164 举例举例2：超短波输出放大器的实际电路，它工作于固定频率。输出回路采用型(

31、C1L1C2)匹配网络，其中L2为补偿电感(补偿天线输入阻抗中的容抗)，Cb为耦合电容或隔直电容。 调整C1C2实现阻抗匹配和调谐。2022-6-165耦合回路：耦合回路：采用互感耦合回路作为输出电路，可以多波段工作，改变互感M可以实现阻抗匹配。下图是一短波发射机的输出放大器，图中只画出一个波段。l 耦合回路初级线圈采用抽头回路，并采用1:4传输线变压器，原因是功放管的输出阻抗较小；l 集电极接地便于晶体管散热。2022-6-166 3. 推挽线路与线性高频功放推挽线路与线性高频功放 功能功能: 高频功放在放大某些已调波信号(如调幅信号、单边带信号)时，除了需要提高输出功率外，还需要“线性高频

32、功率放大”，推挽线路就可以完成这样的功能。推挽线路的结构推挽线路的结构：两个功放管VT1和VT2工作在B类状态、交替导通、协同工作，可以实现线性功率放大。输入端采用传输线变压器实现阻抗变换，输出负载为宽带电阻，变压器实现阻抗变换。2022-6-167 4. 高频功放的实际线路举例高频功放的实际线路举例 图(a)是工作频率为50MHz的晶体管谐振功率放大电路， 它向50外接负载提供25W功率，功率增益达7dB。基极采用零偏压(Lb为高频扼流圈)，C1C2L1组成T型匹配网络，集电极采用串馈，L2L3C3C4组成型匹配网络。 2022-6-168图(b)为175MHz的VMOS场效应管谐振功放电路

33、，可以向50负载提供10W功率，效率大于60%，栅极采用T型网络(C1C2C3L1)，漏极为型网络(L2L3C5C7C8)。栅极采用并馈偏置，漏极采用串馈偏置。2022-6-169 五、五、D类高频功放和高频功率合成器简介类高频功放和高频功率合成器简介 1、D类高频功率放大器类高频功率放大器提高高频功率放大器效率的关键是降低集电极损耗功率。如果在集电极电流导通期间，使集电极电压为零或者是很小的值，则能进一步减小集电极损耗，提高集电极效率。D类高频功放就是工作于这种开关状态的放大器，它的功率转换效率达到90%以上。基本假设基本假设：通常假定集电极电压为理想方波波形或电流为理想方波波形。激励电压激励电压：可以是正弦波，也可以是其他脉冲波形，但是电压幅度必须足够大，使晶体管迅速进入饱和状态。D类高频功放的分类类高频功放的分类：电流开关放大器和电压开关放大器。2022-6-170电流开关型电流开关型D类放大器：类放大器：激励信号为方波电压或大幅度正弦波，集电极电流波形为方波信号。 l 两晶体管特性相同，激励电压反相，交替导通或截止；l 输出信号为正弦波，并联谐振回路选频(LC)。0,)(ccesceiUu截止饱和导通2022-6-171电流开关型电流开关型D类功放的功率与效率：类功放的功率与效率：集电极电压为半余弦脉冲)U()(cesccmEU：就是