无线通信系统03高频谐振放大器

1、第三章第三章 高频谐振放大器高频谐振放大器 3.1 高频小信号放大器高频小信号放大器 3.2 高频功率放大器的原理和特性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高频功率放大器的实际线路 3.5 高频功放、高频功放、 功率合成与射频模块放大器功率合成与射频模块放大器 3.1 高频小信号放大器高频小信号放大器 高频小信号谐振放大器的功用功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。 3.1.1 高频小信号谐振放大器的工作原理高频小信号谐振放大器的工作原理 图3-1(a)是一典型的高频小信号谐振放大器的实际线路。 3.1.2

2、放大器性能分析放大器性能分析 1 晶体管的高频等效电路晶体管的高频等效电路 图3-2(a)是晶体管在高频运用时的混等效电路, 它反映了晶体管中的物理过程, 也是分析晶体管高频时的基本等效电路。 RL2LC5V(b)431 图图 3-1 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器 (a) 实际线路实际线路; (b) 交流等效电路交流等效电路 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bburebbmfebbmbboebbierCjCjYrCjgYrCjgrCjCjYrCjCjY111 (3-1)(3-2) (3-3) (3-4) 由图3-2可以得到晶体管 Y 参数等效电路的 Y

3、参数方程coebfeccrebiebUYUYIUYUYI(3-5a) (3-5b) rbbUbe.CgmUbe.Ycebeceb(a)CUbe.Yoebece(b)YieYreUce.YfeUbeUce. 图图 3-2 晶体三极管等效电路晶体三极管等效电路 (a) 混混等效电路等效电路; (b) Y参数等效电路参数等效电路 2 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, 由图3-3可得cLcbSSbUYIUYII(3-6a) ISYSUb.Ib.YieUc.YreUc.YfeUb.Ic.YLYoe.图图 3-3 图图3 -1高频小信号放大器的高频小信号放大器的

4、 高频等效电路高频等效电路 (3-6b) (3) 输出导纳YoieSfereoeIccoYYYYYUIYS0 (3-9) LoerefeiebbiLoefebcYYYYYUIYYYYUUK(1) 电压放大倍数K(2) 输入导纳Yi (3-7) (3-8) 3.1.3高频谐振放大器的稳定性高频谐振放大器的稳定性 1 放大器的稳定性放大器的稳定性 反向传输导纳Yre引入的输入导纳, 记为Yir。 忽略 r bb的影响, 则由式(3-3)、 (3-4)有 将Yoe归入负载中, 并考虑谐振频率0附近情况, 有 (4) 通频带B 0.707与矩形系数K 0.1 通频带B 0.707为 LoQfB707.

5、 0(3-10) uremfeCjYgY将Yoe归入负载中, 并考虑谐振频率0附近情况, 有)21 ()21 ()21 (00000LLmuLLmuirLLLLoeQjCgCjQjCgCjYQjGCYY (3-11) 则 2. 提高放大器稳定性的方法提高放大器稳定性的方法 是利用中和电容Cn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。根据电桥平衡有cbcbnncbCNNCLLCLjCjLjCj212120010011cUnU则中和条件为 (3-12) N2N1CeCnCb1EcUn.Uc.(a)CbVL1L2Uc.CnUo.EcV2(b)V1

6、 图图 3-5 中和电路中和电路(a) 原理电路原理电路; (b) 某收音机实际电路某收音机实际电路V1V2YSYLYi YieYo YobYfbYrbYib 图图 3-6 共发共发共基电路共基电路DR3R1R4R2G2G1S EcuoCSRSV 图 3 7 双栅场效应管调谐放大器 3.1.4多级谐振放大器多级谐振放大器 1多级单调谐放大器多级单调谐放大器 多级单调谐放大器的谐振频率相同, 均为信号的中心频率。 nKKKK002010 (3-13) 211a(3-14) 2/2)1 (nna(3-15) 表表3-2 多级双调谐放大器的带宽和矩形系数多级双调谐放大器的带宽和矩形系数表表3-1 多

7、级单调谐放大器的带宽和矩形系数多级单调谐放大器的带宽和矩形系数 2. 多级双调谐放大器多级双调谐放大器 2/4)41 (nna(3-16) 3. 参差调谐放大器参差调谐放大器 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示出了一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 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(a)中, 集中选频滤波器接于宽带

8、集成放大 器的后面。 图3-10(b)是另一种接法。 图图3-8 参差调谐放大器的频率特性参差调谐放大器的频率特性单、双回路特性；总特性单、双回路特性；总特性C2C1AGCG2G1DVSEcC3 图图 3-9 电视机高频放大器的简化电路电视机高频放大器的简化电路 图图3-10 集中选频放大器组成框图集中选频放大器组成框图表表3-3 MRA8 主要性能指标主要性能指标 图 3-11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。 A2C2L1L2A1C1MRA8ui5050uoC3R1R2220 14W220 14W15

9、MRA8C4图图 3-11 集成选频放大器应用举例集成选频放大器应用举例 3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性 高频功率放大器的主要功用是放大高频信号, 并且以高效输出大功率高效输出大功率为目的, 它主要应用于各种无线电发射机中。 3.2.1 工作原理工作原理 图3-12是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路, 除电源和偏置电路外, 它是由晶体由晶体管、管、 谐振回路谐振回路和输入回路三部分组成和输入回路三部分组成的。 ucCRLuceubeubEbEcu ()ibicV图图 3-12 晶体管高频功率放大器的原理线路晶体管高频功率放大器的原理线路 1电流、电流、 电

10、压波形电压波形 设输入信号为 tUEutUubbbebbcoscos则由图3-12得基极回路电压为(3-17) 周期性脉冲可以分解成直流、 基波(信号频率分量)和各次谐波分量, 即 tnItIIicnccoccoscos1(3-18) ) 1()()coscos1)(1(cossin2cossin2)()cos1 (cossin)()cos1 (cossinmax2max1maxmax10maxmaxnainnnnniIaiiIaiiIncccncccccco (3-19b) (3-19a) (3 -19c) 图图3-13 集电集电流的波形集电集电流的波形图图3-14 C类高频功率放大器类高频

11、功率放大器 的电压、电流波形的电压、电流波形 0()、 1()、 n()分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n次谐波的分解系数分解系数, 数值见附录。 2 高频功放的能量关系高频功放的能量关系 在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率输出功率P1为LcLccRURIUIPc22112121211(3-22) 集电极电源供给的直流输入功率直流输入功率P0为ccEIP00(3-23)直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极集电极损耗功率损耗功率Pc , 即10PPPc(3-24) Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。 定义集电极效率为 212101ccccEUI

12、IPP(3-25) 由式(3-24)、 (3-25)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为111cPP(3-26) 设其基波电流振幅为I b1, 且与ub同相(忽略实际存在的容性电流), 则激励功率为bbdUIP121 (3-27) 高频功放的功率放大倍数为 dpPPK1(3-28) 用dB表示为)(101dBPPLgKdp (3-29) 图图3-15 、0、 1、 2 3与与 的关系的关系 3.2.2 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 1 高频功放的动特性高频功放的动特性 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(ub

13、e或uce)的关系曲线, 它 在icuce或icube坐标系统中是一条曲线。 2 高频功放的工作状态高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态 图图3-16 高频功放的动特性高频功放的动特性图图3-17 过压状态的过压状态的 ic 波形波形 3.2.3 高频功放的外部特性高频功放的外部特性 高频功放是工作于非线性状态的放大器, 同时也可 以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)。 1高频功放的负载特性高频功放的负载特性 负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率变化的特性。 图 3-18(b)是根据图3

14、-18(a)而得到的功率、效率曲线。 2高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub 时, 放大器电流、 电压、 功率及效率的变化特性。 图图3-18 高频功率放大器的负载特性高频功率放大器的负载特性图图3-19 高频功率放大器的振幅特性高频功率放大器的振幅特性图图3-20 高频功率放大器的基极调制特性高频功率放大器的基极调制特性图图3-21 高频功率放大器的集电极调制特性高频功率放大器的集电极调制特性 3. 高频功放的调制特性高频功放的调制特性 1) 基极调制特性 2) 集电极调制特性 4. 高频功放的调谐特性高频功放的调谐特性 图图3-22 高频功率放

15、大器的调谐特性高频功率放大器的调谐特性 3.3 高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路 3.3.1 直流馈电线路直流馈电线路 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、 Lb的应用方法。 图3-23是集电极馈电线路的两种形式: 串联馈电线路和并联馈电线路。 图 3-23(b) 中晶体管、 电源、 谐振回路三者是并联连接的, 故称为并联馈电线路。 VCCbEcLbL(a)VEc(b)CL1Cb1CbLb 图图 3-23 集电极馈电线路两种形式集电极馈电线路两种形式 (a) 串联馈电串联馈电; (b) 并联馈电并联馈电 2基极馈电线路基极馈电线路

16、 基极馈电线路也有串联和并联两种形式。图3-24示出了几种基极馈电形式, 基极的负偏压既可以是外加的, 也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。 ReCbVCbVR1R2ECbLbV(a)(b)(c) 图图 3-24 基极馈电线路的几种形式基极馈电线路的几种形式 3.3.2 输出匹配网络输出匹配网络 该双端口网络应具有这样的几个特点: (1) 以保证放大器传输到负载的功率最大, 即起到阻抗匹配的作用; (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率, 即有良好的滤波作用; (3) 大多数发射机为波段工作 。 1. LC匹配网络匹配网络 图 3-25 是几种常用的 LC 匹配网络。 R2R1

17、(a)(b)(c) 图图 3-25 几种常见的几种常见的 LC 匹配匹配 (a) L型型; (b) T型型; (c) 型型 对于L-I 型网络有 pppspsXRQXQQXRQR222111 (3-30a) (3-30b) (3-30c) 对于L-型网络有ssspssRXQRQQRRQR2221)1 (3-31a) (3-31b) (3-31c) XsXpRpXsXpRsXpXpRp(a)(b)XsXsRs 图图 3-26L 型匹配网络型匹配网络 (a) L-I型网络型网络; (b) L-型网络型网络 图3-27是一超短波输出放大器的实际电路, 它工作于固定频率。 3DA21CCbVC1L1L

18、2C222.5 V图图 3-27 一超短波输出放大器的实际电路一超短波输出放大器的实际电路 2 耦合回路耦合回路 图3-28是一短波发射机的输出放大器， 它采用互感耦合回路作输出电路, 多波段工作。 V1CbC1L1L2C2KL324 VM 图图3-30 短波输出放大器的实际线路短波输出放大器的实际线路 3.3.3 高频功放的实际线路举例高频功放的实际线路举例 图3-29(a)是工作频率为50 MHz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7 dB。 VL2Ec13.5 VLbC1C214150pF50 90400 pFL1L332250 pF32250 pF

19、C3C450 (a)C5VR1100k50 530 pFL1533pF15 pFC4R2110 kEGEDC615 pFL3C8C7533 pF533 pF50 (b)C1C2C3L2 图图 3 -29 高频功放实际线路高频功放实际线路(a) 50 MHz谐振功放电路谐振功放电路; (b) 175 MHz谐振功放电路谐振功放电路 3.4 高频功放、功率合成与射频高频功放、功率合成与射频模块放大器模块放大器 3.4.1 D类高频功率放大器类高频功率放大器 1. 电流开关型电流开关型D类放大器类放大器 图3-30是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图， 线路通过高频变压器T1, 使晶体管V1、

20、V2获得反向的方波激励电压。 ccescesmcescesmEuuUtdutuU)(2cos)(122 由此可得 )()(2)(2cesccesmmcescescmuEuUUuuEU 集电极回路两端的高频电压有效值为集电极回路两端的高频电压峰值为CALRLT2ic1ic2V1V20T1ic1t0(b)ic2t0(c)uce1t0(d )ucesuce2t0(e)ucesuAt0( f )UMUM uces 3/2 /2/2 3/2(a)Ec 图图 3-30 电流开关型电流开关型D类放大器类放大器 的线路和波形的线路和波形 V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形, 它的基频分量振幅等于(

21、2/)Ic0。 V1、 V2的ic1、 ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗RL(考虑了负载RL的反射电阻)两端产生的基频电压振幅为22212)(221)(22)2(cescLLcmcescLLcmcoLcocmuERRUPuERRUIRIU将式(3-33)代入式(3-35), 得输出功率为 输入功率为 (3-37) (3-36) (3-35) %100%100)(2)(20121020ccesccescescLcccescLcocEuEPPuuERPPPEuERIEP 集电极损耗功率为 (3- 40) (3-39) (3-38) 2 电压开关型电压开关型D类放大器类放大器 图3-31为一互

22、补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。 两个同型(NPN)管串联, 集电极加有恒定的直流电压Ec。 ic2iLL0C0RLV2uce2uce1V1T1Ec(a)ic1iLL0C0RLEcS(b)uce2uce2 tEc02iL t0ic1 t0ic1maxic2 t0(c)图图 3-31 电压开关型电压开关型D类功放的线路及波形类功放的线路及波形 由图可见, 因ic1、ic2都是半波余弦脉冲(=90), 所以两管的直流电压和负载电流分别为max0maxmax11cccocccoccoiEIEPiIiI两管的直流输入功率为 负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波电压分量。 对uce2分解可得max0max022212sin1ccLLLLccLLLccLiEIURPPiEIUPEttdEU负载上的功率为 可见 此时匹配的负载电阻为 3.5.2 功率合成器功率合成器 功率合成器, 就是采用多个高频晶体管, 使它们产生的高频功率在一个公共负载上相加。 图3-32是常用的一种功率合成器组成方框图。 基本单元信号源负载放大器混合电路 图图 3-32 功率合成器组成功率合成器组成 由3dB耦合器原理可知, 当两晶体管输入电阻相等 时, 则两管输入电压与耦合器输入电压相等 SBATBARRRRUUU42211 在晶体管的输出端, 当两管正常