射频模拟电路_No4_第一章 选频放大器

1、第一章 选频放大器电子科技大学 电子工程学院 电子科技大学 2第1章 选频放大器要点 谐振电路串并联谐振回路的主要特性两种谐振回路的阻抗互换及抽头变换了解双调谐耦合谐振回路谐振放大器高频小信号谐振放大器的基本要求晶体管高频小信号等效电路模型和参数调谐回路放大器及其级联功率放大器谐振功率放大器的原理谐振功率放大器的折线分析法谐振功率放大器的种类、电路构成及匹配网络1-3 高频谐振功率放大器 主要内容：基本工作原理折线近似分析方法动态特性馈电线路匹配网络重点：分析集总参数的高频谐振功率放大器 电子科技大学 31-3 什么是高频谐振功率放大器？ 电子科技大学 4高频谐振功率放大器在无线电发送设备中扮

2、演重要角要保证足够远的传输距离，就必须要有足够大的发射功率。高频谐振功率放大器包括：缓冲放大器、中间放大器、推挽放大器以及末级功率放大器1、高频功放用途：1-3 高频谐振功率放大器特点 电子科技大学 52、电路工作特点及要求（与低频功放相比）：1）负载非阻性，而是谐振回路构成的选频网络输入 输出应设计匹配网络！2）导通角小于90度，晶体管工作在丙类提高效率。3）要求：输出功率大，效率高！4）晶体管一般工作在高电压、大电流的极限工作状态， 电路设计应该充分考虑功放管的安全问题！5）分析法：由于放大器处于非线性工作状态，高频小 信号谐振放大器的一套线性模型在这里已完全不能 用，只能用图解法或折线近

3、似分析法来分析功率放大器。1-3 高频谐振功率放大器特点 电子科技大学 6图解法或折线近似分析法要求：高频谐振功率放大器工作频率满足：从而因此，可用晶体管的静态特性可作为高频谐振功率放大器理论分析的基础折线近似分析法：用折线来表示电子器件的特性曲线。大信号工作条件下高频功放折线近似为理想化特性曲线的原理：射频功放的分析方法例：3DA21型晶体管的静态特性曲线VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。gc 正向传输特性的斜率VBZ在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。该斜线称为饱和临界线在放大区，根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于 Uc

4、e轴的水平线。1-3 高频谐振功率放大器特点 电子科技大学 9高频功放与低频功放的区别表工作频率 相对带宽 工作状态负载效率低频功放 低（20Hz-30KHz） 宽甲类、推挽乙类无调谐负载阻性低高频功放高（一个工作频率 ） 窄 丙类选频网络高1-3 高频谐振功率放大器 电子科技大学 103、射频功率放大器的主要技术指标：效率、输出功率、谐波、杂散波抑制。VCEOICMPCM功率放大器晶体管的工作区域1-3 高频谐振功率放大器性能指标 1）功率能够输出比较大的功率，这是它作为“功率放大器”最为基本的要求。 电子科技大学 11固态器件与电真空器件功率量级比较图1-3 高频谐振功率放大器性能指标 2

5、）效率效率是功率放大器的生命。 电子科技大学 12晶体管放大器工作状态的分类：（1）定义导通角：晶体管在信号一个周期内流通角度的一半，称为导通角：（2）工作状态分类：甲类：乙类：丙类：甲乙类：1-3 高频谐振功率放大器性能指标 2）效率 电子科技大学 甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形 电子科技大学 14定义集电极效率: 越小，集电极效率 越高。 从20提高到75(丙类)，则 增大了12倍。 电源提供的功率：Pdc集电极耗散功率：Pc输出的交流功率：P0能量守恒： 3）谐波、杂散波 这是衡量功率放大器失真水平的重要指标，越小越好。1-3 高频谐振功率放大器性能指标 电子科技大学 152

6、）效率当效率很低时：直流功率大部分消耗在晶体管上！发热严重时烧坏功放管！功放必须进行安全保护设计！1-3 高频谐振功率放大器性能指标 电子科技大学 16VCEOICMPCM功放管的保护：1、不能空载上电。2、热设计。加散热器。3、加驻波检测与保护电路。4、射频MOS功放管要设计上下 电时序电路（先后上下电要求）功放管必须工作在安全区！1-3 高频谐振功率放大器性能指标 电子科技大学 17射频功放与散热措施1-3 高频谐振功率放大器性能指标 电子科技大学 18射频功放与散热措施1-3 高频谐振功率放大器性能指标 1-3 高频谐振功率放大器性能指标 3）谐波、杂散波指标这是衡量功率放大器失真水平的

7、重要指标，越小越好 电子科技大学 191-3-1 高频谐振功率放大器的基本工作原理 1、分析条件：1-3-1 高频谐振功率放大器的基本工作原理 电子科技大学 20其中 2、高频功放基本电路：回路谐振电阻因为VBB为略正、零或负电压，就需输入交流信号有较大幅度的Vb才可将管子打通。所以丙类功放是在大信号输入时工作的。其中VBB为晶体管发射结偏置电压：可正可负！1-3-1 高频谐振功率放大器的基本工作原理 工程实践1-3-1 高频谐振功率放大器的基本工作原理 高频功放谐振回路对信号基频以及各次谐波的谐振阻抗工作频率近似等于谐振回路的谐振频率 1-3-1 高频谐振功率放大器的基本工作原理 设QL =

8、 10，则有：即可近似为对二次以上谐波短路！1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 243、高频功放基本工作原理：ic其中VBB为晶体管发射结偏置电压：可正可负！1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 25VBB设置与晶体管工作状态放大器没有显著的电流，工作于丙类。 因为晶体管仅在部分时间内有电流流通，大部分时间内是无集电极电流的，集电极耗散功率等于集电极电压与集电极电流之乘积，因而大部分时间是无集电极耗散功率的。集电极效率:丙类的工作效率可提高到75%！1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 261）输入输出回路方程：ic单音激励信号 输入回路方程

9、输出回路方程 最大2）晶体管的转移特性曲线与集电极输出电流波形：1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 27甲、 乙、 丙类三种工作状态下的转移特性分析 1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 28脉冲电流 的周期与输入信号的周期是相同的，可分解成无数多个正弦波之和：1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 29icic1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 30高频谐振功放的激励电压与集电极电流1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 31高频谐振功放的电压电流波形图1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 32谐

10、振回路对 呈现阻抗 ，对 ， ，可近似认为短路(阻抗近似为零)。 由于谐振回路的选频作用，集电极的交流输出电压仍是与输入电压相同的正弦波，相位相反。于是其中从而3）高频谐振功放电路分析：1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 33电源输入的直流功率(平均功率) 交流输出功率 集电极耗散功率 1-3-1 高频谐振功率放大器工作原理 电子科技大学 34定义波形系数 定义电压利用系数 集电极效率 1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 电子科技大学 35基本思想：用折线来代替实际特性曲线。 例：3DA21型晶体管的静态特性曲线VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。gc 正向传

11、输特性的斜率VBZ在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。该斜线称为饱和临界线在放大区，根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于 Uce轴的水平线。1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 转移特性曲线输出特性曲线1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 转移特性曲线输出特性曲线划分高频功放三种工作状态：欠压：特点：iCmax在临界饱和线的右方交流输出电压较低；过压：特点：iCmax在临界饱和线的左方(饱和区)交流输出电压较高；临界：特点：iCmax在临界饱和线上。1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 1-3-2 高频谐振功率

12、放大器折线近似分析法 1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 电子科技大学 40将高频谐振功率放大器的实际特性曲线用折线来代替后，我们就可以用解析的方法分析放大器的工作过程 输入、输出回路的电压回路方程输入激励电压 由转移特性曲线折线近似 1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 电子科技大学 41定义导通角 为一个周期内导通角度的12，那么 将 代入 得 1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 电子科技大学 42当 时，集电极电流最大 即 从而1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 电子科技大学 43尖顶余弦电流脉冲用傅里叶级数展开其中称为尖顶余弦电流分解系数1-3-2

13、 高频谐振功率放大器折线近似分析法 电子科技大学 44尖顶余弦脉冲电流分解系数图倍频器：2倍频器、3倍频器的设计要求？1-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 对任一导通角，总有一个尖余弦电流分解系数最大，例如当放大器用作倍频器时，要注意选取合适的导通角，例如 电子科技大学 451-3-2 高频谐振功率放大器折线近似分析法 当 时 ，即乙类放大器无奇次谐波功率放大器最佳导通能角 电子科技大学 46集电极效率越高越小越大最大无交流功率输出最大小 效率最低最大兼顾功率和效率，最佳导通角一般取 左右输出功率1-3-3 高频谐振功率放大器动态特性 电子科技大学 47考虑负载反作用后，输入信号随时间

14、变化时，工作点移动的轨迹称为放大器的负载特性，又称为负载线。静态转移特性： 不变， 变化， 的特性。静态输出特性： 不变， 变化， 的特性。静态输入特性： 不变， 的特性。当某些参数变化时，负载线的斜率、位置与斜率大小都会发生变化，这种特性称为动态特性。1-3-3 动态特性负载特性 电子科技大学 48负载特性 ： ， ， 保持不变时，谐振回路的谐振电阻 (等效负载)变化时，负载线的变化情况。 负载线的作法晶体管的折线化方程1-3-3 动态特性负载特性 电子科技大学 49截距 斜率 相交于A点1-3-3 动态特性负载特性 电子科技大学 50Q点为转移特性中斜率为 折线的延长线与 坐标位置相交的点

15、。 虚拟工作点电流 在丙类工作状态时， 实际上并不存在，仅是用来确定Q的位置。令 ,找到另一点A，连接AQ即为负载线1-3-3 动态特性负载特性 电子科技大学 51高频谐振功放的负载线建立由Rp和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（Ic与Uce的关系曲线。）vceicVoAVCCQVcm1vcemingdV0 1-3-3 高频谐振功放的动态特性1、动态负载线建立由Rp和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（Ic与Uce的关系曲线。）vceicVoAVCCQVcm1vcemingdV01、动态负载线B 1-3-3 高频谐振功放的动态特性建立由Rp和VCC 、VBB、Vb

16、所表示的输出动态负载曲线。（Ic与Uce的关系曲线。）vceicVoAVCCQVcm1vcemingdV01、动态负载线B甲类与低频放大器负载线的斜率公式一致偏离1800，即非甲类工作时，负载线的斜率变化。 1-3-3 高频谐振功放的动态特性建立由Rp和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（Ic与Uce的关系曲线。）vceicVoAVCCQVcm1vcemingdV01、动态负载线B当RP 时， 1-3-3 高频谐振功放的动态特性一、负载特性vBEiC-VBBVBZvbeiCgCVbmvbemaxiCmaxvceiCVCCQvceminVcesgdvbemax过压区临界区欠压区vb

17、emaxA1A5A3A4A2V0V0V0 1-3-3 高频谐振功放的动态特性一、负载特性欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，c低，Pc较大；过压：恒压，Icm1变化，Po较小，c可达最高；临界：Po最大，c较高；最佳工作状态发射机末级中间放大级恒流源恒压源 1-3-3 高频谐振功放的动态特性1-3-3 动态特性 电子科技大学 58负载变化与负载线变化关系1-3-3 动态特性 电子科技大学 59A1 A2尖顶余弦脉冲欠压工作状态A2尖顶余弦脉冲临界工作状态电流波形出现凹坑过压工作状态A2 A3由于谐功放的负载是谐振回路，具有良

18、好的选频能力，谐振回路两瑞的电压是连续的正弦波形，到达A4后， 电压进一步下降，直到达 ，完成连续的正弦波形。出现凹坑的原因注意，如负载是真正的电阻，则电流波形不可能出现凹坑。1-3-3 动态特性 电子科技大学 60A1 A2尖顶余弦脉冲欠压工作状态较小基本不变（ 不变）负载线为双折线欠压状态增加不变不变不变基本保持不变恒流源工作状态 电流是尖顶余弦电流脉冲1-3-3 动态特性 电子科技大学 61A2尖顶余弦脉冲临界工作状态较大基本与欠压状态的 一样负载线为双折线临界状态 最大， 较高，是最佳工作状态。一般作为发射机末级。1-3-3 动态特性 电子科技大学 62电流波形出现凹坑过压工作状态A2

19、 A3负载线为三折线最大下降过压状态增加不变电流波形出现凹坑下降凹坑愈深愈小基本不变( 不断增加)1-3-3 动态特性 电子科技大学 63RP变化对集电极余弦脉冲的影响1-3-3 动态特性 电子科技大学 64RP对工作状态的影响1-3-4调制特性VCC的影响 电子科技大学 65 的影响不变不变不变不变不变不变不变负载线斜率 不变或1-3-4 调制特性VCC的影响 电子科技大学 66VCC对负载线的影响1-3-4 调制特性VCC的影响 电子科技大学 67增加Q点右移欠压电流几乎恒定不变减小Q点左移过压电流随过压程度的加强而下降电流波形出现凹坑越小凹坑越深下降过压增加与 的关系基本是线性的增加振幅

20、调制电路与调制信号成线性关系1-3-4调制特性VCC的影响 电子科技大学 68VCC对工作状态的影响1-3-4调制特性集电极调幅 电子科技大学 69集电极调幅1-3-4调制特性集电极调幅 电子科技大学 70调制信号与集电极电压 串接过压区成线性关系获得最大调幅指数高频谐功放工作于临界工作点时对应的集电极电压缺点：需要调制信号源提供较大的功率。集电极调幅1-3-4调制特性VBB的影响 电子科技大学 71增加增加下降增加增加下降下降虚拟工作点电流下降虚拟工作点向上平移，状态从欠压到临界，甚至到达过压工作状态。的影响1-3-4调制特性VBB的影响 电子科技大学 72过压区临界区欠压区VBB对负载情况

21、的影响1-3-4调制特性VBB的影响 电子科技大学 73VBB对工作状态的影响1-3-4调制特性VBB的影响 电子科技大学 74欠压区减小减小过压区电流脉冲出现凹坑增加增加基本不变与变化趋势一致1-3-4调制特性基极调幅 电子科技大学 75基极调幅1-3-4调制特性基极调幅 电子科技大学 76欠压状态不变线性增加与基本成线性关系基极调幅优点：不要求 调制源提供大的功率。1-3-5高频谐振功率放大器的放大特性 电子科技大学 77增加增加减小增加增加不变减小减小1-3-5高频谐振功率放大器的放大特性 电子科技大学 78Vb对负载线及工作状态的影响高频谐振功率放大器例题讲解 电子科技大学 79【例2

22、.3】设计一个用3DAl硅高频三极管做成的谐振功率放大器，工作频率f0=2MHz，输出功率Po=2W，VCC=24V，查得3DAl的参数如下：fT=70MHz，AP13dB，ICM=750mA，PCM1W，10，VCES1.5V。ICM为晶体管允许的最大集电极电流，PCM为允许的最大集电极耗散功率，VCES为饱和压降。 请计算其他参数。高频谐振功率放大器例题讲解 电子科技大学 80高频谐振功率放大器例题讲解 电子科技大学 81高频谐振功率放大器例题讲解 电子科技大学 821-3-6 高频谐振功率放大器馈电线路 电子科技大学 83馈电原则：高频谐振功率放大器工作在丙类，它的馈电线路除了保证集电极

23、合适的工作电压外，还要保证基极偏置。交流等效电路还要考虑到负载是谐振回路，交流分量必须通过谐振回路,以获得交流信号的放大。谐振功放工作在大电流状态，为减少功耗，外电路应对直流近似短路，但又不能对交流短路。外电路为保证输出波形不失真，对交流谐波应近似短路。 2.2.4 高频谐振功放的馈电线路1、谐振功放的组成直流馈电和各种不同用途的输入输出端电路2、管外电路输入电路（基极经外电路到发射极的电路）输出电路（从功率三极管集电极经外电路到发射极的电路）3、组成规律集电极基极4、集电极电路对不同频率 信号的等效电路5、阻隔元件的作用Ic0,Ic1,IcnIb0,Ib1,Ibn1-3-6高频谐振功率放大器

24、集电极馈电 电子科技大学 85集电极电路对不同频率电流的等效电路1-3-6 集电极馈电串馈 电子科技大学 86串馈:电源、谐振回路、晶体管三者串联。 1-3-6 集电极馈电串馈 串馈:电源、谐振回路、晶体管三者串联。 直流电源的一端必须接地！1-3-6 集电极馈电串馈 1-3-6集电极馈电串馈 电子科技大学 89实际工程中电源公用，电源必须通过去耦网络馈电。去耦网络由 型网络构成。射频扼流圈RFC(Radio Frequency Choke)去耦用的大电感，理论上对直流短路，交流开路。阻止高频电能流过公用电源内阻产生高频能量损耗，特别是避免在名级之间由此而产生的寄生耦合。1-3-6 集电极馈电

25、并馈 电子科技大学 90 大功率高频谐振功效的末级放大管有时使用电子管， Vcc值高达上千伏，因此谐振回路处于直流高电压，在调整谐振回路的谐振频率时容易触上高压。ABDC +VC _ +VC _1-3-6 集电极馈电 电子科技大学 91串馈或并馈仅仅是指电路的给构形式而言。对于电压来说，无论是串馈或并馈直流电压与交流电压总是串联的。对交流而言对直流而言不论内回路还是外回路都满足方程1-3-6 高频谐振功率放大器基极馈电 电子科技大学 92 +Vb _ +Vb _ +Vb _ABVBB如何产生？1-3-6 高频谐振功率放大器基极馈电 电子科技大学 93自给偏压：由串接在发射极回路或基极回路的低通

26、网络(RC并联回路)构成。为使谐振功放工作于丙类，基极偏置电压一般要加上负电压。为了供给基极负的偏置电压，需要一组单独的“负”电源提供偏置。1-3-6 高频谐振功率放大器基极馈电 电子科技大学 94基极回路必须形成直流通路，为保证晶体管正常工作，一定有单方向流动的基极电流。为减小对输人激励电压 的要求“零”偏压或略微正电压偏置(小于 )“零”偏置电压和略微正电压偏置电路图高频谐振功率放大器实际电路要求第一级基极零偏，第二级基极负偏。电路图中有几处错误？高频谐振功率放大器电路改错电路图中有4处错误，已改如下图。高频谐振功率放大器电路改错高频谐振功放电路实例分析：1-3-7 高频谐振功率放大器匹配

27、网络 电子科技大学 99末级高频谐振功率放大器的负载往往是天线，中间级(推挽级)的负载是末级功率放大器的输入阻抗，输入级放大器的负载则是下一级放大器的输人阻抗。谐振功率放大器只有工作在临界工作状态附近，才能获得最大的输出功率 和较高的效率；否则，不是输出功率很小，就是晶体管不能工作在安全状态(电流过大、 过大等)。1-3-7 高频谐振功率放大器匹配网络 电子科技大学 100为保证工作在最佳状态，任意的负载值须通过匹配网络转变成所需的工作在临界状态附近的负载电阻值。1-3-7 高频谐振功率放大器匹配网络 电子科技大学 101 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率

28、最大，即它起着匹配网络的作用。工作在临界状态时所需的匹配网络抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。能滤去 (对高次谐波呈现短路)。理想情况下，流过负载电阻上的电流应该只有 ( 为流过 的基波电流)。1-3-7 高频谐振功率放大器匹配网络 电子科技大学 102在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。定义滤波度：愈大，匹配网络滤波效果愈好。1-3-7 高频谐振功率放大器匹配网络 电子科技大学 103负载电阻 上消耗的功率中间回路效率功率损耗在匹配网络上越接近1越好匹配网络应保证一定的通频带，结构要简单，调整要方便。1-3-7 高频谐振功率放大器输出匹配网络 电子科技大学 104输出匹配网络的调整是保证有效辐射功率的关键。末级输出匹配网络的负载是天线，为了保证有效地通信，天线应该辐射尽可能大的功率。反映到初级回胳的反映电阻为：天线回路调谐成串联谐振状态M改变改变1-3-7 高频谐振功率放大器输出匹配网络 电子科技大学 1