第2章-高频放大电路15-03-19课件

第二章：高频放大电路

邓

钢Gdeng@263.net内容提要内容提要简单谐振回路的功能高频电路中的元器件小信号谐振放大电路的结构、原理及其用途大信号谐振放大电路的结构、原理及其用途倍频电路宽带高频功率放大电路高频电路中的无源元件(一)第一节：高频电路中的元器件电阻的高频等效电路：电阻：分布电容：引线电感在高频情况下，电阻将可能呈现出电容或电感等电抗的性质；且频率越高，这一高频特性表现越明显电阻的高频特性与制作电阻的材料、电阻的封装形式和尺寸大小有密切关系高频电路中的无源元件(二)第一节：高频电路中的元器件电容的高频等效电路当工作频率很高时，感抗可能超过容抗，此时的电容将等效为一个电感在设计去耦滤波电路时，可将一个大容量的电容和一个小容量的电容并联在一起使用高频电路中的无源元件(三)第一节：高频电路中的元器件电感的高频等效电路在中、短波频段，可以将实际电感视为理想电感和电阻串联进入超短波频段后，应考虑电阻的趋肤效应和与电感相并联的等效电容品质因数：电路中某一回路或支路中无功功率与有功功率之比电感的品质因数：高频电路中的有源器件(一)第一节：高频电路中的元器件二极管在高频电路中，二极管主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中，工作在较低的电平当二极管工作在高频时，其PN结电容不能忽略利用二极管的电容效应，可以制成变容二极管PIN二极管：结构特点适用于几十兆Hz到几千兆Hz频段高频等效电阻受正向直流电流的控制高频电路中的有源器件(二)第一节：高频电路中的元器件高频晶体管主要有两大类型：作为小信号放大的高频小功率管，主要要求是高增益和低噪声对于高频功率放大管来说，除了增益以外，还要求在高频时能够有较大的输出功率谐振回路的作用第二节：谐振回路的基本特性谐振回路的作用：阻抗变换滤波移相选频网络的分类选频网络{LC谐振电路{单谐振回路耦合谐振回路各种滤波器{LC集中滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器单谐振回路：由一个电感和一个电容组成的谐振回路。若可通过简单串、并联变换将电路转换为一个电感和一个电容的谐振回路，也算作单谐振回路第二节：谐振回路的基本特性LC简单并联谐振回路的基本特性(一)电路结构说明第二节：谐振回路的基本特性工程中一般满足LC简单并联谐振回路的基本特性(二)空载回路电压：：并联谐振回路的空载品质因数第二节：谐振回路的基本特性为并联谐振回路的谐振角频率LC简单并联谐振回路的基本特性(三)电感和电容上的电流均为信号源电流的倍，但相位相反，故并联谐振也被称为电流谐振第二节：谐振回路的基本特性LC简单并联谐振回路的基本特性(四)LC并联回路的阻抗频率特性：第二节：谐振回路的基本特性所谓容性或感性特性是指相移特性可用相移特性来实现移相网络LC简单串联谐振回路的基本特性(一)谐振时：串联谐振回路的固有谐振角频率：电路结构说明第二节：谐振回路的基本特性LC简单串联谐振回路的基本特性(二)空载回路电流：第二节：谐振回路的基本特性LC简单串联谐振回路的基本特性(三)实际回路中：电感和电容上的电压均为信号源电压的倍，但相位相反，故串联谐振也被称为电压谐振第二节：谐振回路的基本特性LC简单串联谐振回路的基本特性(四)LC串联回路的阻抗频率特性第二节：谐振回路的基本特性串、并联谐振回路的特性对比第二节：谐振回路的基本特性关于谐振和Q值的进一步说明谐振时，信号源和回路电抗元件不交换能量，而是电感与电容相互交换能量，即电容的无功功率等于电感的无功功率以并联谐振电路为例：第二节：谐振回路的基本特性特性阻抗的定义：特性阻抗则串联谐振电路中：并联谐振电路中：故信号源内阻较高时，采用并联谐振回路较易获得高Q值；信号源内阻较低时则反之第二节：谐振回路的基本特性令例题第二节：谐振回路的基本特性下图所示高Q电路中，电感的损耗电阻， ，试计算谐振回路总的品质因数和回路两端电压谐振电路的选频作用及高Q值的影响当谐振频率固定时，Q值的变化有什么影响？计算不同频率下的阻抗归一化表达式：第二节：谐振回路的基本特性实际谐振电路的品质因数考虑信号源内阻与负载电阻的电路：有载品质因数：使用部分接入并联谐振回路的原因及原理第二节：谐振回路的基本特性自耦变压器耦合连接当电路发生谐振时，若电路满足高Q值条件：利用电源提供的功率不变的概念，可得：设接入系数第二节：谐振回路的基本特性电容分压耦合连接使用与自耦变压器耦合连接相同的方法，可得此时接入系数其它变量的推广如下：第二节：谐振回路的基本特性例：部分接入的计算求：第二节：谐振回路的基本特性例第二节：谐振回路的基本特性下图为一电容抽头式并联谐振回路，若线圈的损耗电阻很小，试证明分别由bc、ac或ab端看去的谐振频率是相同的，且在谐振时有：综述第三节：小信号谐振放大电路小信号谐振放大电路通常是指负载具有谐振特性(或选频特性)的甲类放大电路，该电路广泛应用于接收系统中，起到选频和放大的作用。由于输入信号小，工作于甲类放大状态，可用微变等效电路法进行分析小信号谐振放大电路的技术指标理想谐振放大电路及实际谐振放大电路的幅频特性曲线谐振增益通频带窄带谐振放大电路的两种定义选择性矩形系数稳定性噪声系数等等第三节：小信号谐振放大电路小信号谐振放大电路的组成方法方法一：将单级谐振放大电路级联起来，构成多级放大电路，称作分散选频放大电路方法二：用集成宽带放大电路和具有相应选频特性的窄带滤波器构成谐振放大电路，称作集中选频放大电路第三节：小信号谐振放大电路单调谐回路谐振放大电路(一)：一般失谐注意：结电容的影响已被忽略第三节：小信号谐振放大电路：回路谐振角频率：回路有载品质因数分析步骤：画出放大电路的交流通路将晶体管用其高频等效电路替代利用高Q电路的简化计算方法进行电路的化简计算回路的各种参数单调谐回路谐振放大电路(二)第三节：小信号谐振放大电路故当通过改变电阻来改变值时，谐振增益与成正比在实际电路设计时，通常不需要对小信号谐振放大电路做详细的定量计算，其原因包括：内反馈的影响计算的繁琐性分布参数的影响LC谐振回路的选频特性(一)第三节：小信号谐振放大电路在分析小信号谐振放大电路的选频特性时，通常认为其选频特性主要取决于LC谐振回路的选频特性归一化后的幅频特性和相频特性：LC谐振回路的选频特性(二)第三节：小信号谐振放大电路注意当频率偏离谐振频率时：幅频特性的衰减速率及其与Q值的关系相频特性的相移特性及其与Q值的关系LC谐振回路的选频特性(三)第三节：小信号谐振放大电路在截止频率附近，有：可见增大回路的品质因数能够提高谐振增益，但与保持一定的通频带宽度相互矛盾LC谐振回路的选频特性(四)第三节：小信号谐振放大电路即单谐振回路的矩形系数D是一个定值，与回路参数无关例题第三节：小信号谐振放大电路下图为某放大器输出回路的交流通路，设该电路为高值回路，若信号的中心频率为，电容试计算线圈的电感值若线圈的无载品质因数为，试计算此时的回路3dB带宽若放大器所需的带宽为2MHz，则应在回路上并联多大的电阻才能满足这一要求？例题第三节：小信号谐振放大电路下图为某放大器输出回路的交流通路，设该电路为高值回路，若信号的中心频率为，电容若线圈的无载品质因数为，试计算此时的回路3dB带宽若放大器所需的带宽为2MHz，则应在回路上并联多大的电阻才能满足这一要求？空载时回路的品质因数等于电感的无载品质因数，故：例题第三节：小信号谐振放大电路下图为某放大器输出回路的交流通路，设该电路为高值回路，若信号的中心频率为，电容若放大器所需的带宽为2MHz，则应在回路上并联多大的电阻才能满足这一要求？回路的特性阻抗为：空载时将串联损耗电阻等效为并联时的取值为：例题第三节：小信号谐振放大电路下图为某放大器输出回路的交流通路，设该电路为高值回路，若信号的中心频率为，电容若放大器所需的带宽为2MHz，则应在回路上并联多大的电阻才能满足这一要求？加入负载电阻之后的有载品质因数为：又由于且不变，故多级谐振放大电路的放大性能和选频特性设把各级完全相同的n级单调谐回路谐振放大电路级联起来，则：：3dB带宽缩减系数单调谐回路的矛盾：通频带和增益第三节：小信号谐振放大电路双参差调谐放大电路(一)若与取值恰当，使其中一级放大电路幅频特性上升段与另一级放大电路幅频特性下降段相互补充，则合成曲线更接近矩形的平坦特性结构：把级放大电路中每两级作为一组。设共有组()，每组中的两级放大电路均有相同的电路结构和性能，只是把其中一级调谐在上，另一级调谐在上第三节：小信号谐振放大电路双参差调谐放大电路(二)第三节：小信号谐振放大电路三参差调谐放大电路第三节：小信号谐振放大电路请自行阅读课本双调谐回路谐振放大电路第三节：小信号谐振放大电路请自行阅读课本集中选频的小信号谐振放大电路概述分散选频谐振放大电路的缺点：集中选频的小信号谐振放大电路由宽带线性放大电路和集中选择性滤波器构成：晶体管输入输出阻抗变化的影响晶体管结电容的影响安装调整麻烦，不适合大量生产和不易集成化第三节：小信号谐振放大电路集中选择滤波器陶瓷滤波器第三节：小信号谐振放大电路利用电能与其他能量转换过程中的等效滤波效应，获得比LC滤波器更高的性能，如Q值、矩形系数等声表面波滤波器无源滤波器存在插损集成宽带放大电路实例第三节：小信号谐振放大电路请自行阅读课本集中选频谐振放大电路的构成方法第三节：小信号谐振放大电路关于选择性滤波器和宽带集成放大电路的位置考虑关于电源的去耦滤波要求为避免低频时产生自激，可在各功能模块之间使用电容进行耦合，降低低频增益，从而避免低频自激不使用反馈类型的集成宽带放大电路概述(一)谐振功率放大电路和低频功率放大电路的共同点：要求效率高、输出功率大由于工作频率相差很大且相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。谐振功率放大电路：主要用于发射机的末级和中间级；也用于电子仪器中做末级功率放大电路使用谐振电路作为匹配网络常用于放大窄带高频信号第四节：谐振功率放大电路概述(二)第四节：谐振功率放大电路半导角甲类理想效率开关状态负载电阻应用乙类甲乙类丙类丁类电阻电阻选频回路选频回路低频低频，高频低频高频高频注意半导角的概念概述(三)第四节：谐振功率放大电路提高效率的原因：减小失真的方法：乙类放大电路使用推挽放大，甲乙类还可以消除交越失真丙类放大电路通过使用谐振回路作为负载来消除失真一般使用丙类功率放大电路来放大载波信号或已调波窄带信号谐振功率放大电路的构成选频阻抗变换第四节：谐振功率放大电路偏置电路及工作点的说明谐振回路的作用：丙类谐振功率放大电路的电压电流波形第四节：谐振功率放大电路输出功率及效率集电极输出基波功率：集电极电源提供的直流功率：的含义的含义集电极耗散功率：集电极效率：第四节：谐振功率放大电路折线法简介使用折线分析法的原因及其含义第四节：谐振功率放大电路集电极余弦电流脉冲的分析(一)对做傅立叶展开可得直流分量、基波及各高次谐波的分解系数：第四节：谐振功率放大电路集电极余弦电流脉冲的分析(二)谐波次数越高，振幅越小对应某次谐波，有一相对应的角使为最大对应某次谐波，有一相对应的角使为零随变化的曲线及其含义相位关系关于输出功率与效率之间矛盾的讨论第四节：谐振功率放大电路调谐功放的动态分析(一)交流负载线的确定过程（两点法）负载电阻对电路参数的影响第四节：谐振功率放大电路调谐功放的动态分析(二)丙类放大电路的动态负载电阻：即丙类谐振放大电路的动态负载电阻不但与回路的谐振电阻有关，还与半导角有关第四节：谐振功率放大电路谐振电阻对集电极电流的影响第四节：谐振功率放大电路负载特性曲线第四节：谐振功率放大电路谐振放大电路在三种工作状态下的特性临界状态下：第四节：谐振功率放大电路三种工作状态的优缺点欠压状态可视为恒流源。但输出功率与效率都较低，且集电极耗散功率大，输出电压不够稳定，因此较少使用。晶体管基极调幅常采用这种状态过压状态强过压时效率较高，但输出电压的非线性失真不可忽略，一般不使用这种状态。常常令功放电路的激励级工作在弱过压状态，此时可将放大电路视为恒压源临界状态输出功率最大，效率较高，是最佳工作状态。调谐功率放大电路的输出级及发射机末级大多工作在临界状态第四节：谐振功率放大电路集电极直流馈电电路直流馈电电路的作用、基本要求、组成部分及分类第四节：谐振功率放大电路确定扼流圈和电容的数值时应考虑对高频信号的效果，以免信号电流通过直流电源的耦合造成电路工作不稳定串、并馈方式的优缺点请自行阅读课本分类依据为直流电源、匹配网络、功率管（即直流电压、交流电压、器件）的连接方式基极直流馈电电路关于自给偏压的说明：偏压大小随输入信号电压振幅而变化只能得到负偏压，从而不能应用于甲类、甲乙类、乙类电路中第四节：谐振功率放大电路输出匹配网络的作用第四节：谐振功率放大电路高效率地传送能量插损：滤除高次谐波分量滤波度：注意小信号谐振电路与丙类谐振功放对滤波度要求的区别关于滤波度与回路效率的矛盾阻抗变换串并联阻抗的相互转换串、并联电路结构互换前后，电路的品质因数和元件的电抗性质保持一致可与并联谐振回路中的变换关系做对照第四节：谐振功率放大电路应注意Q的取值约束L型匹配网络的阻抗变换特性注意本匹配网络只能将低阻抗变换为高阻抗第四节：谐振功率放大电路电路结构说明其他类型的L型匹配网络请参考课本型匹配网络的阻抗变换特性匹配网络结构简介阻抗转换思路简介可由确定第四节：谐振功率放大电路T型网络的计算公式分析方法与前几个网络的相同第四节：谐振功率放大电路概述第五节：倍频电路基本原理：利用非线性器件对输入信号进行非线性变换，再用谐振回路滤波，从中取出所需的输出信号丙类倍频电路，适用于工作频率几十兆赫的电路利用晶体管的非线性电阻效应利用PN结结电容的非线性变化参量倍频电路，适用于工作频率高于100MHz的情况倍频电路及其工作原理集电极负载调谐在输入信号频率的n次谐波上半导角的大小根据倍频电路的倍频次数n来决定一般工作在欠压和临界状态，很少工作在过压状态第五节：倍频电路输出功率及效率的分析当n增大时对相邻频差、输出功率和效率的考虑倍频电路的级联运用第五节：倍频电路宽带高频功率放大电路简介第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术丙类谐振功率放大电路以谐振回路作为负载，仅适用于固定频率或频率变化很小的高频设备宽带高频功率放大电路以非调谐宽带网络作为输出匹配网络，可以在很宽的范围内改变工作频率(最高能够同时覆盖几个倍频程的频带宽度)，而不需要重新调谐该类型电路只能工作在甲类或甲乙类该类型电路的效率较低、输出功率较小，因此在大功率输出时需要采用功率合成技术传输线简介(一)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术加电后，导线间会产生电场而储存电能，导线周围会产生磁场而储存磁能导线上的串联电阻会消耗能量；导线间的漏电等效为并联电导分布参数电路左图中的传输线为无损耗的传输线简介(二)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术单位线长的分布电感单位线长的分布电容理想无损耗传输线的特性阻抗为：在无损传输线上传输的电压波和电流波只有相位的变化，而振幅保持不变传输线特性阻抗的大小取决于传输线的结构尺寸和线间填充介质的特性，与线长无关传输线的阻抗匹配第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术无损耗且终端匹配的传输线具有无限宽的工作频带失配后传输线的上限频率有限，下限频率为零在工程上，当时，可近似认为传输线上各个位置上的电压均相等且通过传输线各个位置上的电流也都相等特殊情况下的传输线第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术当或传输线长取不同值时，从源端向负载端看过去的特性会有所变化

可作为阻抗变换器而使用若输出端开路或短路传输线变压器的结构第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术与普通变压器相比较，具有极宽的工作频带传输线变压器的结构及特点：将传输线绕在磁环上而构成磁环具有高磁导率传输线可以采用同轴电缆，也可以采用双绞线或带状线线圈I的两个端子为1和2，线圈II的两个端子为3和41和3为同名端传输线变压器的传递能量的方式第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术普通变压器依靠两个线圈之间的磁耦合实现，线圈之间的漏电感和匝间分布电容会限制其上限工作频率传输线变压器中分布参数是电磁波赖以传输的重要因素；且由于电磁波主要是在导线间的介质中传播，从而磁芯的铁损耗对信号传输的影响也就大为减少因此，传输线变压器的最高工作频率得到了很大的提高，从而可以实现宽带传输的目的传输线变压器中磁环的作用第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术几种常用的传输线变压器(一)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术实现1:1平衡与不平衡转换的传输线变压器两种转换的示意图平衡信号源(负载)：两端与地之间的电压大小相等、极性相反传输线也有类似定义可根据信号源、负载是否为平衡而选择传输线是否为平衡几种常用的传输线变压器(二)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术阻抗变换器4:1传输线变压器的工作原理要求传输线的特性阻抗为：1:4传输线变压器的工作原理要求传输线的特性阻抗为：传输线变压器(例)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术试求以下各图的阻抗变换关系以及相应的传输线变压器特性阻抗表达式传输线变压器(例：续)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术故有：每个传输线变压器的特性阻抗均为：传输线变压器(例：续)第六节：宽带高频功率放大电路和功率合成技术故有：Tr1的特性阻抗为：Tr2的特性阻抗为：宽