第3章高频谐振放大器

第三章高频谐振放大器3.1高频小信号放大器3.2低噪小信号放大器的设计3.3高频功率放大器的原理与特性3.4高频功率放大器的实际线路3.1高频小信号放大器“小信号”——指的是输入信号的电平较低，放大器工作在他的线性范围。(a)根据频带宽度可分为窄带放大器和宽带放大器。一般被放大的都是窄带信号。小信号放大器的基本类型是频带（窄带）放大器，它是以各种选频电路作负载，如并联谐振回路、耦合谐振回路等；如果要放大多个高频信号，这时用高频宽带放大器，采用无选频作用的负载电路，如高频变压器或传输线变压器。一、概述2.分类1.功能：放大各种无线电设备中的高频小信号、阻抗变换和选频滤波4.

性能指标要求（1）增益高，即放大量大（b）按有源器件可分为以分立源件为主的高频放大器和以集成电路为主的集中选频放大器。（2）频率选择性要好。选择所需信号，抑制无用信号的能力要强。放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的重要参数。（3）工作稳定可靠。要求放大器的性能尽可能的不受外界因素变化的影响，不产生任何自激。3.特点：（1）管子线性放大，输入信号很小，着眼于电压增益。(2)以LC回路做负载，完成滤波和阻抗匹配。二、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。实际线路交流等效电路图中采用抽头谐振回路作为放大器负载，对信号频率谐振，即ω=ω0，完成阻抗匹配和选频滤波功能。输入的是高频小信号，放大器工作在A（甲）类状态甲类（A）工作状态：晶体管发射结一直处于正向偏置；乙类（B）工作状态：晶体管发射结半个周期正向，半个周期反向；甲乙类（AB）工作状态：介于甲类和乙类之间。正偏时间大于半个周期丙类（C）：发射结正偏时间小于半个周期。三、放大器性能分析1.晶体管高频等效电路图3─2(a)是晶体管在高频运用时的混Π等效电路图中，Cπ=Cb’e；Cμ=Cb’c，直接用混π等效电路分析放大器性能很不方便，因此用Y参数等效电路来分析。Y参数等效电路其中：Yie是输出交流短路时的输入导纳：Yre是输入交流短路时的反向传输导纳：Yfe输出交流短路时正向传输导纳：Yoe是输入交流短路时输出导纳：

晶体管的Y参数可以直接测量得到，也可根据混等效电路换算得来。在忽略rb’e及满足Cπ»Cμ的条件下,Y参数与混Π参数之间的关系为：(3─1)(3─2)(3─3)(3─4)一般在工程上会做如下近似：（1）分析放大器的增益时，忽略yre的影响；分析放大器稳定性时，考虑yre的影响。（2）小信号放大器，窄带工作，故在讨论的频率范围内，近似认为各参数为常数，不随频率变化。Y参数等效电路的参数方程为：(3─5a)(3─5b)Y参数等效电路

2．放大器的性能参数图3-1的高频等效电路为：图3-3高频小信号放大器的高频等效电路从图中可以看出：(3-6a)(3-6b)外部方程(3-5a)(3-5b)内部方程Ys电源导纳；YL’是负载导纳根据以上方程可以导出高频小信号放大器的主要性能指标：电压放大倍数K由3-5b、3-6b可得：一般输入导纳Yi：（3-7）由（3-5a）和（3-7）有：(3-8)输出导纳Yo由（3-5a、3-6a）以及Is=0，有：由（3-5b）有：(3-9)通频带和矩形系数因为负载是一单谐振回路，故矩形系数K0.1为9.95。式中：f0为回路谐振频率：

L为回路电感；为回路总电容

QL为有载品质因素：

g∑为回路总电导。四、高频谐振放大器的稳定性1.不稳定的原因晶体管高频工作时，由于Yre的存在（混π电路中的Cμ），使输出信号反馈到输入端，引起输入电流的变化，如果反馈在信号某一频率上满足正反馈条件，则会产生自激振荡。关键：Yre的存在2.提高放大器稳定性的方法提高稳定性的关键是消除自激，有以下两种方法：（1）减少反馈参数Yrea.选Yre小的管子；b．中和法抵消Yre（中和法）（2）降低放大器的增益（失配法）：破坏正反馈的振幅条件。a.中和法基本思想：在输入输出端引入一附加的外部反馈电路（中和电路）来抵消晶体管内部参数Yre的反馈作用，从而保证放大器的稳定工作。由电桥平衡条件（对臂阻抗乘积相等）有：调节CN，总可以

使中和的目的就是使调节CN或N1或N2可实现中和抵消。局限性：因为Cbc随频率变化，因而中和只能在某一频率范围内进行。b.失配法失配法通过增加负载导纳，进而增加总回路导纳，使输出电路失配，输出电压相应减小，对输入端的影响也就减小。可见失配法使用牺牲电路增益来换取电路的稳定。为了满足增益和稳定性的要求，失配法常用共发-共基电路

图3─6共发—共基电路共基电路输入导纳大，而共发电路的输出导纳较小，二者相连相当于增大了共发电路的负载导纳而使之失配，从而使共发晶体管内部反馈减弱而提高系统稳定性。五、多级谐振放大器1.多级单调谐放大器多级单调谐放大器各级谐振频率相同，均为信号中心频率，各级谐振时电压放大倍数为K01，K02，…，K0n，则放大器总的放大倍数为：由单振荡回路归一化频率特性（参见2-9）：则有n个回路的多级放大器的归一化频率特性为：2.多级双调谐放大器（参见2-34）表3-2多级双调谐放大器的带宽和矩形系数3.2低噪声小信号放大器的设计对于接收机，小信号放大器与天线想连，位于接收机的前端，因此小信号放大器本身的噪声特性将严重影响到整机的灵敏度，因此噪声是小信号放大器需要考虑的主要因素之一。此时的小信号放大器也成低噪放大器（LNA-LowNoiseAmplifier）。为了抑制后面的各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益。但为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益不宜过大。另外，接收到的信号微弱，并且强度变化大，要求小信号放大器线性范围大。3.2低噪声小信号放大器的设计LNA的基本要求是：噪声系数低，足够的功率增益，工作稳定可靠，足够的带宽和大的动态范围。LNA与一般的小信号放大器的区别：一般小信号放大器为了获得高的功率增益，放大器的每一级都按功率匹配原则进行设计；而LNA为了获得低NF,第一级必须进行最佳噪声匹配，后级再进行功率匹配，从而使系统具有较好的噪声性能和增益特性。功率匹配——是指源阻抗与负载阻抗匹配，以使放大器获得最大的功率输出。最佳噪声匹配——是指信号源阻抗与最佳源阻抗相匹配，以使放大器获得最佳的噪声性能。3.3高频功率放大器的原理和特性一、概述1.作用：不失真地放大高频信号，且以高效输出大功率。主要应用于无线电发射机2.分类:因为能量或功率是不能放大的，高频信号的功率放大，其实质是在输入高频信号的控制下，将电源直流功率转换成交流输出功率（高频功率）。即电流供给集电极以直流功率，当输入信号电流加到晶体管的基极时，由于晶体管电流控制作用，很小的基极电流变化就可能引起很大的集电极电流的变化，这样在负载上就得到一个大的输出功率。因此高频功率放大器除了产生符合要求的高频功率外，还应要求具有高的转换效率（1）宽带功放：效率不高，适用于中小功率（2）谐振功放：高效大功率，频带窄4.谐振功放的特点：（1）以调谐回路做负载，完成滤波和阻抗变换（2）工作在C类，以高效输出大功率（3）工作在大信号状态:线性放大区和截至区3.与低频功放的异同：（2）工作频率和相对频率宽度不同：高频功放工作频率很高，相对频带窄，一般采用选频网络作为负载。也称谐振功率放大器。低频功放工作频率低，相对频带宽，因此不能采用调谐负载，只能用电阻、变压器等非调谐负载（1）都要求高效输出大功率二、工作原理1.基本线路组成：晶体管、输入回路、谐振回路、电源、偏置电路电路要求：（1）要求工作在C类状态，要求基极偏置电压UBB为负值，使晶体管工作在截止区。（2）激励信号为大信号，要求Ub≥0.5v(3)负载为谐振回路晶体管工作在截止和导通两种状态下，基极电流ib和集电极电流ic都是高频脉冲。ic除了含有有用基波分量外，还有谐波分量和其他频率成份，因此用谐振回路选出有用分量，滤除无用的频率分量。采用部分接入，使谐振回路呈现出高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配。使高频功放高效输出大功率。2.电流、电压波形设输入信号为：由图有：则Ube的波形为：（3-17）由晶体管的转移特性可获得ic的波形由于输入为大信号，当管子导通时，主要工作在线性区，因此转移特性进行了折线化的近似。由图可看出，波形有如下特点：（1）基极偏置可能为负，若无激励信号，则晶体管截止；（2）Ub很大，Ub>0.5v；（3）晶体管处于开关状态：因此ic是一周期性的余旋脉冲定义：通角——一个周期内电流导通角度的一半，用θ表示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,即对ic进行傅氏级数展开有：(3─18)分解系数的数值参见附录。3.回路滤波作用

为了得到不失真的输出，采用LC并联谐振回路对ic进行滤波，取出基波分量，滤除直流和谐波分量。因为谐振回路的谐振频率为激励信号的频率，它对ic基波分量呈现出大的谐振电阻，而对于谐振频率相差较大的直流和谐波分量呈现出很小的阻抗，因而输出很小，几乎为0。此时回路的输出电压为：uo=uc=Ic1RLcos(ωt)=Uccos(ωt)则集电极电压为：uce=UCC-uo=UCC-Uccos(ωt)电流电压波形图：由图可知：（1）uce中的交流分量与uc反向；（2）wt=0时，Icmax，Ucemin，Ubemax同时出现，因此，当集电极电压Uce最大时，电流Ic为0，所以集电极管耗功率减小，这正好c类放大器效率高的原因。4、高频功放的能量关系（1）输出功率P1——谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)：（2）集电极电源供给的直流输入功率P0为：（3）管耗功率——直流输入功率与集电极输出高频功率之差：（3-24）（4）集电极效率η其中为波形系数；

为集电极电压利用系数。η的物理意义：说明直流功率转换成交流功率的能力。（3-25）

由（3-24、3-25）有：(3─26)晶体管允许的损耗功率Pc一定时，效率η越高，输出功率P1越大。（5）激励功率——基极电路中，信号源供给的功率设基波电流振幅为Ib1，且与Ub同相，则激励功率为：(3─27)（6）功率放大倍数(3─29)(3─28)5.提高效率的途径：（2）提高波形系数（1）提高电压利用系数。

提高Uc，可通过提高回路谐振阻抗RL来实现。图3-19给出了波形系数、各次谐波分解系数与通角的关系曲线，由图可知：

但是太小，，输出功率下降，通常θ选65o~75o根据导通角划分晶体管工作类别：三、高频谐振功率放大器的工作状态1.工作状态的划分：依据导通期间所经历的工作区域不同，可分为欠压状态，临界状态和过压状态。2.高频功放的动特性（1）定义：

动特性是指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。由ube、uce同时变化所确定的瞬时工作点的连线叫做动态线或动态特性曲线

在非谐振功放中，负载是纯电阻，Uc=icRL，此时负载线是斜率为1/RL的直线；在谐振功放中，负载是并联谐振回路，；而2.动特性曲线不同的Uc（=RLIc1），可得到不同的动特性，从而工作在不同的区。3.高频功放的工作状态由动特性的工作区域，尤其是A的位置来区分高频功放的工作状态。当Uc不是很大时，晶体管只是在截止和放大区变化，集电极电流ic为余弦脉冲，在此区域内Uc增加时，集电极电流ic基本不变，即Ic0，Ic1基本不变，故输出功率P1=Uc1Ic1/2随Uc的增加而增加，而P0=UCCIc0基本不变，所以效率随Uc的增加而增加，这表明集电极电压利用不够充分，这种工作状态称为欠压工作状态。前面讲到，提高电压利用系数，即增加Uc，可以提高效率。下面讨论Uc由小到大变化时，动特性曲线的变化。欠压状态的ic波形当Uc加大到接近Ucc时，Ucemin将小于Uces（晶体管的饱和压降），这是发射结和集电结都处于正向偏置状态，即工作到饱和状态。由于饱和区Uce对ic的强烈反作用，电流ic随uce的下降而迅速下降，动特性与饱和区的电流下降段重合。故此时A点进入饱和区时动特性曲线用临界饱和线代替。此时ic为顶部出现凹陷的余弦脉冲。高频功放的这种工作状态称为过压状态。Ucemin<Uces过压状态的ic波形图当Uc介于欠压和过压之间的某一值时，动特性曲线的上端正好位于电流下降线上，此状态称为临界工作状态。此时Ucemin=Uces综上，谐振功率放大器工作状态的判定：（1）临界工作状态：Ucemin=Uces；此时放大器工作在放大区，且到临界饱和线上

ic为余弦脉冲（2）欠压工作状态：Ucemin>Uces；此时放大器工作与放大区，ic为余弦脉冲（3）过压工作状态该：Ucemin<Uces;

此时放大器进入饱和区，ic为带凹陷的余弦脉冲四、高频功放的外部特性

高频功放的外部特性——放大器的性能随放大器的外部参数变化的规律，外部参数主要包括负载RL，激励Ub，偏置电压UBB和UCC；外部特性还包括负载在调谐过程中的调谐特性。1．高频功放的负载特性

负载特性是指UBB，Ub，UCC一定时，只改变负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率η变化的特性。

当RL较小时，Uc也较小，高频功放工作在欠压状态。在欠压状态下，RL增加，因为在欠压状态下，ic的大小和形状基本不变，即Ic0、Ic1不变。这是因为晶体管其他参数不变，因此晶体管的通角不变，而ic的最大值由Ube的最大值决定，因此icmax不变。因此说此时ic的大小和形状基本不变。此时，RL↑Uc=RLIc1↑,即Uc与RL成近似线性关系。当RL增加到RL=RLcr时，Ucemin=UCC-Uc=Uces，此时放大器工作在临界状态，此时ic仍为一完成的余弦脉冲，与欠压状态时的ic基本相同，Ic0，Ic1也基本不变，但此时的Uc大于欠压状态时的Uc。RL继续增加，Uc会进一步增加，此时晶体管在导通期间进入饱和区，从而使放大器工作在过压状态，集电极电流出现凹顶。进入饱和区越深，凹顶现象越严重，从ic中分解出的Ic0、Ic1就越小。Ic1的迅速下降，Uc=Ic1RL则只是慢慢增加。高频功放的负载特性在过压状态，因随RL增加稍有增加，所以也稍有增加。当RL很大，到达强过压状态时，因为ic波形强烈畸变，波形系数要下降，效率也会有所下降。分析效率的变化情况：在欠压状态时，，因为基本不变，故与及RL成近似线性关系。

（1）临界状态（RL=RLcr）：输出功率最大，效率较高，为最佳状态，通常选择在此状态工作。Ic为余弦脉冲。保证最佳工作状态的措施：a.调谐f0=fc，ZL=RLb.阻抗变换：RL=RLcr（2）过压状态（RL>RLcr

）：效率高，损耗小，输出电压受负载电阻RL的影响小，近似为交流恒压源特性。（3）欠压状态(RL<RLcr)：输出电流受电阻RL的影响小，近似为交流恒流源特性。但是效率低，集电极损耗大，一般不选择此状态工作。结论：工作状态的选择：（1）输出级：希望效率高，功率大选临界状态。（2）中间级：希望输出电压稳定选弱过压状态。2．高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性——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。Ube=UBB+Ubcos(ωt)当UBB不变时，Ub↑Ubemax↑icmax↑,θ↑在欠压状态时，ic的面积增加从中分解出的Ic0，Ic1增加，Uc=Ic1RL

↑2．高频功放的振幅特性Ub

↑

Ubemax

↑Uces↑,而Ucemin不变,因此当Ub增加到Uces=Ucemin时，放大器由欠压状态临界工作状态Ub继续增加，当增加到Uces>Ucemin时，放大器进入到过压状态。此时虽然ic的波形产生凹顶现象，但因为Ubemax增加，icmax和θ还会增加，从ic中分解出来的Ic0，Ic1随Ub的增加略有增加。Uc=Ic1RL的变化与Ic1相同。高频功放的振幅特性可以看出在过压区，Uc几乎不变；在欠压区，Ic0，Ic1，Uc随Ub的增加而增加，但不一定是线性关系。结论：（1）如果对已调波放大，应使放大器工作在欠压区，保证包络不失真。（B类工作状态）（2）如果作恒压输出，应使放大器工作在过压区，起到限幅的作用。要使Uc和Ub成线性关系，则只有在θ=90o的乙（B）类工作状态下才能得到，因为此时，，Ub变化时，θ不变，而只有icmax随Ub线性变化，从而使Ic1随Ub线性变化。此时可用来放大振幅变化的高频信号。3.高频功放的调制特性调制特性——Ub，RL一定时，放大器性能随Ucc/UBB变化的特性。（1）基极调制特性——仅改变UBB时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性UBB,Ub决定了放大器的ubemax改变UBB的情况与改变Ub的情况类似。即：UBB↑icmax↑,θ↑放大器：欠压临界过压基极调制特性在欠压区，Uc基本上与UBB成线性关系，可完成基极调制。（2）集电极调制特性——只改变UCC，放大器的电流、电压、功率及效率的变化特性。UCC↑，因为Uce=UCC-Uccos(wt)Ucemin

↑，又Uces不变当UCC很小时，Ucemin<Uces,此时放大处于过压状态；当UCC

增大到Ucemin>Uces时，放大器处于欠压状态；UCC

↑,放大器：过压临界欠压Ic凹形余弦脉冲完整余弦脉冲

结论：过压区可完成集电极调制利用谐振功放完成调制时，若调制信号加在基极，则应使放大器工作在欠压状态；若调制信号加在集电极，应使放大器工作在过压状态。4.高频功放的调谐特性：调谐特性——改变回路元件参数时，放大器的外部电流Ic0，Ic1，电压Uc的变化特性。利用这种特性可以判断放大器是否调谐。回路失谐时，阻抗|ZL|↓，且存在一幅角ψ，uc=Ic1|ZL|cos(ψ),Uc与Ic1不再同相Ucemin与Ubemax不再同时出现。假设调谐时，放大器工作在弱过压状态，则失谐时，由于|ZL|↓，因此由放大器的负载特性可知，此时放大器向临界以及欠压状态变化，Ic0，Ic1增大，而Uc下降。高频功放的调谐特性由图可中，可以利用Ic0，Ic1最小，或Uc的最大来指示放大器的调谐。一般，因为Ic0变化明显，又只用直流电流表，对回路影响小，故采用Ic0指示调谐的较多。注：回路失谐时，直流输入功率P0=Ic0UCC随Ic0的增加而增加，而输出功率P1=Uc1Ic1cosψ/2将因cosψ而下降，因此失谐后集电极功耗Pc将迅速增加。因此高频功放必须经常保持在谐振状态。调谐过程中，失谐状态的时间要尽可能短，调谐动作要迅速，否则晶体管会因为过热而损坏。

为了防止调谐时损坏晶体管，在调谐时可降低Ucc或激励电压Ub。

3.4高频功率放大器的实际线路

一、直流馈电线路1.直流馈电线路的组成原则直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路，它应保证：（a）ube=UBB+ub，使基极回路得到正确的工作点Eb和激励电压ub（b）uce=UCC-uc，使集电极回路得到正确的工作点Ec及输出电压uc

使Ic0，Ic1，Ib0，Ib1各自有各自的通路，不开路不短路Ib0：beUBBbIb1:be基极回路bIc0：ceUCCcIc1:ce输出回路c正确使用扼流圈、隔直电容a.高频扼流圈（大电感）Lc：通直流、断交流b.旁路电容Cc：通交流、隔直流交流信号不能通过直流电源，偏置电压一端接地。交流有交流通路，直流有直流通路，交流不过直流源2.集电极馈电线路馈电（供电，直流源）形式：串联馈电、并联馈电串联馈电——晶体管、回路、电源三者串联a.串联馈电高频等效Lb—扼流圈，将Ec与高频电流隔开；Cb—旁路电容，对高频短路，使高频不流过直流源Ec中心抽头用来完成阻抗匹配优点：Lb，Cb接高频低电位，其对地的分布参数对回路无影响；缺点：回路L，C两段都不能接地，安装不方便。并联馈电——晶体管、回路、电源三者串联并联馈电高频等效电路Lb——扼流圈，通直隔交：直流短路，交流开路Cb——隔直电容，对交流短路，直流开路优点：回路的一端，尤其是C的一端，高频接地，便于安装；缺点：Lb，Cb接在高频高电位，分布参数对回路调谐有影响。3.基极馈电线路馈电形式：串馈、并馈b.并联馈电注：一般要求直流电源一端接地，因此Lc和Eb的位置不要交换。偏压的供给方法：固定偏压，自给偏压，组合偏压，零偏压（a）固定偏压，外加Eb（如上图）优点：电压稳定；缺点：须外加电源或分压电路（b）自给偏压串馈自给偏压并馈自给偏压ib中分解的直流分量Ib0通过Rb/Re产生压降，使Eb=-Ib0Rb自给偏压的优点：不用外加电流，且能自动调节工作状态。Ib↑ic↑,Ib0↑Eb=-Ib0Rb↓放大器工作状态变化不大ube=Eb+ub↓ic↓（c）.组合偏压：固定及自给偏压组合使用（d）.零偏压：偏压为0组合偏压零偏压二、输出匹配网络高频功放的级与级之间或功放与负载之间是用输出匹配网络来连接的，一般用双端口网络来实现。双端口网络的特点：（a.）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。（b.）抑制工作频率范围外的不需要的频率，即有良好的滤波作用。（c）改变工