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1、第三章 高频谐振放大器1第1页，共115页，编辑于2022年，星期二功用：功用：放大高频小信号，以便作进一步的变换和处理。所谓“小信号”，主要是强调输入信号电平较低，放大器工作在它的线性范围。分类：分类：按频带宽度分为窄带放大器（各种选频电路做负载，如并联谐振回路）和宽带放大器（无选频作用的负载电路，如高频变压器）。按有源器件可以分为以分立元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。3.1 高频小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器第2页，共115页，编辑于2022年，星期二接收机中的高频小信号放大器接收机中的高频小信号放大器接收机中的高频小信号放大器接收机中的高频小信号放大器射频前端
2、（射频前端（RF Front-end）电路：输入回路、）电路：输入回路、高频放大器高频放大器、本地振荡器、本地振荡器、混频器、混频器、中频放大器中频放大器。高频放大器和中频放大器是小信号放大器。高频放大器和中频放大器是小信号放大器。具有低通传输特性的负反馈控制系统具有低通传输特性的负反馈控制系统自动增益控制（自动增益控制（AGC）。）。第3页，共115页，编辑于2022年，星期二例：窄带放大器例：窄带放大器负载是谐振回路或者负载是谐振回路或者声表面波声表面波滤波器等。滤波器等。sVsR0CCCVLRCeReC0C1bR2bRM第4页，共115页，编辑于2022年，星期二高频小信号放大器的要求高
3、频小信号放大器的要求高频小信号放大器的要求高频小信号放大器的要求工作频率高。工作频率高。目前广泛使用的目前广泛使用的GSM数字移动通信系统的手机中，为数字移动通信系统的手机中，为900MHz和和1800MHz（1900MHz）。增益要高。增益要高。80100dB。频率选择性好。频率选择性好。放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的两个重要参数。放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的两个重要参数。工作稳定可靠。工作稳定可靠。这要求放大器的性能应尽可能地不受温度、这要求放大器的性能应尽可能地不受温度、电源电压等电源电压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。外界因素变化的影响，不产生任何自激。噪声
4、系数小。噪声系数小。放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力就越强。第5页，共115页，编辑于2022年，星期二3.1.1 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直流偏置电路与低频放大器的电路相同。电容Cb、Ce对高频旁路，其电容值较小。抽头谐振回路作为放大器负载，完成阻抗匹配和选频滤波功能。放大器工作在A(甲)类状态。第6页，共115页，编辑于2022年，星期二3.1.2 放大器性能分析放大器性能分析晶体三极管混等效电路 混等效电路反映了晶体管中的物理过程。直接用混等效电路分析放大器性能时很不方便，常采用Y参数等效电路。1 晶体管的高频等效电路第7页，共115页，编辑于
5、2022年，星期二8晶体三极管晶体三极管Y参数等效电路参数等效电路 Y参数通常可以用仪器测出。参数通常可以用仪器测出。晶体管的手册或数据单上也会给出这些参数量。晶体管的手册或数据单上也会给出这些参数量。第8页，共115页，编辑于2022年，星期二Y Y参数与混参数与混 参数之间的关系参数之间的关系 Y参数不仅与静态工作参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，点的电压、电流值有关，而且与工作频率有关，而且与工作频率有关，是频率的复函数。是频率的复函数。当放大器工作在窄带当放大器工作在窄带时，时，Y参数变化不大，参数变化不大，可以将可以将Y参数看作常数。参数看作常数。第9页，共115页，编辑于20
6、22年，星期二10例例1：单管单调谐放大器：单管单调谐放大器 集电极负载为集电极负载为集电极负载为集电极负载为LCLC并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路 采用了部分接入方式和变压器耦合方式采用了部分接入方式和变压器耦合方式45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC第10页，共115页，编辑于2022年，星期二11部分接入方式和变压器耦合方式部分接入方式和变压器耦合方式部分接入方式和变压器耦合方式部分接入方式和变压器耦合方式:a a）减小管子输出阻抗对）减小管子输出阻抗对）减小管子输出阻抗对）减小管子输出阻抗对L/CL/C谐振回路的影响谐振回路的影响谐振回路的影
7、响谐振回路的影响 b b）减小负载阻抗对）减小负载阻抗对）减小负载阻抗对）减小负载阻抗对L/CL/C谐振回路的影响谐振回路的影响谐振回路的影响谐振回路的影响 第11页，共115页，编辑于2022年，星期二1232154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+u31-+v21-画出交流小信号等效电路画出交流小信号等效电路 负载和回路之间采用了变压负载和回路之间采用了变压器耦合，接入系数器耦合，接入系数 晶体管集、射回路与振荡晶体管集、射回路与振荡回路之间采用抽头接入，接入回路之间采用抽头接入，接入系数系数
8、 第12页，共115页，编辑于2022年，星期二13单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路单调谐回路谐振放大器的原理性电路与等效电路第13页，共115页，编辑于2022年，星期二1432154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-出于分析的方便，假定晶体管不存在内反馈，即出于分析的方便，假定晶体管不存在内反馈，即yre=0。第14页，共115页，编辑于2022年，星期二1532154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-把晶体管集电极回
9、路和负载把晶体管集电极回路和负载 折合到振荡回路两端折合到振荡回路两端yfeubeyoeYLYLyfeubeyoe+u54-+u31-p1yfevbe+v31-LC谐振回路本身损耗谐振回路本身损耗第15页，共115页，编辑于2022年，星期二16p1yfevbe+v31-32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+v31-+v21-第16页，共115页，编辑于2022年，星期二17p1yfevbe+v31-第17页，共115页，编辑于2022年，星期二18p1yfevbe+v31-谐振时：谐振时：gp+v31-输出回路传输匹配，则可得最大功率增益。输出回路传输匹配，则可得
10、最大功率增益。匹配：匹配：第18页，共115页，编辑于2022年，星期二192.2.放大器的性能参数放大器的性能参数放大器的性能参数放大器的性能参数图3-1高频小信号放大器的高频等效电路图3-1高频小信号放大器的高频等效电路第19页，共115页，编辑于2022年，星期二20由以上方程，可得出高频小信号放大器的主要性能指标：（1）电压放大倍数（2）输入导纳（3）输出导纳（4）通频带与矩形系数反向传输导纳引起反向传输导纳引起的输入导纳的输入导纳反向传输导纳引起的反向传输导纳引起的输出导纳输出导纳单调谐回路单调谐回路第20页，共115页，编辑于2022年，星期二1.1.放大器的输入导纳放大器的输入导
11、纳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稳定性分析：稳定性分析：由于晶体管集基间电容由于晶体管集基间电容 (混混网络中网络中)的反馈，也就的反馈，也就是通过是通过Y参数等效电路中反向传输导纳参数等效电路中反向传输导纳 的反馈，使放大器存在的反馈，使放大器存在着工作不稳定的问题。着工作不稳定的问题。cbCreY记反向传输导纳引入的输入导纳为：记反向传输导纳引入的输入导纳为：第21页，共115页，编辑于2022年，星期二 如果放大电路输入端也接有谐振回路如果放大电路输入端也接有谐振回路(或前级放大器的输出谐振回或前级放大器的输出谐振回路路)，那么输入导纳，那么输入导纳Y Yi i
12、并联在放大器输入端回路后并联在放大器输入端回路后(假定耦合方式是假定耦合方式是全全部接入部接入)。2.2.自激振荡的产生自激振荡的产生 (以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)放大器等效输入端回路放大器等效输入端回路放大器等效输入端回路放大器等效输入端回路实际电路中，实际电路中，实际电路中，实际电路中，第22页，共115页，编辑于2022年，星期二 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的
13、能量，以维持回路的等幅振荡。量，以维持回路的等幅振荡。此时，如果此时，如果g=gs+gie1+gF 0，即整个回路的能量消耗为零，回，即整个回路的能量消耗为零，回路中储存的能量恒定，在电感与电容路中储存的能量恒定，在电感与电容之间相互转换，回路中的等幅振荡得之间相互转换，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。以维持，而不需外加激励。（自激振荡）（自激振荡）第23页，共115页，编辑于2022年，星期二 如果反馈电导为负值，那么如果反馈电导为负值，那么g g=g gs s+g gie1ie1+g gF F=0=0 可能存在，即发生自激可能存在，即发生自激振荡现象。振荡现象。3.3.自激产生的
14、原因自激产生的原因(以输入导纳的影响为例以输入导纳的影响为例)反馈电导反馈电导反馈电导反馈电导随频率变化随频率变化随频率变化随频率变化的关系曲线的关系曲线的关系曲线的关系曲线若若g=gs+gie1+gF 0，回路中的等幅，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。振荡得以维持，而不需外加激励。引起自激引起自激第24页，共115页，编辑于2022年，星期二放大器的频率特性放大器的频率特性25 反馈电导反馈电导反馈电导反馈电导随频率变化，随频率变化，随频率变化，随频率变化，呈现负值（等效为给电路提呈现负值（等效为给电路提呈现负值（等效为给电路提呈现负值（等效为给电路提供能量），使电路增益增大，供能
15、量），使电路增益增大，供能量），使电路增益增大，供能量），使电路增益增大，体现为正反馈；其呈现正值体现为正反馈；其呈现正值体现为正反馈；其呈现正值体现为正反馈；其呈现正值使电路增益减小，体现为负使电路增益减小，体现为负使电路增益减小，体现为负使电路增益减小，体现为负反馈。反馈。反馈。反馈。g=gs+gie1+gF 0 反馈电导反馈电导反馈电导反馈电导对增益和谐对增益和谐对增益和谐对增益和谐振曲线的影响。振曲线的影响。振曲线的影响。振曲线的影响。第25页，共115页，编辑于2022年，星期二26提高放大器稳定性的方法1.从晶体管本身考虑：减小反向传输导纳 ，也就是选择 小的管子；2.从电路上考虑
16、：消除晶体管的反向作用，使它单项化，具体方法有中和法和失配法。第26页，共115页，编辑于2022年，星期二27中和法结论：固定的中和电容只能在某一个频率点上起到完全的中和作用，对其他频率只能有部分中和作用；考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响，则中和电路的效果是很有限的。中和电容中和电容电桥等效电路电桥等效电路原理：在晶体管的输出端与输入端引入一个附加的外部反馈电路来抵消晶体管内部参数的反馈作用。第27页，共115页，编辑于2022年，星期二28失配法原理：增大负载导纳，进而增大总回路导纳，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，失配法是用牺牲增益来换取电路的稳
17、定。共基电路的输入导纳较大，当它和输出导纳较小的共发电路连接时，相当于增大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，稳定性大大提高。共发电路在负载导纳很大的情况下，虽然电压增益减小，但电流增益仍很大，而共基电路虽然电流增益接近于1，但电压增益较大，所以二者级联后，互相补偿，电压增益和电流增益均较大。共发-共基级联电路第28页，共115页，编辑于2022年，星期二29外部反馈引起的不稳定性外部反馈引起的不稳定性放大器外部的寄生反馈均是以电磁耦合的方式出现，电磁干扰的耦合途径主要有：1.电容性耦合；2.点感性耦合；3.公共电阻耦合；4.辐射耦合。接地是控制干扰的重要方法1.就近多
18、点接地；2.接地线尽量加粗。第29页，共115页，编辑于2022年，星期二噪声系数低；功率增益高；动态范围大；带宽大；工作稳定。3.2 低噪声小信号放大器的设计低噪声小信号放大器的设计对接收机前端的小信号放大器的基本要求：低噪声放大器设计与一般小信号放大器设计的区别：一般小信号放大器为了获得高的功率增益，其每一级都是按照功率匹配原则进行设计；低噪声放大器为了获得小的噪声系数，其第一级进行最佳噪声匹配，后级进行功率匹配。第30页，共115页，编辑于2022年，星期二低噪声放大器设计要点：选择低噪声半导体器件；确定低噪声工作点；选择合适的电路形式；满足信号源阻抗与放大器的噪声匹配。第31页，共11
19、5页，编辑于2022年，星期二3.2.1 3.2.1 半导体器件及其工作点选择半导体器件及其工作点选择 器件选择的原则见下图。工作点选择的原则 1）第一级的工作点应根据最小噪声系数的要求来选取；2）第二级的工作点应从最佳增益的条件来考虑，同时应兼顾噪声；3）各级放大器工作点的选取还应考虑到晶体管放大器的工作稳定性。第32页，共115页，编辑于2022年，星期二3.2.2 3.2.2 放大器噪声匹配网络的设计放大器噪声匹配网络的设计功率匹配是指信号源阻抗与负载阻抗匹配，以使放大器获得最大的功率输出；噪声匹配是指信号源阻抗与最佳源阻抗匹配，以使放大器获得最佳的噪声性能。由图可见，满足噪声匹配的信号
20、源内阻随着工作点、工作频率的变化而变化，且该内阻不等于功率匹配是的内阻。第33页，共115页，编辑于2022年，星期二噪声匹配网络噪声匹配网络噪声匹配网络牺牲了增益，同时获得了最小噪声系数。适合于源电阻很小适合于微弱信号适合于微弱信号适合于源电阻很小第34页，共115页，编辑于2022年，星期二3.2.3 3.2.3 电容、电感选择电容、电感选择电感：高Q值电感；电容：电容器质量常用损耗角衡量，小电容常用云母和瓷介电容器，大电容常用钽电解电容。3.2.4 3.2.4 其他其他印制板应具有损耗小、易于加工、性质稳定的特点，材料的物理和电器性能均匀（介电常数、厚度）。第35页，共115页，编辑于2
21、022年，星期二3.3 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功能：放大高频信号，并且以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。本质：在输入高频信号控制下，将电源直流功率转换为高频功率。输出功率范围：小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。分类：C、D、E、F、G、H类（低频功放一般工作在A、B、AB类）。与低频功放的区别：高频功放工作频率高、相对频带窄，低频功放工作频率低、相对频带宽。要求：输出功率大、效率高。第36页，共115页，编辑于2022年，星期二3.3.1 高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理晶体管高频功率放大器的
22、原理线路 采用负偏置：减小无用功耗，提高效率；采用变压器耦合：阻抗匹配，减小负载电阻R对谐振回路的影响；采用电感部分接入：减小晶体管输出电阻对谐振回路的影响。第37页，共115页，编辑于2022年，星期二工作过程在晶体管负偏置，输入信号为大信号的条件下：晶体管在输入信号的正半周的部分时间内导通，在输入信号的其他时间内截止；基级电流和集电极电流为高频脉冲信号；集电极电流流过具有选频作用的并联谐振回路后，产生了与输入信号同频的集电极电压信号。第38页，共115页，编辑于2022年，星期二1 电流、电流、电压波形电压波形集电极电流为余弦脉冲集电极电流导通时间的一半称为通角第39页，共115页，编辑于
23、2022年，星期二集电极电流：式中：第40页，共115页，编辑于2022年，星期二输出电压的产生：集电极电流频谱并联谐振回路的阻抗特性输出电压频谱第41页，共115页，编辑于2022年，星期二C类高频功放的电流、电压波形第42页，共115页，编辑于2022年，星期二2 高频功放的能量关系高频功放的能量关系输出功率：直流输入功率：集电极损耗功率：集电极效率：式中：第43页，共115页，编辑于2022年，星期二图 3-15 、0()、1()、2()、3()与的关系第44页，共115页，编辑于2022年，星期二讨论：1.效率上限2.输出功率与集电极损耗功率的关系当损耗功率一定时，效率越高，输出功率越
24、大第45页，共115页，编辑于2022年，星期二提高提高C类功率放大器的效率类功率放大器的效率提高电压利用系数提高电压利用系数提高提高RL的值的值减小减小 值，效率变高，但是输出功率减小。为保持输出功率不变，需增大激励值，效率变高，但是输出功率减小。为保持输出功率不变，需增大激励信号，势必增加前级负担。一般来说信号，势必增加前级负担。一般来说 按如下取值：按如下取值：提高波形系数提高波形系数第46页，共115页，编辑于2022年，星期二高频功放的功率增益高频功放的功率放大倍数为：用dB表示为：也称为功率增益，通常高频功放的功率增益为1030dB。第47页，共115页，编辑于2022年，星期二1
25、.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与发射结电压或集电结电压(ube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欠压状态临界状态过压状态3.3.2 高频谐振功率放大器的工作状态第48页，共115页，编辑于2022年，星期二1.高频功放的动特性第49页，共115页，编辑于2022年，星期二高频功放的工作状态欠压状态临界状态过压状态第50页，共115页，编辑于2022年，星期二RL L变化对集电极余弦脉冲的影响第51页，共115页，编辑于2022年，星期二第52页，共115页，编辑于2022年，星期二例3-
26、1图第53页，共115页，编辑于2022年，星期二3.3.3 高频功放的外部特性1.负载特性2.振幅特性3.调制特性基极调制特性集电极调制特性4.调谐特性高频功放的外部特性是指放大器的性能随放大器的外部参数变化的规律，外部参数主要包括放大器的负载RL、激励电压Ub、偏置电压UBB和UCC。外部特性也包括负载在调谐工程中的调谐特性。第54页，共115页，编辑于2022年，星期二1.1.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。第55页，共115页，编辑于2022年，星期二电流、电压随负载而变化RL变化对集电极余弦脉冲的影响第56
27、页，共115页，编辑于2022年，星期二功率、效率随负载而变化第57页，共115页，编辑于2022年，星期二图 3-20 高频功放的负载特性输出功率最大，效率较高交流恒压源交流恒流源第58页，共115页，编辑于2022年，星期二2.2.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。在放大某些振幅变化的高频信号时，必须了解它的振幅特性。第59页，共115页，编辑于2022年，星期二在欠压状态下：在过压状态下：第60页，共115页，编辑于2022年，星期二高频功放的振幅特性放大等幅信号放大振幅变化的信号第61页，共115
28、页，编辑于2022年，星期二3.3.高频功放的调制特性高频功放的调制特性在高频功放中，有时希望用改变它的某一电极直流电压来改变高频信号的振幅，从而实现振幅调制的目的。高频功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。1)基极调制特性 基极调制特性是指仅改变UBB时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。由于基极回路的电压ube=UBB+Ub cost,UBB和Ub决定了放大器的uBEmax，因此，改变UBB的情况与改变Ub的情况类似，不同的是UBB可能为负。下图给出了高频功放的基极调制特性。第62页，共115页，编辑于2022年，星期二基极调制特性第63页，共115页，编辑于2022年，星
29、期二2)集电极调制特性 集电极调制特性是指仅改变UCC，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在UBB、Ub及RL不变时，动特性曲线将随UCC的变化左右平移，当 UCC由大到小变化时，功放的工作状态由欠压工作状态到临界，再进入到过压状态，集电极电流ic从一完整的余弦脉冲变化到凹顶脉冲。因此，放大器的集电极调制特性曲线可如下图所示。第64页，共115页，编辑于2022年，星期二集电极调制特性第65页，共115页，编辑于2022年，星期二要实现振幅调制，就必须使高频信号振幅Uc与直流电压(UBB或UCC)成线性关系(或近似线性)，因此在基极调制特性中，则应选择在欠压状态工作;在集电极调制特性中，
30、应选择在过压状态工作。在直流电压UBB(或UCC)上叠加一个较小的信号(调制信号)，并使放大器工作在选定的工作状态，则输出信号的振幅将会随调制信号的规律变化，从而完成振幅调制，使功放和调制一次完成，通常称为高电平调制。第66页，共115页，编辑于2022年，星期二4 高频功放的调谐特性高频功放的调谐特性在前面所说的高频功放的各种特性时，都认为其负载回路处于谐振状态，因而呈现为一电阻RL，但在实际使用时需要进行调谐，这是通过改变回路元件(一般是回路电容)来实现的。功放的外部电流Ic0、Ic1和电压Uc等随回路电容C的变化特性称为调谐特性，利用这种特性可以指示放大器是否调谐。当回路失谐时，不论是容
31、性失谐还是感性失谐，阻抗ZL的模值要减小，而且会出现一幅角，工作状态将发生变化。设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗ZL的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ic0和Ic1要增大，而Uc将下降，如图3-24 所示。第67页，共115页，编辑于2022年，星期二图 3-24 高频功放的调谐特性可以利用Ic0或Ic1最小，或者利用Uc最大来指示放大器的调谐。通常因Ic0变化明显，又只用直流电流表，故采用Ic0指示调谐的较多。第68页，共115页，编辑于2022年，星期二 应该指出，回路失谐时直流输入功率P0=Ic0UCC随Ic0的增加而增加，而输出
32、功率P1=UcIc1cos/2将主要因cos因子而下降，因此失谐后集电极功耗Pc将迅速增加。这表明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，以防止晶体管因过热而损坏，为防止调谐时损坏晶体管，在调谐时可降低UCC或减小激励电压。第69页，共115页，编辑于2022年，星期二3.4 高频功放的高频效应高频功放的高频效应3.4.1 少数载流子的渡越时间效应少数载流子在基区扩散而到达集电极需要一定的时间，称此时间为载流子渡越时间。晶体管低频工作时，渡越时间远小于信号周期，各级电流与外加电压一一对应。高频工作时，渡越时间可以与信号周期相比较，各级电流并不取决于此
33、刻的外加电压。在晶体管的中频区和高频区，功率增益大约按每倍频程6dB的规律下降。第70页，共115页，编辑于2022年，星期二3.4.2 非线性电抗效应功放管中的集电结电容是随集电结电压变化的非线性势垒电容。此电容一方面可能引起功放自激，另一方面会在输出端形成一个输出电容。3.4.3 发射极引线电感的影响在共发组态的功放中，此电感形成输入输出之间的负反馈，从而降低增益。第71页，共115页，编辑于2022年，星期二3.4.4 饱和压降的影响晶体管工作于高频时，实验发现其饱和压降随频率提高而加大。在同一电流处，高频饱和压降大于低频饱和压降。解释：晶体管的饱和压降由结电压和集电区体电阻上压降两部分
34、组成。高频工作时，体电阻的趋肤效应显著，电流流通的有效截面积减小，体电阻上压降变大，使得高频时的饱和压降变大。饱和压降变大导致临界电压利用系数减小，使得功放的效率降低，输出功率减小。第72页，共115页，编辑于2022年，星期二1.直流馈电线路集电极馈电线路基极馈电线路2.输出匹配网络LC匹配网络耦合回路3.推挽连接线路4.高频功放的实际线路举例3.5 高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路第73页，共115页，编辑于2022年，星期二3.5.1 直流馈电线路1 集电极馈电线路串联馈电：晶体管、谐振回路和电源三者串联连接。并联馈电：晶体管、谐振回路和电源三者并联连接。串馈优点：电源U
35、CC、高频扼流圈LC、高频旁路电容CC处于高频地电位，分布电容不易影响回路。并馈优点：回路一端处于直流地电位，回路L、C元件一端可以接地，安装方便。第74页，共115页，编辑于2022年，星期二集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电大电感，隔交通直大电容，隔直通交第75页，共115页，编辑于2022年，星期二2 基极馈电线路自给偏压的优点：偏压随激励变化，使各极电流受激励变化的影响减小，电路工作较稳定。也分串馈和并馈第76页，共115页，编辑于2022年，星期二例3-2 改正下图所示线路中的错误，不得改变馈电形式，重新画出正确的线路。第77页，共115页，编辑于2022年，星期二
36、3.5.2 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连接的，一般用双端口网络来实现。该双端口网络应具有这样的几个特点:(1)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，因此双端口网络要适应波段工作的要求，改变工作频率时调谐要方便，并能在波段内保持较好的匹配和较高的效率等。常用的输出线路主要有两种类型:LC匹配网络和耦合回路。第78页，共115页，编辑于2022年，星期二1 LC匹配网络图 3-29 几种常见的LC匹配网络(a)L型;(b)T型;(c)型由L、C构成的双端口
37、网络。由于LC元件消耗功率很小，因此可以高效地传输功率。LC匹配网络同时具有选频作用。第79页，共115页，编辑于2022年，星期二对于L-I网络：L型匹配网络按负载电阻与网络电抗的串联或并联关系，可以分为L-I网络和L-II网络。对于L-II网络：L-I网络适合于负载电阻大于最佳 负载电阻的情况；L-II网络适合于负载电阻小于最佳 负载电阻的情况。第80页，共115页，编辑于2022年，星期二解：负载电阻小于最佳负载电阻，应选用L-II网络。另外，串联支路用电感，并联支路用电容，有利于滤除高频分量。第81页，共115页，编辑于2022年，星期二下图是一超短波输出放大器的实际电路，它工作于固定
38、频率。图中L1、C1、C2构成一型匹配网络，L2是为了抵消天线输入阻抗中的容抗而设置的。改变C1和C2就可以实现调谐和阻抗匹配的目的。第82页，共115页，编辑于2022年，星期二在介绍耦合回路之前，先简单介绍一下高频变压器和传输线变压器的工作原理。高频变压器耦合存在的问题原理电路全频等效电路高频等效电路低频等效电路频响曲线 工作频率越低，电感L对等效负载的旁路作用越大，低频响应差。当工作频率升高，电感LS与电容C发生串联谐振，输出电压急剧增加，当频率高于串联谐振频率，输出急剧下降。增加初级线圈匝数，可以改善低频响应，但高频响应变差。第83页，共115页，编辑于2022年，星期二传输线变压器的
39、工作原理将两根等长的导线紧靠在一起绕在磁环上即可构成传输线变压器。结构示意图高频等效电路低频等效电路传输线变压器等效电路传输高频信号时，分布电容与电感进行电磁能的转换，将能量传递到负载上。传输低频信号时，分布电容和电感的储能作用差，靠互感耦合将能量传递到负载上。随着工作频率的不同，采用不同的能量传递方式，实现宽频带传输。第84页，共115页，编辑于2022年，星期二传输线变压器的应用(a)高频反相器;(b)不平衡平衡变换器;(c)14 阻抗变换器;(d)3 分贝耦合器第85页，共115页，编辑于2022年，星期二2 耦合回路上图所示是一短波输出放大器的实际电路。它采用互感耦合回路作输出电路，多
40、波段工作。改变互感M可以完成阻抗匹配功能。图中只画出一个波段。由于功放管要求的匹配电阻较小，一次侧除了采用抽头回路外，还采用了1：4的传输线变压器。为了便于晶体管散热，集电极直接接地。第86页，共115页，编辑于2022年，星期二3.5.3 推挽连接线路高频功放采用推挽线路的主要目的是提高输出功率。此外，放大调幅波时，要求线性功率放大，也常采用推挽线路。第87页，共115页，编辑于2022年，星期二3.5.4 高频功放的实际线路举例采用不同的馈电电路和匹配网络，可以构成高频功放的各种实用电路。图3-42(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25 W功率，
41、功率增益达7 dB。这个放大电路基极采用零偏，集电极采用串馈，并由L2、L3、C3、C4组成型网络。图3-42(b)是工作频率为175 MHz的VMOS场效应管谐振功放电路，可向50 负载提供10 W功率，效率大于60，栅极采用了C1、C2、C3、L1组成的T型网络，漏极采用L2、L3、C5、C6、C7组成的型网络;栅极采用并馈，漏极采用串馈。第88页，共115页，编辑于2022年，星期二图 3-32 高频功放实际线路(a)50 MHz谐振功放电路;(b)175 MHz谐振功放电路第89页，共115页，编辑于2022年，星期二功率回退技术预失真线性化技术前馈技术负反馈技术包络消除与恢复技术3.
42、6 功率放大器线性化技术功率放大器线性化技术理想的功放应该是线性系统，而实际的功放总存在或多或少的非线性，从而产生失真。在某些体制的通信系统中，非线性失真所产生的干扰将会严重影响系统性能。为了降低这种干扰，需要对功放进行线性化处理。第90页，共115页，编辑于2022年，星期二1dB压缩电平非线性情况下，输出信号的幅度和相位均是输入信号幅度的函数。1dB压缩电平就是指实际输出电平与理想输出电平之间相差1dB时所对应的输入信号电平的大小。当输入信号电平小于1dB压缩电平时，可以认为输出信号与输入信号是线性关系。反之，系统将产生严重的非线性失真。第91页，共115页，编辑于2022年，星期二总谐波
43、失真（THD）信号通过非线性系统后，最主要的特点是将产生新的频率分量。总谐波失真（THD）：非线性器件产生的新的频率分量的功率总和与线性频率分量处功率之比。第92页，共115页，编辑于2022年，星期二三阶互调失真第93页，共115页，编辑于2022年，星期二3.6.1 功率回退技术降低输入信号电平，把输入功率从1dB增益压缩点回退几个dB，工作在远小于1dB增益压缩点的电平上，使放大器远离饱和区，只在线性放大区工作，从而满足线性度要求。优点：技术简单、易实现，不需要增加任何附加设备。缺点：以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。第94页，共115页，编辑于2022年，星期二3.6.2 预失真线性化
44、技术在功放前加入非线性特性与功放非线性特性正好相反的预失真器，利用预失真器的非线性抵消功放的非线性，是输出与输入呈现线性关系。根据预失真器处理信号的形式，可以分为模拟预失真技术和数字预失真技术。第95页，共115页，编辑于2022年，星期二3.6.3 前馈技术前馈功放没有延时，速度快，能在几个射频周期内快速测量信号的变化，能满足宽带多载波系统线性化的技术指标要求。第96页，共115页，编辑于2022年，星期二3.6.4 负反馈技术优点：负反馈技术利用放大器输出的非线性失真信号抵消放大器自身的一部分非线性，因此，对放大器输出信号的稳定性、增益的稳定性、非线性失真以及通频带等指标都有改善作用。缺点
45、：负反馈技术降低了放大器的增益，且实际电路很难保证反馈网络在很宽的频带内反馈信号与输入信号反相，引入的负反馈可能变成正反馈，造成放大器不稳定。第97页，共115页，编辑于2022年，星期二3.6.5 包络消除与恢复技术优点：平均效率比较高，一般是线性功放的3到5倍，且线性度只与包络通道有关，提高线性性能比较方便。缺点：需要补偿相位、幅度两路径的延时差。第98页，共115页，编辑于2022年，星期二3.7 高效功放、功率合成与射频模块放大器高效功放、功率合成与射频模块放大器D类高频功率放大器 1.电流开关型2.电压开关型E类高频功率放大器功率合成器射频模块放大器第99页，共115页，编辑于202
46、2年，星期二3.7.1 D类高频功率放大器 1.电流开关型D类放大器 下图是电流开关型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、V2获得反向的方波激励电压。在理想状态下，两管的集电极电流iC1和iC2为方波开关电流波形，iC1和iC2交替地流过LC谐振回路，由于LC回路对方波电流中的基频分量谐振，因而在回路两端产生基频分量的正弦电压。晶体管V1、V2的集电极电压uCE1、uCE2波形示于图(d)、(e)。由图可见，在V1(V2)导通期间的uCE1(uCE2)等于晶体管导通时的饱和压降UCES;在V1(V2)截止期间的，uCE1(uCE2)为正弦波电压的一部分。回路线圈
47、中点A对地的电压为(uCE1+uCE2)/2，为如图3-33(f)的脉动电压uA，可见A点不是地电位，它不能与电源UCC直接相连，而应串入高频扼流圈Lb后，再与电源UCC相连。在A点，脉动电压的平均值应等于电源电压UCC，即第100页，共115页，编辑于2022年，星期二第101页，共115页，编辑于2022年，星期二第102页，共115页，编辑于2022年，星期二2.电压开关型D类放大器 下图为一互补电压开关型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UCC。两管输入端通过高频变压器T1加有反相的大电压，当一管从导通至饱和状态时，另一管截止。负载电阻RL
48、与L0、C0构成一高Q串联谐振回路，这个回路对激励信号频率调谐。如果忽略晶体管导通时的饱和压降，两个晶体管就可等效于图3-34(b)的单刀双掷开关。晶体管输出端的电压在零和UCC间轮流变化，如图 3-34(c)所示。在uCE2方波电压的激励下，负载RL上流过正弦波电流iL，这是因为高Q串联回路阻止了高次谐波电流流过RL(直流也被C0阻隔)的缘故。这样在RL上仍然可以得到信号频率的正弦波电压,实现了高频放大的目的。在理想情况下，两管的集电极损耗都为零(因uCE2iC1=uCE1iC1=0)，理想的集电极效率为100%。这也可以从输入功率和输出功率计算中得出。第103页，共115页，编辑于2022
49、年，星期二第104页，共115页，编辑于2022年，星期二开关型D类放大器的主要优点是集电极效率高，输出功率大。但在工作频率很高时，随着工作频率的升高，开关转换瞬间的功耗增大，集电极效率下降，高效功放的优点就不明显了。由于D类放大器工作在开关状态，因而也不适于放大振幅变化的信号。由此出现了E类高频功率放大器。负载电流幅度负载电流直流分量直流输入功率负载电压幅度负载功率第105页，共115页，编辑于2022年，星期二3.7.2 E类高频功率放大器 E类放大器是单管工作于开关状态。它是通过选取适当的负载网络参数，使其瞬态响应最佳。也就是保证只有在集电极电压达到最小值时，集电极才有电流流通。第106
50、页，共115页，编辑于2022年，星期二3.7.3 功率合成器 所谓功率合成器，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。功率分配功率合成第107页，共115页，编辑于2022年，星期二图(a)就是功率合成器基本单元的一种线路，称为同相功率合成器。T1是作为分配器用的传输线变压器，T2是作为合并器用的。由3 dB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在正常工作时平衡电阻RT1两端无电压，不消耗功率。由第2章中讨论的耦合器原理可知，各端口匹配的条件为RT1=2RA=2RB=4RS第108页，共115页，编辑于2022年，星期二同相功率