高频谐振放大器.pptx

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1、会计学1高频谐振放大器高频谐振放大器第1页/共113页2 3、高频小信号放大器的主要要求 (1)高增益，即要求放大器的放大量要高。一般可达80100dB；(2)频率选择性要好；(3)工作稳定可靠。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。其中：Cb、Ce为高频旁路电容；Rb1、Rb2、Re为偏置电阻。图3-1(b)为其交流等效电路，有抽头的谐振回路为放大器的负载，完成阻抗匹配和选频功能。放大器工作在甲(A)类状态。第2页/共113页3 图 3-1 高频小信号谐振放大器(a)实际线路;(b)交流等效电路 第3页/共113页4二、放大器性能分析 1

2、晶体管的高频等效电路 要分析和说明高频调谐放大器的性能，首先必须考虑晶体管在高频时的等效电路。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。图 3-2 晶体三极管等效电路混等效电路第4页/共113页5 直接使用晶体管的混等效电路分析放大器的性能很不方便，通常在低频时采用h参数等效电路，而在高频时，一般采用Y参数等效电路。晶体管的Y参数等效电路如图3-2(b)所示。图 3-2 晶体三极管等效电路 Y参数等效电路第5页/共113页6其中：Yie输出端交流短路时的输入导纳 Yoe输入端交流短路时的输出导纳 Yfe输出端交流短路时的正向

3、传输导纳 Yre输入端交流短路时的反向传输导纳第6页/共113页7 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：(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)第7页/共113页8特别说明：(1)Y参数不仅与晶体管的静态工作点有关，而且与工作频率有关，不过当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可近似看作常数；(2)在以后如没有特别说明，高频小信号放大器都是工作在窄带，晶体管一律用Y参数等效。由图3-2可以得到晶体管Y参数等效电路的Y参数方程为：(3-5a)(3-5b)第8页/共113页9 2 放大器的性能参数 根据图3-1可以画出其高频等效电路如图3-3所示。忽略管子内部的反馈,即令Y

4、re=0,由图3-3可得：(3-6a)图 3-3 图3-1高频小信号放大器的高频等效电路(3-6b)第9页/共113页10(3)输出导纳输出导纳Yo(3-9)利用式(3-6)和晶体管的Y参数方程(3-5)式，联立可求出放大器的相关参数。(1)电压放大倍数电压放大倍数K(2)输入导纳输入导纳Yi (3-7)(3-8)第10页/共113页11四、高频谐振放大器的稳定性 1放大器的稳定性 (1)稳定性的引入：前面分析了高频小信号放大器的性能，但由于晶体管内部存在集基间电容Cbc的反馈，或者通过Y参数的反向传输导纳Yre的反馈，使放大器存在不稳定的问题。(4)通频带通频带B 0.707与矩形系数与矩形

5、系数K 0.1 由于图3-1为一单调谐放大器，通频带B 0.707为：(3-10)其矩形系数B 0.1仍为9.95。第11页/共113页12 (2)定性分析 下面分析由于反向传输导纳Yre的反馈引起的不稳定。假设：反向传输导纳Yre引入的输入导纳,记为Yir。忽略Rbb的影响,则由式(3-3)、(3-4)有：考虑谐振频率考虑谐振频率0附近情况附近情况,有：有：其中其中Zp为有载时并联谐振回路阻抗为有载时并联谐振回路阻抗,根据第二章根据第二章(2-9)式，设回路有载谐振阻抗式，设回路有载谐振阻抗为为RL=1/GL，有：，有：(3-11a)(3-11b)(3-11c)(3-11d)第12页/共11

6、3页13并将并将Yoe归入谐振回路负载中，归入谐振回路负载中，则谐振回路总导纳谐振回路总导纳为：由上述式(3-11a)(3-11d)可得：故(3-11)第13页/共113页14由上式可得上式可得：(1)当当回回路路谐谐振振时时，Yir为为一一电电容容（由由反反向向传传输输导导纳纳引引入入的的输输入入导纳）；导纳）；(2)当当 0时，时，Yir的电导为正，是负反馈的电导为正，是负反馈。(3)当当 0 时时，Yir的的电电导导为为负负，是是正正反反馈馈，将将导导致致放放大大器器不不稳定。稳定。正反馈使放大倍数增大负反馈使放大倍数下降第14页/共113页15 2.提高放大器稳定性的方法提高放大器稳定

7、性的方法（1）中和法）中和法 图图3-5(a)是是利利用用中中和和电电容容Cn的的中中和和电电路路。为为了了抵抵消消Yre的的反反馈馈,从从集集电电极极回回路取一与路取一与 反相的电压反相的电压 ,通过通过Cn反馈到输入端。根据电桥平衡有：反馈到输入端。根据电桥平衡有：则则中和条件中和条件为为 (3-12)第15页/共113页16中和电容第16页/共113页17 图 3-5 中和电路(a)原理电路;(b)某收音机实际电路中和电容第17页/共113页18 图 3-6 共发共基电路（2）失配法）失配法 失配法失配法是通过是通过增大放大器的负载导纳，使输出电路失配，增大放大器的负载导纳，使输出电路失

8、配，以降低输出电压，从而减少对输入端的影响以降低输出电压，从而减少对输入端的影响。因此失配法是用。因此失配法是用牺牲电路增益来换取电路的稳定牺牲电路增益来换取电路的稳定。共发。共发共基电路是典型的失共基电路是典型的失配法应用。配法应用。第18页/共113页19 图 3-7 双栅场效应管调谐放大器 第19页/共113页20（3）减少放大器的电磁耦合）减少放大器的电磁耦合 前前面面讨讨论论放放大大器器的的稳稳定定性性，是是从从放放大大器器内内部部来来看看的的，实实际际上上还还应应考考虑虑由由于于外外部部原原因因造造成成的的不不稳稳定定，而而电电磁磁耦耦合合是是引引起起外外部部寄寄生生反反馈馈的的主

9、主要要因因素素，因因此此抑抑制制和减少电磁耦合是提高放大器稳定性的重要途径。和减少电磁耦合是提高放大器稳定性的重要途径。放大器中的放大器中的电磁耦合途径主要电磁耦合途径主要有：有：A、电容性耦合；、电容性耦合；B、电感性耦合；、电感性耦合；C、公共电阻耦合；、公共电阻耦合；D、辐射耦合、辐射耦合第20页/共113页21五、多级谐振放大器 1多级单调谐放大器 假设多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率，且各级放大器的电压放大倍数分别为K01、K02、K0n,则总的电压放大倍数为：(3-13)(3-14)(3-15)由第二章可知，由第二章可知，单调谐放大器的归一化频率特性单调谐放大器的

10、归一化频率特性为：为：则有则有n回路的回路的多级单调谐放大器的归一化频率特性多级单调谐放大器的归一化频率特性为：为：第21页/共113页222.多级双调谐放大器多级双调谐放大器 表32 多级双调谐放大器的带宽和矩形系数(3-16)第22页/共113页233.参差调谐放大器参差调谐放大器 参差调谐的概念参差调谐的概念：图图3-8是是采采用用单单调调谐谐回回路路和和双双调调谐谐回回路路组组成成的的参参差差调调谐谐放大器的频率特性。放大器的频率特性。图图3-9示示出出了了一一彩彩色色电电视视机机高高频频头头的的调调谐谐放放大大器器的的简简化化电路。电路。第23页/共113页24第24页/共113页2

11、5 图 3-9电视机高频放大器的简化电路 第25页/共113页26六、高频集成放大器 1、高频集成放大器的分类 高频集成放大器分为以下两类:(1)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；(2)另一种是选频放大器,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。通常为了满足高增益放大器的选频要求，集成选频放大器一般采用集中滤波器作为选频电路。第26页/共113页27 2 2、高频集成放大器与集中滤波器的接法、高频集成放大器与集中滤波器的接法 (1)(1)集中选频滤波器集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面接于宽带集成放大器的后

12、面 在图在图3-10(a)3-10(a)中中,集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面，这集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面，这是一种常见接法。是一种常见接法。该接法需注意的问题为该接法需注意的问题为：集成放大器与集中滤波器之间的：集成放大器与集中滤波器之间的阻抗阻抗匹配问题匹配问题，这包括，这包括两重含义两重含义：其一其一是从放大器输出上看，阻抗匹配表是从放大器输出上看，阻抗匹配表示放大器有较大的功率增益示放大器有较大的功率增益；其二其二是从滤波器的输入端看，要求信号是从滤波器的输入端看，要求信号源的阻抗与滤波器的输入阻抗，方能得到预期得频率特性。源的阻抗与滤波器的输入阻抗，方能得到预期得

13、频率特性。第27页/共113页28图3-10 集中选频放大器组成框图(2)集中选频滤波器集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面接于宽带集成放大器的前面 图图3-10(b)是集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面的一种接法。是集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面的一种接法。第28页/共113页29 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。图 3-11 集成选频放大器应用举例 第29页/共113页30第30页/共113页313.2 高频功率放大器的原理和特性 高频功率放大器的主要功能是放大高频信号,并且以

14、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。一、高频功率放大器概述 1、高频功放管的类型 电子管：主要用于输出功率在几百瓦以上的场合；高频大功率晶体管和场效应管：主要用于输出功率在几百瓦以下的场合。第31页/共113页32 2 2、功率放大器工作状态 A(甲)类：其理想效率为50%；B(乙)类：其理想效率为78.5%；AB(甲乙)类：其理想效率为50%78.5%；C(丙)类：高频非线性功率放大器 E 类：开关型高频功率放大器 S类：开关型高频功率放大器 其中：A类、B类和AB类主要用于低频功率放大器，而C类、E类和S类一般只用于高频功率放大器。第32页/共113页33 3、高频功率放

15、大器的特点 我们知道低频功率放大器的工作频率低，相对频带宽度很大；如一般工作在2020000Hz，高端频率与低端频率相差1000倍。对于高频功率放大器：工作频率高，相对频带宽度很小；例如调幅广播的带宽为9kHz，若中心频率取900kHz，则相对频带宽度仅为1。因此高频功率放大器为了达到对选择性（频带）的要求，一般采用调谐放大器。由于高频功放要求高频工作、高效率，因而工作在高频状态和大信号非线性状态是其主要特点。第33页/共113页34二、工作原理 图图3-12是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路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除电源和偏置电路外,它它是由是由

16、晶体管晶体管、谐振回路谐振回路和和输入回路输入回路三部分组成的。其中：三部分组成的。其中：晶体管晶体管：常采用：常采用NPN高频大功率晶体管，其特征频率高频大功率晶体管，其特征频率fT高高。静态工作状态静态工作状态：一般在：一般在C类，即基极偏置为负值；类，即基极偏置为负值；输入信号输入信号：输入信号为大信号，可达：输入信号为大信号，可达12V，甚至更大。，甚至更大。工作状态工作状态：晶体管工作在截止和导通：晶体管工作在截止和导通(线性放大线性放大)两种状态，基极电流和集电极电两种状态，基极电流和集电极电流均为高频脉冲电流。流均为高频脉冲电流。放大器的负载放大器的负载：用带抽头的：用带抽头的L

17、C并联谐振回路作负载，可以起到选频和阻抗变换两并联谐振回路作负载，可以起到选频和阻抗变换两方面的作用。方面的作用。第34页/共113页35图 3-12 晶体管高频功率放大器的原理线路 第35页/共113页36 1电流、电压波形 设输入信号为 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、周期性脉冲可以分解成直流、基波基波(信号频率分量信号频率分量)和各次谐波分量和各次谐波分量,即：(3-18)式中第36页/共113页37(3-19b)(3-19a)(3-19c)第37页/共113页38第38页/共113页39其其中中称为导通角，0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直

18、流、基波、n次谐波的分解系数,数值见附录。由图3-12可以看出，放大器的负载为并联谐振回路，当谐振频率0等于激励信号频率时，回路对频率呈现一大谐振电阻RL，因此式(3-18)中基波分量在回路上产生电压，而对远离的直流和谐波分量2、3等呈现很小的阻抗，因而这些频率成分的输出很小，几乎为零，可以忽略。故回路输出电压为：(3-20)(3-20)(3-21)(3-21)晶体管的晶体管的集电极电压集电极电压为：为：第39页/共113页40第40页/共113页41 图3-14给出了放大器各点信号的波形图。由图可以看出，当集电极回路调谐时，Ubemax、ICmax、UCEmin是同一时刻出现的，导通角越小，

19、iC越集中在UCEmin附近，故耗损越小，效率越高。另外，我们也可根据集电极电流的导通角来划分功放的工作类型：当180o时，为A类；当90o 180o时，为AB类；当 uCES。(2)过压状态：当功放的激励足够大时，功放的最高工作状态将进入饱和区，即动特性的A点在饱和区的工作状态，称为过压状态。如图(3-17)所示。过压状态功放的特点：功放的工作点将在截止区、线性放大区和饱和区三个区内变化；功放的集电极电流为顶部凹陷的余弦脉冲；功放的效率将随着Uc的进一步增大而降低，在这种状态下，由于导通角过大导致波形系数较小；有UCEmin R RLCRLCR，故选择L-II型。且串联支路用电感，并联支路用

20、电容。根据（3-33b）式，回路的品质因素为：其它见教材。第77页/共113页78 图3-29是一超短波输出放大器的实际电路,它工作于固定频率。图 3-29 一超短波输出放大器的实际电路 L2是为抵消天线的容抗而设立的C1、C2、L2构成型匹配网络第78页/共113页79 2耦合回路 图3-30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。（简单分析教材图3-34)图3-33 短波输出放大器的实际线路1:4传输线变压器第79页/共113页80三、高频功放的推挽连接线路 在高频功放中，不论是输出级还是中间级，有时会用到推挽连接线路，其主要目的是为了提高输出功率，工作原理与

21、低频功放类似。此处不再祥述。第80页/共113页81四、高频功放的实际线路举例 图3-38(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。第81页/共113页82 图 3-38 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82页/共113页833.5 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 一、D类高频功率放大器 1.电流开关型D类放大器 图3-39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。第83页/

22、共113页84 由此可得 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 (3-46)(3-47)第84页/共113页85 图 3-39 电流开关型D类放大器 的线路和波形 UCC第85页/共113页86 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(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：将式(3-35)代入式(3-37),得输出功率为输出功率为 输入功率为输入功率为(3-51)(3-50)(3-49)第86页/共113页87 集电极损耗功率为 (3-54)(3-

23、53)(3-52)2电压开关型电压开关型D类放大器类放大器 图3-40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Ec。第87页/共113页88第88页/共113页89图 3-40 电压开关型D类功放的线路及波形 第89页/共113页90 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: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分解可得第90页/共113页91负载上的功率为 可见 此时匹配的负载电阻为 (3-55)(3-56)第91页/共113页92二

24、、E类高频功率放大器类高频功率放大器 根据前面分析可知根据前面分析可知D类开关型高频功放总是由两个功放管组成类开关型高频功放总是由两个功放管组成，而，而E类开类开关型高频功放则是单管工作在开关状态关型高频功放则是单管工作在开关状态。E类高频功率放大器的电路如图类高频功率放大器的电路如图4-41所示。所示。其工作过程为（略）：其工作过程为（略）：第92页/共113页93三、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。一个理想的功率合成器应满足：(1)N个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，N路功率合成器供给匹配负载上的总功率为单个放大器供给匹配负载上

25、功率的N倍。（并联和推挽满足此条件）。(2)合成器的各单元放大电路彼此隔离，互不影响。要满足上述条件，关键在于选择合适的混合电路。图3-43是常用的一种功率合成器组成方框图。第93页/共113页94 图 3-43功率合成器组成 第94页/共113页95 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 在晶体管的输出端,当两管正常工作时,两管输出相同的电压,即 且 ,但由于负载上的电流加倍,故负载上得到的功率是两管输出功率之和,即第95页/共113页96第96页/共113页97 图 3-44 同相功率合成器(a)交流等效电路;(b)B信号源开路时的等效电路

26、第97页/共113页98 当 时,由于流过负载的电流只有原来的一半,功率减小为原来的1/4,而A管输出的另一半功率正好消 耗在平衡电阻RT上,即有 图3-45是反相功率合成器的原理线路。输入和输出端也各加有3 dB耦合器作分配和合并电路。图 3-46 是一反相功率合成器的实际线路。它工作于1.5 MHz,输出功率100 W。第98页/共113页99 图 3-45 反相功率合成器的原理线路 第99页/共113页100图 3-46 100 W反相功率合成器的实际线路第100页/共113页101四、射频模块放大器四、射频模块放大器第101页/共113页102 图图3-483-48是一个模块式射频部件

27、的微带线电路板。是一个模块式射频部件的微带线电路板。它由它由A A、B B、C C、DD四个模块放大器级联组成。四个模块放大器级联组成。图 3-48 一个模块式射频部件的微带线电路板第102页/共113页使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！第103页/共113页使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！第104页/共113页使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！第105页/共113页106图 3-49 射频模块第106页/共113页