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1、第3章 高频谐振放大器第3章高频谐振放大器3.1 高频小信号放大器 3.2 高频功率放大器的原理和特性3.3 高频功率放大器的高频效应 3.4 高频功率放大器的实际线路 3.5 高效功放与功率合成 3.6 高频集成功率放大器简介 思考题与习题 第3章 高频谐振放大器3.1 高频小信号放大器高频小信号谐振放大器的功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号，以便作进一步的变换和处理。这里所说的“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。第3章 高频谐振放大器高频小信号放大器按频带宽度可以分为窄带放大器和宽带放大器。通常被放大的信号是窄带信号，比如说信号带宽只有中心频率的百分之几
2、，甚至千分之几，因此，高频小信号的基本类型是频带放大器。频带放大器是以各种选频电路作负载，兼具阻抗变换和选频滤波的功能。第2章讨论的并联谐振回路、耦合回路等电路就是频带放大器采用的选频电路。在某些无线电设备中，需要放大多个高频信号，或者信号中心频率要随时改变，这时要用到高频宽带放大器，这种放大器一般采用无选频作用的负载电路，应用最广的是高频变压器或传输线变压器。第3章 高频谐振放大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。以分立元件为主的高频放大器，由于单个晶体管的最高工作频率可以很高，线路也较简单，目前应用仍很广泛。集成高频放大器由高频或宽带集成放大器和
3、选频电路(特别是集中滤波器)组成，它具有增益高、性能稳定、调整简单等优点，在高频电路中的应用也越来越多。第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器3.1.1 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。由图可知，直流偏置电路与低频放大器的电路完全相同，只是电容Cb、Ce对高频旁路，它们的电容值比低频中小得多。图3-1(b)是它的交流等效电路，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=0，完成阻抗匹配和选频滤波功能。由于输入的是高频小信号，放大器工作在A(甲)类状态。第3章 高频谐振放大器图 3-1 高频小信号谐振放大器(a)实际线路;(
4、b)交流等效电路第3章 高频谐振放大器3.1.2 放大器性能分析1 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，首先要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。图中C=Cbe，C=Cbc。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，如图3-2(b)所示。Yie是输出端交流短路时的输入导纳;Yoe是输入端交流短路时的输出导纳;而Yfe和Yre分别为输出端交流短路时的正向传输导纳和输入端交流短路时的反向传输导纳。第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器(3-3)
5、(3-4)第3章 高频谐振放大器由此可见，Y 参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，而且与工作频率有关，是频率的复函数。当放大器工作在窄带时，Y 参数变化不大，可以将Y 参数看作常数。我们讨论的高频小信号谐振放大器没有特别说明时，都是工作在窄带，晶体管可以用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(3-5a)(3-5b)第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器2 放大器的性能参数图3-3 是图3-1 所示高频小信号放大器的高频等效电路，图中将晶体管用Y 参数等效电路进行了等效，信号源用电流源表示，是电流源的内导纳，负载导纳为，它包括谐振回路的导纳和负载电阻R
6、的等效导纳。忽略管子内部的反馈，即令Yre=0，由图3-3 可得(3-6a)(3-6b)根据式(3-5)、(3-6)可以得出高频小信号放大器的主要性能指标。第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器(1)电压放大倍数K(3-7)(2)输入导纳Yi(3-8)式中，第一项为晶体管的输入导纳，第二项是反向传输导纳Yre引入的输入导纳。第3章 高频谐振放大器(3)输出导纳Yo(3-9)式中，第一项为晶体管的输出导纳，第二项也与Yre有关。第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器3.1.3 高频谐振放大器的稳定性1 放大器的稳定性应当指出，上面分析的放大器的各种性能参数，是在放大器能正常工作前提下
7、得到的，但是在谐振放大器中存在着不稳定性问题，这是因为由于晶体管集基间电容Cbc(混 网络中)的反馈，也就是通过Y 参数等效电路中反向传输导纳Yre的反馈，使放大器存在着工作不稳定的问题。Yre的存在，使输出信号反馈到输入端，引起输入电流的变化，如果这个反馈在某个频率相位上满足正反馈条件，且足够大，则会在满足条件的频率上产生自激振荡。现在来考察输入导纳Yi中第二项，即反向传输导纳Yre引入的输入导纳，记为第3章 高频谐振放大器将Yoe归入负载中，并考虑谐振频率0附近情况，有则(3-11)由上式可以看出，当回路谐振时=0，Yir为一电容;当0时,Yir的电导为正，是负反馈;当0时，Yir的电导为
8、负，是正反馈，这将引起放大器的不稳定。图3-4 是考虑反馈时的放大器的频率特性，由图可见，在0时，由于存在正反馈，使放大器的放大倍数增加。当正反馈严重时，即Yir中的负电导使放大器输入端的总电导为零或负值，即使没有外加信号，放大器输出端也会有输出信号，产生自激。第3章 高频谐振放大器图 3-4 放大器的频率特性第3章 高频谐振放大器2 提高放大器稳定性的方法为了提高放大器的稳定性，通常从两个方面入手，一是从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳Yre，Yre的大小主要取决于bc，选择管子时尽可能选择Cbc小的管子，使其容抗增大，反馈作用减弱。二是从电路上设法消除晶体管的反向作用，使它单向化，具体
9、方法有中和法和失配法。第3章 高频谐振放大器中和法通过在晶体管的输出端与输入端之间引入一个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。由于Yre的实部(反馈电导)很小，可以忽略，所以常常只用一个中和电容Cn来抵消Yre的虚部(即反馈电容)的影响，就可达到中和的目的，图3-5(a)就是利用中和电容Cn的中和电路。为了抵消Yre的反馈，从集电极回路取一与反相的电压，通过Cn反馈到输入端。根据电桥平衡有则中和条件为(3-12)第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器由于用来表示晶体管的反馈只是一个近似，而与又只是在回路完全谐振的频率上才准确反相，中和电路中固定的中和电容
10、Cn只能在某一个频率点起到完全中和的作用，对其它频率只能有部分中和作用。另外，如果再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。中和法应用较少，一般用在某些收音机电路中，图3-5(b)所示的是某收音机中常用的中和电路。第3章 高频谐振放大器失配法通过增大负载导纳，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定。为了满足增益和稳定性的要求，常用的失配法是用两只晶体管按共发-共基方式连接成一个复合管，如图3-6 所示。由于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
11、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。第3章 高频谐振放大器图 3-6 共发共基电路 第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器图 3-7 双栅场效应管调谐放大器 第3章 高频谐振放大器1 多级单调谐放大器多级单调谐放大器的谐振频率相同，均为信号的中心频率。设各级谐振时的电压放大倍数为K01、K02、K0n，则放大器总的电压放大倍数(3-13)3.1.4 多级谐振放大器第3章 高频谐振放大器第3章
12、 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器2.多级双调谐放大器采用多级双调谐放大器可以改善放大器的频率选择性，设各级均采用同样的双回路，并选择临界耦合(耦合因子A=1)，由第2章分析可知，有n个双回路的多级放大器的归一化频率特性为(3-16)由此可以计算出多级放大器的带宽和矩形系数，如表3-2 所示。第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器3 参差调谐放大器多级参差调谐放大器，就是各级的调谐回路和调谐频率都彼此不同。采用参差调谐放大器的目的是增加放大器总的带宽，同时又得到边沿较陡峭的频率特性。图3-8 是采用单调谐回路和双调谐回路组成的参差调谐放大器的频率特性。双调谐回路采用A1(如A=2.4
13、1)的过临界耦合，由图可见，当两种回路采用不同的品质因数时，总的频率特性可有较宽的频带宽度，带内特性很平坦，而带外又有较陡峭的特性，这种多级参差调谐放大器常用于要求带宽较宽的场合，如电视机的高频头常用它。图3-9 示出了一彩色电视机高频头的调谐放大器的简化电路，由图可见，晶体管输入电路采用单调谐回路，输出电路采用双调谐回路，图中C1、C2、C3是变容管电容，是进行电调谐使用的。第3章 高频谐振放大器图3-8 参差调谐放大器的频率特性(a)单、双回路特性;(b)总特性第3章 高频谐振放大器图 3-9 电视机高频放大器的简化电路 第3章 高频谐振放大器3.1.5 高频集成放大器随着电子技术的发展，
14、出现了越来越多的高频集成放大器，由于具有线路简单、性能稳定可靠、调整方便等优点，应用也越来越广泛。高频集成放大器有两类: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;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。第3章 高频谐振放大器为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，如第2章介绍的晶体滤波器、陶瓷滤波器或声表面波滤波器等。当然，它们只适用于固定频率的选频放大器，这种放大器也称为集中选频放大器，图3-10 是集中选频放大器的组成示意图。图3-10(a)中，集中选频滤波器
15、接于宽带集成放大器的后面，这是一种常用的接法，这种接法要注意的问题是，使集成放大器与集中滤波器之间实现阻抗匹配。这有两重意义:从集成放大器输出端看，阻抗匹配表示放大器有较大的功率增益;从滤波器输入端看，要求信号源的阻抗与滤波器的输入阻抗相等而匹配(在滤波器的另一端也是一样)，这是因为滤波器的频率特性依赖于两端的源阻抗与负载阻抗，只有当两端端接阻抗等于要求的阻抗时，方能得到预期的频率特性。当集成放大器的输出阻抗与滤波器输入阻抗不相等时，应在两者间加阻抗转换电路，通常可用高频宽带变压器进行阻抗变换，也可以用低Q 的振荡回路。采用振荡回路时，应使回路带宽大于滤波器带宽，使放大器的频率特性只由滤波器决
16、定。通常集成放大器的输出阻抗较低，实现阻抗变换没有什么困难。第3章 高频谐振放大器图3-10 集中选频放大器组成框图 第3章 高频谐振放大器图3-10(b)是另一种接法。集中滤波器放在宽带集成放大器的前面，这种接法的好处是，当所需放大信号的频带以外有强的干扰信号(在接收中放时常用这种情况)时，不会直接进入集成放大器，避免此干扰信号因放大器的非线性(放大器在大信号时总是有非线性)而产生新的不需要干扰。有些集中滤波器，如声表面波滤波器，本身有较大的衰减(可达十多分贝)，放在集成放大器之前，将有用信号减弱，从而使集成放大器中的噪声对信号的影响加大，使整个放大器的噪声性能变差。为此，如图3-10(b)
17、，常在滤波器之前加一前置放大器，以补偿滤波器的衰减。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。第3章 高频谐振放大器图 3-11 集成选频放大器应用举例第3章 高频谐振放大器第3章 高频谐振放大器表3-4 列出了AD 公司生产的宽带集成运算放大器一些产品。第3章 高频谐振放大器在需要进行AGC 控制的场合下，可以使用宽带可变增益的放大器，如AD 公司的AD603，增益范围为11 dB+31dB，带宽为90 MHz。第3章 高频谐振放大器3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的主要功用是放
18、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。发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。高频功率放大器的输出功率范围，可以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。目前，功率为几百瓦以上的高频功率放大器，其有源器件大多为电子管，几百瓦以下的高频功率放大器则主要采用双极晶体管和大功率场效应管。第3章 高频谐振放大器我们知道能量(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高频功率，因此除要求高频功率放大器产生符合要求的高频功率外，还应要求具有尽
19、可能高的转换效率。由先修课程可知，低频功率放大器可以工作在A(甲)类状态，也可以工作在B(乙)类状态，或AB(甲乙)类状态，B 类状态要比A 类状态效率高(A 类max=50%;B 类max78.5)，为了提高效率，高频功率放大器多工作在C 类状态。为了进一步提高高频功率放大器的效率，近年来又出现了D 类、E 类和S 类等开关型高频功率放大器;还有利用特殊电路技术来提高放大器效率的F 类、G 类和H 类高频功率放大器。本节主要讨论C 类功率放大器的工作原理。第3章 高频谐振放大器应当指出，尽管高频功放和低频功放的共同点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着
20、本质的区别。低频功放的工作频率低，但相对频带很宽，工作频率一般在2020 000 Hz，高频端与低频端之差达1000倍。所以，低频功放的负载不能采用调谐负载，而要用电阻、变压器等非调谐负载。而高频功放的工作频率很高，可由几百千赫兹到几百兆赫兹，甚至几万兆赫兹，但相对频带一般很窄，例如调幅广播电台的频带宽度为9 kHz，若中心频率取900 kHz，则相对频带宽度仅为1。因此高频功放一般都采用选频网络作为负载，故也称为谐振功率放大器。近年来，为了简化调谐，设计了宽带高频功放，如同宽带小信号放大器一样，其负载采用传输线变压器或其它宽带匹配电路，宽带功放常用在中心频率多变化的通信电台中，本节只讨论窄带
21、高频功放的工作原理。第3章 高频谐振放大器由于高频功放要求高频工作，信号电平高和高效率，因而工作在高频状态和大信号非线性状态是高频功率放大器的主要特点。要准确地分析有源器件(晶体管、场效应管和电子管)在高频状态和非线性状态下的工作情况是十分困难和繁琐的，从工程应用角度来看也无此必要。因此，在下面的讨论中，将在一些近似条件下进行分析，着重定性地说明高频功率放大器的工作原理和特性。第3章 高频谐振放大器3.2.1 工作原理图3-12 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，它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN 高频大功率晶体管，
22、它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。晶体管作为一个电流控制器件,它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流ib，ib控制了较大的集电极电流ic，ic流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。为了使高频功放高效输出大功率，常选在C 类状态下工作，为了保证在C 类工作，基极偏置电压Eb应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V 以上，可达12V，甚至更第3章 高频谐振放大器大。也就是说，晶体管工作在截止和导通(线性放大)两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是，高频
23、功放选用谐振回路作负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量(基波分量)外，还有谐波分量和其它频率成份，用谐振回路选出有用分量，将其它无用分量滤除;通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现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。第3章 高频谐振放大器图 3-12 晶体管高频功率放大器的原理线路 第3章 高频谐振放大器1 电流、电压波形设输入信号为ub=Ub cost则由图3-12 得基极回路电压为ube=Eb+Ub cost(3-17)第3章 高频谐振放大器由式(3-17)可以画出ub
24、e的波形，再由晶体三极管的转移特性曲线可得到集电极电流ic的波形，如图3-13 所示。由于输入为大信号，当管子导通时主要工作在线性放大区，故转移特性进行了折线化近似。C 类工作时，Eb通常为负值(也可为零或小的正压)，图中Eb取了某一负值。由图可见，只有ube大于晶体管发射结门限电压时，晶体管才导通，其余时间都截止，集电极电流为周期性脉冲电流，其电流导通角为2，它小于，通常将 称为通角。这样的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ic=Ic0+Ic1cost+Ic2cos2t+Icn cosnt+(3-18)第3章 高频谐振放大器图 3-13 集电极电流的波形第3章
25、高频谐振放大器式中(3-19a)(3-19b)(3-19c)0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数，数值见附录。第3章 高频谐振放大器由图3-12 可以看出，放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率0等于激励信号频率 时，回路对 频率呈现一大的谐振阻抗RL，因此式(3-18)中基波分量在回路上产生电压;对远离 的直流和谐波分量2、3 等呈现很小的阻抗，因而输出很小，几乎为零。这样回路输出的电压为uo=uc=Ic1RL cost=Uc cost(3-20)按图3-12 规定的电压方向，集电极电压为uce=Ecuo=EcUc cost(3-21)第3章 高频谐振放大器
26、图3-14 给出了ube、uce、ic和uc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，越小，ic越集中在ucemin附近，故损耗将减小，效率得到提高。可以根据集电极电流导通角 的大小划分功放的工作类别。当 180 时，放大器工作于A(甲)类;当0180 时，为AB(甲乙)类;当 90 时，为B(乙)类;90 时，则为C(丙)类。对于高频功放，通常 90。由前述分析可知，集电极电流导通角 是由输入回路决定的，方法为:当输入电压 时所对应的角度即为集电极电流导通角。第3章 高频谐振放大器图 3-14 C类高频功放的电流、电压波形第3章 高频
27、谐振放大器2 高频功放的能量关系在集电极电路中，谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为(3-22)集电极电源供给的直流输入功率P0为P0=IcoEc(3-23)直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc，即Pc=P0P1(3-24)Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率 为(3-25)第3章 高频谐振放大器式中，称为波形系数，其值见附录;，称为集电极电压利用系数。是表示能量转换的一个重要参数。由于1，因此，对A 类放大器，(180)=1，则50%;B 类放大器，(90)=1.75，78.5%;C 类放大器，1.75，故 可以更高。在高频功放中，
28、提高集电极效率 的主要目的在于提高晶体管的输出功率。当直流输入功率一定时，若集电极损耗功率Pc越小，则效率 越高，输出功率P1就越大。另外，由式(3-24)、(3-25)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为(3-26)第3章 高频谐振放大器这说明当晶体管的允许损耗功率Pc一定时，效率 越高，输出功率P1越大。比如，若集电极效率 由70%提高到80%，输出功率P1将由2.33 Pc提高到4Pc，输出功率P1增加70%。第3章 高频谐振放大器由式(3-25)可知，要提高效率，有两种途径，一是提高电压利用系数，即提高Uc，这通常靠提高回路谐振阻抗RL来实现的，如何选择RL是下面要研究
29、的一个重要问题;另一个是提高波形系数，与 有关，图3-15 示出了、0()、1()与 的关系曲线。由图可知，越小，越大，效率 越高，但太小时，1()将降低，输出功率将下降，如=0 时，=max=2，1()=0，输出功率P1也为零，为了兼顾输出功率P1和效率，通常选 在6575 范围。第3章 高频谐振放大器图 3-15、0()、1()、2()、3()与 的关系第3章 高频谐振放大器基极电路中，信号源供给的功率称为高频功放的激励功率。由于信号电压为正弦波，因此激励功率大小取决于基极电流中基波分量的大小。设其基波电流振幅为Ib1，且与ub同相(忽略实际存在的容性电流)，则激励功率为(3-27)此激励
30、功率最后变为发射结和基区的热损耗。第3章 高频谐振放大器高频功放的功率放大倍数为(3-28)用dB 表示为(3-29)也称为功率增益。在高频功放中，由于高频大信号的电流放大倍数Ic1Ib1和电压放大倍数Uc/Ub都比小信号及低频时小，故功率放大倍数也小，通常功率增益(与晶体管以及工作频率有关)为十几至二十几分贝。第3章 高频谐振放大器3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态1 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与电极电压(ube或uce)的关系曲线，它在icuce或icube坐标系统中是一条曲线。它的作法与小信号放大器不同，小信号放大器中,若已知负载
31、电阻，过静态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值的倒数的直线，即得负载线，动特性是负载线的一部分;而在高频功放中是已知ube=Eb+ub和uce=Ecuc，逐点(以t 为变量，如由0至 变化)由ube、uce从晶体管输出特性曲线上找出ic，并连成线，一般不是直线。当晶体管的特性用折线近似时即为直线，此时的作法是取t=0，则ube=Eb+Ub，uce=EcUc，得到A 点;取t=/2，ube=Eb，uce=Ec，得到Q 点;取t=，ic=0，uce=Ec+Uc，得到C 点;连接A、Q两点，横轴上方用实线表示，横轴下方用虚线表示，交横轴于B 点，则A、B、C 三点连线即为动特性曲线。如果A 点进入到
32、饱和区时，饱和区中的线用临界饱和线代替，如图3-16 所示。第3章 高频谐振放大器图 3-16 高频功放的动特性第3章 高频谐振放大器在A 点没有进入饱和区时，动特性曲线的斜率为。动特性曲线不仅与RL有关，而且与 有关。第3章 高频谐振放大器2 高频功放的工作状态前面提到，要提高高频功放的功率、效率，除了工作于B类、C 类状态外，还应该提高电压利用系数=Uc/Ec，也就是加大Uc，这是靠增加RL实现的。现在讨论Uc由小到大变化时，动特性曲线的变化，由图3-16 可以看出，在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，而且在此区域内Uc增加时，集电极电流ic基本不变，
33、即Ic0、Ic1基本不变，所以输出功率P1=UcIc1/2 随Uc增加而增加，而P0=EcIc0基本不变，故 随Uc增加而增加，这表明此时集电极电压利用的不充分，这种工作状态称为欠压状态。第3章 高频谐振放大器当Uc加大到接近Ec时，ucemin将小于ubemax，此瞬间不但发射结处于正向偏置，集电结也处于正向偏置，即工作在饱和状态，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，这就是为什么上述A 点进入到饱和区时动特性曲线用临界饱和线代替的原因。过压状态时ic为顶部出现凹陷的余弦脉冲，如图3-17 所示。通常将高频功放的这种状态称为过压
34、状态，这是高频功放中所特有的一种状态和特有的电流波形。出现这种状态的原因是，振荡回路上的电压并不取决于ic的瞬时电流，使得在脉冲顶部期间，集电极电流迅速下降，只是采用电抗元件作负载时才有的情况。由于ic出现了凹陷，它相当于一个余弦脉冲减去两个小的余弦脉冲，因而可以预料，其基波分量Ic1和直流分量Ic0都小于欠压状态的值，这意味着输出功率P1将下降，直流输入功率P0也将下降。第3章 高频谐振放大器图 3-17 过压状态的ic波形 第3章 高频谐振放大器当Uc介于欠压和过压状态之间的某一值时，动特性曲线的上端正好位于电流下降线上，此状态称为临界状态。临界状态的集电极电流仍为余弦脉冲，与欠压和过压状
35、态比较，它既有较大的基波电流Ic1，也有较大的回路电压Uc，所以晶体管的输出功率P1最大，高频功放一般工作在此状态。保证这一状态所需的集电极负载电阻RL称为临界电阻或最佳负载电阻，一般用RLcr表示。第3章 高频谐振放大器由上述分析可知，高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态，即如果满足uceminuces时，功放工作在欠压状态;如果ucemin=uces，功放工作在临界状态;如果uceminuces，功放工作在过压状态。临界状态下，晶体管的输出功率P1最大，功放一般工作在此状态。第3章 高频谐振放大器例3-1 某高频功放工作在临界状态，通角 70,输出
36、功率为3W，Ec24V，Eb0.5 V，所用高频功率管的临界饱和线斜率Sc0.33A/V，转移特性曲线斜率S0.8A/V，Eb=0.65V，管子能安全工作。试计算：P0、Ub以及负载阻抗的大小。解临界状态的标志就是icmax值正好处于放大区向饱和区过渡的临界线上。临界饱和线的斜率为Sc，则临界线可表示为第3章 高频谐振放大器图3-18 所示是工作在临界状态时的理想动特性。根据此图可以求出临界时电压利用系数、最大电流ic max以及与输出功率P1的关系。此时有ic max=Scuce min=Sc(EcUc)=Sc(1)Ec所以第3章 高频谐振放大器图 3-18 临界状态参数计算第3章 高频谐振
37、放大器另外，输出功率P1可以表示为上面两式联立起来，可得第3章 高频谐振放大器因此第3章 高频谐振放大器或者第3章 高频谐振放大器至于此时所需激励电压Ub、基极偏置电压UBB可以从晶体管的转移特性曲线进行求解。转移特性曲线如图 3-19 所示，计算如下：第3章 高频谐振放大器图 3-19 基极回路参数计算第3章 高频谐振放大器3.2.3 高频功放的外部特性高频功放是工作于非线性状态的放大器，同时也可以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)。前面已经指出，高频功率放大器只能在一定的条件下对其性能进行估算，要达到设计要求还需通过对高频功放的调整来实现。为了正确地使用和调整，需要了解高频功放
38、的外部特性。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Eb和Ec。外部特性也包括负载在调谐过程中的调谐特性，下面将在前面所述工作原理的基础上定性地说明这些特性和它们的应用。第3章 高频谐振放大器1 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。在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，功率放大器的集电极电流ic的大小和形状基本不变，电流Ic0、Ic1也基本不变，所以Uc随RL的增加而增加，近似为正比关系。当RL增加到RLRLcr时,即uc
39、emin=EcUc等于晶体管的饱和压降uces，放大器工作在临界状态，此时的集电极电流ic仍为一完整的余弦脉冲，与欠压状态时的ic基本相同，c0、Ic1也就与欠压状态时的基本相同，但此时的Uc大于欠压状态的Uc。在临界状态下再增加RL，势必会使Uc进一步地增加，这样会使晶体管在导通期间进入到饱和区，从而使放大器工作在过压状态，集电极电流ic出现凹顶，进入饱和区越深，凹顶现象越严重，因此从ic中分解出的Ic0、Ic1就越小。Ic1的迅速下降，从RLUc/Ic1可见，这意味着RL应有较大的增加。换句话说，RL增加时，Uc只是缓慢地增加，因此负载特性曲线如图3-20(a)所示。第3章 高频谐振放大器
40、图 3-20(b)是根据图3-20(a)而得到的功率、效率曲线。直流输入功率P0(Ic0Ec)与Ic0的变化规律相同。在欠压状态，输出功率随RL增加而增加，至临界RLcr时达到最大值。在过压状态，由于，输出功率随RL增加而减小。集电极效率 变化可用=/2 分析，在欠压状态，=Ic1/Ic0基本不变，与=Uc/Ec及RL近似线性关系。在过压状态，因 随RL增加稍有增加，所以 也稍有增加，但RL很大，到达强过压状态，此时ic波形强烈畸变，波形系数 要下降，也会有所减小。第3章 高频谐振放大器图 3-20 高频功放的负载特性第3章 高频谐振放大器由图3-20 的负载特性可以看出高频功放各种状态的特点
41、:临界状态输出功率最大，效率也较高，通常应选择在此状态工作。过压状态的特点是效率高、损耗小，并且输出电压受负载电阻RL的影响小，近似为交流恒压源特性。欠压状态时电流受负载电阻RL的影响小，近似为交流恒流源特性，但由于效率低、集电极损耗大，一般不选择在此状态工作。在实际调整中，高频功放可能会经历上述各种状态，利用负载特性就可以正确判断各种状态，以进行正确的调整。第3章 高频谐振放大器2 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3章 高频谐振放大器由于基极回路的电压ube=Eb
42、+Ub cost，因此当Eb(设)不变时，ubemax随Ub的增加而增加，从而导致icmax和 的增加。在欠压状态下由于ubemax较小，因而集电极电流ic的最大值icmax与通角都较小，ic的面积较小，从中分解出来的Ic0和Ic1都较小。增大Ub，icmax和 及ic的面积增加，Ic0和Ic1 随之增加。当 Ub增加到一定程度后，电路的工作状态由欠压状态进入过压状态。在过压状态，随Ub的增加，ubemax增加，虽然此时ic的波形产生凹顶现象，但icmax与 还会增加，从ic中分解出来的Ic0、Ic1随Ub的增加略有增加。图 3-21 给出了Ub变化时ic波形和Ic0、Ic1、Uc随Ub变化的
43、特性曲线。由于RL不变，因此Uc的变化规律与Ic1相同。第3章 高频谐振放大器图 3-21 高频功放的振幅特性第3章 高频谐振放大器由图3-21 可以看出，在欠压区，Ic0、Ic1、Uc随Ub增加而增加，但并不一定是线性关系。而在放大振幅变化的高频信号时，应使输出的高频信号的振幅Uc与输入的高频激励信号的振幅Ub成线性关系。为达到此目的，就必须使Uc与Ub 特性曲线为线性关系，这只有在 90 的乙类状态下才能得到。因为在乙类状态工作时，90，Ub变化时，不变，而只有icmax随Ub线性变化时，才能使Ic1随Ub线性变化。在过压区，Uc基本不随Ub变化，可以认为是恒压区，所以，放大等幅信号时，应
44、选择在此状态工作。第3章 高频谐振放大器3 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Eb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=Eb+Ub cost,Eb和Ub决定了放大器的ubemax，因此，改变Eb的情况与改变Ub的情况类似，不同的是Eb可能为负。图3-22 给出了高频功放的基极调制特性。第3章 高频谐振放大器图 3-22 高频功放的基极调制特性第3章 高频谐振放大器2)集电极调制特性集电极调制特性是
45、指仅改变Ec，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在Eb、Ub及RL不变时，动特性曲线将随Ec的变化左右平移，当 Ec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图3-23 所示。第3章 高频谐振放大器图3-23 高频功放的集电极调制特性第3章 高频谐振放大器要实现振幅调制，就必须使高频信号振幅Uc与直流电压(Eb或Ec)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，应选择在过压状态工作。在直流电压Eb(或Ec)上叠加一个较小的信号(调
46、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3章 高频谐振放大器4 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
47、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。由图可知，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3章 高频谐振放大器图 3-24 高频功放的调谐特性第3章 高频谐振放大器应该指出，回路失谐时直流输入功率P0=Ic0Ec随Ic0的增加而增加，而输出功率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
48、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Ec或减小激励电压。第3章 高频谐振放大器3.3 高频功率放大器的高频效应前面分析是以静特性为基础的分析，虽能说明高频功放的原理，但却不能反映高频工作时的其它现象。分析和实践都说明，当晶体管工作于“中频区”(0.5ff0.2fT)甚至更高频率时，通常会出现输出功率下降，效率降低，功率增益降低以及输入、输出阻抗为复阻抗等现象。所有这些现象的出现，主要是由于功放管性能随频率变化引起的，通常称它为功放管的高频效应。功放管的高频效应主要有以下几方面。第3章 高频谐振放大器1.少数载流子的渡越时间效应晶体管本质
49、上是电荷控制器件。少数载流子的注入和扩散是晶体管能够进行放大的基础。少数载流子在基区扩散而到达集电极需要一定的时间，称 为载流子渡越时间。晶体管在低频工作时，渡越时间远小于信号周期。基区载流子分布与外加瞬时电压是一一对应的，因而晶体管各极电流与外加电压也一一对应，静特性就反映了这一关系。功放管在高频工作时，少数载流子的渡越时间可以与信号周期相比较，某一瞬间基区载流子分布决定于这以前的外加变化电压。因而各极电流并不取决于此刻的外加电压。第3章 高频谐振放大器现在观察功放在低频和高频时的电流波形变化。设功放工作在欠压状态，为了便于说明问题，假设两种情况下等效发射结上加有相同的正弦电压。少数载流子的
50、渡越效应可以用渡越角 的大小来衡量。图3-25(a)、(b)是两种情况下的电流波形，图3-25(b)相当于 为10 20 范围的情况。当大于 时发射结正向导通。近似地看，发射极的正向导通电流取决于。当基区中的部分少数载流子还未完全到达集电结时，已改变方向，于是基区中靠近集电结的载流子将继续向集电结扩散，靠近发射结的载流子将受反向电压的作用返回发射结。这样就造成发射结电流ie的反向流通，即出现ie0 的部分。由于渡越效应，集电极电流ic的最大值将滞后于ie的最大值，且最大值比低频时要小。由于最后到达集电极的少数载流子比ube=时要晚，形成ic脉冲的展宽。基极电流是ie与ic之差，与低频时比较，它