第3章高频谐振放大器.ppt

功能：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：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,高频小信号放大器的要求,增益要高。104105倍，即80100dB 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。工作稳定可靠。这要求放大器的性能应尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。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。,3.1.1 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,3.1.2 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,6,晶体三极管Y参数等效电路,Y参数与混参数之间的关系,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。,8,2.放大器的性能参数,高频小信号放大器的高频等效电路,内部方程,外部方程,忽略管子的内部反馈，即,9,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,反向传输导纳引起的输入导纳,反向传输导纳引起的输出导纳,单调谐回路,1.放大器的输入导纳,3.1.3 高频谐振放大器的稳定性,稳定性分析：由于晶体管集基间电容(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 的反馈，使放大器存在着工作不稳定的问题。,记反向传输导纳引入的输入导纳为：,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路)，那么输入导纳Yi并联在放大器输入端回路后(假定耦合方式是全部接入)。,2.自激振荡的产生(以输入导纳的影响为例),放大器等效输入端回路,实际电路中，,所谓“谐振”，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量，以维持回路的等幅振荡。,此时，如果g=gs+gie1+gF 0，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。,（自激振荡）,如果反馈电导为负值，那么g=gs+gie1+gF=0 可能存在，即发生自激振荡现象。,3.自激产生的原因(以输入导纳的影响为例),反馈电导随频率变化的关系曲线,若g=gs+gie1+gF 0，回路中的等幅振荡得以维持，而不需外加激励。,引起自激,放大器的频率特性,14,反馈电导随频率变化，呈现负值（等效为给电路提供能量），使电路增益增大，体现为正反馈；其呈现正值使电路增益减小，体现为负反馈。,g=gs+gie1+gF 0,反馈电导对增益和谐振曲线的影响。,15,提高放大器稳定性的方法从晶体管本身考虑：减小反向传输导纳，也就是选择 小的管子；从电路上考虑：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。,16,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,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。,17,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,中和法与失配法的优缺点,中和法优点：电路简单，电路增益 不受影响,中和法缺点：只有在一个频率上完全中和，不适合宽 带放大器，实际调整麻烦且不适合批量 生产，对温度引起的不稳定性没有改善。,失配法的优点：性能稳定能改变各种参数变化的影响，频带宽，适合宽带放大，生产过程无 需调整，适合与大批量生产。,失配法的缺点：增益较低,3.1.4 多级单调谐放大器,（2）n级放大器的矩形系数,3.3 高频功率放大器的原理与特性,功能：不失真地放大高频信号，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。,高频功率放大器的种类：,（1）谐振功率放大器（学习重点）特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末级；不易于自动调谐。（2）宽带功率放大器 特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带内对高频信号进行功率放大；功率增益有限，一般用于中小功率级。,高频（谐振）功放与低频功放的区别,工作频率,音频,射频,应用场合,接收机末端,发射机末端,负载,纯电阻,LC谐振回路,放大器类型,A类或B类,C类,低频功放工作频率低，相对频带宽 20Hz-20kHz高频功放工作频率高，相对频带窄 几百k-几百MHz 以选网络作负载，称为谐振功放。,高频功放与高频小信号放大器的比较,电路性质,线性,非线性,应用场合,发射机送给功放的信号接收机天线送来的信号,发射机末端,放大器类型,甲类,丙类,集电极输出波形,与输入信号一致,余弦脉冲,设计的目的,信号波形放大、传输,将电源的能量尽可能以信号的形式输出,最关心的指标,电压增益,效率,工作状态,功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路。,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。,晶体管的工作状态,甲类工作状态晶体管在输入信号的整个周期都导通静态IC较大，波形好,管耗大效率低。,乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC=0，波形严重失真,管耗小效率高。,甲乙类工作状态晶体管导通的时间大于半个周期，静态IC 0，一般功放常采用。,3.3.1 高频功率放大器的工作原理,晶体管高频功率放大器的原理线路,特点：1.大信号激励：12V；器件工作在非线性状态2.丙类工作状态、器件进入截止区3.输入、输出信号为单频或窄带信号4.发射结在一个周期内只有部分时间导通，iB、iC均为一系列高频脉冲；,1.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。,2.工作原理分析,特性曲线的折线化：,ub,加到晶体管的基极，基极回路电压为：,ube,集电极电流为周期性的余弦脉冲，傅里叶级数展开可得：,式中：,ic,(2)集电极输出电压,ic,3.高频功放的能量关系,输出功率：,集电极电源提供的直流输入功率：,集电极损耗功率：,集电极效率：,式中：,提高C类功率放大器的效率,提高电压利用系数,提高RL的值,提高波形系数,对高频谐振功放效率的影响,余弦脉冲的分解系数,余弦脉冲的分解系数,减小值，效率变高，但是输出功率减小。为保持输出功率不变，需增大激励信号，势必增加前级负担。,讨论：,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，输出功率越大,4.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。,丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的负载？谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？,答：这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用谐振回路作为集电极的负载。调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量，从而得到不失真的输出电压。,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,3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态,1.高频功放的动特性,(1)放大区动特性方程,ubemax,(4)连接ABC即得动态特性曲线,C,ube,高频功放的工作状态,欠压状态,临界状态,过压状态,RL变化对集电极余弦脉冲的影响,当激励源（ub)、负载(RL)或直流电源(Eb、Ec)发生变化时，都会影响到功放的工作状态，改变输出功率与效率；另一方面可以通过调整这些外部参量来改变功率放大器的性能。将外部参量变化时对功率放大器工作状态及性能指标的影响称为外部特性，包括,3.2.3 高频功放的外部特性,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。,Ec、Eb 及Ub 固定时，ic(IC0 IC1)都确定；RL直接影响输出电压振幅:RL增大，UC增大。,电流、电压随负载而变化,RL变化对集电极余弦脉冲的影响,功率、效率随负载而变化,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,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。,在欠压状态下：,在过压状态下：,高频功放的振幅特性,放大等幅信号,放大振幅变化的信号,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=Eb+Ub cost,UBB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。下图给出了高频功放的基极调制特性。,基极调制特性,2)集电极调制特性 集电极调制特性是指仅改变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下图所示。,集电极调制特性,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。,谐振时，纯阻,失谐时，若原工作在过压状态，失谐时向临界、欠压变化.用直流电流表指示Ic0来判断是否失谐;失谐时高频功放必须保持谐振状态,调谐时应降低Ec或Ub.,4.调谐特性,外部特性在电路调试过程中的应用,例：一丙类谐振功放，设计工作在临界状态，若发现实际电路的P1和C均未达到要求，应如何进行调整？,分析：P1未达要求，说明工作于欠压或过压状态；若增大RL能使P1增大，由负载特性知-欠压状态；,注意：减小Ec，Uc也减小，输出功率减小。,另：判断工作状态也可以通过改变Ec Eb Ub来完成。,3.3 高频功放的高频效应（了解）,功放管的高频效应主要有以下几方面：1、少数载流子的渡越时间效应(ib减小，输出功率降；通角加大，效率减小）2、非线性电抗效应（频率越高，反馈越大，可能引起放大器工作不稳定，甚至自激；输出电容效应）3、发射极引线电感的影响（共发组态中构成输入、输出之间的射极反馈耦合，从而功放的激励加大，增益降低）4、饱和压降的影响（频率上升，饱和压降上升，电压利用率降，效率降，输出功率降。）,3.4 高频功率放大器的实际线路,组成：高频功放的实际馈电线路和各种不同用途的高频功放的输入、输出端的匹配电路。,3.4.1 直流馈电线路,直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。,2)应保证谐振回路两端仅有基波电流分量IC1产生压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；3）应保证外电路对高次谐波分量Icn呈现短路，以免产生附加损耗。,1）谐振功放的集电极馈电线路，应保证集电极电流iC中的直流分量IC0只流过集电极直流电源VCC(即：对直流而言，VCC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；,基本原则：1.使交、直流信号有各自正常的通路，相互间的影响尽可能的小，且要减小不必要的功率损耗。,2.,满足,3.正确的使用阻隔元件,高频扼流圈，相当于大电感,时，视为开路,电容,时，视为短路,几十到几百uF0.010.1uF,4.电源一端接地，交流信号不能通过直流电源，否则会造成功率损耗。,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,一、集电极馈电线路,(1)串馈电路 指直流电源VCC、负载回路、功率管三者串联的一种直流馈电电路。,分布参数影响小；但LC处于直流高电位上，网络元件安装不方便。,LC为高频扼流圈Cc为高频旁路电容,(2)并馈电路 指直流电源VCC、负载回路、功率管三者并联连接的一种馈电电路。如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，C2为隔直流通高频电容，LC、C1、C2的选取随工作频率范围而定。,LC处于直流地电位上，网络元件安装方便；但分布参数直接影响网络的调协。,二、基极馈电线路,ube=UBB+Ubcost,丙类功放的基极偏置电压UBB为负偏压，实际电路中常采用自给偏压的方法来产生UBB从而省去一个直流源。优点：能自动维持放大器的稳定性。有利于稳定输出电压，但对于要求具有线性放大特性的放大器来说则不利。,基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，单独供电不方便，因此，基极偏置常采用自给偏置电路。,7.3.1,自给偏压电路,图（a）所示是利用基极电流的直流分量 在上产生所需的偏置电压，是并馈电路。,图（b）所示是利用射极电流直流分量,在 上产生所需的反向偏置电压 是串馈电路.,图（c）所示是利用,流过高频扼流圈,的直流电,阻，得到近似0V的稳定偏置电压，是并馈电路，由于所,时，才采用这种电路。,输出匹配网络（Output matching circuit）：四端网络是用以输出功率至负载作用。作用是保证放大器的输出功率有效的加到负载（天线）上。,这个四端网络应完成的任务是：,使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着阻抗匹配的作用。,3.4.2 输出匹配网络,大多数发射机为波段工作，因此该四端网络应适应波段工作的要求，改变工作频率时调谐要方便，并能在波段内保持良好的匹配等。,抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。,在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,一、匹配网络概述,匹配网络的作用：（1）在输入端：实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗的匹配，以获得最大的激励功率；（2）在输出端：将外界的负载电阻RL变换为放大器所需的最佳负载电阻Re，以保证输出功率最大；还应具有较好的滤波能力；（3）传输效率尽可能高，损耗尽可能小。,实现方法：LC变换网络实现调谐和阻抗匹配,连接方式：型、型和型三种,功率放大器,一、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。,1.串并联等效转换公式,一、LC匹配网络,品质因数：,主要分析的问题：XS 与XP、RS与 RP、QS与 QP之间的关系,等效原则：变换前后电路总阻抗不变：,要使ps，必须满足：,品质因数相等,电阻、电抗之间的 关系,2.L型匹配网络,L-I 型：负载电阻与网络电抗并联,L-II型：负载电阻与网络电抗串联,L-II型,由两个性质相异的电抗元件组成,L-I型,LC阻抗变换有3种类型：L型、T型、II型,L-I 型匹配网络：,要分析的问题：已知 Re、RL，确定 XS、XP，以满足匹配要求,匹配要求：,（1）匹配后的负载电阻等于信号源内阻,即:Re=Rs（2）匹配后的网络对工作频率谐振,信 号 源,设：RL负载电阻 RS信号源内阻当RSRL时，采用L-I型网络匹配,由匹配要求，有：,由,得出：,由,得出：,由,得出：,Re匹配后的负载电阻,L-I型网络适合于RSRL的情况,L-II型匹配网络：,要分析的问题：已知 Re、RL，确定 XS、XP，以满足匹配要求,匹配要求：,（1）匹配后的网络对工作频率谐振（2）匹配后的负载电阻等于信号源内阻,即：Re=Rs,设：RL负载电阻 RS信号源内阻当RLRS时，采用L-II型网络匹配,由匹配的要求，有：,由,得出：,由,得出：,由,得出：,讨论：L-II型网络适合于Re RL的情况,由三个电抗元件(两个同性质，一个异性质)组成,2.T 和型匹配网络,T型,型,阻抗变换公式：,T型匹配网络：,L-II型,L-I型,对L-I型：,对L-II型：,型匹配网络：,L-II型,L-I型,阻抗变换公式：,对L-II型：,对L-I型：,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。,下图是一超短波输出放大器的实际电路，它工作于固定频率。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。,图 3-29 一超短波输出放大器的实际电路,三、实例,设工作频率f=30MHz,输出电容Co=50pF,天线电阻RA=50,电容CA=20pF。RLCR=150。试确定C1、C2、L1及L2的值。,二.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。,316 改正图示线路中的错误，不得改变馈电形式，重新画出正确的线路。,题316图,改正后的电路图,312 某高频功放工作在临界伏态，通角=75o”，输出功率为 30 W，Ec=24 V，所用高频功率管的SC=1.67V，管子能安全工作。（1）计算此时的集电极效率和临界负载电阻；（2）若负载电阻、电源电压不变，要使输出功率不变。而提高工作效率，问应如何凋整？(3）输入信号的频率提高一倍，而保持其它条件不变，问功放的工作状态如何变化，功放的输出功率大约是多少？,解3-12（1）,（2）可增加负向偏值，但同时增大激励电压，保证IC1不变，但这样可使导通角减小，效率增加。（3）由于频率增加一倍，谐振回路失谐，集电极阻抗变小，电路由原来的临界状态进入欠压状态，输出幅度下降，故使输出功率和效率都下降。对于2的频率，回路阻抗为：,因此，输出功率下降到原来的2/3Q倍。,