通信电子电路第1-3章.ppt

通信电子电路,北京联合大学信息学院 2011年9月,本课程概述,课程性质：,是电气、电子信息类专业一门重要的技术基础理论课程，同时也是该专业的必修课。,课程任务：,使学习者熟悉并掌握基本通信电子电路及系统的工作原理和分析方法；能对主要功能电路进行分析和设计；具备根据生产实践的具体要求，运用这些单元电路构成通信电子电路系统的能力;为后续专业课打下坚实地基础。,授课学时：,实验学时：,44学时,独立一周的课程设计,考核成绩：,平时成绩（作业、期中考试）40+期末成绩60。,目 录,第一章 绪论,第三章 高频谐振放大器,第四章 正弦波振荡器,第六章 振幅调制、解调与混频,第七章 频率调制与解调,第八章 反馈控制系统,第二章 高频电路基础,教材与参考书,1.高频电路原理与分析，曾兴雯主编 西安电子科技大学出版社 2.高频电子线路，阳昌汉主编，高等教育出版社，2010年第1版。课程进度表,第一章 绪论,通信系统的概念和基本构成通信系统的发展趋势本课程的特点,通信系统的构成,输入变换器,发送设备,信道,接收设备,输出变换器,干扰源,信源,接收信息,将信息变换成电信号，称为基带信号。当信源为非电物理量时，它是不可缺少的。,对信号进行处理，把基带信号变换成适合于信道传输特性的信号。可包括振荡、放大、调制、抽样、A/D变换等电路。,工业干扰、天电干扰等一切干扰的集中形式。,主要功能简述,图11 无线通信系统的基本组成,常用信道工作频段的划分,工作频率实例,手机-GSM 900MHz/1800MHz收音机-无线电视遥控玩具汽车卫星,超外差式无线电接受机原理框图,混频器,高频放大器,电台选择电路,中频放大器（2-3级）,解调器（检波器）,音频放大器,扬声器,本机振荡器,AGC电路,超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。当信号频率改变时,只要相应地改变本地振荡信号频率即可。由上面的例子可以总结出无线通信系统的基本组成,从中也可看出高频电路的基本内容应该包括:（1）高频振荡器（2）放大器（3）混频或变频（4）调制与解调,无线通信系统的类型 按照无线通信系统中关键部分的不同特性,有以下一些类型:（1）按照工作频段或传输手段分类,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率,主要指发射与接收的射频（RF）频率。射频实际上就是“高频”的广义语,它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。（2）按照通信方式来分类,主要有（全）双工、半双工和单工方式。（3）按照调制方式的不同来划分,有调幅、调频、调相以及混合调制等。,（4）按照传送的消息的类型分类,有模拟通信和数字通信,也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。各种不同类型的通信系统,其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的,遵从同样的规律。本课程将以模拟通信为重点来研究这些基本电路,认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。,信号、频谱与调制,在高频电路中,我们要处理的无线电信号主要有三种:基带（消息）信号、高频载波信号和已调信号。所谓基带信号,就是没有进行调制之前的原始信号,也称调制信号。1.时间特性 一个无线电信号,可以将它表示为电压或电流的时间函数,通常用时域波形或数学表达式来描述。无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性（如时间常数）与之相适应,2.频谱特性 对于较复杂的信号（如话音信号、图像信号等）,用频谱分析法表示较为方便。,图 1 2 信号分解,对于周期性信号,可以表示为许多离散的频率分量（各分量间成谐频关系）,例如图 1 3即为图 1 2所示信号的频谱图;对于非周期性信号,可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱,信号为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分,它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看,带宽就是信号能量主要部分（一般为90%以上）所占据的频率范围或频带宽度。,图 1 3 频谱图,3.频率特性 任何信号都具有一定的频率或波长。这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。电磁波辐射的波谱很宽,如图 1 4 所示。无线电波只是一种波长比较长的电磁波,占据的频率范围很广。在自由空间中,波长与频率存在以下关系:c=f（11）,式中:c为光速,f 和分别为无线电波的频率和波长,因此,无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段,分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同,传播的能力和方式也不同,因而它们的分析方法和应用范围也不同。应当指出,不同频段的信号具有不同的分析与实现方法,对于米波以上（含米波,1 m）的信号通常用集总（中）参数的方法来分析与实现,而对于米波以下（1 m）的信号一般应用分布参数的方法来分析与实现，当然,这也是相对的。,图 1 4 电磁波波谱,4.传播特性 传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。电磁波从发射天线辐射出去后,不仅电波的能量会扩散,接收机只能收到其中极小的一部分,而且在传播过程中,电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射,或者在大气层中产生折射或散射等现象,从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象,电波的传播方式主要有直射（视距）传播、绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播及散射传播等,如图 1 5 所示。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。,图1 5 无线电波的主要传播方式（a）直射传播;（b）地波传播;（c）天波传播;（d）散射传播,5.调制特性 无线电传播一般都要采用高频（射频）的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸到可以与信号波长相比拟时,天线的辐射效率才会较高,从而以较小的信号功率传播较远的距离,接收天线也才能有效地接收信号。所谓调制,就是用调制信号去控制高频载波的参数,使载波信号的某一个或几个参数（振幅、频率或相位）按照调制信号的规律变化。根据载波受调制参数的不同,调制分为三种基本方式,它们是振幅调制（调幅）、频率调制（调频）、相位调制（调相）,分别用AM、FM、PM表示，还可以有组合调制方式。,第二节 通信电路系统的发展趋势,电子系统的集成化,可使系统体积更小更可靠.,通信系统的数字化,可使系统的传输质量更好.,电子系统的现场可编程化,可使系统的构成更灵活.,电子系统的智能化,可使系统的自动化程度更高。,第三节本课程的特点,非线性电路形式的多样性,非线性电路分析的近似性,本课程的实践性,与其它数字电路的衔接性,思考题与习题,1.画出无线通信收发信机的原理框图,并说出各部分的功用。2 无线通信为什么要用高频信号？“高频”信号指的是什么？3 无线通信为什么要进行调制？如何进行调制？4 无线电信号的频段或波段是如何划分的？各个频段的传播特性和应用情况如何？,第二章 高频电路基础,第 0节 概述,第一节 调谐回路与阻抗变换电路,第二节 高频单调谐放大器,第三节 多级调谐放大器及稳定性,第四节 集成调谐放大器及集中选择滤波器,概述-高频电路中的元件、器件和组件,高频电路中的元器件 各种高频电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同,但要注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器),它们都属于无源的线性元件。1 高频电路中的元件 1）电阻 一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性,但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面,而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。一个电阻R的高频等效电路如图2 1所示,其中,CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻。,图 2 1 电阻的高频等效电路,2）电容 由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等效电路却如图2 2（a）所示。理想电容器的阻抗1/(jC),如图2 2（b）虚线所示,其中,f为工作频率,=2f。,图2 2 电容器的高频等效电路(a)电容器的等效电路;（b）电容器的阻抗特性,3）电感 高频电感器与普通电感器一样,电感量是其主要参数。电感量L产生的感抗为jL,其中,为工作角频率。高频电感器也具有自身谐振频率SRF。在SRF上,高频电感的阻抗的幅值最大,而相角为零,如图2 3所示。,图 2 3 高频电感器的自身谐振频率SRF,2 高频电路中的有源器件 用于低频或其它电子线路的器件没有什么根本不同。1）二极管 半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中,工作在低电平。2）晶体管与场效应管（FET）在高频中应用的晶体管仍然是双极晶体管和各种场效应管，这些管子比用于低频的管子性能更好,在外形结构方面也有所不同。高频晶体管有两大类型:一类是作小信号放大的高频小功率管,对它们的主要要求是高增益,和低噪声;另一类为高频功率放大管,除了增益外,要求其在高频有较大的输出功率。3）集成电路 用于高频的集成电路的类型和品种要比用于低频的集成电路少得多,主要分为通用型和专用型两种。,第一节 谐振回路,LC单谐振回路 分为：,串联谐振回路,并联谐振回路,串联谐振回路,1。电路,2。谐振电流,3.回路谐振频率,4。回路的品质因数,I,Z,串联谐振回路,5。串联谐振特性曲线：,据此画出特性曲线如图,可见，回路失谐（即）时，电流减小，体现出回路的选频作用。,广义失谐,并联谐振电路,1.并联谐振回路,它和串联谐振回路是对偶的，因此所得公式类似。即：,2.回路谐振频率,3.回路的品质因数,说明G越小，其分流越小，损耗的能量越小，Q值越高。,并联谐振电路,4.谐振特性曲线：,谐振特性曲线,信号源内阻和负载对并联谐振回路的影响,显见，由于信号源内阻抗和负载阻抗的介入，使,（2）回路总电容,损耗增大,（1）回路总电阻,电感分压式阻抗变换电路电容分压式阻抗变换电路变压器耦合式阻抗变换电路,第二节 常用阻抗变换电路,（一）电感分压式阻抗变换电路,1.电路,(1)若耦合系数K=1，则有,（2）耦合系数K=0（即M=0）,则有,2.阻抗变换关系：,(二)电容分压式阻抗变换电路,1。阻抗电变换路：,2。阻抗变换关系：,4。应用：放大器负载回路；电视机天线回路等。,3。电路优点：电路简单、不消耗功率。,(三)变压器耦合式阻抗变换电路,1.变换电路：,2.当为理想变压器时，阻抗变换关系：,变压器初、次级线圈匝比,3.应用：收音机中放负载回路；电视机图象中放、伴音中放等。,第3章 高频谐振放大器,高频谐振放大器分为：,高频小信号谐振放大器,高频谐振功率放大器,第一节、高频小信号谐振放大器,与宽带放大器的区别 1.负载是具有选频作用的LC调谐回路；2.上限截频/下限截频近似等于或略大于一，即窄带。基本构成及完成的作用 包括:甲类放大、调谐回路（可以是LC回路、石英晶体、压电陶瓷或声表面波器件）两部分。完成选频放大的作用。主要指标要求：电压增益高、选择性好、通频带合适、稳定性高。,1.2.1 晶体管的高频小信号等效模型,+u1-,+u2-,二 Y参数等效电路,+ube-,+uce-,一 高频小信号单调谐放大器工作原理,典型电路：,电路采用部分接入，以减小放大管输出导纳对LC回路的影响；与负载间采用变压器耦合方式,以更好的匹配，降低负载导纳对LC回路的影响。,ui,Cb,R1,R2,Re,Ce,C,L,yi2,1,2,3,4,5,EC,二、高频小信号单调谐放大器性能分析,一、等效电路,ngmub,goe,Coe,C,Gp,L,Ci2,gi2,将输出、负载回路折合到LC回路得到的等效电路：,所以有：goe=n12goe Coe=n12Coe gi2=n22gi2 Ci2=n22Ci2其中：Gp-LC回路固有电导,将同类元件值合并，得等效电路,CT=n12Coe+n22Ci2+CGT=n12goe+n22gi2+Gp,其变比：,其中：,Ub,yie,gmUb,yoe,C,L,yi2,1,2,3,4,5,一、等效电路,ngmub,goe,Coe,C,Gp,L,Ci2,gi2,由合并的等效电路可知：,此时，谐振回路的谐振频 率为：,谐振回路的品质因数为：,谐振回路的等效负载为：,二、高频小信号单调谐放大器性能分析,由等效电路可知，正弦稳态下，单调谐放大器的增益为：,(一)谐振电压增益,(二)谐振功率增益,1.在无耗（GP=0），且匹配(goe=gie)时：,2.有耗但匹配时.,二、高频小信号单调谐放大器性能分析,其中：称为插入损耗。,(三)放大器的相对增益和通频带,1放大器的相对增益为：,依此作出曲线如图,2通频带,根据通频带定义有,由此推得通频带,或,二、高频小信号单调谐放大器性能分析,3-1,(四)放大器的选择性指放大器对干扰信号的抑制能力。常以矩形 系数K0.1来衡量选择性的好坏。,K0.1定义为相对增益下降到0.1时的带宽B0.1/带宽B，即,据B 0.1定义有,由此推得,可见，单级调谐放大器的选择性很差，这是他存在的主要缺点。,二、高频小信号单调谐放大器性能分析,三、小信号单调谐放大器分析举例,例3-1 一单调谐放大器，测得参数：gie=0.36ms,Cie=80PF,goe=75us Coe=9PF,gm=45ms,fo=465kHz,BHZ=10KHz,变压器原圈总匝 数N=117,电感L=590uH,固有Q值Q=80。求调谐回路参数和 最大功率增益。,解：（1）回路的有载QT值:,（2）回路的总电容CT：,（3）回路的总电导GT：,三、小信号单调谐放大器分析举例,例3-1 一单调谐放大器，测得参数：gie=0.36ms,Cie=80PF,goe=75us Coe=9PF,gm=45ms,fo=465kHz,BHZ=10KHz,变压器原圈总匝 数N=117,电感L=590uH,固有Q值Q=80。求调谐回路参数和 最大功率增益。,解:,（4）LC回路的匝比：设GP=0,goe=g ie,三、小信号单调谐放大器分析举例,例3-1 一单调谐放大器，测得参数：gie=0.36ms,Cie=80PF,goe=75us Coe=9PF,gm=45ms,fo=465kHz,BHZ=10KHz,变压器原圈总匝 数N=117,电感L=590uH,固有Q值Q=80。求调谐回路参数和 最大功率增益。,解:,（5）所需电容：Coe=n12Coe=(0.29)2 9PF=0.76PF Cie=n22Cie=(0.13)2 80PF=1.36PF C=CT-Coe-Cie=200PF-0.76PF-1.36PF 200PF,(6)实际最大功率增益：,插入损耗：,信号接收过程中,通常要求：Au高、B合适、选择性好(K0.1趋近于 1)。这用单级调谐放大器是难以满足的。解决方法：采用多级调谐放大器。多级调谐放大器分为：,四、多级调谐放大器及稳定性,1同步调谐放大器,2 参差调谐放大器，又分为,（1）双参差调谐放大器,（2）三参差调谐放大器,（一）、同步调谐放大器,同步调谐放大器是指：若n级放大器，则有,（一）n级放大器总电压增益：,相对电压增益：,n级放大器总谐振电压增益：,（一）、同步调谐放大器,（二）n级放大器总通频带,称为缩小系数,例2-2 若要求某中频放大器（多级同步调谐放大器）的频带为6.5MHz，分别求出用2级和3级实现时两种情况下每一级的B为多少？,解：（1）当n=2时,(2)当n=3时,即只有每级通频带达到12.7MHz，才能满足总通频带6.5MHz的要求。,显然，Au与Bn存在矛盾，因此这种放大器只适合Bn较窄，而Au不太高的情况。,（一）、同步调谐放大器,（三）n级放大器选择性,根据B0.1的定义：,例如：n=2时,K0.1=4.66;n=K0.1=2.56,这表明：同步调谐放大器K0.1的极限为2.56，尚不能趋于1。为解决以上一系列矛盾，可采用参差调谐放大器。,显见，当n K0.1 可改善选择性，但当n2以后改善缓慢,（二）、参差调谐放大器,（1）交流通路：,两级结构相同，分别调谐在f01和f02且与参差放大器的中心频率f0相差 fs,即,（二）、参差调谐放大器,若放大器的增益特性为：,（二）、参差调谐放大器,若：,1、平坦参差调谐放大器,称为临界偏调。,此时它具有最大平坦特性，所以又称为平坦参差。,谐振增益：,相对增益：,通频带：,选择性：其矩形系数,例题讲解,例3-3一临界偏调双参差调谐放大器，其中心频率f0=10.7MHz,每一级谐振增益Au0=20,BHz=400KHz求（1）谐振增益AuS；（2）BSHz=?,f01=?,f02=?解：,（1）谐振增益,（2）,2、过参差调谐放大器,它将出现双峰特性（如图），称为过参差。,3、三参差调谐放大器,它是在过参差调谐放大器后级连一级谐振在f0 的单调谐放大器，使其谐振特性曲线补偿双峰特性的凹陷，获得较平坦的幅频特性（如图）。,显见它比平坦参差放大器具有更宽的频带。,（三）、高频调谐放大器的稳定性,造成不稳定的原因：结电容Cbc在高频时产生的内部反馈。解决方法：1.从选择器件着手，选择Cbc小的晶体管；2.从电路着手，设法使其单向化。常用方法有：（1）中和法：用外部反馈电路抵消内部反馈。（2）失配法：靠负载的失配抑制内部反馈，但以牺牲增益为代价。,（1）中和法,1.原理电路：,2.中和原理：,通过外部反馈电流IN来抵消晶体管内部反馈电流If。,3.优点：电路简单。,4.缺点：中和效果有限，难以实现全频段内的中和。,（2）失配法,1.原理电路：,2.工作原理：,通过增大负载电导YL,进而增大总回路电导，使输出回路严重失配，输出电压相应减小，从而使内部反馈电流减小。,3.优点：能在频率较宽的范围内削弱内部反馈的影响。,CB电路的作用：(1)提供T1失配负载。(2)补偿T1因失配而损失的增益。,中和法与失配法比较 中和法：优点：简单，增益高 缺点：只能在一个频率上完全中和，不适合宽带 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于 批量生产。采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参 数变化没有改善效果。失配法：优点：性能稳定，能改善各种参数变化的影响；频带宽，适合宽带放大，适于波段工作；生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低。,第二节集成调谐放大器及集中选择滤波器,集成调谐放大器的构成：,集中选择滤波器,集成线性放大组件,Ui,U0,集成调谐放大器,集成调谐放大器的优点:,1.选择电路集中,可减小晶体管参数对回路的影响,保证 Au、B、K0.1 等指标的稳定。,2.可单独调整,减少生产周期。,3.体积小,可靠性高、稳定性高。,一、集成线性放大组件,（一）.4E307 集成块,原理电路：,1.结构：在一块基片上制成差分对（T1、T2）,恒流源(T3)。,2.特点：（1）连接灵活（可连成CE-CB、CC-CB等）,（2）漂移小（由于采用差放和有源负载）,（3）频带宽，增益高（由于采用组合电路）,（4）电路稳定（电路失配）,差分对,恒流源,一、集成线性放大组件,（二）MC1110 集成块,原理电路：,1.结构：差分对（T1）管集电极与（T2）管基极间接电容构成电极高频短路。,2.特点：（1）工作频率高，可达00MHz（因为CC-CB连接）。,（2）输出阻抗高，对回路的影响小，频率f0稳定。,3.具体连接电路：,二、集中选择滤波器,1.石英晶体滤波器2.压电陶瓷滤波器3.声表面波滤波器,体积小成本低选择性好频率稳定,常用的集中选择滤波器有：,集中选择滤波器的优点：,（一）石英晶体滤波器,1.石英晶体的特性及其等效电路,石英晶体的化学成分是二氧化硅（SiO2），是一种六柱型结晶体，其导电性能与晶格方向有关。将其按不同方位切割，可切成X、Y、AT、BT等不同切型的晶片。它们的工作频率、温度特性及参数各不相同。如AT:f=500KHz 20MHz,DT:f=100KHz350KHz。它的基本特性是压电效应。,（1）正压电效应-机械力作用于晶体时，晶片两面将产生异性电荷；（2）反压电效应-,在晶片两面加高频交变电压时，晶片将随交变信号会产机械振动。当晶片几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固定的机械振动频率f固，当外加频率f外=f固时产生谐振，此时机械振动最强，电路中的高频电流最大。晶片越薄，频率越高强度越差，加工越难，所以一般基频30MHz。,1.石英晶体的特性及其等效电路,当工作频率再高时，一般采用泛音晶体，它工作在机械振动的谐波上，其工作频率可达150MHz.,泛音晶体的特点：(1)泛音不正好等于基波的整数倍；（整数倍附近）,(2)因偶次谐波时晶片两面电荷同性，无法用，所以泛音只存在于奇次谐波附近。,晶体的符号及等效电路如图,石英晶体的特点：Q值高 106Cq很小 0.0050.1pFLq很大 10mH10Hrq很小 100C0较小 2 5pF,2.晶体阻抗特性分析,当晶体工作在某一频率时，其等效电路可简化为：,由等效电路可知，它有两个谐振频率：,串联谐振频率：,并联谐振频率：,显见，其值相距很近约为几十几百Hz。,由等效电路，在忽略rq条件下，晶体的等效阻抗为：,2.晶体阻抗特性分析,Z,P,S,感性,容性,容性,讨论：,当=S,Z=0;,当=P,Z=;,当 S,Z=-jX;(呈容性),当 P,Z=-jX;(呈容性),当S P,Z=jX;(呈感性),所以，其曲线如图：,2.晶体阻抗特性分析,Z,P,S,感性,容性,容性,通常，只使用其感性区，原因：,(1)在此段斜率较大，对频率变化灵敏，有利于稳频。,(2)能使频率受控于晶体。,石英晶体谐振器在电路中的工作方式：,(1)做高Q值电感；,(2)做高Q值的短路元件。,2.石英晶体滤波器,Z,P2,S1,以桥接式石英晶体滤波器为例，其原理电路如图:,滤波原理,JT1、JT2的电抗曲线分别如图中实、虚线所示。,P1=S2,2,1,衰减,在S1P2之间两晶体的电抗符号相反，电桥平衡特性最差，为通带；,在1、2两个频率，两晶体的电抗符号相同，电桥平衡特性最好，信号衰减最大。,关系如图所示,（二）陶瓷滤波器,1.二端陶瓷滤波器2.三端陶瓷滤波器3.四端陶瓷滤波器,体积小耐热、耐湿，受外界环境影响小,常用的陶瓷滤波器有：,陶瓷滤波器的优点：,某些陶瓷材料也具有压电效应，利用这种压电效应可制成滤波器，称为陶瓷滤波器。,1.二端陶瓷滤波器,二端陶瓷滤波器的符号及等效电路与石英晶体谐振器大致相同，计算公式、电抗特性均相似，不再赘述。作为基本应用，在收音机中放中代替发射极旁路电容。,2.三端陶瓷滤波器,-用以取代LC回路,符号及等效电路如图,1、3端完成选频，2、3端通过压电效应将机械振动转换为交变电压信号，,其传输方式可等效为一个变压器，其变比决定于输出和输入电极面积之比。n=C02/C01。,特点：Q值高，选择性较回路好，但仍欠小。故采用四端陶瓷滤波器。,3）三端陶瓷滤波器,实物图：,3.四端陶瓷滤波器,显见，K0.1较小，若进一步减小K0.1，可采用多节构成四端网络，但需注意阻抗匹配。,由两个二端陶瓷滤波器以串并方式构成，如图：,f,衰减量,通带,阻带,阻带,fS1=fP2,fP1,fS2,讨论：,（1）若ZL1的fS1与ZL2的fP2相等，则对信号衰减量最小。,（2）fS2时，与ZL2的阻抗最小，信号几乎短路，出现低端衰耗峰。,（3）fp1时，与ZL1的阻抗最大，信号几乎通不过，出现高端衰耗峰。,所以，其衰耗特性如图,（三）声表面波滤波器,特点：体积小、重量轻，工作频率较陶瓷滤波器高的多，f可达5MHz1GHz,相对频宽可达50%，K0.11.,结构和符号如图：,其选频特性依赖于表面波长与叉指电极几何尺寸之间的特定关系。,表面波,发端换能器,收端换能器,符号,基本结构,原理：,f=f0时，各节声表面波传播过程中相位相同，振幅相加，U0最大；,ff0时，各节声表面波传播过程中相位相反，振幅相减，U0很小。,（三）声表面波滤波器,对均匀叉指型SAW,其幅频特性如图,0,1/N,-1/N,2/N,-2/N,A(),/0,目前生产的SAW所达指标如下：,中心频率：f0=10MHz1GHz相对带宽：0.5 50%矩形系数：K0.1=1.2最大带外抑制：60dB 80dB插入损耗：20dB,3 声表面波滤波器(SAWF),实物图：,无线通信中，为了提高高频信号的功率，需采用高频功放，根据放大信号相对频带的宽窄分为:,1、窄带高频功率放大器（亦称调谐功放）它是以LC回路为负载，相对带宽10%；,2、宽带高频功率放大器 它以传输线变压器为负载，其相对带宽可30%,第三节 高频功率放大器,一、窄带高频功放,调谐功放研究的重点问题是功率和效率问题。要提高效率必须使放大器工作在乙类或丙类，因此调谐功放的集电极电流导通角2，从而使晶体管进入非线性工作状态。它只有负载采用调谐回路，才能选出特定频率的信号，完成配合线性功放的任务，因而形成自己的工作特点:,.由于要求功率放大，所以工作在大信号情况下管子会进入 非线性区2.由于工作在丙类，所以Ube处于反偏，只有在导通角内才 有电流流通，ic是余弦脉冲，如图所示:,（一）窄带高频功放的工作特点,调谐功放的集电极电流波形,ic可用付氏级数表示如下:,直流分量,基波分量的幅值,n次谐波分量的幅值,3LC回路配合晶体管作线性放大,(1)从波形上看，Uc1与Ui 是倒相的，这是由于谐振时，谐振回路呈纯阻。,（一）、窄带高频功放的工作特点,IC1cost,Uc1cost,(2)为获最大功率，Uc1越接近于Ec越好。,（二）、丙类调谐功放的组成原理及分析方法,实际调谐功放应具有输入、输出匹配电路，合适的直流供电电路，才能有好的效果。,（1）匹配电路 它应能完成三项任务：,阻抗变换；有效的传递有用信号；滤除干扰信号,1、丙类调谐功放的组成原理,丙类调谐功放的原理电路如图:,第二章中的三种阻抗变换电路均可 完成以上的任务。,（二）、丙类调谐功放的组成原理及分析方法,（2）基极偏置 可以小于Ur的正偏置或负偏置构成丙类功放，偏置电路方式有四种，如图：,1、丙类调谐功放的组成原理,（3）集电极直流供电电路,优点：EC、LC、CC处于高频地 电位，分布电容不影响 LC回路。,(a)串联供电方式,串联供电方式,并联供电方式,-电源、匹配网络、功率管 相串联。如图,常采用的两种方式：,（3）集电极直流供电电路,优点：LC回路处于直流地电 位，L、C元件可接地，安装方便。,(b)并联供电方式,-电源、匹配网络、功率管相并联。如图所示,2、丙类调谐功放的分析方法,丙类功放情况下，功放管子工作在非线性，因此需用非线性电路分析方法，非常困难，所以一般工程上采用一种称为折线分析法的近似方法。这种方法是用几条直线组成折线近似代替非线性器件的实际曲线，使问题分析得以简化，如下图：,折线,折线,下面用折线分析法图示调谐功放进行分析：,（1）集电极电流 与导通角,1）调谐功放的性能分析,t,2,ube,t,2,icm,ic,所以，原式可表示为：,利用付氏级数分析,式中直流分量Ic0、基波分量Ic1、及n次谐波振幅Icn分别为,直流分解系数：,基波分解系数：,n次谐波分解系数：,为便于计算，将与关系绘成曲线如下图（或列成表见P98）：,(1)一定时，1 2 3,即谐波次数越高，振幅越小(表明能量分布情况);(2)各次谐波对应有各自的最大幅值和零值；（所以可根据放大及抑制的谐波要求选择）,(4)当90时，3为负值，此时三次谐波分量的初始相位与基波、二次谐波初始相位相反，此时ic(t)中的Ic3cos3t为负值。,(3)（证明直流更多的转换为交流输出),（2）.集电极电源Ec提供的直流功率,（3）.集电极输出基波功率,其中，称为集电极电压利用系数；,R 谐振电阻,（4）.效率,5.集电极耗损功率Pc,即是说Pc也同导通角有关,显然，输出功率P0、效率与和有关，,P0；。,由图可知，要使P0、都较大，需使1、都较大，即应当取=70o 80o，此时管子工作在丙类。,2）调谐功放的动态分析,显然此为直线方程,令 则,设此点为B点,因为EbUr，所以ic为负值。但电流不可能倒流，所以B点为虚拟点。如图：,过A,B两点作动态负载线如图.,设此点为A点,令 则,Icm,ic,uce,uce,Uc,Ec-Uccos,Ec,N,G(Eb-Ur）,2,2,t,t,C,所以动态电阻,显然,Rc除取决于回路的谐振电阻R外,还是 的函数,注意,（2）谐振电阻R对集电极电流的影响,为讨论方便，假定Ec、Eb、Ui不变，以ib为参变量折线化后的输出特性曲线如下页图:(作出不同R时三条负载线),R较小时（负载线1）：欠压状态Uc1较小，此时管子工作在放大区，ic受ib控制，Icm较大。,由于电压利用系数欠大，称为欠压状态。因此，Pc较大，不高。,R适中（负载线2）：动态负载线恰好经过临界饱和线的拐点,此时Uc2较大，Icm减小不多。所以有较大的输出功率和较高的效率,称此为临界状态。,临界状态下，最佳电压利用系数：,最佳负载电阻：,R较大时（负载线3）：此时管子工作在饱和区,ic受Uce的控制,称此为过压状态。,RUc3 ucemin动态工作点将向A移动当到达点A后,继续增加 ucemax，这时动态工作点将沿临界饱和线由AB，所以，此时电流为下凹的脉冲波，如图所示.,（3）.负载特性-,是指Eb、Ui及Ec不变时，调谐功放的输出电流、输出电压、功率、效率随回路谐振电阻R而变化的关系。,Ic1、Ico、Uc随R变化,Uc=Ic1R,欠压时，R Ic1、Ico基本不变,UC,过压时，R Ic1、Ico,Uc有少量增加,所以，Ic1、Ico、Uc随R变化曲线如图。,欠压,过压,临界,R,Ic1、Ico、Uc,Uc,Ico,Ic1,放大器的负载特性,Po、Pdc、Pc、随R变化,欠压,过压,临界,R,c,Pdc,Po、Pdc、Pc、,Po,Pc,Pdc=IcoEc因为Ec=常数，所以Pdc的变化规律类似于Ico的变化规律。,po=Ic1Uc/2，在欠压区：Ic1基本不变，Uc线性增加所以Po也线性增加；在过压区：Uc基本不变，所以Po的变化规律类似于Ic1的变化规律。,Pc=Pdc-Po,放大器的负载特性,结论：,(1)欠压下，ic变化很小，相当于恒流源。适合于作线性功放，但。需要注意的是，R不可过小，否则Pdc过大，管子有可能损坏。,(2)临界：Po、都较高，适合做强放。,(3)过压下，Uc基本不变,相当于恒压源；较高；适合做中间级，向后级提供稳定的激励电压。但R过大，会使输出非线性失真增加。R过大 Uc过大uce=Ec+Uc(t)BUceR，会击穿管子。,（三）、调谐功放实用电路,1、160MHZ、13W调谐功放电路,基极采用自给偏压，使之工作在丙类。C1、C2、L1构成T型匹配网络,L2、C3、C4构成L型匹配网络。集电极供电为并联供电方式。此电路的功率增益可达9dB，可向50负载提供13W的功率。,电路如图所示.,2、175MHZVMOS管调谐功放电路,电路如图所示,栅极采用了C1、C2、C3、L1组成的T型匹配网络,漏极采用L2、L3、C6、C7、C8组成的型匹配网络,栅、漏极均采用并联供电.,VMOS管的主要优点：,动态范围大、输入阻抗高（可达108）等.,本电路的功率增益可达10dB,效率大于50%，可向50的负载提供10W功率,3、50MHZ、25W调谐功放电路,电路如图所示,L2、L3、C3、C4构成型匹配网络，集电极采用并联供电方式。,本电路的功率增益为7dB,可向50的负载提供10W功率。,L1、C1、C2构成T型匹配网络；,第四节 宽带高频功放及功率合成,它不能满足高频宽带功放的需要，因此对多通道通信系统的宽带高频设备，必须采用高频宽带功放。,前述调谐功放，优点:,效率高,缺点:,调谐复杂，相对带宽窄.,二、宽带高频功放及功率合成,当要求大功率输出时，需采用功率合成技术。,高频宽带功放:负载是传输线，相对带宽较宽，,其最高f可达上千兆赫,这类功放的缺点：,低，功率小。,（一）、传输线变压器1、传输线变压器的结构与等效电路如下图：,传输线变压器与普通变压器的传递能量方式不同，前者是在两导线间介质中传播，而后者是通过磁力线感应的能量传递给负载。,1：1倒相传输线变压器的结构：用两根等长的导线紧靠着绕在磁环上构成,原理图,等效电路图,2、传输线变压器的宽带特性,高频情况下，两根导线上固有的分布电感、电阻和线间分布电容不可忽略，其等效电路如下图：,由等效电路，,其中 称为相移常数，：传输线长度。,当传输线无损耗或工作频率很高时,特性阻抗,所以，传输线输入阻抗,2。当高频工作时,，RL上得到的功率也是频率的函数,即传输线有一定上限频率。,其中,传输线变压器是依靠传输线传递能量的器件，其上限条件取决于传输线终端的匹配程度和传输线的长度；下限条件取决于初级绕阻线圈电感量。,使 即终端匹配，这样 Zi与频率无关,带宽趋于无穷大.,要扩展上限频率,途径有两条:,结论：,使 在此情况下,传输线上各点电压,电流相等.,3、几种实际的传输线变压器,1）.1：1传输线变压器（亦称倒相变压器）:,因为无耗，所以称为1：1倒相传输线变压器。要获得最大功率输出，信号源与传输线、传输线与负载均应匹配,此时,如图所示,3、几种实际的传输线变压器,1）.1：1传输线变压器（亦称倒相变压器）:,实际当中RL=Rs的情况很少，因此1：1传输线变压器很少作为阻抗匹配元件，更多的是做倒相器或进行不平衡-平衡或平衡-不平衡转换。,这两种转换电路分别如图所示,不平衡-平衡转换,平衡-不平衡转换,2）4：1或1：4传输线变压器：用作阻抗变换,3、几种实际的传输线变压器,如图所示,(a),(b),以(a)为例进行分析:,若为理想传输线，并实现了阻抗匹配，则,若传输线很短,则有U1=U2,I1=I2,由图可知，IL=I1+I2=2I2所以有,因此，Ri=2ZC=4RL，实现了4：1的阻抗变换。,3）高变换比传揄线变压器,当变换比高于4：1时，称为高变换比传输线变压器，如9：1、16：1传输变压器等。这里我们给出两种不同电路形式的9：1传输线变压器：,3、几种实际的传输线变压器,由图(a)电路可以看出，它实际上是由两个相同的传输线变压器构成的，由于3,5端相接,所以两初级绕组的电流是相等的,即,在传输线无损时，U1=U1=U2=U2,所以 Ui=U1+U2+U2=3U2=3UL 即 UL=Ui/3,而 IL=I1+I2+I2=3I1=3Ii,图（b）构成原理与4:1相似,等效为匝比为3:1的变压器，阻抗变换比为9:1。在无损匹配条件下，负载将获得全部信号源输入功率。即,这种传输变压器结构简单，易于实现，但缺点是各初级绕阻过长时会由于分布参数影响，难以匹配,PL=ILUL=Pi=IiUi-(A),U3-4=U5-6=U7-8=U1-2=U,I1,由(A)(B)式,有,所以 Ui=U3-4+U5-6+U7-8=3U-（B）,即 UL=ILRL=U1-2=U=Ui/3-（C）,所以,即 Ri:RL=9:1,Ui,UL,（二）、宽带功放实例,第一,二级均采用分压式电流负反馈偏置电路，以保证放大器工作在甲类线性状态。第一级输出接2个串接的4:1阻抗变换电路,获得16:1的变比，以实现一、二级间的阻抗匹配。第二级输出采用4:1阻抗变换电路，实现高阻输出与低负载的匹配。,典型电路如图：,（三）、功率合成技术：,利用多个功放同时对输入信号放大，然后利用合成技术将多个输出功率相加，获得一个总功率（可达数千瓦）,功率合成器的构成是以传输线变压器为基础，附加电阻等元件。其原理框图如图：,理想合成器条件：,(1)无损地合成各功放的输出功率;,(2)各单元间有良好的隔离作用;,(3)具有宽带特性.,1、功率分配原理,将输入功率均等地分配给多负载的网络，称为功率分配网络或功率分配器。其中最常见