高频电路原理与分析第3章高频谐振放大器.ppt

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1、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 高频功放、功率合成与射频模块放大器,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。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。3.1.2 放大器性能分析 1 晶体管的高频等效电路 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 1 高频小信号谐振放大器(a)实际线

2、路;(b)交流等效电路,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),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),图 3 2 晶体三极管等效电路(a)混等效电路;(b)Y参数等效电路,2 放大器的性能参数 忽略管子内部的反馈,即令Yre=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),(3)输出导纳Yo,(3 9),(1)电压放大倍数K,(2)输入导纳Yi,(3 7),(3 8),3.1.3高频谐振放大器的稳定性 1 放大器的稳定性 反向传输导

3、纳Yre引入的输入导纳,记为Yir。忽略 r bb的影响,则由式(3 3)、(3 4)有 将Yoe归入负载中,并考虑谐振频率0附近情况,有,(4)通频带B 0.707与矩形系数K 0.1 通频带B 0.707为,(3 10),将Yoe归入负载中,并考虑谐振频率0附近情况,有,(3 11),则,2.提高放大器稳定性的方法 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),图 3 5 中和电路(a)原理电路;(b)某收音机实际电路,图 3 6 共发共基电路,图 3 7 双栅场效应管调谐放大器,3.1

4、.4多级谐振放大器 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。,(3 13),(3 14),(3 15),2.多级双调谐放大器,(3 16),3.参差调谐放大器,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。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。,3.1.5 高频集成放大器 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。图3 10(a)中,集中选频滤波器接于宽带集成放大 器的

5、后面。图3 10(b)是另一种接法。,图 3 9电视机高频放大器的简化电路,图3 10 集中选频放大器组成框图,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,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。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。,图 3 12 晶体管高频功率放大器的原

6、理线路,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、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即,(3 18),(3 19b),(3 19a),(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。,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,(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,(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,(

7、3 25),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),设其基波电流振幅为I b1,且与ub同相(忽略实际存在的容性电流),则激励功率为,(3 27),高频功放的功率放大倍数为,(3 28),用dB表示为,(3 29),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。2 高频功放的工作状态 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,3.

8、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)。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。图 3 18(b)是根据图3 18(a)而得到的功率、效率曲线。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。,3.高频功放的调制特性 1)基极调制特性 2)集电极调制特性 4.高频功放的调谐特性,3.3 高频功率放大器的高频效应,1.少数载流子的渡越时间效应 晶体管本质上是电荷控制器件。2.非线性电抗效应 功放

9、管中存在集电结电容,这个电容是随集电结电 压Ube变化的非线性势垒电容。,(3 30),3.发射极引线电感的影响,(3 31),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。,3.4 高频功率放大器的实际线路,3.4.1 直流馈电线路 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、Lb的应用方法。图3 25是集电极馈电线路的两种形式:串联馈电线路和并联馈电线路。图 3 25(b)中晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的,故称为并联馈电线路。,图 3 25 集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电,2基极馈电线路 基

10、极馈电线路也有串联和并联两种形式。图3 26示出了几种基极馈电形式,基极的负偏压既可以是外加的,也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。,图 3 26 基极馈电线路的几种形式,3.4.2 输出匹配网络 该双端口网络应具有这样的几个特点:(1)以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。1.LC匹配网络 图3 27是几种常用的LC匹配网络。,图 3 27几种常见的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)型,对于L I型网络有,(3 32a),(3 32b),(3 32c),对于L-型网络

11、有,(3 33a),(3 33b),(3 33c),图 3 28L型匹配网络(a)L-I型网络;(b)L-型网络,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,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。,图3 30 短波输出放大器的实际线路,3.4.3 高频功放的实际线路举例 图3 31(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。,图 3 31 高频功放实际线路(a)50 MHz谐振功放电路;(b)175 MHz谐振功

12、放电路,3.5 高频功放、功率合成与射频模块放大器,3.5.1 D类高频功率放大器 1.电流开关型D类放大器 图3 32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。,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,图 3 32 电流开关型D类放大器 的线路和波形,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

13、功率为,输入功率为,(3 39),(3 38),(3 37),集电极损耗功率为,(3 42),(3 41),(3 40),2 电压开关型D类放大器 图3 33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。,图 3 33 电压开关型D类功放的线路及波形,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,负载上的功率为,可见 此时匹配的负载电阻为,3.5.2 功率合成器 功率合成器,就是采用多个高频晶体

14、管,使它们产生的高频功率在一个公共负载上相加。图3 34是常用的一种功率合成器组成方框图。,图 3 34功率合成器组成,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,图 3 35 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,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 36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 37 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。,图 3 36 反相功率合成器的原理线路,图 3 37 100 W反相功率合成器的实际线路,图3 39是一个模块式射频部件的微带线电路板。它由A、B、C、D四个模块放大器级联组成。,图 3 39 一个模块式射频部件的微带线电路板,