無線通信系統(tǒng)03高頻諧振放大器

1、第三章第三章 高頻諧振放大器高頻諧振放大器 3.1 高頻小信號(hào)放大器高頻小信號(hào)放大器 3.2 高頻功率放大器的原理和特性高頻功率放大器的原理和特性 3.3 高頻功率放大器的高頻效應(yīng)高頻功率放大器的高頻效應(yīng) 3.4 高頻功率放大器的實(shí)際線路高頻功率放大器的實(shí)際線路 3.5 高頻功放、高頻功放、 功率合成與射頻模塊放大器功率合成與射頻模塊放大器 3.1 高頻小信號(hào)放大器高頻小信號(hào)放大器 高頻小信號(hào)諧振放大器的功用功用就是放大各種無線電設(shè)備中的高頻小信號(hào)。 3.1.1 高頻小信號(hào)諧振放大器的工作原理高頻小信號(hào)諧振放大器的工作原理 圖3-1(a)是一典型的高頻小信號(hào)諧振放大器的實(shí)際線路。 3.1.2

2、放大器性能分析放大器性能分析 1 晶體管的高頻等效電路晶體管的高頻等效電路 圖3-2(a)是晶體管在高頻運(yùn)用時(shí)的混等效電路, 它反映了晶體管中的物理過程, 也是分析晶體管高頻時(shí)的基本等效電路。 RL2LC5V(b)431 圖圖 3-1 高頻小信號(hào)諧振放大器高頻小信號(hào)諧振放大器 (a) 實(shí)際線路實(shí)際線路; (b) 交流等效電路交流等效電路 在忽略rbe及滿足CC的條件下, Y參數(shù)與混參數(shù)之間的關(guān)系為bburebbmfebbmbboebbierCjCjYrCjgYrCjgrCjCjYrCjCjY111 (3-1)(3-2) (3-3) (3-4) 由圖3-2可以得到晶體管 Y 參數(shù)等效電路的 Y

3、參數(shù)方程coebfeccrebiebUYUYIUYUYI(3-5a) (3-5b) rbbUbe.CgmUbe.Ycebeceb(a)CUbe.Yoebece(b)YieYreUce.YfeUbeUce. 圖圖 3-2 晶體三極管等效電路晶體三極管等效電路 (a) 混混等效電路等效電路; (b) Y參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路 2 放大器的性能參數(shù)放大器的性能參數(shù) 忽略管子內(nèi)部的反饋, 即令Yre = 0, 由圖3-3可得cLcbSSbUYIUYII(3-6a) ISYSUb.Ib.YieUc.YreUc.YfeUb.Ic.YLYoe.圖圖 3-3 圖圖3 -1高頻小信號(hào)放大器的高頻小信號(hào)放大器的

4、 高頻等效電路高頻等效電路 (3-6b) (3) 輸出導(dǎo)納YoieSfereoeIccoYYYYYUIYS0 (3-9) LoerefeiebbiLoefebcYYYYYUIYYYYUUK(1) 電壓放大倍數(shù)K(2) 輸入導(dǎo)納Yi (3-7) (3-8) 3.1.3高頻諧振放大器的穩(wěn)定性高頻諧振放大器的穩(wěn)定性 1 放大器的穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性 反向傳輸導(dǎo)納Yre引入的輸入導(dǎo)納, 記為Yir。 忽略 r bb的影響, 則由式(3-3)、 (3-4)有 將Yoe歸入負(fù)載中, 并考慮諧振頻率0附近情況, 有 (4) 通頻帶B 0.707與矩形系數(shù)K 0.1 通頻帶B 0.707為 LoQfB707.

5、 0(3-10) uremfeCjYgY將Yoe歸入負(fù)載中, 并考慮諧振頻率0附近情況, 有)21 ()21 ()21 (00000LLmuLLmuirLLLLoeQjCgCjQjCgCjYQjGCYY (3-11) 則 2. 提高放大器穩(wěn)定性的方法提高放大器穩(wěn)定性的方法 是利用中和電容Cn的中和電路。 為了抵消Yre的反饋, 從集電極回路取一與 反相的電壓 , 通過Cn反饋到輸入端。根據(jù)電橋平衡有cbcbnncbCNNCLLCLjCjLjCj212120010011cUnU則中和條件為 (3-12) N2N1CeCnCb1EcUn.Uc.(a)CbVL1L2Uc.CnUo.EcV2(b)V1

6、 圖圖 3-5 中和電路中和電路(a) 原理電路原理電路; (b) 某收音機(jī)實(shí)際電路某收音機(jī)實(shí)際電路V1V2YSYLYi YieYo YobYfbYrbYib 圖圖 3-6 共發(fā)共發(fā)共基電路共基電路DR3R1R4R2G2G1S EcuoCSRSV 圖 3 7 雙柵場效應(yīng)管調(diào)諧放大器 3.1.4多級諧振放大器多級諧振放大器 1多級單調(diào)諧放大器多級單調(diào)諧放大器 多級單調(diào)諧放大器的諧振頻率相同, 均為信號(hào)的中心頻率。 nKKKK002010 (3-13) 211a(3-14) 2/2)1 (nna(3-15) 表表3-2 多級雙調(diào)諧放大器的帶寬和矩形系數(shù)多級雙調(diào)諧放大器的帶寬和矩形系數(shù)表表3-1 多

7、級單調(diào)諧放大器的帶寬和矩形系數(shù)多級單調(diào)諧放大器的帶寬和矩形系數(shù) 2. 多級雙調(diào)諧放大器多級雙調(diào)諧放大器 2/4)41 (nna(3-16) 3. 參差調(diào)諧放大器參差調(diào)諧放大器 圖3-8是采用單調(diào)諧回路和雙調(diào)諧回路組成的參差調(diào)諧放大器的頻率特性。圖3-9示出了一彩色電視機(jī)高頻頭的調(diào)諧放大器的簡化電路。 3.1.5 高頻集成放大器高頻集成放大器 高頻集成放大器有兩類: 一種是非選頻的高頻集成放大器, 主要用于某些不需要選頻功能的設(shè)備中, 通常以電阻或?qū)拵Ц哳l變壓器作負(fù)載; 另一種是選放大器, 用于需要有選頻功能的場合, 如接收機(jī)的中放就是它的典型應(yīng)用。 圖3-10(a)中, 集中選頻濾波器接于寬帶

8、集成放大 器的后面。 圖3-10(b)是另一種接法。 圖圖3-8 參差調(diào)諧放大器的頻率特性參差調(diào)諧放大器的頻率特性單、雙回路特性；總特性單、雙回路特性；總特性C2C1AGCG2G1DVSEcC3 圖圖 3-9 電視機(jī)高頻放大器的簡化電路電視機(jī)高頻放大器的簡化電路 圖圖3-10 集中選頻放大器組成框圖集中選頻放大器組成框圖表表3-3 MRA8 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo) 圖 3-11示出了Mini Circuits公司生產(chǎn)的一集成放大器MRA8的應(yīng)用電路， MRA8是硅單片放大器, 其主要指標(biāo)見表3-3。 A2C2L1L2A1C1MRA8ui5050uoC3R1R2220 14W220 14W15

9、MRA8C4圖圖 3-11 集成選頻放大器應(yīng)用舉例集成選頻放大器應(yīng)用舉例 3.2 高頻功率放大器的原理和特性高頻功率放大器的原理和特性 高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號(hào), 并且以高效輸出大功率高效輸出大功率為目的, 它主要應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機(jī)中。 3.2.1 工作原理工作原理 圖3-12是一個(gè)采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路, 除電源和偏置電路外, 它是由晶體由晶體管、管、 諧振回路諧振回路和輸入回路三部分組成和輸入回路三部分組成的。 ucCRLuceubeubEbEcu ()ibicV圖圖 3-12 晶體管高頻功率放大器的原理線路晶體管高頻功率放大器的原理線路 1電流、電流、 電

10、壓波形電壓波形 設(shè)輸入信號(hào)為 tUEutUubbbebbcoscos則由圖3-12得基極回路電壓為(3-17) 周期性脈沖可以分解成直流、 基波(信號(hào)頻率分量)和各次諧波分量, 即 tnItIIicnccoccoscos1(3-18) ) 1()()coscos1)(1(cossin2cossin2)()cos1 (cossin)()cos1 (cossinmax2max1maxmax10maxmaxnainnnnniIaiiIaiiIncccncccccco (3-19b) (3-19a) (3 -19c) 圖圖3-13 集電集電流的波形集電集電流的波形圖圖3-14 C類高頻功率放大器類高頻

11、功率放大器 的電壓、電流波形的電壓、電流波形 0()、 1()、 n()分別稱為余弦脈沖的直流、 基波、 n次諧波的分解系數(shù)分解系數(shù), 數(shù)值見附錄。 2 高頻功放的能量關(guān)系高頻功放的能量關(guān)系 在集電極電路中, 諧振回路得到的高頻功率(高頻一周的平均功率)即輸出功率輸出功率P1為LcLccRURIUIPc22112121211(3-22) 集電極電源供給的直流輸入功率直流輸入功率P0為ccEIP00(3-23)直流輸入功率與集電極輸出高頻功率之差就是集電極集電極損耗功率損耗功率Pc , 即10PPPc(3-24) Pc變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結(jié)中的熱能。 定義集電極效率為 212101ccccEUI

12、IPP(3-25) 由式(3-24)、 (3-25)可以得到輸出功率P1和集電極損耗功率Pc之間的關(guān)系為111cPP(3-26) 設(shè)其基波電流振幅為I b1, 且與ub同相(忽略實(shí)際存在的容性電流), 則激勵(lì)功率為bbdUIP121 (3-27) 高頻功放的功率放大倍數(shù)為 dpPPK1(3-28) 用dB表示為)(101dBPPLgKdp (3-29) 圖圖3-15 、0、 1、 2 3與與 的關(guān)系的關(guān)系 3.2.2 高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài) 1 高頻功放的動(dòng)特性高頻功放的動(dòng)特性 動(dòng)特性是指當(dāng)加上激勵(lì)信號(hào)及接上負(fù)載阻抗時(shí), 晶 體管集電極電流ic與電極電壓(ub

13、e或uce)的關(guān)系曲線, 它 在icuce或icube坐標(biāo)系統(tǒng)中是一條曲線。 2 高頻功放的工作狀態(tài)高頻功放的工作狀態(tài) 高頻諧振功率放大器根據(jù)集電極電流是否進(jìn)入飽和區(qū)可以分為欠壓、 臨界和過壓三種狀態(tài) 圖圖3-16 高頻功放的動(dòng)特性高頻功放的動(dòng)特性圖圖3-17 過壓狀態(tài)的過壓狀態(tài)的 ic 波形波形 3.2.3 高頻功放的外部特性高頻功放的外部特性 高頻功放是工作于非線性狀態(tài)的放大器, 同時(shí)也可 以看成是一高頻功率發(fā)生器(在外部激勵(lì)下的發(fā)生器)。 1高頻功放的負(fù)載特性高頻功放的負(fù)載特性 負(fù)載特性是指只改變負(fù)載電阻RL, 高頻功放電流、 電壓、 功率及效率變化的特性。 圖 3-18(b)是根據(jù)圖3

14、-18(a)而得到的功率、效率曲線。 2高頻功放的振幅特性高頻功放的振幅特性 高頻功放的振幅特性是指只改變激勵(lì)信號(hào)振幅Ub 時(shí), 放大器電流、 電壓、 功率及效率的變化特性。 圖圖3-18 高頻功率放大器的負(fù)載特性高頻功率放大器的負(fù)載特性圖圖3-19 高頻功率放大器的振幅特性高頻功率放大器的振幅特性圖圖3-20 高頻功率放大器的基極調(diào)制特性高頻功率放大器的基極調(diào)制特性圖圖3-21 高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性 3. 高頻功放的調(diào)制特性高頻功放的調(diào)制特性 1) 基極調(diào)制特性 2) 集電極調(diào)制特性 4. 高頻功放的調(diào)諧特性高頻功放的調(diào)諧特性 圖圖3-22 高頻功率放

15、大器的調(diào)諧特性高頻功率放大器的調(diào)諧特性 3.3 高頻功率放大器的實(shí)際線路高頻功率放大器的實(shí)際線路 3.3.1 直流饋電線路直流饋電線路 直流饋電線路包括集電極和基極饋電線路。下面結(jié)合集電極饋電線路和基極饋電線路說明Cb、 Lb的應(yīng)用方法。 圖3-23是集電極饋電線路的兩種形式: 串聯(lián)饋電線路和并聯(lián)饋電線路。 圖 3-23(b) 中晶體管、 電源、 諧振回路三者是并聯(lián)連接的, 故稱為并聯(lián)饋電線路。 VCCbEcLbL(a)VEc(b)CL1Cb1CbLb 圖圖 3-23 集電極饋電線路兩種形式集電極饋電線路兩種形式 (a) 串聯(lián)饋電串聯(lián)饋電; (b) 并聯(lián)饋電并聯(lián)饋電 2基極饋電線路基極饋電線路

16、 基極饋電線路也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。圖3-24示出了幾種基極饋電形式, 基極的負(fù)偏壓既可以是外加的, 也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過電阻產(chǎn)生。 ReCbVCbVR1R2ECbLbV(a)(b)(c) 圖圖 3-24 基極饋電線路的幾種形式基極饋電線路的幾種形式 3.3.2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 該雙端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有這樣的幾個(gè)特點(diǎn): (1) 以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大, 即起到阻抗匹配的作用; (2) 抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率, 即有良好的濾波作用; (3) 大多數(shù)發(fā)射機(jī)為波段工作 。 1. LC匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò) 圖 3-25 是幾種常用的 LC 匹配網(wǎng)絡(luò)。 R2R1

17、(a)(b)(c) 圖圖 3-25 幾種常見的幾種常見的 LC 匹配匹配 (a) L型型; (b) T型型; (c) 型型 對于L-I 型網(wǎng)絡(luò)有 pppspsXRQXQQXRQR222111 (3-30a) (3-30b) (3-30c) 對于L-型網(wǎng)絡(luò)有ssspssRXQRQQRRQR2221)1 (3-31a) (3-31b) (3-31c) XsXpRpXsXpRsXpXpRp(a)(b)XsXsRs 圖圖 3-26L 型匹配網(wǎng)絡(luò)型匹配網(wǎng)絡(luò) (a) L-I型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò); (b) L-型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò) 圖3-27是一超短波輸出放大器的實(shí)際電路, 它工作于固定頻率。 3DA21CCbVC1L1L

18、2C222.5 V圖圖 3-27 一超短波輸出放大器的實(shí)際電路一超短波輸出放大器的實(shí)際電路 2 耦合回路耦合回路 圖3-28是一短波發(fā)射機(jī)的輸出放大器， 它采用互感耦合回路作輸出電路, 多波段工作。 V1CbC1L1L2C2KL324 VM 圖圖3-30 短波輸出放大器的實(shí)際線路短波輸出放大器的實(shí)際線路 3.3.3 高頻功放的實(shí)際線路舉例高頻功放的實(shí)際線路舉例 圖3-29(a)是工作頻率為50 MHz的晶體管諧振功率放大電路, 它向50 外接負(fù)載提供25W功率, 功率增益達(dá)7 dB。 VL2Ec13.5 VLbC1C214150pF50 90400 pFL1L332250 pF32250 pF

19、C3C450 (a)C5VR1100k50 530 pFL1533pF15 pFC4R2110 kEGEDC615 pFL3C8C7533 pF533 pF50 (b)C1C2C3L2 圖圖 3 -29 高頻功放實(shí)際線路高頻功放實(shí)際線路(a) 50 MHz諧振功放電路諧振功放電路; (b) 175 MHz諧振功放電路諧振功放電路 3.4 高頻功放、功率合成與射頻高頻功放、功率合成與射頻模塊放大器模塊放大器 3.4.1 D類高頻功率放大器類高頻功率放大器 1. 電流開關(guān)型電流開關(guān)型D類放大器類放大器 圖3-30是電流開關(guān)型D類放大器的原理線路和波形圖， 線路通過高頻變壓器T1, 使晶體管V1、

20、V2獲得反向的方波激勵(lì)電壓。 ccescesmcescesmEuuUtdutuU)(2cos)(122 由此可得 )()(2)(2cesccesmmcescescmuEuUUuuEU 集電極回路兩端的高頻電壓有效值為集電極回路兩端的高頻電壓峰值為CALRLT2ic1ic2V1V20T1ic1t0(b)ic2t0(c)uce1t0(d )ucesuce2t0(e)ucesuAt0( f )UMUM uces 3/2 /2/2 3/2(a)Ec 圖圖 3-30 電流開關(guān)型電流開關(guān)型D類放大器類放大器 的線路和波形的線路和波形 V1(V2)的集電極電流為振幅等于Ic0的矩形, 它的基頻分量振幅等于(

21、2/)Ic0。 V1、 V2的ic1、 ic2中的基頻分量電流在集電極回路阻抗RL(考慮了負(fù)載RL的反射電阻)兩端產(chǎn)生的基頻電壓振幅為22212)(221)(22)2(cescLLcmcescLLcmcoLcocmuERRUPuERRUIRIU將式(3-33)代入式(3-35), 得輸出功率為 輸入功率為 (3-37) (3-36) (3-35) %100%100)(2)(20121020ccesccescescLcccescLcocEuEPPuuERPPPEuERIEP 集電極損耗功率為 (3- 40) (3-39) (3-38) 2 電壓開關(guān)型電壓開關(guān)型D類放大器類放大器 圖3-31為一互

22、補(bǔ)電壓開關(guān)型D類功放的線路及電流電壓波形。 兩個(gè)同型(NPN)管串聯(lián), 集電極加有恒定的直流電壓Ec。 ic2iLL0C0RLV2uce2uce1V1T1Ec(a)ic1iLL0C0RLEcS(b)uce2uce2 tEc02iL t0ic1 t0ic1maxic2 t0(c)圖圖 3-31 電壓開關(guān)型電壓開關(guān)型D類功放的線路及波形類功放的線路及波形 由圖可見, 因ic1、ic2都是半波余弦脈沖(=90), 所以兩管的直流電壓和負(fù)載電流分別為max0maxmax11cccocccoccoiEIEPiIiI兩管的直流輸入功率為 負(fù)載上的基波電壓UL等于uce2方波脈沖中的基波電壓分量。 對uce2分解可得max0max022212sin1ccLLLLccLLLccLiEIURPPiEIUPEttdEU負(fù)載上的功率為 可見 此時(shí)匹配的負(fù)載電阻為 3.5.2 功率合成器功率合成器 功率合成器, 就是采用多個(gè)高頻晶體管, 使它們產(chǎn)生的高頻功率在一個(gè)公共負(fù)載上相加。 圖3-32是常用的一種功率合成器組成方框圖。 基本單元信號(hào)源負(fù)載放大器混合電路 圖圖 3-32 功率合成器組成功率合成器組成 由3dB耦合器原理可知, 當(dāng)兩晶體管輸入電阻相等 時(shí), 則兩管輸入電壓與耦合器輸入電壓相等 SBATBARRRRUUU42211 在晶體管的輸出端, 當(dāng)兩管正常