高頻第3章 高頻諧振放大器

第3章高頻諧振放大器

3.1高頻小信號(hào)放大器3.2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)3.4高頻功率放大器的實(shí)際線路3.5高頻功放、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)諧振放大器的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圖3─1高頻小信號(hào)諧振放大器(a)實(shí)際線路;(b)交流等效電路3.1.2放大器性能分析1．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Π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。(3─1)(3─2)(3─3)(3─4)在忽略rb′e及滿足Cπ?Cμ的條件下,Y參數(shù)與混Π參數(shù)之間的關(guān)系為由圖3─2可以得到晶體管Y參數(shù)等效電路的Y參數(shù)方程(3─5a)(3─5b)

圖3─2晶體三極管等效電路(a)混Π等效電路;(b)Y參數(shù)等效電路2．放大器的性能參數(shù)由圖3─3可得(3─6a)圖3─3圖3─1高頻小信號(hào)放大器的高頻等效電路(3─6b)(3)輸出導(dǎo)納Yo(3─9)(1)電壓放大倍數(shù)K(2)輸入導(dǎo)納Yi(3─7)(3─8)(3─6a)(3─6b)(3─5a)(3─5b)(4)通頻帶B

0.707與矩形系數(shù)K

0.1

通頻帶B

0.707為(3─10)3.1.3高頻諧振放大器的穩(wěn)定性1．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

,則由得將Yoe歸入負(fù)載中,并考慮諧振頻率ω0附近情況,(3─11)則在式中2.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)電橋平衡有則中和條件為(3─12)圖3─5中和電路(a)原理電路;(b)某收音機(jī)實(shí)際電路3─6共發(fā)—共基電路失配法：增大總回路導(dǎo)納，使輸出電路失配。圖3─7雙柵場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)諧放大器相當(dāng)于兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作共源—共柵級(jí)聯(lián)。3.1.4多級(jí)諧振放大器1．多級(jí)單調(diào)諧放大器多級(jí)單調(diào)諧放大器的諧振頻率相同,均為信號(hào)的中心頻率。(3─13)(3─14)(3─15)第二章中單振蕩回路的歸一化頻率特性ｎ級(jí)放大器通頻帶：：BWn=2Δf0.7=換句話說,如多級(jí)放大器的頻帶確定以后,級(jí)數(shù)越多,則要求其中每一級(jí)放大器的頻帶越寬。所以,增益和通頻帶的矛盾是一個(gè)嚴(yán)重的問題,特別是對(duì)于要求高增益寬頻帶的放大器來說,這個(gè)問題更為突出。這一特性與低頻多級(jí)放大器相同。例2.2某中頻放大器的通頻帶為６MHz,現(xiàn)采用兩級(jí)或三級(jí)相同的單調(diào)諧放大器,兩種情況下對(duì)每一級(jí)放大器的通頻帶要求各是多少？解:根據(jù)式（2．3．21）,當(dāng)n=2時(shí),因?yàn)樗?要求每一級(jí)帶寬同理,當(dāng)ｎ＝３時(shí),要求每一級(jí)帶寬根據(jù)矩形系數(shù)定義,當(dāng)Δｆ＝Δｆ0.1時(shí)可求得:所以,ｎ級(jí)單調(diào)諧放大器的矩形系數(shù)2.多級(jí)雙調(diào)諧放大器(3─16)表3-2多級(jí)雙調(diào)諧放大器的帶寬和矩形系數(shù)3.參差調(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電視機(jī)高頻放大器的簡(jiǎn)化電路

3.1.5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;另一種是選頻放大器,用于需要有選頻功能的場(chǎng)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集成放大器的后面。圖3─10(b)是另一種接法。圖3─10集中選頻放大器組成框圖圖3─11示出了MiniCircuits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。圖3─11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

高頻功率放大器的主要功用是放大高頻信號(hào),并且以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

圖3─12晶體管高頻功率放大器的原理線路圖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,它是由晶體管、諧振回路和輸入回路三部分組成的。1．電流、電壓波形則由圖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(3─18)設(shè)輸入信號(hào)為圖3-13集電極電流的波形(3─19b)(3─19a)(3─19c)α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)分別稱為余弦脈沖的直流、基波、n次諧波的分解系數(shù),數(shù)值見附錄。圖3-14C類高頻功放的電流、電壓波形2．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P1為(3─22)集電極電源供給的直流輸入功率P0為(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損耗功率Pc,即(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η為(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(3─26)基極電路中，設(shè)其基波電流振幅為Ib1,且與ub同相(忽略實(shí)際存在的容性電流),則激勵(lì)功率為γ稱為波形系數(shù)，ξ稱為集電極電壓利用系數(shù)。(3─27)(3─24)基極電路中，設(shè)其基波電流振幅為Ib1,且與ub同相(忽略實(shí)際存在的容性電流),則激勵(lì)功率為(3─27)(3─27)高頻功放的功率放大倍數(shù)為(3─28)用dB表示為(3─29)3.2.2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(ube或uce)的關(guān)系曲線,它在ic～uce或ic～ube坐標(biāo)系統(tǒng)中是一條曲線。圖3-16高頻功放的動(dòng)特性2．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3-16高頻功放的動(dòng)特性圖3-17過壓狀態(tài)的ic波形例3-2某高頻功放工作在臨界狀態(tài)，通角θ＝70°,輸出功率為3W，Ec＝24V，Eb＝－0.5V，所用高頻功率管的臨界飽和線斜率Sc＝0.33A/V，轉(zhuǎn)移特性曲線斜率S＝0.8A/V，Eb′=0.65V，管子能安全工作。試計(jì)算：P0、η、Ub以及負(fù)載阻抗的大小。例3-1某高頻功放工作在臨界狀態(tài)，通角θ＝70°,輸出功率為3W，Ec＝24V，Eb＝－0.5V，所用高頻功率管的臨界飽和線斜率Sc＝0.33A/V，轉(zhuǎn)移特性曲線斜率S＝0.8A/V，Eb′=0.65V，管子能安全工作。試計(jì)算：P0、η、Ub以及負(fù)載阻抗的大小。解臨界狀態(tài)的標(biāo)志就是icmax值正好處于放大區(qū)向飽和區(qū)過渡的臨界線上。臨界飽和線的斜率為Sc，則臨界線可表示為圖3-18所示是工作在臨界狀態(tài)時(shí)的理想動(dòng)特性。根據(jù)此圖可以求出臨界時(shí)電壓利用系數(shù)ξ、最大電流icmax以及與輸出功率P1的關(guān)系。此時(shí)有icmax=Scucemin=Sc(Ec－Uc)=Sc(1－ξ)Ec所以上面兩式聯(lián)立起來，可得另外，輸出功率P1可以表示為圖3-18臨界狀態(tài)參數(shù)計(jì)算因此或者至于此時(shí)所需激勵(lì)電壓Ub、基極偏置電壓Eb可以從晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線進(jìn)行求解。轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3-19所示，計(jì)算如下：與題目中的要求不符3.2.3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

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η變化的特性。

圖3─18(b)是根據(jù)圖3─18(a)而得到的功率、效率曲線。圖3-20高頻功放的負(fù)載特性2．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3-21高頻功放的振幅特性3.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3.3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3.4.1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─25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─25(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。圖3─27集電極饋電線路兩種形式(a)串聯(lián)饋電;(b)并聯(lián)饋電2．基極饋電線路基極饋電線路也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。圖3─26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。

圖3─28基極饋電線路的幾種形式3.4.2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。

圖3─29幾種常見的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)Π型1.LC匹配網(wǎng)絡(luò)圖3─27是幾種常用的LC匹配網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于L—I型網(wǎng)絡(luò)有圖3─28L型匹配網(wǎng)絡(luò)(a)L-I型網(wǎng)絡(luò)對(duì)于L-Π型網(wǎng)絡(luò)有(3─33a)(3─33b)(3─33c)圖3─28L型匹配網(wǎng)絡(luò)(b)L-Π型網(wǎng)絡(luò)圖3─30是一超短波輸出放大器的實(shí)際電路,它工作于固定頻率。圖3─30一超短波輸出放大器的實(shí)際電路2．耦合回路圖3─30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。圖3─31短波輸出放大器的實(shí)際線路3.4.3高頻功放的實(shí)際線路舉例圖3─32(a)是工作頻率為50MHz的晶體管諧振功率放大電路,它向50Ω外接負(fù)載提供25W功率,功率增益達(dá)7dB。圖3─32高頻功放實(shí)際線路(a)50MHz諧振功放電路;(b)175MHz諧振功放電路

3.5高頻功放、功率合成與射頻

模塊放大器3.5.1D類高頻功率放大器1.電流開關(guān)型D類放大器圖3─32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、V2獲得反向的方波激勵(lì)電壓。圖3─32電流開關(guān)型D類放大器的線路和波形由此可得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脈動(dòng)電壓的平均值：（3—34）（3—33）3-32

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(2/π)Ic0。V1、V2的ic1、ic2中的基頻分量電流在集電極回路阻抗R’L(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將式(3─32)代入式(3─35)得輸出功率為(3─37)(3─36)(3─35)電源輸入功率為(3─38)（3—32）集電極損耗功率為(3─40)(3─39)2．電壓開關(guān)型D類放大器圖3─33為一互補(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。2．電壓開關(guān)型D類放大器圖3─33為一互補(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。圖3─33電壓開關(guān)型D類功放的線路及波形由圖可見,因ic1、ic2都是半波余弦脈沖(θ=90°),所以兩管的直流電流和負(fù)載電流分別為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(duì)uce2分解可得負(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,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─34是常用的一種功率合成器組成方框圖。

圖3─34功率合成器組成

圖3─35同相功率合成器(a)交流等效電路;(b)B′信號(hào)源開路時(shí)的等效電路由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

在晶體管的輸出端,當(dāng)兩管正常工作時(shí),兩管輸出相同的電壓,即且,但由于負(fù)載上的電流加倍,故負(fù)載上得到的功率是兩管輸出功率之和,即圖3─35同相功率合成器(a)交流等效電路;(b)B′信號(hào)源開路時(shí)的等效電路當(dāng)時(shí),由于流過負(fù)載的電流只有原來的一半,功率減小為原來的1/4,而A管輸出的另一半功率正好消耗在平衡電阻RT上,即有圖3─36是反相功率合成器的原理線路。輸入和輸出端也各加有—3dB耦合器作分配和合并電路。圖3─37是一反相功率合成器的實(shí)際線路。它工作于1.5～１８MHz,輸出功率100W。圖3─36反相功率合成器的原理線路

圖3─37100W反相功率合成器的實(shí)際線路3.6高頻集成功率放大器簡(jiǎn)介隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成高頻功率放大器件。這些功放器件體積小，可靠性高，外接元件少，輸出功率一般在幾瓦至十幾瓦之間。如日本三菱公司的M57704系列、美國(guó)Motorola公司的MHW系列便是其中的代表產(chǎn)品。表3-5列出了Motorola公司集成高頻功率放大器MHW系列部分型號(hào)的電特性參數(shù)。圖3-39M57704系列功放的等效電路圖圖3─39是一個(gè)模塊式射頻部件的微帶線電路板。它由A、B、C、D四個(gè)模塊放大器級(jí)聯(lián)組成。

圖3─39一個(gè)模塊式射頻部件的微帶線電路板第3章總結(jié)高頻小信號(hào)諧振放大器高頻等效電路3.1.4多級(jí)諧振放大器1．多級(jí)單調(diào)諧放大器ｎ級(jí)放大器通頻帶：：BWn=2Δf0.7=例3.2某中頻放大器的通頻帶為６MHz,現(xiàn)采用兩級(jí)或三級(jí)相同的單調(diào)諧放大器,兩種情況下對(duì)每一級(jí)放大器的通頻帶要求各是多少？解:當(dāng)n=2時(shí),因?yàn)樗?要求每一級(jí)帶寬同理,當(dāng)ｎ＝３時(shí),要求每一級(jí)帶寬高頻功率放大器的原理和特性圖3-13集電極電流的波形2．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P1為(3─22)集電極電源供給的直流輸入功率P0為(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損耗功率Pc,即(3─24)3.2.2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(ube或uce)的關(guān)系曲線,它在ic～uce或ic～ube坐標(biāo)系統(tǒng)中是一條曲線。圖3-16高頻功放的動(dòng)特性2．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3-16高頻功放的動(dòng)特性1．高頻功放的負(fù)載特性2．高頻功放的振幅特性圖3─27集電極饋電線路兩種形式(a)串聯(lián)饋電;(b)并聯(lián)饋電2．基極饋電線路

基極饋電線路也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。圖3─28示出了幾種基極饋電形式,