高频电子线路第3章高频谐振放大器

2019/8/51第3章高频谐振放大器高频小信号放大器高频功率放大器的原理与特性高频功放的高频效应高频功率放大器的实际线路D类高频功放和高频功率合成器简介2019/8/52一、高频小信号放大器1、概述功能：不失真地放大高频小信号和选频滤波。“小信号”的含义：使放大器工作在线性放大区(属于A类或甲类放大器)。小信号放大器的分类：(1)窄带放大器和宽带放大器窄带放大器：放大的是窄带信号，相对带宽千分之几。负载为并联谐振回路、耦合回路或其它谐振回路，负载的功能是阻抗变换和选频滤波。所以这种放大器又称为高频小信号谐振放大器。宽带放大器：指需要放大多个高频信号，或者中心频率要随时改变的高频小信号放大器，它的负载为电阻、高频变压器或传输线变压器。2019/8/53分立元件：用作窄带放大器，工作频率较高，但调整困难；集成放大器：用作宽带放大器，增益高，性能稳定，但噪声性能要差一些。主要要求：①增益要高：接收机中频放大器需要电压增益80dB~100dB，需要多级放大器级联才能实现；②频率选择性要好：选择性描述的是放大器选择有用信号、抑制无用信号的能力，衡量选择性好坏的参数是放大器的带宽和矩形系数；③工作稳定可靠：包括放大器的温度稳定性、受电源电压等外界因素的影响要小、不产生任何自激；④接收机前级放大器：要求内部噪声要小。本章主要讲分立元件高频小信号谐振放大器。(2)分立元件和集成放大器2019/8/54RL2L3C14VTRb1Rb2CbReCe(a)5CE2、工作原理直流偏置：直流偏置和低频电路完全一样。只不过基极和发射极高频旁路电容Cb和Ce的电容值比低频电路要小得多。2019/8/55RL2LC5VT(b)431交流等效电路：去掉直流偏置电路。高频旁路电容Cb和Ce交流短路；直流电源对地交流短路；放大器的负载：是一个抽头并联谐振回路，对信号频率ω0谐振，完成阻抗匹配和选频滤波的功能。工作状态：放大器工作在A(甲)类状态。2019/8/563、性能分析对晶体管的要求：特征频率fT要高、β要高、噪声系数要低。晶体管的高频等效电路：包括混π等效电路和Y参数等效电路。晶体管混π等效电路：混π等效电路能全面反映双极晶体管在高频运用时物理过程，也是分析晶体管高频应用时的基本等效电路。宽带放大器通常采用混π等效电路来分析。ebCC'cbCC'mg：发射结电容；：集电结电容；：晶体管的跨导。rbb'＋.－CYcebece(a)CebU'b'ebmUg'2019/8/57Ube.－Yoebece(b)＋Yie－＋YreUce.YfeUbeUce..晶体管Y参数等效电路：由混π等效电路导出，比混π等效电路使用方便，仅适合分析窄带放大器。Yoe：基极和发射极交流短路时输出导纳；Yie：集电极和发射极交流短路时的输入导纳；Yfe：集电极和发射极交流短路时的正向传输导纳；Yre：基极和发射极交流短路时的反向传输导纳。Y参数等效电路的参数方程：coebfeccrebiebUYUYIUYUYI2019/8/58说明：Y参数不仅与静态工作点有关，而且还与工作频率有关。只有当放大器工作在窄带时Y参数可以近似看作常数。Y参数和混π参数关系：),0('CCrebY参数实际应用中的近似:)0,,0(''bbebrCCr，CjYieωbbππiej1jrCCYmfegYbbπmfej1rCgYCjYrebbπrej1j－rCCYbbπmπoej1jjrCgrCCYbbCYjoe2019/8/59放大器的性能参数：忽略管子内部的反馈，即令Yre=0，这时放大器的电流、电压关系为ISYS＋－Ub.Ib.Yie＋－Uc.YreUc.YfeUb.Ic.Yoe.LYY'L：代表负载等效到晶体管ce两端的等效导纳。根据上述关系可以计算放大器的电压放大倍数、输入导纳、输出导纳以及通频带和矩形系数。cLcbssbUYIUYII2019/8/510通频带B0.707与矩形系数K0.1:95.97.01.01.00707.0BBKQfBL，为空载谐振电导，，，为接入系数，那么和，：如果设021220021o21///1/1π/2/1RgpRpRgLgQCpCCLCfppCjgYoeLLoeoeoeoe注意电压放大倍数K：LYYYUUKoefebc输入导纳Yi:LoefereiebbiYYYYYUIY输出导纳Yo:iesfereoe0ccosYYYYYUIYI放大器的五个性能参数：2019/8/5114.高频谐振放大器的稳定性放大器不稳定的原因：集电结电容Cb'c引入的电流反馈。也可以用Yre解释。放大器不稳定的表现：电流反馈如果在某个频率点上满足正反馈的相位和幅度条件，就会产生自激振荡。在输入导纳Yi中，反馈表现为Yre引入的输入导纳Yir：irieLoerefeieiYYYYYYYY021QjGYYCjYgYLLoeremfe，，考虑202020200021212)21(LLmuLLLmuLLmuirQGgCjQGQgCQjGgCjY△ω0：Yir的电导为负，形成正反馈，会引起放大器不稳定。2019/8/512内部反馈对放大器频率特性的影响：2019/8/513提高放大器稳定性的方法：①选择Yre小的晶体管：这是解决问题的最根本的方法；②中和法：人为地在输出、输入端引入一个附加的负反馈电路，来抵消Yre的正反馈，附加的反馈电路称为中和电路。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Uc反相的电压Un，通过Cn反馈到输入端。根据电桥平衡原理有cbcbnncbCNNCLLCLjCjLjCj212120010011N2N1CeCnCb1EcUn.Uc.(a)CbVT2019/8/514L1L2Uc.＋－CnUo.EcV2(b)V1实际中和电路：用Cb'c来表示晶体管的反馈是一种近似，因此中和电路的效果是有限的，用的比较少，一般用在收音机电路中，如下图。2019/8/515V1V2YSYLYfbYrbYib−Yo=YobYi=Yie③失配法：从输入导纳Yi的关系式可以看出，要降低Yre对输入端的影响，可以通过增加负载导纳来实现。但这意味着负载和晶体管的输出导纳不匹配，因此这种方法称为失配法。下图的共发—共基电路可以用失配法解释：V2的输入导纳很大，意味着V1的负载导纳很大。2019/8/516DR3R1R4R2G2G1SuoCSRSV−++Ec双栅极场效应管放大器提高稳定性的原理也可以用失配法解释。双栅极场效应管放大器可以看作是共源-共栅两个场效应管的级联，共栅放大器具有较大的输入导纳。2019/8/517外部寄生反馈引起的不稳定性：外部寄生反馈是以电磁耦合的方式出现。电磁干扰的耦合途径：①电容性耦合：由导线与导线间、导线与器件间、器件与器件间的分布电容实现信号由后级耦合到前级；②电感耦合：由导线与导线间、导线与器件间、器件与器件间的互感实现信号由后级到前级的不必要耦合；③公共电阻耦合：后级信号通过公共导线或电阻实现信号由后级到前级的耦合；④辐射耦合：后级电路通过电磁辐射的方式耦合到前级。解决的办法：①每一级电路就近多点接地；②对高辐射元件进行屏蔽；③在每一级的直流供电处加去耦滤波电容。2019/8/5185.多级谐振放大器多级单调谐放大器：假设有n个单回路调谐放大器级联，且各级电压放大倍数分别为K01、K02、…、K0n，多级单调谐放大器的谐振频率相同，均为信号的中心频率。nKKKK002010总电压放大倍数：211：单回路频率特性2/21nn：总谐振特性为单回路带宽，：1/1112BBBn总带宽1212/1/21.0nnK：总矩形系数2019/8/519nKKKK002010......电压总增益：为单级双调谐回谐振性总谐振特性：2/441nn为单级双调谐回路带宽，总带宽：24/1212BBBn4/14/21.01212nnK总矩形系数：多级双调谐放大器：设有n级双调谐放大器级联，均工作在临界耦合状态。假设各级电压放大倍数分别为K01、K02、…、K0n，多级单调谐放大器谐振频率相同,均为信号的中心频率。2019/8/520两种级联谐振放大器性能比较：(1)多级单调谐放大器：随着n的增加，总带宽减少，矩形系数得到改善(降低)。(2)多级双调谐放大器：随着n的增加，总带宽减少，矩形系数得到改善(降低)。2019/8/521参差调谐放大器：由多级具有不同频率特性的调谐放大器构成的参差调谐放大器在改善矩形系数的同时，还可以获得较大的带宽，在电视接收机的高频放大器中广泛应用。2019/8/522C2C1AGCG2G1DVSEcC3电视机高频放大器的简化电路：基于参差原理的宽带放大器。输入回路：单调谐(谐振于信号频率)；输出回路：双调谐(工作在过耦合状态，谐振于信号频率)；双栅极：提高稳定性。2019/8/523举例：一中频放大器电路如图所示。已知谐振频率f0=10.7MHz。N2N1CCnEcNL线圈空载品质因数Q0=100，晶体管经中和后的Y参数(在工作频率上)为：mSGie1，pFCie41SGoe45，pFCoe3.4，mSgYmfe400reY回路电容C=50pF，中频变压器的接入系数03.0/35.0/2211NNpNNp，设后级晶体管Y参数与上相同。求：(1)回路有载品质因数QL和3dB带宽B0.7；(2)放大器的电压增益；(3)中和电容值(设Cb’c=2.67pF)。2019/8/524，解：(1)回路总谐振电阻包括回路空载谐振电阻、晶体管输出电阻和后级输入电阻等效到回路中的电阻。pFCpCpCCCCCieoeieoe54.502221回路总电容：回路电容、晶体管输出电容和后级晶体管输入电容等效到回路两端的电容：kCQRo8.2900空载谐振电阻：N2N1CCnEcNLkGpRoeoe4.181121回路两端电阻：晶体管输出电阻折合到kGpRieie1.1111122路两端电阻：下级输入电阻折合到回kRRRRieoe25////0总谐振电阻：2019/8/525(2)计算电压增益：mSRRpGoieL282.01'112196.13LoefeuGGYK(3)中和电容为：pFpFCNNNCLLCcbcbN44.167.235.0135.0'11'21N2N1CCnEcNL有载品质因数为：9.840RCQL3dB带宽为：kHzQfBL12607.0pFCkR54.50,25重写：2019/8/526二、高频功率放大器的原理和特性1.概述主要功能：放大高频信号、高效率地得到大的输出功率。无线电发射机中，经过调制的高频信号只有通过功率放大才能送到天线辐射出去。性能参数：衡量高频功放的性能指标是输出功率和转换效率。输出功率：发射机需要的输出功率范围：1mW~100kW。双极晶体管和场效应管：低于几百瓦；电子管：高于几百瓦。转换效率：高频功放实质上是将电源直流功率转换成高频功率的过程。转换效率就是反映直流功率转换成高频功率的效率。最高可达80%。2019/8/527工作状态：为了提高转换效率，高频功率放大器大多工作在C(丙)类状态。A(甲)类：ηmax=50%，放大器一直处于导通状态。B(乙)类：ηmax=78.5%，放大器有一半时间处于导通状态。C(丙)类：ηm