整套教学课件《通信电子线路》

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第1章 绪论,1.1 电子线路的分类,1.2 通信系统的概念及组成,1.3 非线性器件的基本特点,1.4 本课程的特点、与其它课程的关系,思考题与习题,1.1 电子线路的分类,模拟电路：信号在时域特性上是连续取值的电路，如语音，图像等。,数字电路：信号在时域特性上不是连续取值的电路，如电报、数据、遥控指令等。,模拟电路：,按照信号相对于器件伏安特性的工作范围分：,线性电子线路和非线性电子电路。,线性：当信号工作在元器件伏安特性微小范围或线性范,围。,非线性：信号很强，工作在伏安特性非线性范围的电路。,按照工作频率分：高频电路和低频电路。,1.2 通信系统的概念及组成,信息（如语音、文字、图像、指令等）的传输系统称为通信系统,本课的研究对象是围绕信息的传输和处理展开,信源,接收机,发射机,传输信道,终端,信源,在实际的通信电子线路中传输的是各种,电信号,为此就需要将各种形式的信息转变,成电信号。,常见的原始信息有：,语音、音乐、图像、数据等,发射机,将基带信号（从信源得到的信号）变换成适合信道传输特性的信道信号。,对基带信号进行变换的原因：,由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。,调幅,：使载波幅度随低频信号变化，频率与相位不变。,调频,：使载波频率随低频信号变化，振幅不变。,调相,：载波幅度不变，载波的瞬时相位按信号规律变化，实,际上瞬时频率也会变化，所以从波形上无法区别调频,与调相。,传输信道,传输信道又称传输媒质，是传输信道的媒质。不同的传输信道有不同的传输特性。如：电缆、光缆、无线电波,传输信道可分为,有线传输信道：双绞线、同轴电缆、光纤电缆,无线传输信道：无线通信以自由空间为传输媒质，有地波与天波两种。,有线传输信道,1、双绞线,适用于短距离（小于100,m）、1Mb/s,数据率的通信环境。,2、同轴电缆,适用于距离在几百米、带宽小于10,Mhz、,码流率小于20,Mbps,的通信环境,。,3、光纤电缆,光纤是非常细的玻璃丝（直径在100,um,以下）其衰减很小（1,DB/1KM），,若干光纤组成一个光缆。 特点是衰减小（小于1,db/km）、,工作频率高、信息容量大。,0.2,沿地球弯曲表面传播，适用于波长,=200m,以上的中、长波。,由于大地表面是导体，当电磁波在其表面传播时，一部分能量将被损耗掉，且频率越高，趋肤效应越强，损耗越大。故频率更高的电磁波不易沿地面传播，而主要靠电离层。,图,0.2.5,地面波的发射与接收,（地面波动画）,（,1,）地面波：,0.2,无线传输信道,利用电离层的折射与反射，使电磁波到达电离层后，一部分能量被吸收，一部分被反射、折射到地面。当频率升高时，电磁波被电离层吸收的能量增加，当频率升高超过一定值时，电磁波将会穿过电离层，不再返回地面。所以天波适用于,10m-200m,的短波。,图,0.2.6,天波的发射与接收,（天波动画）,（,2,）天波,：,0.2,（,3,）空间波：,图,0.2.7,空间波的发射与接收,（空间波动画）,频率更高的电磁波（ ,10m,）,不再适用电离层传播，而是沿空间直线传播，即利用直射和反射实现电磁波的传播。但只限于视频距离范围内。通常，,50,米高的天线通信距离约,50,公里。,0.2,接收机的作用,：,接收传送过来的信号，并进行处理，,以恢复发送端的基带信号。,对接收机的要求：,由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。,终端,终端的作用：,接收机输出的基带信号变换成原来形式的信号的装置。,还原声音的喇叭，耳机；恢复图象的显象管,无线电通信系统组成（以,AM,调制为例）,话,筒,扬,声,器,天线开关,低频前,级放大,低频功,率放大,主振,缓冲,倍频,高频,放大,调制,放大,高频,放大,混频,本地,振荡,中频,放大,检波,低频,放大,功率,放大,发射机组成,调幅,发射机组成,图,0-1-3,调幅广播发射机的组成,调幅广播发射机的组成,各部分作用：,(,1,),振荡器,产生,f,osc,的高频振荡信号，几十千赫以上。,(,2,),高频放大器,多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至,f,c,，并提供足够大的载波功率。,(,3,),调制信号放大器,多级放大器，前几级为小信号放大器，放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。,(,4,),振幅调制器,实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上。,接收机组成,调幅接收机,图,0-1-4,调幅广播接收机的组成,调幅广播接收机的组成,(,1,),高频放大器,为小信号谐振放大器，作用：,选台,。,利用可调谐的谐振系统选出有用信号，抑制其他频率的干扰信号。,放大,。,放大选出的有用信号。,(,2,),混频器,两路,输入,为：,由高放级：,已调信号,f,c,。, 由,本机振荡器,：,本振信号,f,L,。,作用：载波变频,将,已调信号,的载波由,f,c,(,高频,),变换为,f,I,(,中频,),，,f,I,=,|,f,c,-,f,L,|,而调制波形不变。,(,3,),本机振荡,产生频率为,f,L,=,|,f,c,+,f,I,|,(,或,f,L,=,f,c,-,f,I,),的高频,等幅,振荡信号。,f,L,可调，并能跟踪,f,c,。,(,4,),中频放大器,为多级固定调谐的小信号放大器，作用：放大中频信号。,(,5,),检波器,解调，从中频调幅波还原所传送的调制信号。,(,6,),低频放大器,小信号放大器 功率放大器，作用：放大调制信号，向扬声器提供所需的推动功率。,可见，有用信号在不同频率上进行放大,超,外,差,接收机,。,特点：,解调电路前包括,混频器、本机振荡、中频放大器,等。,优点：,增益高，选择性好。,直接高放接收机：,解调前仅包括高放，无,混频器、本机振荡、中频放大器,等，增益低，选择性差。,7,其他通信系统, 调频无线通信系统,，发射机和接收机都包括上述各模块，区别主要在于,调制器,和,解调器,上。,实现调制的模块,频率调制器,；,实现解调的模块,频率检波器,或,鉴频器,。, 数字通信系统,，调制信号为,数字信号,，相应的调制为,数字调制,。, 软件无线电,，用软件的方法实现通信系统中一部分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。,8,小结,(,1,),非线性电子线路讨论的范围,除小信号放大器以外的其他功能电路,振荡器、功放、调制器、解调器、混频器、倍频器,。,(,2,),本课程讨论的内容,三类电路, 功率放大电路,在输入信号作用下，可将直流电源提供的部分功率转换为按输入信号规律变化的输出信号功率，并使输出信号的功率大于输入信号的功率。, 振荡电路,可在不加输入信号的情况下，稳定地产生特定频率或特定频率范围的正弦波振荡信号。, 波形变换和频率变换电路,能在输入信号作用下产生与之波形和频谱不同的输出信号。包括：,调制电路、解调电路、混频电路,和,倍频电路,。,本课程主要学习, ,类电路。,为什么要调制？,无线电广播的参数为：,频率：,波长：,则天线长度为：,有效辐射信号的条件,天线尺寸,天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时，信号才能被天线有效的辐射出去。对于音频范围,20Hz20kHz,来说，这样的天线不可能实现。,信号选择,如果直接发射，多家电台的发射信号频率范围大致相同，接收机无法区分。,1.3 非线性器件的基本特点,非线性电子线路中，上述,三类,功能的实现利用了器件的非线性特性，为此，有必要首先了解非线性器件的,基本特点,(,参数、控制变量、,不能用,叠加定理,),。,一、非线性器件特性的参数,主要有三个参数：, 直流参数,适用于直流分析, 交流参数,适用于频率变换电路的分析, 平均参数,适用于功率放大和振荡电路的分析,0.2,i,v,图,0,-,2,-,1,例：非线性电阻：, 直流电导,定义：,意义：表明直流电流与直流电压间的依存关系。,特点：其值是,V,Q,(,或,I,Q,),的非线性函数。,应用：直流分析。, 交流电导,定义：,意义：伏安特性曲线上任一点的斜率，或该点上增量电流与增量电压的比值。,特点：其值是,V,Q,(,或,I,Q,),的非线性函数。,应用：交流分析。,平均电导,图,0,-,2,-,2,在大信号作用下的,电流波形,定义：,当器件两端加余弦电压,v,=,V,m,cos,t,时，因特性的非线性，流过器件的电流必为非余弦，将其按傅里叶级数展开：,则,平均电导,即为,基波电流振幅,与,外加电压振幅,之比：,意义：反映,基波电流,与,外加电压,间的依存关系。,特点：其值是,V,Q,(,或,I,Q,),的非线性函数。,应,用：功放和振荡电路分析。,0.2,二、非线性器件特性的控制变量,控制变量不同，非线性器件的特性也不同，故分析时须注明它的,控制变量,。,1,控制量不同，特性不同,i,v,图,0,-,2,-,1,例,1,：二极管,电压,为控制量,电流,对电压呈,指数,关系变化；,电流,为控制量,电压,对电流呈,对数,关系变化。,2,特性为非单调时,多值和负值,0.2,例,2,：,隧道二极管,图,0,-,2,-,3,伏安特性曲线,(,1,),控制变量,电压：,电流为,单值,电流：,电压为,多值,压控非线性器件,(,2,),直流电导,g,0,0,，在曲线上任一点均为正。,(,3,),交流电导,g,(,a,b,) 1,时，则简化为：,R,p, Q,2,R,s,X,p, X,s,二、串联谐振回路,1.由电压源,V,S,、,电容、电感和电阻串联所构成的回路称为串联谐振回路。,2.阻抗,谐振就是改变电源的频率，使回路中的电量呈极大值的现象。,谐振的条件是电抗为零。若在串联谐振回路两端加一恒压信号，则发生串联谐振时阻抗最小，流过电路的电流最大。,令 将 引入上式,对于,在实际应用中，外加信号的频率,与回路谐振频率,0,之差,=,-,0,表示频率偏离谐振的程度, 称为偏谐。,所以,式中回路有载品质因数 ，广义失谐量,所以,，,3.,Z,S,的频率特性,讨论：,=,0,时 表示电流与电压同相,0,时 电压超前电流，感性失谐,0,时 电压滞后电流，容性失谐,0,时 电压超前电流，感性失谐,4.,并联谐振回路中的端电压,讨论,变化时，电压的变化,所以谐振时， ，,V,P,取最大值为,IR,P,。,5.,通频带,为什么要求通频带？,放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号频谱分量通过放大器。,5.,通频带,当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路电压值下降为谐振值的 (即0.7)时对应的频率范围称为回路的通频带，也称回路带宽，通常用 来表示。,通频带与回路,e,的关系：,谐振回路,的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数,e,。,e,值越大，相频特性的斜率越大，通频带越窄选择性越好。,此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变。并且通频带愈宽，放大器的增益愈小。,并联谐振回路通频带,3,dB,带宽:,6.,e,的实质在于回路中的无功功率与有功功率之比，谐振时负载到底可以获得比信号源大多少倍的信号,=1,串联谐振回路通频带,7.,回路有载时的值,R,L,R,P,C,L,空载时：,外接负载,R,L,时（,R,P,值被改变）,8.,谐振时，回路元件中流过的电流,当,=,0,时 已将负载接入,例2.1 下图所示回路中，=100,pF,s,=100k,r=10,L =100uH，,L,=50k,I,s,=1mA，,请计算谐振回路的,Q,e,值和输出电压,V,o,。,四、单调谐并联谐振回路的连接、接入系数,考虑信号源内阻,S,和负载电阻,L,后，并联谐振回路的,Q,e,值为,可见并联接入的,L,越小，则,e,越小，回路选择性越差。另外，谐振电压也将随着谐振回路总电阻的减小而减小。实际上， 信号源内阻和负载不一定是纯电阻，可能还包括电抗分量。 如要考虑信号源输出电容和负载电容，由于它们也是和回路电容并联的，所以总电容为三者之和，这样还将影响回路的谐振频率。因此， 必须设法尽量消除接入信号源和负载对回路的影响。,采用阻抗变换电路可以改变信号源或负载对于回路的等效阻抗。若使,L,经变换后的等效电阻增加，再与回路并联，可使回路总电阻,减小不多。若信号源电容与负载电容经变换后大大减小，再与回路电容并联，可使总等效电容增加很少，从而保证谐振频率基本保持不变。,下面介绍几种常用的阻抗变换电路,。,1.,变压器耦合,电路,图,a,为变压器阻抗变换电路，,b,为考虑次级后的初级等效电路，,L,是,L,等效到初级的电阻。若,1,、,2,分别为初、次级电感线圈匝数，则接入系数,2,1,。,推导,R,L,对初级线圈有影响，所以我们将,R,L,折算到初级，用能量守恒的方法（不考虑互感）。,2.,自耦变压器的耦合,电路,图,a,为自耦变压器阻抗变换电路，图,b,为考虑次级后的初级等效电路，,L,是,L,等效到初级的电阻。在图中，负载,L,经自耦变压器耦合接到并联谐振回路上。,推导,设自耦变压器损耗很小，可以忽略，则初、次级的功率,P,1,、P,2,近似相等，且初、次级线圈上的电压,U,1,和,U,2,之比应等于匝数之比。设初级线圈与抽头部分次级线圈匝数之比,1,2,对于自耦变压器，,n,总是小于或等于1，所以,L,等效到初级回路后阻值增大，从而对回路的影响将减小。,n,越小，则,L,越大，对回路的影响越小。所以,n,的大小反映了外部接入负载（包括电阻负载与电抗负载）对回路影响大小的程度， 可将其定义为接入系数。 ,3.,部分电容连接,电路,图,a,为是电容分压式阻抗变换电路，图,b,是,L,等效到初级回路后的初级等效电路。图中，负载,L,经自耦变压器耦合接到并联谐振回路上。,推导,利用串、并联等效变换公式,C,2,R,L,C,2,R,L,所以电路变为：,R,L,C,L,再串并转换,R”,L,C,L,电感分压式阻抗变换电路,4.,电感分压式电路,图,a,所示为电感分压式阻抗变换电路，它与自耦变压器阻抗变换电路的区别在于,1,与,2,是各自屏蔽的，没有互感耦合作用。图,b,是,L,等效到初级回路后的初级等效电路，,1,2,。,L,折合到初级回路后的等效电阻是,L,。,在以上介绍的四种常用阻抗变换电路中，所导出的接入系数均是近似值，但对于实际电路来说，其近似条件容易满足， 所以可以容许引入的近似误差。,5.,电流源的交换,I,0,I,0,V,0,V,0,1,2,3,例2.2,某接收机输入回路的简化电路如图所示。 已知,1,=5,pF，,2,=15,pF，,s,=75 ，,L,=300 。,为了使电路匹配，即负载,L,等效到回路输入端的电阻,L,s，,线圈初、次级匝数比,1,2,应该是多少？,小结,(1),LC,并联谐振回路幅频曲线所显示的选频特性在高频电路里有着非常重要的作用，其选频性能的好坏可由通频带和选择性(回路,Q,值)这两个相互矛盾的指标来衡量。,(2),LC,并联谐振回路阻抗的相频特性是条具有负斜率的单调变化曲线，这一点在分析,LC,正弦波振荡电路的稳定性时有很大作用，而且可以利用曲线中的线性部分进行频率与相位的线性转换，这在相位鉴频电路里得到了应用。同样，,LC,并联谐振回路阻抗的幅频特性曲线中的线性部分也为频率与幅度的线性转换提供了依据，这在斜率鉴频电路里得到了应用。,(3),LC,串联谐振回路的选频特性在高频电路里也有应用， 比如在,LC,正弦波振荡电路里可作为短路元件工作于振荡频率点，但其用途不如并联回路广泛。,LC,并联谐振回路与串联谐振回路的参数具有对偶关系，在分析和应用时要注意这一点。,(4),LC,阻抗变换电路和选频匹配电路都可以实现信号源内阻或负载的阻抗变换，这对于提高放大电路的增益是必不可少的。区别在于后者仅可以在较窄的频率范围内实现较理想的阻抗变换，而前者虽然可在较宽的频率范围内进行阻抗变换，但各频率点的变换值有差别。,2.1,谐振回路,2.2,小信号谐振放大器,思考题与习题,第,2,章,小信号谐振放大器,2.2 小信号谐振放大器,一、概述,1.放大器的分类：,2.,定义：将具有谐振性质的负载接到集成宽带放大器或晶体管等放大器件输出端而构成的放大器称为小信号谐振放大器。,特点：具有选频和放大特性,。,按信号大小分,按级数分,按放大与选频功能的布局分,小信号谐振放大器（线性）,大信号谐振放大器（非线性）,单级单调谐,多级单调谐,分散选频,集中选频,3.高频小信号放大器的特点：,频率高：,几百,kHz,几百,MHz；,带宽 为几,kHz,几十,MHz。,小信号：,工作在线性段（甲类）如,TV,的高频头、中放,。,4.性能指标：,谐振增益：,指放大器在谐振频率上的电压增益，表示对有用信号的放大能力。(20,lgAv,电压增益；10,lgAp,功率增益), 通频带：,放大器的增益比谐振增益下降3分贝,时的上下限频率之差值。,BW,0.7,称为0.7通频带或3分贝通频带。,选择性：指通频带以外的某一特定频率上的增益与谐振增益的比值。,表示对通频带以外的干扰信号的抑制能力。,矩形系数：,当放大器的幅频特性为理想矩形时，可解决通频带与选择性的相互矛盾。所以,按理想情况，谐振曲线应为一矩形。为了表示实际曲线接近理想,曲线的程度，引入“矩形系,数”，它表示对邻道干扰的抑,制能力。,（b）,(a),集成宽带,放大器,集 中,滤波器,集中选频电路,集中选频放大器把放大和选频两种功能分开处理。在集中选频放大器里, 先采用矩形系数较好的集中滤波器进行选频, 然后利用单级或多级集成宽带放大电路进行信号放大。前者以集中预选频代替了逐级选频, 减小了调试的难度, 后者可充分发挥线性集成电路的优势。,分散选频电路,器 件,谐 振,回 路,器 件,谐 振,回 路,二、集中选频小信号谐振放大器,引言,组成：非谐振宽带放大高频选择性滤波,非谐振宽带放大,：,大增益，宽频带直接耦合,、RC,耦合、变压器耦合,滤波器：,LC,带通、陶瓷、石英、声表面波滤波器,集中滤波器,1.,石英晶体滤波器,石英是矿物质硅石中的一种（也可人工制造），化学成分是,SiO2，,其形状为结晶的六角锥体。图(,a),表示自然结晶体，图(,b),表示晶体的横截面。,为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴,ZZ，,称为光轴，在图(,b),中沿对角线的三条,XX,轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条,YY,轴，称为机械轴。石英晶体具有正、反两种压电效应,。所谓压电效应，就是,当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。所以说石英晶体实际上是一个能把机械能转换为电场能，又能把电场能转换为机械能的可逆换能器，且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。,石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。,1.,符号及等效电路,当晶体振动时，惯性能和弹性能相互转换。根据这一物理事实，由机电类可以将晶体等效为一个串联谐振电路，可用集中参数,L,q,、,C,q,、,r,q,来模拟，,L,q,为晶体的质量（惯性），,C,q,为等效弹性模数，,r,q,为机械振动中的摩擦损耗。电容,C,0,称为石英谐振器的静电容。其容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。,2.,石英谐振器的等效电抗,：,（阻抗特性）,石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的串联谐振角频率,q,，,即石英片本身的自然角频率。另一个为石英谐振器的并联谐振角频率,p,。,串联谐振频率,并联谐振频率,Q,值较陶瓷更高，,q,与,p,差更小，而且矩形系数更好。,2.陶瓷滤波器,利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器，称为陶瓷滤波器。它常用锆钛酸铝,Pb(zrTi)O,3,压电陶瓷材料（简称,PZT）,制成。这种陶瓷片的两面用银作为电极，经过直流高压极化之后具有和石英晶体相类似的压电效应。,优点：容易烧制,，,可制成各种形状,；,适于小型化,；,且耐热耐湿性好。它的等效品质因数,Q,L,为几百，比石英晶体低但比,LC,滤波高。,1.,符号及等效电路,图中,C,0,等效为压电陶瓷谐振子的固定电容；,L,q,为机械振动的等效质量；,C,q,为机械振动的等效弹性模数；,R,q,为机械振动的等效阻尼；其等效电路与石英晶体相同。,其串联谐振频率,并联谐振频率,式中，,C,为,C,0,和,C,q,串联后的电容。,2.,陶瓷滤波器电路,：,(1) 三端陶瓷滤波器：,特点：,Q,值达几万、几十万，选择性好，但矩形系数不够好,。,1,2,3,在串联谐振频率时，等效阻抗最小（20欧），在并联谐振频率时，等效阻抗最大。,(2) 四端陶瓷滤波器,：,如将陶瓷滤波器连成如图所示的形式，即为四端陶瓷滤波器。图(,a),为由二个谐振子组成的滤波器，图(,b),为由五个谐振子组成四端滤波器。谐振子数目愈多，滤波器的性能愈好。,下图表示陶瓷滤波器图(,a),的等效电路。适当选择串臂和并臂陶瓷滤波器的串、并联谐振频率，就可得到理想的滤波特性。若2,L,1,的串联频率等于2,L,2,的并联频率，则对要通过的频率2,L,1,阻抗最小，2,L,2,阻抗最大。例若要求滤波器通过465,5,kHz,的频带，则要求,f,q1,= 465,kHz,，,f,p2,= 465kHz，,f,p1,= (465 + 5) kHz，,f,q2,= (465 5) kHz。,3.声表面波滤波器,声表面波滤波器,SAWF（Surface Acoustic Wave Filter）,是一种以铌酸锂、石英或锆钛酸铝等压电材料为衬底（基体）的一种电声换能元件。,1.,结构与原理,：,声表面波滤波器是在经过研磨抛光的极薄的压电材料基片上，用蒸发、光刻、腐蚀等工艺制成两组叉指状电极，其中与信号源连接的一组称为发送叉指换能器，与负载连接的一组称为接收叉指换能器。当把输入电信号加到发送换能器上时，叉指间便会产生交变电场，形成波纹，利用原子、分子来传输，中心频率更高。,R,s,U,s,R,L,压电基片,发送叉指,换,能,器,接收叉指,换,能,器,吸声材料,2.,符号及等效电路,：,声表面波滤波器的符号如图(,a),所示，图(,b),为它的等效电路。,其左边为发送换能器，,i,s,和,G,s,表示信号源。,G,中消耗的功率相当于转换为声能的功率。右边为接收换能器，,G,L,为负载电导，,G,L,中消耗的功率相当于再转换为电能的功率。,3.,特点,：, 工作频率高，中心频率在10,MHz1GHz,之间，且频带宽,，相对带宽为,0.5%25%,。, 尺寸小，重量轻。动态范围大，可达100,dB。,由于利用晶体表面的弹性波传送，不涉及电子的迁移过程，所以抗辐射能力强。, 温度稳定性好。, 选择性好，矩形系数可达1.2。,L,的作用是提高晶体管的输入电阻（在中心频率附近与晶体管输入电容组成并联谐振电路）以提高前级（对接收机来说是混频级）负载回路的有载,Q,L,值，这有利于提高整机的选择性和抗干扰能力。,为了保证对信号的选择性要求, 声表面波滤波器在接入实际电路时必须实现良好的匹配，然后再,接到有宽带放大特性的主中频放大器。,集成宽放,1.低噪声集成电路（,FZD1）,前置中频放大器,输入：对,T1、T3,共发、共基,输出：,T4、T5,共集，组成一个电路带负载,能力强，,T4,可减少输入对输出的影响,T,5,T,4,T,1,T,3,T,2,1,5,6,7,11,10,8,9,V,EE,2.中频集成电路（,FZ1）,原理同上,三、分散选频小信号谐振放大器,单级单调谐,1.实用电路,实际线路,2. 分析方法等效电路法：,实用电路静态分析交流电路小信号等效电路列方程求性能指标,V,CC,降压耦合,第一步静态分析：画出直流通路：将,C,视为开路，将,L,视为短路，再求静态工作点。,交流等效电路,第二步：,交流电路,3.1,晶体管高频等效电路,参数等效电路）。,另一是形式,等效电路（,）等效电路。,一是物理模拟（混合,3.,晶体管等效电路,物理参数等效电路（物理模拟，特点是物理概念清晰，容易接受）,T,型等效电路：主要用于分析高频电路 混合,型等效电路：主要用于分析宽频带电路 网络参数等效电路（功能模拟或形式模拟,t,特点是分析计算简便，,比较抽象）,h,参数等效电路：主要用于分析低频电路,y,参数等效电路：主要用于分析高频调谐电路,（一）、混合,型等效电路,图,3.1,晶体管高频共发射极混合,型等效电路,；,基区体电阻,约,发射结电阻,折合到基极回路的等效电阻,约,几十欧到几千欧；,（晶体管混合等效电路及其单向化动画）,：发射结电容,约,10,皮法到几百皮法；,：集电结电阻,约,10k,10M,；,：集电结电容,约几个皮法；,：晶体管跨导,几十毫西门子以下；,各参数有关的公式如下：,其中,:,是发射极静态电流,是晶体管低频短路电流,是晶体管特征频率。,放大系数,注意,:,各参数均与静态工作点有关。,另外，常用的晶体管高频共基极等效电路如图,3.2,图（,a,）所示，图,(b),是简化等效电路。,图,3.2,晶体管高频共基极等效电路及其简化电路,（二）、参数等效电路,双口网络即具有两个端口的网络，如图,3.3,所示。,参数方程是选取各端口的电压为自变量,电流为应变量,其方程如下,图,3.3,双口网络,其中,四个参量均具有导纳量纲，即,所以参数又称为短路导纳参数,即确定这四个参数时必须使某一个端口电压为零,也就是使该端口交流短路。,图,3.4,共发射极接法的晶体管参数等效电路,如共发射极接法的晶体管,如图,3.4,所示,相应的参数方程为,式中，,分别称为输入导纳、反向传输导纳,正向传输导纳和输出导纳。,其中,图,3.4,共发射极接法的晶体管参数等效电路,（三）、参数与混合 参数的关系, Y,i,输入导纳, Y,r,反向传输导纳, Y,f,正向传输导纳, Y,o,输出导纳,Y,参数等效电路,再将,T,用,Y,参数等效,所以最终得到如下结果：,最后求性能指标：,1.谐振增益,谐振时，,3.通频带：令,S,2.选择性：带外某特定频率点上,A,V,与,A,V0,之比,4.矩形系数,结论：单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下, 尽可能提高电压增益。,注：选择性与通频带是,矛盾的一对,例2.3,已知工作频率,0,=30,MHz,cc,=6,e,=2 mA。,晶体管采用型高频管。其参数在上述工作条件和工作频率处的数值如下：,g,L,=12mS,C,L,=12pF；g,o,=400S,C,o,=95pF；|y,f,|=583mS，|y,r,|=310S，,回路电感=1.4,H,接入系数,n,1,=1, n,2,=0.3,0,=100。负载是另一级相同的放大器。 求谐振电压增益振幅,u0,和通频带,07,，并求回路电容是多少时, 才能使回路谐振？,多级单调谐,从对单管单调谐放大器的分析可知, 其电压增益取决于晶体管参数、 回路与负载特性及接入系数等, 所以受到一定的限制。若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生复杂的变化。,1.增益,设放大器有级, 各级电压增益振幅分别为,V1,V2, ,Vn,则总电压增益振幅是各级电压增益振幅的乘积, 即,2.选择性：等于各级选择性的相乘积,3.通频带：令,S,n,例2.4,某中频放大器的通频带为,MHz,现采用两级,或三级相同的单调谐放大器, 两种情况下对每一级,放大器的通频带要求各是多少？,结论：级数增加，通频带越窄，但选择性越好。,4.,矩形系数,级数,n,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,矩形系数,K,n01,9.95,4.90,3.74,3.40,3.20,3.10,3.00,2.93,2.89,2.85,2.56,单调谐放大器矩形系数与级数的关系,从表中可以看出, 当级数增加时, 放大器矩形系数有所改善, 但这种改善是有一定限度的, 最小不会低于2.56。,由上述公式可知, 级相同的单调谐放大器的总增益比单级放大器的增益提高了, 而通频带比单级放大器的通频带缩小了, 且级数越多, 频带越窄。,换句话说, 如多级放大器的频带确定以后, 级数越多, 则要求其中每一级放大器的频带越宽。所以, 增益和通频带的矛盾是一个严重的问题, 特别是对于要求高增益宽频带的放大器来说, 这个问题更为突出。这一特性与低频多级放大器相同。,为了使单调谐放大器的谐振特性更接近理想矩形，可以将多级放大器中的每一级回路按一定规律分别调谐在不同的频率上。其中最常用的是双参差调谐放大器。,双调谐回路放大器,对于单调谐回路放大器来说，存在的缺点是选择性差，增益、通频带和选择性之间的矛盾突出。但其电路简单，易于调试。,而对于双调谐回路放大器来说，单级双调谐回路放大器的矩形系数为3.16，选择性变好了。,级数,n,1,2,3,4,5,矩形系数,K,n01,3.2,2.2,1.95,1.85,1.76,特点：级数增加时，矩形系数下降，所以选择性变好，,BW,下降不多。,缺点：调整较复杂。,应用：电子管电路，高质量的晶体管电路。,2.3,调谐放大器的稳定性,2.3.1,晶体管内部反馈的影响,前面的讨论中，假设了,，实际上,，因而将,引起内部反馈，使放大器不稳定甚至自激。,一、放大器调试困难,由于晶体管的结电容,，使,，从而形成内部反馈，且随着工作频率的升高，这种反馈越来越强。内部反馈使放大器的输入和输出导纳分别与负载及信号源导纳有关，在调整输出回路时（即改变,YL,），放大器的输入端就受到影响；同样，调整输入回路时，,YS,改变了，放大器的输出导纳也随之改变，这时输出电路的调谐和匹配又发生了影响。因此调整工作需要反复进行多次。,2.3,二、放大器工作不稳定,晶体管内部反馈的另一有害影响是使放大器的工作不稳定，如图,2.3.1,所示。,图,2.3.1,晶体管内部负反馈对频率特性的影响,（动画）,2.3.1,（稳定性分析、输入、输出阻抗动画）,2.3.2,解决的方法,一、上述问题的两个解决途径,1,、从晶体管本身想办法，因为,主要由,决定，,从晶体管制造工艺的着手，减小,达到减小反向,传输导纳,的目的。,2,、在电路上想办法把,的作用抵消或减小。也就,是说，从电路上设法消除晶体管的反向传输作用，使它变为单向器件。单向化的方法有两种，即中和法和失配法。,2.3.2,二、单向化方法,1.,中和法,这种方法是在放大器的线路中插入一个外加的反馈电路来抵消,内部反馈的影响，称为中和。,这相当减小,了晶体管的,，放大器可以稳定地工作。,如图,2.3.2,所示。,2.3.2,图,2.3.2,中和原理,完全中和时，等效反向传输导纳等于零，即,内部反馈全部抵消，由图,2.3.2,知：,这时有：,必须指出：,与频率有关，为了在所有频率下使,必须使,与,电路的单向化，使输出完全不受输入的影响。但是，要使,与,率点起到中和作用。,图,2.3.3,是接收机中常用的中和电路。,2.3.2,的频率特性相同，才能实现放大,一样是不可能的，实际电路中只能在一个频,图,2.3.3,放大器中的中和电路,2.,失配法,失配是指信号源内阻不与晶体管输入阻抗匹配、晶体管输出端的负载阻抗不与本级晶体管的输出阻抗匹配。,用失配法实现晶体管单向化常用的办法是采用共射,共基级联电路组成的调谐放大器，其稳定性较高，得到了广泛的应用。,2.3.2,图,2.3.4,共发射极,共基极级联的复合管,小结,(1)各种形式的选频网络在通信电子线路中得到广泛的应用，它能选出我们需要的频率分量和滤除不需要的频率分量。因此掌握各种选频网络的特性及分析方法是很重要的。,(2)选频网络可分为两大类。第一类是由电感和电容元件组成的谐振回路，它又分为单调谐回路和双调谐回路。第二类是各种滤波器，主要有,LC,集中滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷滤波器和声表面波滤波器等。,(3)选择性滤波器主要有,LC,集中选择性滤波器、石英晶体滤波器、陶瓷波波器和声表面波滤器。根据其各自特点应用到不同场合。其中石英晶体滤波器的,Q,值最高，选择性最好；声表面波滤波器工作频率高，抗辐射能力强，广泛用于通信设备中。 ,(4)在分析高频小信号谐振放大器时,Y,参数等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型, 使用时必须注意,Y,参数不仅与静态工作点有关, 而且是工作频率的函数。在分析小信号宽频带放大器时, 混合,型等效电路是描述晶体管工作状况的重要模型, 混合,型参数同样与静态工作点有关。,(5)单级单调谐放大电路是谐振放大器的基本电路。为了增大回路的有载,Q,值, 提高电压增益, 减少对回路谐振频率特性的影响, 谐振回路与信号源和负载的连接大都采用部分接入方式, 即采用,LC,分压式阻抗变换电路。,(6) 集中选频放大器由集中滤波器和集成宽带放大器组成, 其性能指标优于分立元件组成的分散选频多级谐振放大器, 且调试简单。,思考题与习题,1.若在,L,的两端并联1,K,欧的电阻，则放大器的通频带,BW,0.7,和矩形系数将会怎样变化？,2.若在单级单调谐放大器中，将,V,CC,接入点由2处分别换到1、3处，试问放大器电路的画法是否等价？,3.1 引言,3.2 丙类谐振功率放大器的基本原理,3.3 丙类功放的性能分析,3.4 晶体管功放的高频特性,3.5 谐振功率放大器电路,3.6 倍频器,3.7 功率合成技术,第3章 高频谐振功率放大器,功,放,按负载分,按工作频率分,按工作状态分,谐振功放（窄带）电抗性负载,非谐振功放（宽带）电阻性负载,低频功放大多属于非,LC,谐振功放,高频功放大多属于谐振功放,甲类、乙类、甲乙类功放,丙类、丁类功放,3.1 引言,1.功放：在输入信号的控制下，把直流能量变换为交流能 量的转换器。,2.类型,3.主要指标：输出功率,P,o,、,效率、,BW,0.7,4.,研究的主要问题：在安全高效率的条件下，尽量输出大功率。,谐振放大器按其工作信号大小可分为,小信号谐振放大器：输入信号通常为数十微伏至毫,伏，器件工作于甲类,大信号谐振放大器：器件工作于丙类,3.2 丙类谐振功率放大器的基本原理,高频功率放大器的主要作用是放大高频信号，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。,在通信系统中，高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分，用于对高频已调波信号进行功率放大，然后经天线将其辐射到空间，所以要求输出功率很大。输出功率大，从节省能量的角度考虑, 效率更加显得重要。,因此, 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。 同时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用,LC,谐振回路作为选频网络，故称为丙类谐振功率放大电路。,一、基本电路,下图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。,天线,(c,1,和,c,2,称作为高频旁路电容,:,对高频起旁路作用,),c,1,c,2,二、特点,1.负载是谐振回路，电抗性负载，所以为窄带放大器。,2.为了提高效率 ，通常采用,V,BB,V,BEon,。,三、回路的作用,1.滤波,回路变换,注：在整个变换过程中,Q,值是表示的哪一条支路，串并联支路不同。,回路阻抗,回路对,n,次谐波呈现的阻抗（,n）,代入,由此可见，,Z,下降到原来幅值的1/15。,2.阻抗变换作用,外接负载常含电抗分量，我们通过外加一个异性电抗元件使其变成一个谐振电阻,R,e,。,可以保持回路谐振时,R,e,等于放大管所,需的集电极负载值，实现阻抗匹配。,四、电流电压的关系波形图,由转移特性，当,V,CC,、V,BB,和,Re,一定时，放大器在,v,b,的作用下，集电极出现一连串的电流脉冲，,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。,书82页图,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。见书,88,页式,2,2,4,当回路谐振时，回路上产生的,电压为：,且,V,CE,与,V,BE,反相,其中,图给出了,在,0,180,范围内的分解系数曲线和波形系数曲线。,波形系数,g,1,()=,若定义集电极电压利用系数,=U,cm,V,CC,可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式,:,由图可以看出, ,1,(90)=,1,(180)=0.5,这两种情况分别对应于乙类和甲类工作状态,均比丙类,(,90),的数值高,而,1,的最大值是,1,(120)=0.536,处于甲乙类状态。这意味着当回路等效总电阻,R,e,和脉冲高度,I,Cm,相同时,丙类的输出功率比甲类、甲乙类和乙类都要小一些,但是丙类的集电极效率比它们都要高。 ,在甲类工作状态时,为保证不失真,必须满足,I,c1m,I,C0,又,U,cm,V,CC,(,忽略晶体管饱和压降,),所以由公式,(3.2.5),可知,最高效率为,50%,。 ,在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲,可以用傅氏级数展开为,:, i,C,=I,C0,+I,c1m,cos ,0,t+I,c2m,cos2,0,t+,=,其中,I,Cm,是尖顶余弦脉冲的高度,即集电极电流最大值。,由此 可求得在,U,cm,=V,CC,时的最高效率,=,分析可知,增大,和,g,1,的值是提高效率的两个措施,增大,1,是增大输出功率的措施。然而图告诉我们,增大,g,1,与增大,1,是互相矛盾的。导通角,越小, g,1,越大,效率越高,但,1,却越小,输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面,选取合适的导通角,。若取,=70,此时的集电极效率可达到,85.9%,而,=120,时的集电极效率仅为,64%,左右。因此,一般以,70,作为最佳导通角,可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。,例,3.1,在图,3.2.3,中,若,U,on,=0.6 V, g=10mA,V, I,Cm,=20mA,又,V,CC,=12V,求当,分别为,180, 90,和,60,时的输出功率和相应的基极偏压,V,BB,以及,为,60,时的集电极效率。,(,忽略集电极饱和压降,),解： 由图,3.2.4,可知,:,0,(60)=0.22,1,(180)=,1,(90)=0.5, ,1,(60)=0.38,因为,U,cm,=V,CC,=12V,所以,当甲类工作时,(=180),根据式,(3.2.11), (3.2.4), ,I,c1m,=0.520=10mA,Po= 1012=60 mW, V,BB,=0.6+ =1.6 V,当乙类工作时,(=90),I,c1m,=0.520=10mA, P,o,= 1012=60mW,V,BB,=0.6V,当丙类工作时,(=60),I,c1m,=0.3820=7.6mA,P,o,= 7.612=45.6mW,I,C0,=0.2220=4.4mA, = , V,BB,=U,on,-U,bm,cos=U,on,-,=0.6- =-14 V,五、提高效率的途径,1.输出功率：,2.输入功率：,3.集电极耗散功率：,4.效率：,所以降低,P,c,才会有 的提高，可以减小电流流过时间，即,的减小。,5.通角 ：集电极电流流通时间的一半,甲类：180,o,、,乙类：90,o,、,丙类：90,o,，,一般取70,o,。,3.3 丙类功放的性能分析（工作状态）,一、分析目的：求能量关系,所以关键在求,i,c,和,i