第3章 高频谐振放大器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,/109,第,3,章 高频谐振放大器,本章主要内容：,（,1,）高频小信号谐振放大器,（,2,）高频谐振功率放大器,本章的重点：,（,1,）高频小信号谐振放大器的电路、工作原理和分析方法,（,2,）,C,类高频谐振功率放大器的工作原理和分析方法,（,3,）,C,类高频谐振功率放大器的外部特性,第三章 高频谐振放大器,1,3.1,高频小信号放大器,放大各种无线电设备中的高频小信号，以便作进一步的变换和处理。, 功用,分类,按频带宽度,按有源器件,窄带放大器,宽带放大器,以分立元件为主的高频放大器,以集成电路为主的集中选频放大器, 对高频小信号放大器的主要要求,2, 主要要求,增益要高，也就是放大量要大。,频率选择性要好。频带宽度和矩形系数。,工作稳定可靠。,接收机前级放大器内部噪声要小。,3.1,高频小信号放大器,因为放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力就越强。, 功用,分类,3,典型高频小信号谐振放大器实际线路,（,1,）直流偏置电路,4,典型高频小信号谐振放大器实际线路,（,2,）高频交流等效电路,放大器组成,输,入回路,晶体管,输出回路,LC,并联谐振回路，输出变压器 及负载,Y,L,由输入变压器构成，隔离信号源与放大器间的直流联系，能耦合交流信号，同时还能实现阻抗的匹配与变换。,是放大器的核心，电流控制和放大作用。,输入回路,晶体管,输出回路,5,二、放大器性能分析,1, 晶体管的高频等效电路,(1),混,等效电路,注意：,:,可能会引起放大器自激。,:,共基电路中引起高频负反馈，降低晶体管电流放大倍数。,和,在高频运用时不利！,b,c,e,6,+,u,be,-,+,u,ce,-,1, 晶体管的高频等效电路,(2)Y,参数等效电路,Y,参数方程,代表晶体管正向传输能力。,代表晶体管内部反馈作用。,b,c,e,阻抗,R,：,U=IR,导纳,Y,（或,G,）,：,I=YU,7,(3)Y,参数方程,1.,晶体管的高频等效电路,(2)Y,参数等效电路,输入导纳：,输出导纳：,正向传输导纳：,反向传输导纳：,近似于,g,m,跨导或电导,8,在忽略 及满足 时，,Y,参数与混,参数之间的关系为 ：,二、放大器性能分析,Y,参数方程,Y,参数与,工作频率有关，是频率的复函数。,当放大器工作在窄带时，,Y,参数变化不大，可将,Y,参数看作常数。,说明：,Y,re,的反馈，使放大器存在着工作不稳定的问题。,9,二、放大器性能分析,2.,放大器的性能参数,(1),输入导纳,Y,i,(2),输出导纳,Y,o,(3),电压放大倍数,K,(4),通频带,B,0.707,(5),矩,形系数,K,r0.1,10,(1),输入导纳,2.,放大器的性能参数,第一项为晶体管内部参数；,第二项是反向传输导纳,Y,re,引入的。,电流源的内导纳,信号源,电流源,负载导纳,11,(1),输入导纳,(2),输出导纳,2.,放大器的性能参数,第一项为晶体管内部参数；,第二项是反向传输导纳,Y,re,引入的。,12,高频等效电路,2.,放大器的性能参数,交流等效电路,忽略管子内部的反馈，即,Y,re,=0,。,(3),电压放大倍数,K,V,由右边电路可知,13,(3),电压放大倍数,K,0,令,对应谐振,阻抗,R,0,14,(3),电压放大倍数,K,0,谐振时放大器电压增益,:,15,2.,放大器的性能参数,(4),通频带,其中：,(3),电压放大倍数,考虑内参数,16,(4),通频带,(5),矩,形系数,单调谐回路放大器，,故,:,K,r0.1,=9.95,(3),电压放大倍数,2.,放大器的性能参数,17,三、多级谐振放大器,在应用时，多级放大器满足增益及频率选择性等方面的要求。,1,多级单调谐放大器,（,2,）设各级谐振时的电压放大倍数为,K,01,、,K,02,、,、,K,0,n,，则总的电压放大倍数：,（,1,）各级放大器的谐振频率相同；,单级放大器归一化频率特性,（,3,）设多级放大器各回路的带宽及,Q,值相同，即,相同，,多级放大器归一化频率特性,18,1,多级单调谐放大器,随着,n,的增加，总带宽将减小，矩形系数有所改善。,多级放大器频率特性：,通频带：,矩形系数：,19,2.,多级双调谐放大器,采用多级双调谐放大器可以改善放大器的频率选择性。,设各级均采用同样的双回路，并选择临界耦合。,单级双调谐回路归一化频率特性,多级双调谐回路归一化频率特性,20,2.,多级双调谐放大器,21,(b),总特性,3.,参差调谐放大器,目的是增加放大器总的带宽，同时又得到边沿较陡峭的频率特性。,(a),单、 双回路特性,多级参差调谐放大器，就是各级的调谐回路和调谐频率都彼此不同。,双回路,单回路,22,3.,参差调谐放大器,图,3-9,电视机高频放大器的简化电路,输入电路：,采用单调谐回路,.,输出电路：,采用双调谐回路,.,23,四、高频谐振放大器的稳定性,1.,放大器的稳定性,谐振放大器中存在不稳定性问题。,因为晶体管 的反馈，使放大器引起自激！,放大器输入导纳：,忽略 的影响,24,1,放大器的稳定性,分析,当,0,时，,0,时,0,Y,ir,的电导为正，是负反馈,;,四、高频谐振放大器的稳定性,25,+,-,u,i,2.,提高放大器稳定性的方法,从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳,Y,re,。,从电路上消除晶体管的反向作用，使它单向化。,（,1,）中和法,中和法,失配法,26,2.,提高放大器稳定性的方法,根据电桥平衡：,中和条件：,（,1,）中和法,27,2.,提高放大器稳定性的方法,中和法的局限性：,中和电容,C,n,只能在某一个频率点起到完全中和的作用，对其它频率只能有部分中和作用。,如果再考虑到分布参数的作用和温度变化等因素的影响，则中和电路的效果是很有限的。,中和法应用较少，一般用在某些收音机电路中。,28,某收音机实际电路,2.,提高放大器稳定性的方法,中和法的应用,29,2.,提高放大器稳定性的方法,（,2,）失配法,输入导纳：,（共基电路输入导纳较大！）,30,2.,提高放大器稳定性的方法,（,2,）失配法,通过增大负载导纳，进而增大总回路导纳，使输出电路失配，输出电压相应减小，对输入端的影响也就减小。,因此，失配法是用牺牲增益来换取电路的稳定。,31,四、高频谐振放大器的稳定性,考虑外部反馈引起的不稳定性！,电磁干扰的耦合途径：,（,1,）电容性耦合,（,2,）电感性耦合,（,3,）公共电阻耦合,（,4,）辐射耦合,接地问题：是控制干扰的重要方法。,32,五、高频集成放大器,1 .,优点：,线路简单、 性能稳定可靠、 调整方便等， 应用越来越广泛。,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,;,2.,分类：,选频放大器，,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。,集成选频放大器，如晶体滤波器、 陶瓷滤波器或声表面波滤波器等。,集成选频放大器,只适用于固定频率的选频放大器， 图,3-10,。,33,3.,集中选频放大器组成框图,注意的问题：使集成放大器与集中滤波器之间实现 阻抗匹配。,在滤波器之前加一前置放大器，以补偿滤波器的衰减。,（,1,）,（,2,）,34,3.2,高频功率放大器的原理与特性,是放大高频信号，并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。,便携式发射机：毫瓦级； 无线电广播电台：几十千瓦， 甚至兆瓦级。,1,、主要功用,2,、输出功率,3,、效率,A(,甲,),类状态（,max,= 50%,）,;,B(,乙,),类状态（,max,78.5,）；,C(,丙,),类状态，高频功率放大器多工作在此状态。,高频功率管内部结构,35,高频功率管内部结构,36,高频功率管外部结构,(,a,),和,(,b,),为,四引线,结构，其中两条引线为发射极,(,宜接成共发组态,),或基极,(,宜接成共基组态,),，目的是减小输入和输出公共极端点上的引线电感。,(,c,),和,(,d,),为,两线,结构，金属底座为基极或发射极，宜接成共基组态或共发组态。,在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率管不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。,37,工作频率,相对频宽,负载,高频功放,很高。,几百,KHz ,几百,MHz,甚至几万,MHz.,很窄,一般采用选频网络,低频功放,低。,一般在,20 Hz 20 KHz.,宽,不能采用调谐负载,， 而要用电阻、 变压器等非调谐负载。,3.2,高频功率放大器的原理与特性,5,、分析方法,近似条件下进行，折线分析法。,4,、高频功放与低频功放的区别,共同点都要求输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，因此存在着本质的区别。,38,一、工作原理,图,3-12,晶体管高频功率放大器的原理线路,电路组成：,晶体管,谐振回路,输入回路,常采用平面工艺制造的,NPN,高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流。,基极偏置电压,U,BB,应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。,如何保证工作在,C,类？,39,3.2,高频功率放大器的原理与特性,一、工作原理,u,be,=,U,BB,+,U,b,cos,t,1,电流、 电压波形,设输入信号为：,则基极回路电压：,由晶体三极管的转移特性曲线可得到,i,c,的波形，如图,:,40,尖顶余弦脉冲,周期性的尖顶余弦脉冲！,折线化分析法,41,（,1,）当,180,时，放大器工作于,A(,甲,),类,;,（,2,）当,0180,时，为,AB(,甲乙,),类,;,（,3,）当,90,时，为,B(,乙,),类,;,动画,当,90,时，为,C(,丙,),类。 对于高频功放，通常,90,。,42,一、工作原理,i,c,=,I,c0,+,I,c1,cos,t,+,I,c2,cos,2,t,+,I,cn,cos,nt,+,直流,基波,二次谐波,n,次谐波,i,c,付里叶分解：,43,一、工作原理,i,c,=,I,c0,+,I,c1,cos,t,+,I,c2,cos2,t,+,I,cn,cos,nt,+,式中：,余弦脉冲的分解系数,：,0,(,),、,1,(,),、,n,(,),，,数值见附录。,44,一、工作原理,并联回路谐振频率,0,等于激励信号频率,时，回路对,频率呈现一大的谐振阻抗,R,L,。,i,c,=,I,c0,+,I,c1,cos,t,+,I,c2,cos,2,t,+,I,cn,cos,nt,+,回路输出电压：,集电极电压：,45,U,BB,U,CC,C,类高频功放的电流、电压波形,当集电极回路调谐时，,u,bemax,、,I,cmax,、,u,cemin,是同一时刻出现,46,一、工作原理,1,电流、 电压波形,2,高频功放的能量关系,P,0,P,1,P,c,P,c,变为耗散在晶体管集电结中的热能。,(,输出功率,),(,集电极电源供给的直流输入功率,),(,集电极损耗功率,),(,集电极效率,),47,一、工作原理,2,高频功放的能量关系,集电极效率,波形系数：,集电极电压利用系数：,A,类,180,1,50%,B,类,90,1.57,78.5%,C,类,1.57,可以更高,A,、,B,、,C,类放大器效率比较,48,3.2,高频功率放大器的原理与特性,一、工作原理,2,高频功放的能量关系,集电极效率：,如何,提高效率,？,提高电压利用系数,，即提高,U,c,，通常由,R,L,来实现。,提高波形系数,，,与,有关。,49,为兼顾,P,1,和,，通常选,在,65 75,范围。,分析,:,、,0,、,1,、,2,、,3,与,的关系,越小，,越大，效率,越高，但,太小时，,1,(,),将降低，输出功率将下降。,50,例题：,某高频谐振功率放大器工作于临界状态，输出功率,P,1,=6W,，集电极电源,U,CC,=24V,，集电极电流直流分量,I,c0,=300mA,，电压利用系数 。,计算直流电源提供的功率,P,0,，功率放大器的集电极损耗功率,P,c,，效率 及负载电阻,R,L,51,二、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,：当加上激励信号及接上负载阻抗时，晶体管集电极,电流,i,c,与电极电压,(,u,be,或,u,ce,),的关系曲线。,近似分析方法,非谐振功放,丙类,谐振功放,集电极负载,纯电阻,谐振回路，含电抗元件,求,功率性能,图解法,准静态分析法,要 点,求,负载线,求,动态线,52,( 1 ),使用条件,两假设,谐振回路滤波特性理想,1, 高频功放的动特性,功率管特性用,输入,和,输出静态特性曲线,表示，其参变量采用,u,be,(,而,不是通常的,i,B,),。,53,( 2 ),分析步骤,求动态点，画波形；,连动态线，画,i,C,波形；,谐振功率放大器的,分析,二、高频谐振功率放大器的工作状态,1, 高频功放的动特性,( 1 ),使用条件,两假设,图 谐振功率放大器的近似分析方法,54,(,1,),求动态点，画波形,图 谐振功率放大器的近似分析方法,设定,U,BB,、,U,b,、,U,CC,、,U,c,，,将,t,按等间隔,(,t,=,0,，,15,，,30,，, ,),给定数值，,由,便可确定,u,be,和,u,ce,。,二、高频谐振功率放大器的工作状态,1, 高频功放的动特性,55,(,2,),连动态线，,画,i,C,波形,图谐振功率放大器的近似分析方法,根据,u,BE,和,u,CE,值，在输出特性曲线上,(,以,u,BE,为参变量,),找对应的动态点，画动态线,(,动态点的连线,),，由此可确定,i,C,的波形。,不到,U,CC,，,因为导通角小于,。,(,1,),求动态点，画波形,二、高频谐振功率放大器的工作状态,1, 高频功放的动特性,56,动态特性曲线的画法,(,晶体管的特性用折线近似,),，,A,点,。,，,C,点。,，,Q,点,。,动画,A,C,Q,B,A,、,B,、,C,三点连线即为高频功放的动特性曲线。,57,高频功放的动特性,（画电压波形）,B,点：,A,点：,(,，,),C,点：,Q,点：,A,、,B,动态线斜率：,58,高频功放的动特性,（画电流波形）,59,2,高频功放的工作,状态,欠压,状态,临界,状态,过压,状态,60,当,U,BB,、,U,b,、,U,CC,不变，,U,c,由,小变大，,动态,点,左移。,变小；,（,3,）临界状态：,有下凹,（,1,）,A,、,B,动态线斜率,（,2,）静态点,Q,位置不变,！,欠压 临界 过压,B,A,DA,3,B,3,过压时的动态线！,61,2,高频功放的工作,状态,当,U,BB,、,U,b,、,U,CC,不变，,U,c,由,小变大，,动态,点,左移。,欠压,状态,U,c,的取值，使所对应的动态点均处在放大区。,临界,状态,U,c,增大，使,t,=,0,所对应的动态点,A,处在临界点，,i,Cmax,略微减小。,过压,状态,U,c,继续增大，使,A,(,t,=,0,),动态点处在饱和区，,i,C,迅速减小，电流脉冲出现凹陷，,V,c,增大，凹陷加深。,谐振功放的工作状态,62,2, 高频功放的工作状态,欠压状态,临界状态,过压状态,当,U,c,加大到接近,U,cc,时，,u,cemin,将小于,u,bemax,，此瞬间不但发射结处于正向偏置，集电结也处于正向偏置，即工作在饱和状态，这种状态称为,过压状态,。,当动特性曲线的上端正好位于电流下降线上，此状态称为,临界状态,。,保证这一状态所需的集电极负载电阻,R,L,称为最佳负载电阻，一般用,R,Lcr,表示。,如何判断工作状态？,这是高频功放中所特有的一种状态和特有的电流波形。,63,2,高频功放的工作状态,若满足,u,cemin,u,ces,时，功放工作在,欠压,状态,;,若,u,cemin,=,u,ces,，功放工作在,临界,状态,;,若,u,cemin,P,c,V,(BR)CEO, 2,V,cc,根据工作状态、指标要求确定电路。,106,滤波匹配网络设计,以末级输出网络为例，分为三个网络的组合进行分析。,107,网络,：取,Q,e1,= 3,，,设,R,e1,= 150,。,网络,：取,Q,e2,= 2,，,C,e10,= 10,pF,，,并设,R,e2,= 35,。,网络,：取,Q,e3,= 3,，,功率管的大信号输出阻抗,R,e,(,= 98,),和,C,0,(,= 20,pF,),。,108,五、安装调试,1,调整输入滤波网络达到谐振与匹配，,I,C0,显示最大，功率计显示也由小增大。,2,调整输出滤波网络达到谐振与匹配，,I,C0,减为最小，功率计显示达到最大值。,109,