第 3 章高频谐振放大器

第 3 章高频谐振放大器

第 3 章高频谐振放大器 3.1 高频小信号放大器 3.2 高频功率放大器的原理和特性 3.3 高频功率放大器的高频效应 3.4 高频功率放大器的实际线路

3.5 高频功放、功率合成与射频模块放大器　　要求掌握高频小信号放大器等效电路及分析方法，高频功率放大器的原理、高频效应，分析高频功放、功率合成与射频模块放大器的实际线路。

第 3 章高频谐振放大器3.1 高频小信号放大器

　　高频小信号谐振放大器的功用就是放大各种无线电设备中的高频小信号。高频小信号放大器的特点① 频率较高中心频率一般在几百 kHz 到几百 MHz 频带宽度在几 khz 到几十 MHz

② 小信号信号较小故工作在线性范围内 ( 甲类放大器 )

第 3 章高频谐振放大器高频小信号谐振放大器的分类按所用的材料：晶体管（ BJT) 、场效应管（ FET) 、集电电路（ IC) 按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器按电路形式：单级放大器和多级放大器按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器

谐振放大器是采用谐振回路作负载的放大器，具有放大、滤波和选频的作用。非谐振由阻容放大器和各种滤波器组成，其机构简单，便于集成。

第 3 章高频谐振放大器高频小信号放大器的主要要求： 1) 增益高； 2) 频率选择性好； 3) 工作稳定可靠； 4) 动态范围要宽。3.1.1 高频小信号谐振放大器的工作原理图 3 -- 1(a) 是一典型的高频小信号谐振放大器的实际线路。


R L2L3C

1 4

V

R b1

R b2 C b R e C e

(a )

5

R L2L

C

5

V

(b )

4

3

1

图 3 －1 高频小信号谐振放大器

(a) 实际线路; (b) 交流等效电

路

第 3 章高频谐振放大器3.1.2 放大器性能分析

1 ．晶体管的高频等效电路下图是晶体管在高频运用时的混 Π 等效电路 , 它反映了晶体管中的物理过程 , 也是分析晶体管高频时的基本等效电路。

Cb'e

rbb'

Cb'c

rb'c

rb'eub'e rcegm ub’e

e

b' rce

rb'c

ree

Cb'e

Cb'c

rbb'rb'e

c

rcc

bgm ub’e

第 3 章高频谐振放大器混合 π 型等效电路　上图中各元件名称及典型值范围如下：ｒ bb′ ：基区体电阻 , 约１５ Ω ～５０ Ω 。ｒ b′e ：发射结电阻 re 折合到基极回路的等效电阻 , 约几十欧到几千欧。ｒ b′c ：集电结电阻 , 约１０ kΩ ～１０ MΩ 。ｒ ce ：集电极—发射极电阻 , 几十千欧以上。　ｃ b′e ：发射结电容 , 约１０皮法到几百皮法。ｃ b′c ：集电结电容 , 约几个皮法。ｇ m ：晶体管跨导 , 几十毫西门子以下。

第 3 章高频谐振放大器混合 π 等效电路中，电容，电阻并联，在一定的频率下：• rbc 与 Cbc 引起的容抗相比 rbc 可视为开路。• rce 与回路负载比较，可视为开路。简化后的等效电路如图：r bb ¡ä

＋

U be¡ä.

－C g m U be¡ä

.Y ce

b

e

c

e

b¡ä

(a )

C

这是对工作频率较高时的简化电路，对工作频率范围不同时，等效电路可进行不同的简化。频率低时可忽略电容的作用。


U be

.

－

Y oe

b

e

c

e

(b )

＋

Y ie

－

＋

Y re U ce

.Y fe U be U ce

..

图 3 ─ 2 晶体三极管等效电路 (a) 混 Π 等效电路 ; (b) Y 参数等效电路由图 3 ─ 2(b) 可以得到晶体管 Y 参数等效电路的 Y 参数方程

coebfec

crebieb

UYUYI

UYUYI


输入短路时的输出导纳0uce

2oe

beui

y

输出短路时的输入导纳0ube

bie

ceui

y

由上可求出各 Y参数:

注意：以上短路参数为晶体管本身的参数，只与晶体管的特征有关，与外电路无关，又称为内参数。

导纳输出短路时的正向转输0ube

cfe

ceui

y

导纳输入短路时的反向转输0uce

bre

beui

y

ceoebefec

cerebeieb

uyuyiuyuyi


1

1

1

1

iebb

bb moe

bb

mfe

bb

ure

bb

j CY

j C rj C r gY j C

j C rgY

j C rj C

Yj C r

(3 ─ 1)

(3 ─ 2)

(3 ─ 3)

(3 ─ 4)

在忽略 rb′e 及满足 Cπ»Cμ 的条件下 , Y 参数与混 Π 参数之间的关系为

第 3 章高频谐振放大器2 ．放大器的性能参数

忽略管子内部的反馈 , 即令 Yre =0,

ISY S

＋

－

U b

.

Ib

.

Y ie

＋

－

U c

.

Y re U c

.Y feU b

.

Ic

.

Y L¡äY oe.

图 3 ─ 3 图 3 ─ 1 高频小信号放大器的高频等效电路

cLc

bSSb

UYI

UYII得：


(3) 输出导纳 Yo

(1) 电压放大倍数 K

(2) 输入导纳 Yi

Loe

fe

b

c

YYY

U

UK

ieS

fereoeI

c

co YY

YYY

U

IYS

0

(另一种形式)

Loe

refeie

b

bi YY

YYY

U

IY

Yi Yo

第 3 章高频谐振放大器 (4) 通频带 B 0.707

L

o

QfB 707.0

0.1 9.95K

(5) 矩形系数为

　　放大器的电压增益下降到最大值的 0.7 （即 1/ ) 倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用 B0.707 表示。 2f0.7 也称为 3分贝带宽。

2

f

AV/AVo

2f0.1

2f0.7

理想

0.1

0.7

1

实际

K/Ko


1. 单调谐回路谐振放大器

附图 1 单调谐回路谐振放大器

附：晶体管谐振放大器


附图 2 单调谐放大器高频等效电路

2. 放大器的等效电路及其简化

Ub

第 3 章高频谐振放大器为分析的简化，假设晶体管 yre=0 。其简化的等效电路如图 (a) 所示

设 T1 、 T2 是同型号的晶体管，电感线圈的电感量为 L ，在工作频率时的空载品质因数为 Qo ，则4512

0 1 20 0 13 13

1 ;

ie ie ie oe oe oe

NNg p pLQ N N

y g j C y g j C

第 3 章高频谐振放大器3. 放大器的技术指标(1) 电压增益 K

放大器谐振时1 2

01 fep p y

KgLC

LjCjg

ypp

U

UK

CpCCpC

gpggpg

fe

b

o

ieoe

ieooe

1

21

22

21

22

21

第 3 章高频谐振放大器(2) 谐振曲线放大器的谐振曲线是表示放大器的相对电压增益与输入信号频率的关系。

00

00

20

1 1 12 111 ( )

1

1

LL

KfK jjQjQ

f

KK


(3) 放大器的通频带

20

0.7

0

0.7 0

1 121

21

2 /

L

L

KK

fQ

ff f Q


0.10.1

0.7

20

0.1

0

0.1 0

0.1

22

1 1101

2 100 1

2 99

99

L

L

fK

f

KK

fQ

f

f f Q

K

(4) 放大器的矩形系数

第 3 章高频谐振放大器例 1 ：在图中晶体管 3DG39 的直流工作点是 UCE ＝ 8V ， IE＝ 2mA ，工作频率 f0=10.7MHz ；调谐回路采用中频变压器，L13=4uH ， Qo=10 ，其抽头为 N23=4 匝， N13=20 匝， N45=5匝，试计算放大器的下列各值： (1) 回路有载品质因数 QL 和带宽 B0.7(2) 放大器的电压增益和功率增益。晶体管 3DG39 的参数为： gie=2860uS ， Cie=18pF ， goe=200uS ， Coe=7pF ， |Yfe|=32mS ， Yre=0 。设下级也为相同晶体管。


高频小信号谐振放大器的仿真与性能分析 pspice example/exam1.sch

第 3 章高频谐振放大器 3.1.3 高频谐振放大器的稳定性 1 ．放大器的稳定性

高频谐振放大器中，造成工作不稳定的主要因素是由于晶体管集基间电容 Cb’c 的反馈，也就是通过 Y 参数等效电路中反馈导纳 Yre 的反馈。它将给电路的调试带来麻烦，使放大器工作不稳定。忽略 r bb′ 的影响 , 则

ure

mfe

CjY

gY

'

'

1

1

bbre

bb

mie

rCjCj

Y

rCjgY


将 Yoe 归入负载中 , 并考虑谐振频率 ω0 附近情况 , 有 )21(0

LLLoe QjGYY

则

当回路谐振时 Δω=0 ， Yir 为一电容；当 ω>ωo 时，Yir 的电导为正，是负反馈；当 ω<ωo 时， Yir 的电导为负，是正反馈，这将引起放大器的不稳定。

Loe

refeie

b

bi YY

YYY

U

IY

)21()21(0

0

0

0

LL

mu

LL

muir

QjC

gCjQjC

gCjY


第 3 章高频谐振放大器 2. 提高放大器稳定性的方法

一是从晶体管本身考虑，减小其反向传输导纳 Yre, 二是从电路上设法消除晶体管和反向作用，使其单向化。中和法：下图就是利用中和电容 Cn 的中和电路。为了抵消 Yre 的反馈 , 从集电极回路取一与反相的电压 , 通过Cn 反馈到输入端。根据电桥平衡有

100

200

11 LjCj

LjCj ncb

则中和条件为

cU

nU


～

B A

Ui CN

+

–

Uo

Cbc

C

D

L1

L2

A

～

L1 L2

B

Cbc

CN

Ui

+ – + –

(a)


L 1L 2

U c

.

＋

－

C n

U o

.

E c

V 2

(b )

V 1

图 3 ─ 5 中和电路

(a) 原理电路 ; (b) 某收音机实际电路


V 1V 2

Y S Y LY i¡ÖY ie

Y o¡ÖY ob £ Y fbY rb

Y ib

图 3 ─ 6 共发—共基电路

失配法通过增大负载导纳，进而增大回路总导纳，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，即失配法是用牺牲增益来换取电路的稳定。常用的失配法是用两只晶体管按共发—共基方式连接成一个复合管。

第 3 章高频谐振放大器使 Yi = yie，即使后项 0 ，则必须加大 YL

oeL yy ' 'Loe

refeiei Yy

yyyY

iessie

refeoeo yy

yyyy

yY

ie

refeoeo y

yyyY

第 3 章高频谐振放大器中和法与失配法比较中和法：优点：简单，增益高缺点：① 只能在一个频率上完全中和，不适合宽带 ② 因为晶体管离散性大，实际调整麻烦，不适于批量生产。 ③ 采用中和对放大器由于温度等原因引起各种参数变化没有改善效果。失配法：优点：①性能稳定，能改善各种参数变化的影响； ②频带宽，适合宽带放大，适于波段工作； ③生产过程中无需调整，适于大量生产。缺点：增益低。


DR 3R 1

R 4R 2

£«

£

G 2

G 1

S

£«E c

u oC S

R S

V

图 3 ─ 7 双栅场效应管调谐放大器

在场效应管放大器中也存在着稳定性问题，这是由于漏极的电容构成输出和输入之间的反馈。

第 3 章高频谐振放大器 3.1.4 多级谐振放大器 1 ．多级单调谐放大器

多级单调谐放大器的谐振频率相同 , 均为信号的中心频率。放大器总的电压放大倍数为

nKKKK 002010 (3 ─ 13)

211

a (3 ─ 14)

2/2 )1( nna (3 ─ 15)

单振荡回路的归一化频率特性为

有 n 个回路的多级放大器的归一化频率特性为



2. 多级双调谐放大器

2/4

)4

1( nna (3 ─

16) 3. 参差调谐放大器

图 3 ─ 8 是采用单调谐回路和双调谐回路组成的参差调谐放大器的频率特性。图 3 ─ 9 示出了一彩色电视机高频头的调谐放大器的简化电路。



C 2

C 1

AGC

G 2

G 1

DV

S

E c

C 3

图 3 ─ 9 电视机高频放大器的简化电路


3.1.5 高频集成放大器高频集成放大器有两类 : 一种是非选频的高频集

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 ; 另一种是选频放大器 , 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。

图 3 ─ 10(a) 中 , 集中选频滤波器接于宽带集成放大

器的后面。图 3 ─ 10(b) 是另一种接法。


(a )

(b )

前置放大器

集中滤波器

宽带放大器

宽带放大器

集中滤波器

图 3 ─ 10 集中选频放大器组成框图

第 3 章高频谐振放大器图 3 ─ 11 示出了 Mini Circuits公司生产的一集成

放大器 MRA8 的应用电路， MRA8 是硅单片放大器 , 其主要指标见表 3 ─ 3 。

A 2

C 2

L 1 L 2

A 1

C 1

MRA8

u i

50 50

u o

C 3

R 1 R 2

220 14 W 220 1

4 W

£«15

MRA8

C 4

图 3 ─ 11 集成选频放大器应用举例



一、二级共发 -共基级联中频放大器电路下图表示国产某调幅通信机接收部分所采用的二级中频放大器电路。

输入

C3

0.047F 3AG22680

T1

R10

R65.1k

R95.6k

2k R3 C4

0.047F

C5

0.047FR7 150

R11

10k

C6

0.04

7

F

R122.7kC9

0.047F

3AG22T2

C7

560p

FC8

56p

F Tr1 3AG22

T3R16

5.1k

R13

1.5k

R14 200

2k

R15C10

0.047F 0.047F

C11

3AG22T4

R17 5.1k R18

0.047F

C12

–15V

输出R19

10k

R20

5. 1

k C13 C14

560p

F

560p

F

Tr2

–15V稳压–8V

附：调谐放大器的常用电路与集成电路谐振放大器

第 3 章高频谐振放大器二、由 MC1590 构成的选频放大器：器件 MC1590 具有工作频率高，不易自激的特点，并带有自动增益控制的功能。其内部结构为一个双端输入、双端输出的全差动式电路。

器件的输入和输出各有一个单谐振回路。输入信号 V1 通过隔直流电容C4 加到输入端的引脚“ 1” ，另一输入端的引脚“ 3” 通过电容 C3 交流接地，输出端之一的引脚“ 6” 连接电源正端，并通过电容 C5 交流接地，故电路是单端输入、单端输出。由 L3 和 C6 构成去耦滤波器，减小输出级信号通过供电电源对输入级的寄生反馈。

C2

L2 C2

Vi

RL

V0

C6

+12V

L3

3

2

1 8 7 6

4 5

MC1590

C5 V(AGC)

C3

C4


三、 MC1110 制成的 100MHz 调谐放大电路 MC1110 集成块是一种适合于放大频率高达 100MHz 信号的射极耦合放大电路，其内部电路及由它制成的 100MHz 调谐放大器的实用电路如图所示。片内电路如虚线框内所示，两只晶体管 VT1 和 VT2 组成共集一共基组合放大电路，使电路的上限截止频率得以提高，且输入、输出阻抗均较高，故对外接调谐回路的影响减小。

Re

5 –9V

C

L1

C2 1

2 MC1110

3

4

C5

C3

L2

C4

RL

V0

+5V

VT1 VT2 vi

C1

第 3 章高频谐振放大器•片内电容 C约 30pF ，跨接在 VT1 的集电极与 VT2的基极之间，对于 100MHz 以上的工作频率， C的容抗较小，以构成这两极间的高频短路，使 VT1 的集电极在管内经 C至 VT2 的基极，形成良好的高频接地，实现共集—共基（ CC—CB）放大对。•由 C1、 C2 、 L1 构成的回路调谐于信号频率，为了减弱信号源对回路的影响，信号是部分接入的。•L1 、 C3 、 C4 组成并联谐振回路， RL 是负载，阻值较小，也是部分接入回路的。


3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的主要功用是放大高频信号 , 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。高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。相同点：要求输出功率大和效率高。　相异点：负载特性负载特性：低频功放工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，因此用谐振回路作负载。工作工作状态：状态：低频功放工作于甲类或乙类。高频功放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。分析方法：分析方法：低频功放


利用晶体管实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流 ic 为脉冲电流，因此用折线近似法。高频功率放大器的主要特点：工作在高频状态和大信号非线性状态。 3.2.1 工作原理图 3 ─ 12 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。


u c

CR

Lu ce＋－u be

＋

－u b

E b E c

u ()

ib

ic

－

＋

V

图 3 ─ 12 晶体管高频功率放大器的原理线路


1 ．电流、电压波形

设输入信号为

tUEu

tUu

bbbe

bb

cos

cos

则由图 3 ─ 12 得基极回路电压为

(3 ─ 17) 由晶体三极管的转移特性曲线可得到集电极电流的

波形，如图 3—13 。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 , 即

tnItIIi cnccoc coscos1 (3 ─ 18)


图 3—13 集电极电流的波形


)1()()coscos1)(1(

cossin2cossin2

)()cos1(

cossin

)()cos1(

cossin

max2max

1maxmax1

0maxmax

nainn

nnniI

aiiI

aiiI

ncccn

ccc

ccco

(3 ─ 19b)

(3 ─ 19a)

(3 ─ 19c)

α0(θ) 、 α1(θ) 、 αn(θ) 分别称为余弦脉冲的直流、基波、 n次谐波的分解系数 , 数值见附录。


图 3—14 C 类高频功放的电流、电压波形

第 3 章高频谐振放大器输入回路：　　　 ube=Eb+ub=Eb+Ubcosωt

输出回路： uce=EC-uc=EC-Ic1RLcosωt=EC-Uccosωt

导通角：'

cos b b

b

E EarcU


2 ．高频功放的能量关系

在集电极电路中 , 谐振回路得到的高频功率 ( 高频一周的平均功率 ) 即输出功率 P1 为

L

cLcc R

URIUIP c

22

11 21

21

21

1 (3 ─ 22) 集电极电源供给的直流输入功率 P0 为

cc EIP 00 (3─ 23)直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极

损耗功率 Pc, 即10 PPPc (3─ 24)

第 3 章高频谐振放大器 Pc 变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率 η 为

11

0 0

1 12 2

c c

c c

I UPP I E

(3 ─ 25)

由式 (3 ─24) 、 (3 ─ 25)可以得到输出功率 P1 和集电极损耗功率 Pc 之间的关系为 1 1 1

cPP

(3 ─ 26)

提高效率 η 的两种途径：一是提高电压利用系数 ξ ，即提高 Uc ，这靠提高回路谐振阻抗 RL 来实现；二是提高波形系数 γ ， γ 与 θ 有关，见图3—15 。


bbd UIP 121

(3 ─ 27)

高频功放的功率放大倍数为 d

p PPK 1 (3 ─

28)

用 dB 表示为 )(10 1 dBPPLgK

dp (3 ─ 29)

设其基波电流振幅为 I b1, 且与 ub 同相 ( 忽略实际存在的容性电流 ), 则激励功率为



例 2 ：某谐振功率放大器，已知 Ec=24V ，输出功率 P1=5W ，晶体管集电极电流中的直流分量 Ico=250mA ，输出电压 Uc=22.

5V, 试求：直流输入功率 Po ；集电极效率 η ；谐振电阻 RL ；基波电流 IC1 ；导通角 θ 。


3.2.2 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是指当加上激励信号及接上负载阻抗时 , 晶体管集电极电流 ic 与电极电压 (ube 或 uce) 的关系曲线 , 它在 ic～ uce 或 ic～ ube坐标系统中是一条曲线。动特性曲线的斜率为

max 2(1 cos ) (2 sin 2 )

c

c L

iU R

动特性曲线不仅与 RL 有关，而且与 θ 有关。



2 ．高频功放的工作状态高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态 Uc 由小到大增加时，欠压状态： ICO 、 IC1 基本不变，则 P0 基本不变， P1 增大临界状态：有较大的 IC1 和 UC ，所以 P1最大过压状态： ICO 、 IC1 均小于欠压状态的值，则 P0 、 P1

下降。欠压状态：判据：临界状态：过压状态：

min

min

min

ce ces

ce ces

ce ces

u uu uu u


三种工作状态


图 3—17 过压状态的 ic 波形


3.2.3 高频功放的外部特性高频功放是工作于非线性状态的放大器 , 同时也可以看成是一高频功率发生器 ( 在外部激励下的发生器 ) 。 1 ．高频功放的负载特性负载特性是指只改变负载电阻 RL, 高频功放电流、

电压、功率及效率 η 变化的特性。图 3 ─ 18(b) 是根据图 3 ─ 18(a) 而得到的功率、效

率曲线。


RL 变化时的 ic 波形


图 3—18 高频功放的负载特性

第 3 章高频谐振放大器高频功放三种工作状态的特点：临界状态输出功率最大，效率也较高，通常应选择在此状态工作。过压状态的特点是效率高、损耗小，并且输出电压受负载电阻 RL 的影响小，近似为交流恒压源特性。欠压状态时电流受负载电阻 RL 的影响小，近似为交流恒流源特性，但由于效率低、集电极损耗大，一般不选择在此状态工作。2 ．高频功放的振幅特性

高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅 Ub

时 , 放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。


第 3 章高频谐振放大器放大振幅变化的高频信号时，选择 θ=900 的乙类状态。放大等幅信号时，选择在过压状态工作。3. 高频功放的调制特性 1) 基极调制特性基极调制特性是指仅改变 Eb 时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。 2) 集电极调制特性集电极调制特性是指仅改变 Ec 时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在基极调制特性中，应选择在欠压状态工作；在集电极调制特性中，应选择在过压状态工作。


图 3—20 高频功放的基极调制特性


图 3—21 高频功放的集电极调制特性

第 3 章高频谐振放大器 4. 高频功放的调谐特性高频功放的外部电流 ICO 、 IC1 和电压 UC 等随回路电容 C 的变

化特性称为调谐特性，利用这种特性可以指示放大器是否调谐。

第 3 章高频谐振放大器例 3 ：谐振功率放大器工作于临界状态，晶体管的 gc=10mS ， Eb’=0.5V ，饱和临界线的斜率 gcr=6.94mS ， Ec=24V ， Eb=-0.

5V ，基极激励电压振幅 Ub=2V ，试求： θ 、 Uc 、 .Po 、 P1 、 η 、 RL

例 4 ：某谐振功率放大器， Eb=-0.2V ， Eb’=0.6V ， gcr=0.4

S ， Ec=24V ， RL＝ 50Ω ， Ub=2V ， P1＝ 1W ，试求： icm

ax 、 Uc 、 η ，并判断放大器工作于什么状态。

第 3 章高频谐振放大器3.3 高频功率放大器的高频效应

1. 少数载流子的渡越时间效应晶体管本质上是电荷控制器件。少数载流子的注入和扩散是晶体管能够进行放大的基础。少数载流子在基区扩散到达集电极需要的时间称为载流子渡越时间。



2. 非线性电抗效应功放管中存在集电结电容 , 这个电容是随集电结电压 Ube 变化的非线性势垒电容。 co CC 2 (3 ─ 30)

3. 发射极引线电感的影响

910)75.043.2(1971.0dlLgLe (3 ─ 31)

第 3 章高频谐振放大器 4. 饱和压降的影响晶体管工作于高频时 , 实验发现其饱和压降随频

率提高而加大。


3.4 高频功率放大器的实际线路

3.4.1 直流馈电线路直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明 Cb 、 Lb 的应用方法。 1. 集电极馈电线路图 3 ─ 25 是集电极馈电线路的两种形式 : 串联馈电线路和并联馈电线路。图 3 ─ 25(b) 中晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的 , 故称为并联馈电线路。


V C

C b

E c

L b

L

(a )

V

E c

(b )

C L 1

C b1

C b

L b

图 3 ─ 25 集电极馈电线路两种形式

(a) 串联馈电 ; (b) 并联馈电


2 ．基极馈电线路

基极馈电线路也有串联和并联两种形式。图 3 ─ 26 示出了几种基极馈电形式 , 基极的负偏压既可以是外加的 , 也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。


R e C b

V

C b

V

R 1

R 2

E

C b

L b

V

(a ) (b ) (c )

图 3 ─ 26 基极馈电线路的几种形式 (a) 是发射极自给偏压 ; (b) 是基极组合偏压 ; (c) 是零偏压


3.4.2 输出匹配网络

该双端口网络应具有这样的几个特点 :

(1) 以保证放大器传输到负载的功率最大 , 即起到阻抗匹配的作用 ;

(2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率 , 即有良好的滤波作用 ;

(3) 大多数发射机为波段工作。 1. LC 匹配网络图 3 ─ 27 是几种常用的 LC匹配网络。


R 2R 1

(a ) (b ) (c )

图 3 ─ 27几种常见的 LC匹配

(a) L 型 ; (b) T 型 ; (c) Π 型

第 3 章高频谐振放大器X s

X p R p

X s

X p R s X p¡äX p R p

¡ä

(a )

(b )

X s X s ¡ä

R s¡ä

图 3 ─ 28L 型匹配网络

(a) L-I 型网络 ; (b) L-II 型网络


对于 L —I 型网络有

p

p

ps

ps

XR

Q

XQ

QX

RQ

R

2

2

2

1

11

(3 ─ 32a)

(3 ─ 32b)

(3 ─ 32c)

在负载电阻 Rp 大于高频功放要求的最佳负载阻抗 RLcr时，采用本网络。谐振时，应有 Xs+Xs’=0


对于 L-Π 型网络有2

2'

2

(1 )

1

p s

p s

s

s

R Q R

QX XQ

XQ

R

(3 ─ 33a)

(3 ─ 33b)

(3 ─ 33c)

在负载电阻 Rs 小于高频功放要求的最佳负载阻抗 RLcr时，采用本网络。谐振时，应有 Xp+Xp’=0

第 3 章高频谐振放大器 L 型网络简单，但阻抗匹配时，回路的 Q值就确定了，当阻抗变换比不太大时回路 Q值低，滤波性能差，需采用 T

型、 Π 型匹配网络。 T 型、 Π 型匹配网络可看成二个 L 型网络的级联。 T 型网络的输入端有近似串联谐振回路的特性，因此不作为功放的输出电路，而常作为功放的级间耦合电路。

第 3 章高频谐振放大器下图是两种形网络是其中的形式之一 (也可以用 T型网络 ) 。图中 R2代表终端 ( 负载 ) 电阻， R1代表由 R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。

R1 C1 C2 R2

L1

(a)

2CXLQ

2R1

12LQ

1RLQ

1LX)3(

1)12LQ(

1R

2R

2R

2CX)2(

LQ

1R

1CX)1(

第 3 章高频谐振放大器下图是两种形网络是其中的形式之一 (也可以用 T型网络 ) 。图中 R2代表终端 ( 负载 ) 电阻， R1代表由 R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。

R1 C1 R2

C2

L1

(b)1)1

2LQ(

1R

2R

2R

1LX)3(

1

2CXLQ

2R

12LQ

1RLQ

2CX)2(

LQ

1R

1CX)1(

第 3 章高频谐振放大器最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。

图中，介于电子器件与天线回路之间的 L1C1 回路就叫做中介回路； RACA 分别代表天线的辐射电阻与等效电容； Ln 、 cn 为天线回路的调谐元件，它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以获得最大的天线回路电流 iA ，亦即使天线辐射功率达到最大。

Ln

C1

CA

RA

Cn

L1

r1

L2

复合输出回路 (为了简化电路，省略了直流电源及辅助元件 L 、 C 、 C 等 )

这种电路是将天线 ( 负载 ) 回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。

第 3 章高频谐振放大器图 3 ─ 29 是一超短波输出放大器的实际电路 , 它工作于固定

频率。

3DA21CC b

VC 1

L 1 L 2

C 2

£«22.5 V

图 3 ─ 29 一超短波输出放大器的实际电路

第 3 章高频谐振放大器 2 ．耦合回路

图 3 ─ 30 是一短波发射机的输出放大器，它采用互感耦合回路作输出电路 , 多波段工作。

V 1C b

C 1

L 1 L 2

C 2

K L 3

£ 24 V

M

图 3 ─ 30 短波输出放大器的实际线路

第 3 章高频谐振放大器 3.4.3 高频功放的实际线路举例

图 3 ─ 31(a) 是工作频率为 50 MHz 的晶体管谐振功率放大电路 , 它向 50 Ω外接负载提供 25 　 W 功率 , 功率增益达 7 dB 。

V L 2

E c

£«13.5 VL b

C 1

C 2

14¡«150pF

50

90¡«400 pF

L 1

L 3

32¡«250 pF

32¡«250 pF

C 3

C 450

(a )


C 5

V

R 1100k

50 5¡«30 pF L 1

5¡«33pF 15 pF

C 4 R 2

110 k

E G

E D

C 6

15 pF

L 3

C 8

C 7

5¡«33 pF

5¡«33 pF50

(b )

C 1

C 2 C 3L 2

图 3 ─ 31 高频功放实际线路

(a) 50 MHz 谐振功放电路 ; (b) 175 MHz 谐振功放电路


例 5. 如图是 L 型网络，它作为谐振功率放大器的输出回路。已知天线电阻 rA=8Ω ，线圈的 Qo=100 ，工作频率的 2MHz ，若放大器要求匹配阻抗 Rp=40Ω ，试求 L 、 C值

第 3 章高频谐振放大器3.5 高频功放、功率合成与

射频模块放大器

3.5.1 D 类高频功率放大器 1. 电流开关型 D 类放大器

图 3 ─ 32 是电流开关型 D 类放大器的原理线路和波形图，线路通过高频变压器 T1, 使晶体管 V1 、 V2获得反向的方波激励电压。


CAL

R L

T 2

ic1

ic2

V 1

V 2

0

T 1

ic1

t0(b )

ic2

t0(c )

u ce 1

t0(d )

u ce s

u ce 2

t0(e )

u ce s

u A

t0( f )U M

U M £ u ce s

£ 3/2 £ /2 /2 3/2

(a )E c

图 3 ─ 32 电流开关型 D 类放大器的线路和波形


ccescesmcescesm EuuUtdutuU )(2]cos)[(1 2

2

由此可得

)()(2

)(2

cesccesmm

cescescm

uEuUU

uuEU

集电极回路两端的高频电压有效值为

集电极回路两端的高频电压峰值为

( )2 2cm

ceff C cesUU E u

(3 ─ 36)

(3 ─ 35)

(3 ─ 34)

第 3 章高频谐振放大器 V1(V2) 的集电极电流为振幅等于 Ic0 的矩形 , 它的基频分量振幅等于 (2/π)Ic0 。 V1 、 V2 的 ic1 、 ic2 中的基频分量电流在集电极回路阻抗 R’L( 考虑了负载 RL 的反射电阻 ) 两端产生的基频电压振幅为

222

1

2

)(22

1

)(22

)2(

cescLL

cm

cescLL

cmco

Lcocm

uERR

UP

uERR

UI

RIU

将式 (3 ─ 35)代入式 (3 ─ 37), 得

输出功率为 (3 ─ 39)

(3 ─ 38)

(3 ─ 37)


%100%100

)(2

)(2

0

1

2

10

2

0

c

cesc

cescescL

c

ccescL

coc

EuE

PP

uuER

PPP

EuER

IEP

集电极损耗功率为

(3 ─ 42)

(3 ─ 41)

(3 ─ 40)

2 ．电压开关型 D 类放大器

图 3 ─ 33 为一互补电压开关型 D 类功放的线路及电流电压波形。两个同型 (NPN) 管串联 , 集电极加有恒定的直流电压 Ec 。

输入功率为

集电极效率为


ic2

iLL0 C0

RL

V2

uce2

uce1V1T1

Ec

(a)

ic1

iLL 0 C 0

R L

E c

S

(b )

u ce2


u ce 2

tE c

0 2

iL

t0

ic1

t0

ic1 max

ic2

t0

(c )

图 3 ─ 33 电压开关型 D 类功放的线路及波形


由图可见 , 因 ic1 、 ic2都是半波余弦脉冲 (θ=90°),

所以两管的直流电压和负载电流分别为max

max

0 max

1

1

co c

L c

c co c c

I i

I i

P E I E i

两管的直流输入功率为

负载上的基波电压 UL 等于 uce2 方波脉冲中的基波电压分量。对 uce2 分解可得


max

0

max

0

2

221

2sin1

c

c

L

LL

L

ccLLL

ccL

iE

IUR

PP

iEIUP

EttdEU

负载上的功率为

可见此时匹配的负载电阻为


　　 D 类放大器的激励电压可以是正弦波，或其他脉冲波形，但必须足够大，使晶体管迅速进入饱和状态或截止状态。　　开关型 D 类放大器的主要优点是集电极效率高，输出功率大。但工作频率很高时，随工作频率的升高，开关转换间的功耗增大，效率将下降。由于 D 类放大器工作在开关状态，因而不适用放大振幅变化的信号。


3.5.2 功率合成器功率合成器 , 就是采用多个高频晶体管 , 使它们产生的高频功率在一个公共负载上相加。图 3 ─ 34 是常用的一种功率合成器组成方框图。


基本单元

信号源

负载

放大器

混合电路

图 3 ─ 34 功率合成器组成


R T

A ¡ä

B ¡ä

R L

R T1

R A

A

B R B

U 1

.

R S

E S

.

(a )

T 1

T 2

同相功率合成器电路如图


R B

E B

.

R A

E A

.

¡ä

U A

.¡ä

U A /2.

¡ä£« £

U B £½0¡ä.

R L U A /2.

£«

£

(b )

¡ä

¡ä

¡ä

图 3 ─ 35 同相功率合成器

(a) 交流等效电路 ; (b) B′ 信号源开路时的等效电路


由 3dB耦合器原理可知 , 当两晶体管输入电阻相等时 , 则两管输入电压与耦合器输入电压相等

SBAT

BA

RRRRUUU

4221

1

在晶体管的输出端 , 当两管正常工作时 , 两管输出相同的电压 , 即且 , 但由于负载上的电流加倍 , 故负载上得到的功率是两管输出功率之和 , 即

BA UU LBA UUU

11 2)2(21 PIUP cAL


当时, 由于流过负载的电流只有原来的一半 ,

功率减小为原来的 1/4, 而 A 管输出的另一半功率正好消耗在平衡电阻 RT 上 , 即有

' 0B

U

LTL PPPR41

21

11

图 3 ─ 36 是反相功率合成器的原理线路。输入和输出端也各加有— 3 dB耦合器作分配和合并电路。图 3 ─ 37 是一反相功率合成器的实际线路。它工作于 1.5～１８ MHz, 输出功率 100 W 。


R 1

T 2

R T

B¡ä

A¡ä

V 1A

T 1

R T1

R

E S

.

B V 2

图 3 ─ 36 反相功率合成器的原理线路


R 275

T 8T 7

T 5

T 6

Z e£½18.5

Z c£½18.5

V 1

3DA7

3DA7 £ 36 V

V 2

T 1 T 2

T 3

图 3 ─ 37 100 W 反相功率合成器的实际线路

第 3 章高频谐振放大器图 3 ─ 39 是一个模块式射频部件的微带线电路板。它由 A 、 B 、 C 、 D四个模块放大器级联组成。

图 3 ─ 39 一个模块式射频部件的微带线电路板

3.5.3 射频模块放大器



高频谐振功率放大器的仿真与性能分析 Pspice example/exam3.sch

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第 3 章 高频谐振放大器

第 3 章高频谐振放大器