高頻電子電路與仿真設(shè)計(jì)課件3

1、第3章 高頻功率放大器o 【本章教學(xué)目標(biāo)與要求本章教學(xué)目標(biāo)與要求】o 掌握單調(diào)諧回路諧振放大器和多級單調(diào)諧回路諧振放大器的基本原理o 掌握高頻功率放大器的基本工作原理及電路組成原理o 了解常用高頻放大器的基本原理o 能夠看懂和正確分析各種應(yīng)用電路3.1 概述o 放大高頻小信號（中心頻率在幾百千赫到幾百兆赫）的放大器稱為高頻小信號放大器。o 根據(jù)工作頻寬的寬窄不同，高頻小信號放大器有寬帶型和窄帶型兩大類。所謂頻帶的寬窄，指的是相對頻帶，即通頻帶與其中心頻率的比值。寬帶放大器的相對頻帶較帶（往往在0.1以上），窄帶放大器的相對頻帶較窄（往往小到 0.01）。o 高頻小信號放大電路分為窄頻帶放大電路

2、和寬頻帶放大電路兩大類。前者對中心頻率在幾百千赫到幾百兆赫, 頻譜寬度在幾千赫到幾十兆赫內(nèi)的微弱信號進(jìn)行不失真的放大, 故不但需要有一定的電壓增益, 而且需要有選頻能力。后者對幾兆赫至幾百兆赫較寬頻帶內(nèi)的微弱信號進(jìn)行不失真的放大, 故要求放大電路的下限截止頻率很低(有些要求到零頻即直流), 上限截止頻率很高。o 高頻小信號放大器廣泛用于廣播、電視、通信、測量儀器等設(shè)備中。高頻小信號放大器可分為兩類：一類是以諧振回路為負(fù)載的諧振放大器；另一類是以濾波器為負(fù)載的集中選頻放大器。它們的主要功能都是從接收的眾多電信號中，選出有用信號并加以放大，同時(shí)對無用信號、干擾信號、噪聲信號進(jìn)行抑制，以提高接收信號

3、的質(zhì)量和抗干擾能力。o 高頻功率放大器的功能是用小功率的高頻輸入信號去控制高頻功率放大器將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率的高頻能量輸出，其輸出信號與輸入信號的頻譜相同。 3.2 高頻小信號放大器3.2.1 基本原理o 高頻小信號放大器是通信設(shè)備中常用的功能電路。所謂高頻，是指放大的信號頻率在數(shù)百千赫至數(shù)百兆赫。小信號是指輸入信號小，可以認(rèn)為放大器的晶體管是在線性范圍內(nèi)工作。1、高頻小信號放大器的功能o 高頻小信號放大器的功能是實(shí)現(xiàn)對微弱的高頻小信號進(jìn)行不失真放大，如常見的無線電接收機(jī)中高頻和中頻放大器。從信號所含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜是相同的。o 2、小信號選頻放大器的信

4、號環(huán)境特點(diǎn)o 3、高頻小信號選頻放大器的基本組成o 高頻小信號選頻放大器由“放大部分+選頻部分”按“級聯(lián)”方式構(gòu)成。具體分為：先放大后選頻，先選頻后放大，以及選頻、放大、再選頻的三種基本模式。4、高頻小信號放大器的分類o 按所使用的元器件分為晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器和集成電路放大器；o 按照所放大信號的頻帶寬窄可分為窄帶放大器和寬帶放大器；o 按照所用負(fù)載的性質(zhì)可分為諧振放大器和非諧振放大器；o 按調(diào)諧回路可分為單調(diào)諧回路，雙調(diào)諧回路和參差調(diào)諧回路放大器；o 按晶體管連接方法可分為共基極、共發(fā)射極和共集電極放大器。5、晶體管高頻小信號等效電路o （1） y 參數(shù)等效電路o 設(shè)輸入端有輸入電

5、壓 ，和輸入電流 ，輸出端有輸出電壓 和輸出電流 。1U1I2U2I1121 11 2IyUyU2122 12 2IyUyU 其中o 輸出短路時(shí)的輸入導(dǎo)納o 輸入短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納211110/iUyyI U121210/rUyyI Uo 輸出短路時(shí)的正向傳輸導(dǎo)納o 輸入短路時(shí)的輸出導(dǎo)納212120/fUyyI U122220/oUyyIU（2）混合 等效電路（3） 高頻參數(shù)o 和截止頻率 o 特征頻率o 最高振蕩頻率 3.2.2 特性分析o 放大器的主要特性包含放大器的增益、電路的穩(wěn)定性，以及電路自身產(chǎn)生的輸出信號失真等；選頻性能的技術(shù)指標(biāo)包含通頻帶、選擇性等1. 增益（放大倍數(shù)）o 電壓

6、增益 ：o 功率增益 ：o 分貝表示 ：oViVAVoPiPAP20logoViVAV10logoPiPAP2. 通頻帶3. 選擇性4. 工作穩(wěn)定性 o 工作穩(wěn)定性是指放大器的直流偏置、晶體管參數(shù)、電路元件參數(shù)等發(fā)生可能變化時(shí)，放大器主要性能的穩(wěn)定程度。5. 噪聲系數(shù)o 越接近 1 越好，在多級放大器中，前二級的噪聲對整個(gè)放大器的噪聲起決定作用，因此要求它的噪聲系數(shù)應(yīng)盡量小。/()/()siniFsonoPPNPP輸入信號噪比輸出信號噪比FN3.2.3 單調(diào)諧諧振回路放大器 1 放大器的等效電路及其簡化biciereIy Uy UcicfeoeIy Uy UccLIY U fecioeLyUU

7、yY ferebiieoeLiy yIYyyYUferecooeiescy yIYyyYU2 . 放大器的技術(shù)指標(biāo)o （1）電壓增益 uoiAUU C P1 g P2 a b L Is Ys Ui + Ib gie1 yreUc yqeUi yoe gie2 Uo + Uo + c Ic 單調(diào)諧放大器的簡化等效電路aboUpU21pUUcabcoUppU12LoefeicYypypUUpp1212ioUOUUA其中222212111iepLLypLjCjGppYYLoefeLoefeLoefeYypypppYypypYypyp2121211212UOAo 令o 其中222ieieieoeoeo

8、eCjgyCjgyLjCpCpCjGpgpgpyppieoeieoefe1A22212222121UO）（LjCjgyppfe121222221gieieoeGpgpgpCpCpCCoe2221gyppAfeU210（2）諧振曲線 12000011111feuup p yAALjCLgj CLgLgj L0001uLAjQ000001111uuLLAffAjQjQff（3）放大器的通頻帶201121uuAA0.70.7021LfQf0.702LffQ（4）放大器的矩形系數(shù)o 根據(jù)矩形系數(shù)的定義0.10.10.722rfKf2011101uuAA0.199rK0.102100 1LfQf單調(diào)諧回

9、路放大器的矩形系數(shù)遠(yuǎn)大于 1 。也就是它的諧振曲線與矩形相差較遠(yuǎn)，選擇性差。3.2.4 多級單調(diào)諧回路諧振放大器 o 1 電壓增益 o 2 諧振曲線o 3 通頻帶o 4 矩形系數(shù)3.3 高頻功率放大器o 高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大， 以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi) 的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。o 高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率

10、放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出。3.3.1基本原理o 1、諧振功放工作原理o 與非諧振功放比較，諧振功放工都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率，但有一些區(qū)別。o （1）在諧振功放中，為了提高效率，都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴(yán)重失真的脈沖序列波形或周期性的開關(guān)波形。順便指出，在某些特定情況下，為了滿足對非線性失真的嚴(yán)格要求，也有采用甲類或乙類工作的諧振功放。o （2）為實(shí)現(xiàn)不失真

11、放大，必須限定輸入信號為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號）或者在高頻附近占有很窄頻帶的已調(diào)波信號。o （3）與非諧振功放一樣，在特定的偏置條件下，對應(yīng)于特定大小的輸入信號，功率管有一最佳負(fù)載，這時(shí)，諧振功放的輸出功率最大，效率也較高。濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了濾波作用外，還起到匹配作用2、 基本電路及特點(diǎn)高頻功率放大器原理圖3、工作原理o 諧振高頻功率放大器的發(fā)射結(jié)在 的作用下處于負(fù)偏壓狀態(tài)，當(dāng)無輸入信號電壓時(shí)，晶體管了處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極電流 。o 當(dāng)輸人信號電壓為 時(shí) , 基極與發(fā)射極之間的電壓 o ，由輸入特性可得基極流 為脈沖形狀。bbV0CI cosbbmUUtcosbebbbmUVUtbI0

12、123coscos2cos3.cosbbb mb mb mbnmIIItItItIn t0123coscos2cos3.cosccc mc mc mcnmIIItItItIn t3.3.2 電路組成o 1組成原理o 諧振功率放大器由直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其電路組成原理與非諧振功率放大器相同，尚需強(qiáng)調(diào)下列幾點(diǎn)。o （1）功率管的輸出、輸入回路都必須有直流電路o （2）直流通路不能影響匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的工作，匹配濾波網(wǎng)絡(luò)亦不能影響直流通路的正常供電。2直流饋電電路o （1）集電極饋電電路（2）基極偏置電路3濾波匹配網(wǎng)絡(luò)o 諧振功率放大電路的匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的作用是阻抗匹配和選頻濾波。3.3.3

13、特性分析o 1、 準(zhǔn)靜態(tài)分析方法o 假設(shè)輸入和輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)具理想的濾波特性。所謂理想的概念是指能完全抑制無用的各種分量，只取出有用的基波分量。這樣，盡管三極管的基極和集電極電流波形是非正弦的，但加在三極管輸入和輸出端的電壓波形卻是正弦的，即 是任意的波形RiCiBEBBbmCECCcmcoscosvVVtvVVto 2、 負(fù)載特性o 負(fù)載特性是指在晶體管及 、 一定時(shí)，改變回路諧振電阻 的值，對高頻功率放大器的工作狀態(tài)、電流、電壓、功率和效率等功率性能影響的特性。bmVBBVCCVeR輸出特性曲線由余弦脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷高度下降的脈沖波集電極電流波形不同 時(shí)集電極電流的波形 不同 時(shí)功率性

14、能的變化特性 o 3、調(diào)制特性和放大特性o 調(diào)制特性分集電極調(diào)制特性（當(dāng) 、 、 不變時(shí)， 隨 變化的特性）和基極調(diào)制特性（ 、 、 不變， 隨 變化的特性）兩種。o 放大特性與基極調(diào)制特性相仿BBVbmVeR、 CiCCVbmVeRCiCCVBBV集電極調(diào)制特性基極調(diào)制特性放大特性o 4、高頻功放的動態(tài)特性 o 功率放大器通常是按晶體管集電極電流通角 不同劃分為甲類、乙類和丙類放大器。諧振功率放大器的工作狀態(tài)是指處于丙類或乙類放大時(shí)，在輸入信號激勵(lì)的一周內(nèi)，是否進(jìn)入品體管特性曲線的飽和區(qū)來劃分。它分為欠壓、臨界和過壓三種狀態(tài)。用動態(tài)特性能較容易區(qū)分這三種工作狀態(tài)。C功率放大器的動態(tài)特性3.3

15、.4 常用的高頻功放器o 1、寬帶高頻功率放大器o （1）傳輸線變壓器的工作原理o 傳輸線變壓器是由繞在高導(dǎo)磁環(huán)上的傳輸線構(gòu)成的，其中，傳輸線可以用同軸電費(fèi)，也可以用雙絞電線或帶狀線，它們都可看成兩根等長的、相距很近的平行線，而且匝數(shù)很少，而磁環(huán)一般由鎳鋅鐵氧體制成o 傳輸線變壓器既具有傳輸特點(diǎn)，又具有變壓器的特點(diǎn)，是二者的結(jié)合統(tǒng)一（a）結(jié)構(gòu)圖（b）等效電路（c）等效電路（d）等效電路圖3.3.15 1：1傳輸變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路o 傳輸線圈變壓器確實(shí)具有極高的上限截止頻率和極寬的工作頻帶。o 傳輸線變壓器的功能：實(shí)現(xiàn)平衡和不平衡的轉(zhuǎn)換和作為阻抗變換器o 當(dāng)工作在低頻段時(shí), 由于信號波

16、長遠(yuǎn)大于傳輸線長度, 分布參數(shù)很小, 可以忽略, 故變壓器方式起主要作用。由于磁芯的導(dǎo)磁率高, 所以雖傳輸線較短也能獲得足夠大的初級電感量, 保證了傳輸線變壓器的低頻特性較好。o 當(dāng)工作在高頻段時(shí),傳輸線方式起主要作用,在無耗匹配的情況下,上限頻率將不受漏感、分布電容、高導(dǎo)磁率磁芯的限制。而在實(shí)際情況下,雖然要做到嚴(yán)格無耗和匹配是很困難的,但上限頻率仍可以達(dá)到很高。o （2）傳輸線變壓器的應(yīng)用o 極性變換 o 平衡和不平衡的互相變換 o 阻抗變換o o （3）寬帶功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)o 利用多個(gè)功率放大電路同時(shí)對輸入信號進(jìn)行放大,然后設(shè)法將各個(gè)功放的輸出信號相加,這樣得到的總輸出功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

17、單個(gè)功放電路的輸出功率，這就是功率合成技術(shù)。o 利用功率合成技術(shù)可以獲得幾百瓦甚至上千瓦的高頻輸出功率。IaIdAUdUdUaRcIcT1UbBIbIdDT2DRdUd功率放大器A功率放大器BI12CUd2功率合成原理電路2、丁類（D類）功率放大器o 高頻功率放大器的主要問題是如何盡可能地提高它的輸出功率與效率。甲、乙、丙類放大器就是沿著不斷減小電流通角 的途徑，來不斷提高放大器效率的。c晶體管丁類放大器原理圖3.4 小結(jié)o 1.高頻小信號放大器的功能是實(shí)現(xiàn)對微弱的高頻小信號進(jìn)行不失真放大，如常見的無線電接收機(jī)中高頻和中頻放大器。從信號所含頻譜來看，輸入信號頻譜與放大后輸出信號的頻譜是相同的。

18、o 2.高頻小信號選頻放大器由“放大部分+選頻部分”按“級聯(lián)”方式構(gòu)成。具體分為：先放大后選頻，先選頻后放大，以及選頻、放大、再選頻的三種基本模式。常用的選頻電路有：LC諧振回路、陶瓷濾波電路、聲表面濾波電路等。o 3.晶體管在高頻線性運(yùn)用時(shí)，晶體管的內(nèi)部參數(shù)將隨工作頻率而變化。因而必須討論晶體管的高頻等效電路。用的最多的是 y 參數(shù)等效電路和混合 等效電路。o 4.放大器的主要特性包含放大器的增益、電路的穩(wěn)定性，以及電路自身產(chǎn)生的輸出信號失真等；選頻性能的技術(shù)指標(biāo)包含通頻帶、選擇性等。o 5.諧振高頻功率放大器的特點(diǎn)是：1.為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，晶體管發(fā)射結(jié)為負(fù)偏置，由 來保證，流過晶體管的電流為失真的脈沖波形；2.負(fù)載為諧振回路，除了確保從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形外，還能實(shí)現(xiàn)放大器的阻抗匹配。bbVo 6.諧振功率放大器由直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其電路組成原理與非諧振功率放大器相同，但功率管的輸出、輸入回路都必須有直流電路：直流通路不能影響匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的工作，匹配濾波網(wǎng)絡(luò)亦不能影響直流通路的正常供電。o 7.高頻功放的外特性是指放大器的性能隨放大器的外部參數(shù)變化的規(guī)律。主要包括：高頻功放的負(fù)載特性(功放性能隨負(fù)載的變化特性)、高頻功放的振幅特性(