上海交通大學張肅文高頻課件.ppt

第一章 緒 論, 1.1 無線通信系統(tǒng)概述 一.無線通信系統(tǒng)的組成 1.通信:傳輸電信號。即信息的傳輸過程。 傳輸指遠距離。 信號指聲音、圖像、文字等。 發(fā)展歷史從峰火臺到現(xiàn)代通信。 通信系統(tǒng)：實現(xiàn)信息傳遞的系統(tǒng)。 2.組成:,發(fā)送設備:產(chǎn)生適合信道傳輸?shù)男盘枴?信道：傳遞的媒介。有有線、無線、光纖之分。 接收設備：還原出原信號。 發(fā)射：,信源,發(fā)送設備,信道,信舍,接收設備,低頻 放大器,調(diào)制器,高頻小信號放大器,高頻功率放大器,載波 振蕩器,高頻電路,語音,300-3400HZ,接收： 超外差接收機： 高頻小信號放大器放大倍數(shù)作不高，容易自激。,高頻小信號放大器,解調(diào)器,低頻 放大器,高頻小信號放大器,混頻器,中頻 放大器,檢波器,低頻 放大器,本機 振蕩器,高頻電路,二.無線通信系統(tǒng)的類型 1.按工作頻段:(長波)、中波、短波、 超短波、微波、衛(wèi)星通信。(紅為高頻) 2.按通信方式:全雙工、半雙工、單工。 單工：只能發(fā)或只能收。（單向） 半雙工：既能發(fā)也能收，但要分時， 不能同時收發(fā)。（雙向、時分） 例：對講機 全雙工：同時收發(fā)。例：手機 3.按調(diào)制方式:調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)、,調(diào)相(PM)、脈沖調(diào)制。 4.按傳送的信息:模擬通信、數(shù)字通信。 或分話音、圖像、數(shù)據(jù)、多媒體通信。, 1.2 無線電信號與調(diào)制 一.信號分類 無線電信號:調(diào)制信號(基帶信號)、載波 信號、已調(diào)波信號。 調(diào)制信號低頻信號 載波信號 已調(diào)波信號 高頻信號 二.無線電信號的特性 1.時間特性 時間和振幅之間的關系。,通常用波形圖或數(shù)學表達式描述，f(t) 2.頻譜特性 (角)頻率和振幅之間的關系。F() 有幅頻特性和相頻特性。 周期信號離散的頻譜；非周期信號連續(xù)的 頻譜。 較復雜的信號用頻譜表示較為方便。 重要參數(shù)是頻帶寬度。 例：語音范圍在 100HZ-6KHZ， 一般在 300-3400HZ，,調(diào)幅帶寬為 9KHZ， 調(diào)頻帶寬為 200KHZ， 電視帶寬為 8MHZ。 頻分復用是無線通信采用高頻原因之一。 三.頻率特性 指無線電信號的頻率或波長。 無線電波在電磁波頻譜中的位置看p5，在 電磁波中無線電波頻率相對較低，波長相 對較長。 無線電波波段劃分：p5,4.傳播特性 指無線電信號的傳播方式、傳播距離和 傳播特點。 無線通信的傳輸媒質(zhì)(信道)是自由空間。 無線電信號經(jīng)天線發(fā)射，由于能量被擴散、 吸收、反射、散射等現(xiàn)象，到接收天線時 強度大大衰減，為有效傳輸要選擇傳播方式， 傳播方式的選擇主要依據(jù)無線電信號的頻率。 繞射傳播(地波): 靠電磁波繞射傳播。 長、中、短波特別是長、中波以地波傳播,能傳播很遠。 折射和反射傳播(天波): 靠電離層反射、折射 傳播。 中、短波特別是短波以天波傳播能遠距離 傳播。 直射傳播(空間波): 由于地球曲率，直射傳播 的距離有限。 尋呼臺采用這種傳播方式。 通過架天線、中繼或衛(wèi)星可以遠距離傳輸。 超短波和微波以空間波傳播。,5.調(diào)制特性 高頻信號適合于天線發(fā)射,空間傳播,只有 頻率高,波長才短,使之與天線尺寸相比擬, 高效輻射. 為了有效發(fā)射低頻信號,通常的做法是把 低頻信號通過調(diào)制轉(zhuǎn)化成高頻信號發(fā)射, 這是無線電采用高頻的原因之二; 調(diào)制:用調(diào)制信號控制高頻載波的參數(shù), 使載波的某參數(shù)按調(diào)制信號的規(guī) 律變化。 調(diào)幅(AM): 高頻載波的振幅按調(diào)制信號的,規(guī)律變化。 調(diào)頻(FM): 高頻載波的頻率按調(diào)制信號的 規(guī)律變化。 調(diào)相(PM): 高頻載波的相位按調(diào)制信號的 規(guī)律變化。 脈沖調(diào)制: 當載波信號為脈沖信號時的上述 調(diào)制的總稱。 解調(diào)(檢波、鑒頻、鑒相): 調(diào)制的逆過程。, 1.3 本課程的特點 一.功能多樣化 放大、振蕩、頻變。 二.電路多樣化，分立為基礎 二極管、三極管、場效應管、變?nèi)荻O管。 三.概念多，分散 章與章之間聯(lián)系少。 四.非線性電路分析方法 除高頻小信號諧振放大器外，都屬于非線 性電路，所以不能用線性電路的分析方法和,定理，如微變等效電路法，疊加定理。而 非線性分析不成熟或無分析法，只有特定 的解。 多采用工程估算，高一級可采用CAD輔助 分析，EAD輔助設計。 要求： 1.典型基本電路工作原理, 工程估算。 2.基本概念。 3.非線性電路分析方法。,第二章 高頻電路基礎, 2.1 高頻電路中的元器件 一.高頻電路中的元件 1.高頻電阻 LR引線電感; cR 分布電容 LR cR越小,高頻特性越好, 高頻特性與制作電阻的材料、封裝形式和 尺寸大小有關。,R,LR,cR,R,金屬膜電阻比碳膜電阻高頻特性好； 碳膜電阻比線繞電阻高頻特性好； 表面貼裝電阻比引線電阻高頻特性好； 小尺寸電阻比大尺寸電阻高頻特性好。 2.高頻電容 Lc 分布電感; Rc 極間絕緣電阻 電解電容高頻特性差;云母、陶瓷電容 性能好。,c,Lc,c,Rc,3.高頻電感 RL 交流電阻; cL 分布電容 Q 品質(zhì)因數(shù), 損耗越小 Q= L/RL,f,z,fs,感性,容性,L,L,RL,cL,f,z,fp,感性,容性,二.高頻電路中的有源器件 1.二極管 在高頻中用于檢波、振幅調(diào)制、混頻等 非線性變換電路中。 如 : 點接觸二極管(2AP), 極間電容小, 工作 頻率高; 表面勢壘二極管, 工作頻率高達微波; 變?nèi)荻O管,電容隨反偏電壓變化;,u,cj,PN結(jié)呈電容效應: PN結(jié)正偏時,擴散電容cD起主要作用; PN結(jié)反偏時,勢壘電容(結(jié)電容) cj起主要 作用。 在PN結(jié)反偏時經(jīng)過特殊處理使cj有較大變 化范圍變?nèi)荻O管 2.晶體管 場效應管 高頻小功率管:高增益,低噪聲,工作頻率可達 幾GHz。 高頻大功率管：高增益,較大輸出功率。,幾百MHz下，輸出功率可達10-1000w。 場效應管：同高頻率下，增益同級，噪聲 更低。 一種砷化鎵場效應管，工作頻率可達十幾 GHz。 金屬氧化物場效應管，幾GHz頻率上， 輸出功率能達幾瓦。 3.集成電路 高頻比低頻品種少 通用有:寬帶集成放大器,100-200 MHz, 50-60dB;,模擬乘法器,100 MHz以上, 專用:集成鎖相環(huán)、單片集成接收機、集成 鑒頻器、彩電專用芯片、手機專用芯片。, 2.2 高頻電路中的基本電路 一.高頻振蕩回路 作用:選頻、阻抗變換。 1.簡單振蕩回路 (1)并聯(lián)諧振回路 (特性圖) 諧振時0= ,此時|zp |最大,為純阻Ro,L r,c,c,L,Ro,Q= 無功/有功; Q = 0L/r = 1/0Lr =/r ;或 Q = Ro /0L =0cRo = Ro / , 回路特性阻抗 =0L = 1/0c = Q越高,回路選擇性越好,說明損耗越小, Q0空載; QL 有載, 失諧系數(shù) = 2Q = 2Q , 當= 1時, 2f為帶寬B, B0.707 = f0/Q , 矩形系數(shù) kr0.1= B0.1/B0.707,越接近1越好, 是衡量選擇性好壞的技術指標,單級為9.96,Q諧振曲線越尖銳B0.707kr0.1不變, zp= Ro/(1+j), z=-arctan, dz/d| =0= -2Q/0, 說明Q值越高,斜率越大,曲線越陡峭; 而在諧振頻率附近, Q值越小,線性范圍越寬, Ic= IL= QI,U,I,Ic,IL,例:有一并聯(lián)諧振回路, f0 =10 MHz,c=50pF, (1)試計算L值; (2)若Q =100, 求Ro 和B; (3)若B =0.5 MHz, 則并聯(lián)多大的負載才 能滿足帶寬的要求? 解: (1) f0 = L= 1/(42f02c) = 5uH (2) Q = Ro /0L Ro = Q 0L = 31.4 k B0.707= f0/Q = 100 kHz,(3) QL = f0/B = 20 R = QL0L = 6.28 k R = RL Ro RL= 7.87 k (2)串聯(lián)諧振回路 (特性圖) 諧振時0= ,此時|zs |最小, 為純阻r,L r c,Q = 0L/r = 1/0cr = /r B0.707 = f0/Q kr0.1= B0.1/B0.707 (3)串并聯(lián)阻抗變換 zs=zp 1/(Rs+j xs) = ,xs Rs,xp,Rp,Rp= (Rs2+ xs2)/ Rs = Rs(1+ Q2) 串 并 xp = (Rs2+ xs2)/ xs = xs(1+ 1/Q2) 或 Rs = Rp/(1+ Q2) xs = xp/(1+ 1/Q2) 并 串 例: Q = 0L/r1, Rp= Rs(1+ Q2) = r (1+ Q2) Lp= L(1+ 1/Q2) L,L r,c,c,Lp,Rp,2.抽頭并聯(lián)振蕩回路 目的:實現(xiàn)信號源與回路或回路與負載的阻 抗匹配或阻抗變換。 保證通頻帶和選擇性的要求。 接入系數(shù) p = 被折合端電壓/觀察端電壓 = Uab/ Ucd p 1 p = Uab/ Ucd =,Uab,Ucd,RS,RS,L1 L2,c,R0,按變換前后功率相等原則,有: RS= RS/ p2 或 gs= p2 gs 結(jié)論:從小端折合到大端電阻變大,電導變小。 p = cS= p2cS 結(jié)論:從小端折合到大端電容變小。 另外有負載的折合：RL= RL/ p2 或 gL= p2 gL cL= p2 cL 還有電流的折合：IS= pIS,c1 c2,cS,L,R0,cS,例：已知：Q0 1,i(t)=cos107t mA,R1=500, c1= c2= 2000pF,L=10uH, 求：u(t)、 u1(t)、B 解：p = = 0.5 R1 = R1/p2 = 2 k u(t)= R1i(t)= 2cos107t v i1(t)= i(t)/p= 2cos107t mA u1(t)= R1 i(t)=cos107t v,i(t)、 u(t),L,c1,c2,R1 、 u1(t),0=107 f0 = 0/2=1.59 MHz QL = R1/0L = 20 B = f0/QL = 80 kHz 二.高頻變壓器 與低頻變壓器作用一樣:傳輸信號 阻抗變換 隔直流 特點:(1) 為了減少損耗,用導磁率高,高頻損耗 小的軟磁材料作磁芯 (2) 適用于小信號場合,尺寸小,線圈 匝數(shù)較少 1.理想變壓器,n = N1/N2 E1= jM I2 E2= jM I1 U1= n U2 I1 = -I2 /n (沒考慮M時) RL= n2 RL jL1I1 + jM I2 = U1 jL2I2 + jM I1 = U2,+ U1 -,+ U2 -,I1,I2,M,L1 N1,L2 N2,E1,E2,+,-,+,-,RL,+,-,U2,2.中心抽頭變壓器 U1= U2= N1/N2 U3 I1 + I2= - N2 / N1 I3 如 N1/N2 = 1/2 U1= U2= U3 /2 I1 = I2= - I3,+ U1,-,+ U2,-,N1 N1,N2,+ U3 -,I1,I3,I2,三.石英晶體諧振器 Sio2晶體管 1921年開始應用 把Sio2片,用兩金屬電極固定,抽出引線, 用外殼封裝,就構成石英晶體振蕩器。 1.物理特性 (1)壓電效應:加外力而變形,在表面產(chǎn)生 電荷,呈現(xiàn)出電壓;外加電壓,晶體變形, 當電壓變化,就使晶體產(chǎn)生振蕩,當這 種振蕩與機械的固有振蕩頻率接近時, 形成共振,而在電路上表現(xiàn)出電諧振。,(2) 振蕩頻率與晶片的材料、尺寸、幾何 形狀有關。 (3) 頻率穩(wěn)定性好,溫度系數(shù)在10-6數(shù)量級以下。 (4) 泛音振蕩:還可以在高次諧波上振蕩, 如3、5、7奇次，實際振蕩頻率不一定 是整數(shù)倍。 2.等效電路及阻抗特性,c0,Lq cq rq,典型參數(shù):Lq=4H cq=6.3*10-3pF rq=100 c0=3pF 串聯(lián)諧振 fq= (fs) 并聯(lián)諧振 f0= 1/2Lqcq (fp) (諧振曲線) 曲線中 當0 呈容性; q0 呈感性。 特點:(1) fq f0非常穩(wěn)定而接近, fq=1.0026 MHz f0=1.0036 MHz,(2) 晶體振蕩器Q值很高,一般在幾萬之上, (3) 外電路對晶體的接入系數(shù)小, p cq/c0 一般在10-3以下。,第三章 高頻諧振放大器, 3.1 高頻小信號放大器 分為 窄帶放大器:負載具有選頻特性,高頻 小信號諧振放大器 寬帶放大器:負載為高頻變壓器, 特點: (1)高頻小信號:輸入信號幅度小,放大 器工作在線性區(qū); (2)Lc并聯(lián)回路作為負載:具有選頻、 阻抗變換作用。,要求: (1) 放大器數(shù)要大(ku) , 要達104105, 靠多級放大實現(xiàn); (2)頻率選擇性要好(B0.707或kr0.1),以 抑制無用信號; (3)穩(wěn)定性要高(kuy),放大器的性能不 受外界環(huán)境影響,內(nèi)部噪聲要小,不 產(chǎn)生自激。 一.電路組成和工作原理 (實際電路和交流等效電路),放大器,諧振回路,負載,Rb1 、Rb2是基極直流分壓偏置電阻， cb、 ce是高頻旁路電容，比低頻值要小， 具有抽頭的Lc并聯(lián)回路作為VT管的集電 極負載， 部分接入的目的是為了保證通頻帶和選 擇性的要求， ui由變壓器耦合到VT管的基極， u0靠變壓器或電感線圈耦合。 二.放大器性能分析 1.高頻Y參數(shù)等效電路,Yie輸出端交流短路時的輸入導納, Yie= gie+ jcie Y0e輸入端交流短路時的輸出導納, Yoe= goe+ jcoe Yfe 輸出端交流短路時的正向傳輸導納, 因為它不能用器件等效,所以表達式為,+ Ube,-,+ Uce,-,Ib,Ic,Ube,+,-,Yie,Ib,YreUce,YfeUbe,Yoe,Uce,+,-,Ic,Yfe= | Yfe| e j fe Yre 輸入端交流短路時的反向傳輸導納, Yre= | Yre| e j re Y參數(shù)可以用儀器測出: Yie= Ib/ Ube | Uce=0 Yoe= Ic/ Uce | Ube=0 Yfe= Ic/ Ube | Uce=0 Yre= Ib/ Uce | Ube=0 Ib= Yie Ube+ Yre Uce Ic= Yfe Ube+ Yoe Uce,模擬電路中混合參數(shù)等效電路: 可見 gm Yfe 由上看出,Y參數(shù)是復數(shù),除與靜態(tài)值有關外, 還與工作頻率有關, 高頻小信號諧振放大器中的等效： (1) 晶體管工作在線性區(qū); (2)工作頻帶窄, Y參數(shù)變化不大,可視為常數(shù)。,Ube,Uce,rbb,rbe,cbe,cbc,gmUbe,rce,2.實際電路分析和性能參數(shù) (前交流等效電路、 Y參數(shù)等效電路、 抽頭折合等效電路) 忽略管子內(nèi)部反饋，即Yre 0 p1= U12/U13 p2= U45/U13 (1)電源的折合 Is = YfeUi Is = p1 Is = p1 YfeUi Uo= p2 U13 (2)電導的折合 goe= p12 goe gL= p22 gL gL=1/RL,(3)電容的折合 coe= p12 coe cL= p22 cL 所以 g= goe+ gL+go 其中go= 1/ Qo c= coe+ cL+ c f0 = QL = 1/ g 電壓放大倍數(shù) ku= Uo/ Ui= p1 p2Yfe/g 輸入導納 Yi= Yie 輸出導納 Yo Yoe 通頻帶B0.707=fo/QL,矩形系數(shù)kr0.1= B0.1/B0.707 一般情況下 kr0.11,理想情況下 kr0.1=1為 矩形, kr0.1越小,選擇性越好,單級諧振放大 器的 kr0.1= 9.96 討論; ku g (1) RL表明帶負載能力差;所以用p2 接入系數(shù)改善帶負載能力。 (2) QL B0.707說明放大倍數(shù)和通 頻帶是一對矛盾。 所以通過p1接入系數(shù)使ku,B0.707。,例:如圖所示小信號諧振放大器,fo=300 MHz, 晶體管Y參數(shù)gie=1.5ms,cie=12pF,Yre=0, Yfe= 58-22 ms, goe=0.4ms, coe=9.5pF, Qo=100,RL=10k,L=0.8uH,p2=0.3 求:Ku、 B0.707、c,Ui,+,-,Uo,+,-,c,L,RL,解： ( Y參數(shù)等效電路圖) (1) go= 1/ 0LQo= 0.066ms gL= p22/RL= 0.009ms g= go+ gL+ goe= 0.475ms Ku= p2Yfe/g= 36.6 (2) QL= 1/ 0Lg= 14 B0.707= fo/QL = 2.14 MHz (3) c= 1/(42 f02 L) = 35.2pF c = c-coe= 25.7pF,三.高頻諧振放大器的穩(wěn)定性 1.起因: Yre 0, 即極間電容cbc的反饋, 影響: (1) 輕者使放大器幅頻特性變壞, 產(chǎn)生畸變(不對稱,前沿變陡,后沿 沒變,如圖所示) (2) 重者產(chǎn)生自激振蕩,即使沒有外加 輸入,放大器也會有輸出,帶來了 不穩(wěn)定。,Uo= -YfeUi/(Yoe+YL) Yi= Yie+YreUo/ Ui= Yie- YreYfe/(Yoe+YL) 當 Ys+ Yi= 0時, 電路自激振蕩 有 Ys+ Yie- YreYfe/(Yoe+YL)= 0 即 (Ys+ Yie) (Yoe+YL)/ YreYfe= 1 由此導出最大穩(wěn)定放大倍數(shù) kuy kuy= 0.6 | Yfe/Yre| 當 ku kuy, 放大電路能穩(wěn)定工作。,Ui,+,-,Uo,+,-,Ys,Yie,Ib,YreUo,YfeUi,Yoe,YL,如：一放大器|Yre| =50us， |Yfe| = 50ms， ku= 60, kuy= 0.6 | Yfe/Yre|= 19 kuy ku 所以放大器工作不穩(wěn)定。 2.提高放大器穩(wěn)定性的措施 (1)減小Yre,即選Yre小的晶體管; (2)從電路上采用共發(fā)共基電路(失配法) 共基電路Yi2大,即YL1大,使Uo1減小,從而 使YreUo1影響減小,但同時ku也減小, 從上敘述可看出在共發(fā)電路負載端并一 電阻也能達到上述目的。,另采用中和電路：在輸入和輸出端 之間加一中和電容cn，用以抵消cbc的 影響。 有 joL2 / jocbc = joL1 / jo cn cn = N1 / N2 cbc 中和電路只對某一頻率中和效果好,對其它 頻率中和效果不佳。 四.多級諧振放大器 對于單調(diào)諧放大器 ku = ku1 ku2 kun= (ku1)n,依據(jù)Lc并聯(lián)回路歸一化頻率特性: =1/1+2 ku (f)= (ku1)n/(1+2)n/2 B0.707= B0.707 21/n 1 結(jié)論:n增大, ku 增大, B0.707減小, kr0.1減小。 五.主要技術指標 1.增益 20lg ku 80 100dB 2.通頻帶 B0.707 B = f0/QL,B0.707大,選擇性不好,信噪比低; B0.707小,選擇性好,但信號易被切割。 中波 9 kHz，電視 8 MHz，調(diào)頻 200 kHz 3.選擇性 kr0.1 kr0.1= 1為矩形,選擇性最好, kr0.1越大,選擇性越差。 4.穩(wěn)定性 kuy (Yre 0,的影響) 不產(chǎn)生自激振蕩 kuy= 0.6 | Yfe/Yre| ku, 3.2 高頻功率放大器 定義:諧振回路作為匹配網(wǎng)絡的功放。 用在發(fā)射機末級 要求: (1) 輸出功率po要大, (2)轉(zhuǎn)換效率c 要高, 目前幾百瓦以上的高頻功放主要器 件用電子管;幾百瓦以下的采用晶體 管或場效應管,另外,為了提高效率, 高頻功放管工作在丙類(c類)工作狀 態(tài),即 90,理論上c =100%,(低頻功放工作在乙類或甲乙類) (插講三種工作狀態(tài)) 特點:(1)高頻功放工作頻率高,相對頻帶較窄, 所以負載采用諧振回路,可以調(diào)諧 中心頻率, (2)由于輸入信號大,所以呈高頻、大信 號非線性狀態(tài)，采用折線分析法。 一.工作原理 (原理圖) 為使靜態(tài)時發(fā)射極反偏,UBB 0,或UBB UBB,這樣才能保證加入大信號后(0.5v)晶體管 工作在丙類, Ucc為集電極電源,提供能量, Lc并聯(lián)回路作用:傳輸信號,選頻即濾波, 阻抗變換,使po大, c 也高, cb 、cc:旁路電容,保證電源不會短路。 1.電流、電壓波形 設ub= Ubcost 則 ube= UBB +Ubcost,折線法:目的是簡化分析過程,給出明確的 物理概念,為實驗調(diào)整提供指導性 數(shù)據(jù)。 要求: (1) 輸入信號幅度大 (2) 高Q回路,輸出對基波之外的衰減 大,即能量集中在基波上, (波形圖) 當 ube= UBB時， cost= cos cos=(UBB- UBB)/Ub ic=Ico+Ic1 cost+Ic2cos2t+,Ico= Icmax 0() Ic1 = Icmax 1(), 0()直流分解系數(shù), 1() 基波分解系數(shù), 可查表, Icmax = gc(ubemax- UBB) = gc Ub (1- cos) uce= Ucc-Uc cost = Ucc- Ic1 RL cost 其中 Uc = Ic1 RL uc= Uc cost =Ic1 RL cost,此處RL是R,諧振時QLRLUc, 而在2、3等處失諧, RL小,諧波電壓 為0, 另 90 工作在丙類, 越小,ic脈沖越瘦,在ucemin附近,損耗小, 故效率得到提高。 2.能量關系 輸出功率 po= Ic1 Uc/2 = Ic12 RL/2 = Uc2/2RL 電源功率 pd= Ico Ucc 管耗 pc = pd- po,效率 c = po / pd= 1- pc / pd = 1() Uc/20()Ucc = /2 波形系數(shù), = 1() / 0(), 、1()、0()可同查一表。 集電極電壓利用系數(shù), 1, =180, =1, c 50% , = 90, =1.57, c 78.5% , 15,=2, c 100% , 提高c 的途徑:,(1) 讓UcRL 意味著帶負載 能力不強, (2)讓1()Ic1po 可見c與po存在矛盾,在6575 范圍里, c與po兼顧最佳。 在基極回路: pb= Ib1Ub/2 功率放大倍數(shù) kp= po/ pb 功率增益 kp= 10lg po/ pb (dB) 由于丙類工作狀態(tài),高頻功放比低頻功放 放大倍數(shù)低,通常在100倍以下。,例: UBB=0.8v, gc=1.4s, UBB=-0.66v, Ub=5.65v, 求Ico、 Ic1 解：cos=(UBB- UBB)/Ub= 0.258 =75 Icmax = gc Ub (1- cos)=5.866 A 查表1(75)=0.455 0(75)=0.269 Ico= Icmax 0(75)=1.58 A Ic1 = Icmax 1(75)=2.67 A,二.高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài) 1.高頻功放的動特性 定義:輸入加激勵,輸出加負載時,集電極 ic與ube或ic與uce的關系曲線。 動態(tài)線：ic與ube動態(tài)轉(zhuǎn)移特性， ic與uce動態(tài)輸出特性。 (1)動態(tài)轉(zhuǎn)移特性 (曲線圖) 截止區(qū):ub使工作在BC段, ic=0 放大區(qū): ub使工作在AB段, Icmax = gc Ub (1- cos),飽和區(qū): ub使工作在AD段, ic出現(xiàn)凹陷, 為凹陷脈沖, (2) 動態(tài)輸出特性 (曲線圖) ube= UBB +Ubcost uce= Ucc-Uccost 動特性曲線交流負載線 可能有三種 即ABC、ABC、A”BC 飽和區(qū)：uc使工作在ABA”B 間，Icmax 下降，并出現(xiàn)凹陷, 截止區(qū)： uc使工作在BC段，ic=0,放大區(qū)： uc使工作在ABAB之間， Icmax = -scUc(1- cos), sc為動特性曲線斜率, 其中臨界飽和時, Icmax = gcrUces = gcr(Ucc-Uc), 2.高頻功放的工作狀態(tài) 在動態(tài)轉(zhuǎn)移特性曲線上: (1)當ub使工作在AB段之間時為欠壓狀態(tài), 此時晶體管工作在截止區(qū)和放大區(qū), (動態(tài)線為二折線), ic為余弦脈沖, 此時Ub Icmax Ico 、Ic1，,(2)當ub使工作在A D段之間時為過壓狀態(tài), 此時晶體管工作地截止區(qū)、放大區(qū)和 飽和區(qū),(動態(tài)線為三折線), ic為凹陷余弦 脈沖,此時 Ub ic凹陷越深, 使寬度增加 Ico 、Ic1基本不變, (3)當ub使工作在A點時為臨界狀態(tài),此時 晶體管工作在截止區(qū)、放大區(qū)和飽和線 上的一點,(動態(tài)線為二折線), ic為最大 余弦脈沖, Ico 、Ic1達最大值。,在動態(tài)輸出特性曲線上: (1)當uc使動態(tài)線為ABC時為欠壓狀態(tài),晶體管 工作在放大區(qū)和截止區(qū), ic為余弦脈沖, 此時Uc Icmax不變Ico 、Ic1不變, (2)當uc使動態(tài)線為A”BC時為過壓狀態(tài),晶體 管工作在放大區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū), ic為 凹陷余弦脈沖,此時 Uc Icmax并凹陷, Ico 、Ic1 (3)當uc使動態(tài)線為ABC時為臨界狀態(tài),晶體 管工作在放大區(qū)、截止區(qū)和飽和線上的 一點, ic為余弦脈沖,此時Ic1最大, Uc也較大, Po c達到最佳 狀態(tài),所以高頻功放一般工作在臨界狀態(tài)。 總之,在輸出特性曲線上: uceminUces, 欠壓狀態(tài), ucemin= Uces, 臨界狀態(tài), ucemin Uces, 過壓狀態(tài)。 臨界狀態(tài)主要計算公式： Icmax = gc Ub(1- cos) Icmax = gcrUces=gcr ucemin = gcr(UCC-Uc),例: 某諧振功放工作在臨界狀態(tài),已知=80, Uc=16v, Po=2w, gcr=0.6s, 0(80)=0.286, 1(80)=0.472, 求:RL、pd、Ucc、c 解： po= Uc2/2RL RL= Uc2/2po= 64 Ic1= Uc/RL= 0.25 A Icmax = Ic1/1(80)= 0.53 A Ico = Icmax0(80)=0.152 A Uces= Icmax / gcr= 0.883 v Ucc= Uc+ Uces= 16.883 v,pd= UccIco = 2.56 w c= po /pd= 78.1% 三.高頻功放的外部特性 1.高頻功放的負載特性 為UBB、Ucc、Ub不變，負載電阻RL(Uc) 變化時,功放的工作狀態(tài)以及Ico 、Ic1、 Uc、 po、 pd 、c各參量的情況。 在欠壓下RL ic基本不變,即Ico 、Ic1不變, Uc AB 動態(tài)線下躺, sc斜率, 當RL再 臨界狀態(tài)過壓狀態(tài),在過壓下RL Icmax,凹陷越深, Ico 、Ic1 Uc基本不變, 欠壓時: RL pd基本不變, po ,c , 過壓時: RL pd, po, c略有上升, (兩負載特性圖) 特點:臨界時, po最大, c較大,適合作功放, 過壓時, c高, pc小, Uc基本不隨RL變, 適合作交流恒壓源, 欠壓時, c低, pc大, ic基本不隨RL變, 適合作交流恒流源,2.高頻功放的振幅特性 為UBB、Ucc、RL 不變,Ub變化時,功放的 工作狀態(tài)以及Ico 、Ic1、 Uc變化情況。 在欠壓下Ub Icmax Ico 、Ic1 Uc 當Ub再 臨界狀態(tài)過壓狀態(tài) 在過壓狀態(tài)Ub Icmax不變,凹陷越深, Ico 、Ic1基本不變, Uc基本不變,(振幅特性圖) 特點:在欠壓時, Ico 、Ic1、 Uc均隨Ub增大 而增大,但互不為線性關系,(只有 不變,如=90, Ub與三參數(shù)成線性 關系), 在過壓時, Uc基本不隨Ub變化,為 恒壓區(qū),可作振幅限幅器。 3.高頻功放的調(diào)制特性 (1)基極調(diào)制特性 為 Ub、Ucc、RL 不變, UBB變化時,功放 的工作狀態(tài)以及Ico 、Ic1、 Uc變化情況。,丙類工作UBB為負值, UBB ube ubemax 其情況與振幅特性 Ub ube 類似,曲線左移, (基極調(diào)制特性圖) 完成基極調(diào)制就是使Uc與UBB成線性或 近似線性關系,因此應工作在欠壓狀態(tài),在 欠壓狀態(tài)下,基極UBB為調(diào)制信號,輸出uc將 是振幅調(diào)制信號。 (2)集電極調(diào)制特性 為 Ub、 UBB 、RL 不變, Ucc變化時,功放 的工作狀態(tài)以及Ico 、Ic1、 Uc變化情況。,Ub、 UBB不變, 不變, Icmax不變, Ucc 動態(tài)線向左平移, 由欠壓臨界過壓 Icmax基本不變, Icmax,凹陷越深, (集電極調(diào)制特性圖) 集電極調(diào)制應選擇在過壓狀態(tài),此時, Uc 與Ucc成近似線性關系,如Ucc為一調(diào)制信 號,輸出uc將是振幅調(diào)制信號。 特點:功放、調(diào)制一次完成,稱高電平調(diào)制。,例: 某諧振功放,原工作在臨界狀態(tài), =70, po=3w, c= 60%,后因某種原因,性能變 化,c增加到68%, po明顯下降,若Ucc、Uc、 ubemax不變, 計算變化后的po 并分析原因 解: c = /2 Ucc 、Uc不變,所以不變, c /c = (70)/() ()= 1.96 = 24 po= Icmax1()Uc/2 ubemax不變,所以Icmax不變,po/ po= 1(70)/1() po= 1.2 w ubemax不變Ub 、UBB Ic1RL (過壓狀態(tài)), 3.4 高頻功率放大器的實際線路 一.直流饋電線路 分 集電極饋電線路 基極饋電線路 要求:(1)保證 uce=Ucc-uc, ube=UBB+ub, (2)集電極電流的Ico 、Ic1有各自的通路, (3)高頻信號不能流過直流電源。 一般要加cb、cc旁路電容,在0.010.1uF, Lb、Lc高頻扼流圈,在幾十幾百uH, 1.集電極饋電線路 要求:(1)管外電路不消耗直流能量,必須對,Ico提供通路, (2)對基波分量Ic1cost呈現(xiàn)阻抗RL, 以保證負載上有壓降Uccost輸出, (3)對高頻諧波分量Icncost呈現(xiàn)短路, 以保證輸出電壓為一個純凈的余弦波。 總之即對不同頻率電流呈現(xiàn)不同阻抗。,Ico,Ic1,- uc +,RL,Icn,Ucc,串聯(lián)饋電線路：VT、Lc回路、Ucc三者 串聯(lián)連接， （如圖） Lc:對基波及諧波開路,對直流短路, cc:對基波及諧波短路,對直流開路, 滿足: uce=Ucc-uc, 為了阻止高頻電流流過電源Lc1/cc 并聯(lián)饋電線路: VT、Lc回路、Ucc三者 并聯(lián)連接， (如圖) cc1的作用:假設Lc中有高頻電流通過,也被cc1旁路到地,不經(jīng)過Ucc,減少高頻功耗, 滿足: uce=Ucc-uc, 性能比較:串饋:優(yōu):用元件數(shù)少, cc處于高頻 接地,分布電容影響小, 缺:c沒有一端接地,不便調(diào)諧, 并饋:優(yōu): c一端接地,便于調(diào)諧, 缺: cc2一端處于高頻高電位, 分布參數(shù)影響大, 2.基極饋電線路 偏壓UBB的產(chǎn)生:(1)外加UBB稱固定偏壓, (2)由基極直流或發(fā)射極直流電流流過,電阻產(chǎn)生,稱自給偏壓,優(yōu):偏壓隨激勵 大小而變,使各極電流變化小,電路較穩(wěn)定, (3)當即沒外加UBB,又沒Rb、Re時，稱零 偏壓， （自給偏壓 零偏壓圖） 串聯(lián)饋電線路：ub、VT、 UBB三者串聯(lián) 連接。 (如圖) 滿足:(1) ube=UBB+ub, (2)對高頻ub, cb短路,高頻信號不流過 直流源,并聯(lián)饋電線路:ub、VT、 UBB三者并聯(lián)連接, (如圖) (1) ube=UBB+ub, (2)對高頻ub、 cb短路,高頻信號不流過 直流源, 二.輸出匹配網(wǎng)絡 指級與級之間或功放輸出與負載之間的電路。 一般用雙端口網(wǎng)絡實現(xiàn) 特點:(1)為了得到最大功率輸出,有阻抗變換 作用,把負載電阻變成RL電阻, (2)具有抑制工作頻率范圍之外頻率,即濾波作用,也就是對工作頻率有選頻作用, (3)能高效傳輸信號, 常用電路: Lc匹配網(wǎng)絡,耦合回路。 1. Lc匹配網(wǎng)絡: 有L、T、型網(wǎng)絡 L-型變換： Rs = Rp/(1+ Q2) xs =,xs,xp,Rp,xs xs,Rs,Q = Rp/ |xp| 當Rp RL時,采用此電路達到阻抗匹配。 L-型變換： Rp= Rs(1+ Q2) , xp= xs(1+ ) Q = |xs|/ Rs 當Rs RL時,采用此電路達到阻抗匹配。 特點:電路簡單,回路Q值好確定,但濾波效果,xp,xs,RS,xp,xp,Rp,不好。 T、型網(wǎng)絡濾波效果比L型好,一般T型 網(wǎng)絡不作功放的輸出電路,作功放級與級 之間耦合電路。 2.耦合回路 級與級之間或輸出與負載之間可采用 變壓器耦合。不做贅述。 三.實際電路舉例 (圖例),第四章 正弦波振蕩器,一.振蕩器:無需外加激勵就能自動地將直流電 能量轉(zhuǎn)換成一定頻率和振幅的交流 信號能量。 是一種能量轉(zhuǎn)換器。 與小信號放大器比較：放大器是它激式產(chǎn)生 器， 振蕩器是自激式產(chǎn)生器。 相同點：能量轉(zhuǎn)換， pdpo,二.分類: 按工作原理分 反饋型振蕩器 互感耦合式 三端式 負阻型振蕩器 按產(chǎn)生的波形分 正弦波振蕩器 非正弦波振蕩器 按選頻網(wǎng)絡分 Lc振蕩器 (高頻) Rc振蕩器 (低頻) 晶體振蕩器 本章重點介紹反饋式Lc正弦波振蕩器,三.主要指標 1.頻率穩(wěn)定度, 用于通信領域要求高, 2.振蕩波形, 用于通信領域要求好, 3. po和c, 用于醫(yī)療器械要求高。, 4.1 反饋振蕩器的原理 一.原理分析 組成: 由放大器和反饋網(wǎng)絡組成,放大器具有 選頻特性,所以用諧振放大器,反饋網(wǎng)絡 是線性元件組成的線性網(wǎng)絡, 這個閉環(huán)網(wǎng)絡相位必須滿足正反饋,才能振蕩,放大器 K(j),反饋網(wǎng)絡 F(j),Uo (j),Uf (j),Ui (j),Us (j),開環(huán)增益 k(j)= Uo (j)/Ui (j) 反饋系數(shù) F(j)= Uf (j)/Uo (j) 閉環(huán)增益 ku(j)= Uo (j)/Us(j) =Uo (j)/Ui (j)-Uf (j) =Uo (j)/Ui (j)- F(j)Uo (j) = k(j)/1- k(j)F(j) 環(huán)路增益 T(j)= k(j)F(j) (回歸比) = Uf (j)/Ui (j) =T(j)ejT (1)當T(j)=1, T=0, ku(j),產(chǎn)生 自激振蕩,Us=0,Ui =Uf 為等幅振蕩,(2)當|T(j)| 1, |Uf | | Ui |,為增幅振蕩, (3)當|T(j)| 1, |Uf | | Ui |,為減幅振蕩, 二.平衡條件 平衡條件: T(j)=1 |T(j)|= |KF| =1 T= k+ f= 2n,0 即Ui 與Uf大小相等,相位相同, 當放大器為小信號諧振放大器時, k(j)= Uo (j)/Ui (j)= -YfeZL 其中Yfe= | Yfe| e j fe, ZL= RL e j L L= -arctan 2QL,F(j)= | F | e j f 為了方便,引入一個與F(j)反號的F(j), T(j)= K(j)F(j)=-YfeZL F= YfeZL F | YfeZL F | = 1 fe+ L+ f = 0 即 L =-(fe+ f) 平衡時(1)電源的能量抵消了振蕩器損耗 的能量,所以輸出幅度不變,振 幅平衡條件決定了輸出振幅的 大小, (2)滿足相位平衡條件時的頻率只 有一個為振蕩頻率fg,一般在回,路諧振頻率附近,通過解T= 0得到。 如: fe=-3，f=8, QL=50, fo=15MHz, 求:fg 解:L=-(fe+ f)= -arctan 2QL = -5 f = 0.013 MHz fg= 15.013 MHz或14.987 MHz 討論:當T(j)1 (1)|T(j)| 1 ,T=0, 出現(xiàn)增幅或減幅振蕩,振幅條件 不滿足,振幅不穩(wěn)定, (2)|T(j)| =1 , T0,相量圖: 相位條件不滿足, T 0,g T 1,T,T,ui,ui,ui,|T(j)| 1 k+ f= 2n,0 振蕩建立的物理過程: Us=0,當電源一接通產(chǎn)生電沖擊,熱噪聲 幅度小,頻帶寬,其中有一個與選頻網(wǎng)絡fo 一致的信號ui(g)放大(ic)選頻(uo) 反饋(uf) 振蕩幅度的穩(wěn)定過程: (圖示) 振幅穩(wěn)定是靠放大器的非線性完成的。 起振過程很短,一般電源一通,就有穩(wěn)定輸出,四.穩(wěn)定條件 穩(wěn)定平衡,不穩(wěn)定平衡 穩(wěn)定平衡點:受外界影響,使T(j)發(fā)生變化, 破壞了原來的平衡條件,如果通過回路 不斷循環(huán),在原平衡點附近達到新的平 衡或去掉外界影響,能自動回到原平衡 點。 分 振幅穩(wěn)定條件 相位穩(wěn)定條件 1.振幅穩(wěn)定條件 振蕩器具有阻止振蕩幅度變化的能力。,如果ui T不變,將引起增幅振蕩, T也大,將引起更大的增幅振蕩, T k uo uf ui,達到 新平衡, (圖示) 振幅穩(wěn)定條件:T/ Ui | B 0 或 K/ Ui | B 0 具有自偏壓式的振蕩器,振幅穩(wěn)定性好。 2.相位穩(wěn)定條件 = d/dt, =dt,可見相位不穩(wěn)定, 引起頻率的不穩(wěn)定,并成正比例變化,當T 0,振蕩頻率也隨之增大, (圖示說明) 相位穩(wěn)定條件: L/|1 0 并且曲線斜率越陡,相位穩(wěn)定性越好, 并聯(lián)諧振回路的相位具有此特性,所以能 穩(wěn)定相位。 五.互感耦合反饋振蕩器 (電路圖,交流等效電路圖,Y參數(shù)圖) 特點:變壓器中的同名端保證電路構成 正反饋。,p2= F = M/L T = KF = Yfe/(goe+go+ p22gie)F 例:有一個振蕩器交流等效電路, Yfe為實數(shù), E = jM Ic= jM YfeUi Uf= MYfeUi/L2gie+j(2L2c2-1) T=0, 2L2c2-1=0 g =,+,-,ui,+,-,uo,M,c,+,-,uf,+ -,E,YfeUi,gie,L2,L2,c,Uf,+,-,Ic, 4.2 Lc振蕩器 一.三端式振蕩器的組成原則 特點:晶體管三個極分別與諧振回路的 三個點相連。 x1 x2 x3構成并聯(lián)諧振回路,與vT構成正反饋, 所以諧振回路應呈純阻性, 即 x1+ x2 +x3= 0,-,+,Uc,-,+,Ub,X1,X2,X3,I,不考慮極間電容的影響, fe=0 又諧振時 L=0, 所以要F=0 所以 x1 x2 要為同性質(zhì)電抗的元件, 而 x3與x1 x2電抗性質(zhì)相反。 即 be ce間電抗元件相同,bc間與之相反。 (射同余異) 電容三端式: be ce間為電容, bc間為電感, 電感三端式: be ce間為電感, bc間為電容。 例:有一振蕩器的等效電路如圖所示,設有下 列四種情況:,(1) L1c1 L2c2 L3c3 , (2) L1c1 L3c3 , (4) L1c1 L2c2 L3c3 , f1 f2 f3 當f2 fg f3時,構成電感三端式振蕩回路, (3) L1c1= L2c2 L3c3 , f1= f2 f3,當f1= f2 f2= f3 電路不能振蕩。 二.電容三端式振蕩器 (原理圖 交流等效圖) R1 R2 Re偏置電路提供合適的靜態(tài)工作點, 動態(tài)時穩(wěn)定輸出振幅,ce為旁路電容, cb為 隔直、耦合電容,Lc