高頻電子線路第3章 高頻諧振放大器

第3章高頻諧振放大器

高頻小信號放大器高頻功率放大器的原理與特性高頻功放的高頻效應高頻功率放大器的實際線路

D類高頻功放和高頻功率合成器簡介1/14/20231一、高頻小信號放大器

1、概述功能：不失真地放大高頻小信號和選頻濾波。“小信號”的含義：使放大器工作在線性放大區(qū)(屬于A類或甲類放大器)。小信號放大器的分類：(1)窄帶放大器和寬帶放大器窄帶放大器：放大的是窄帶信號，相對帶寬千分之幾。負載為并聯(lián)諧振回路、耦合回路或其它諧振回路，負載的功能是阻抗變換和選頻濾波。所以這種放大器又稱為高頻小信號諧振放大器。寬帶放大器：指需要放大多個高頻信號，或者中心頻率要隨時改變的高頻小信號放大器，它的負載為電阻、高頻變壓器或傳輸線變壓器。1/14/20232分立元件：用作窄帶放大器，工作頻率較高，但調整困難；集成放大器：用作寬帶放大器，增益高，性能穩(wěn)定，但噪聲性能要差一些。主要要求：①增益要高：接收機中頻放大器需要電壓增益80dB~100dB，需要多級放大器級聯(lián)才能實現；②頻率選擇性要好：選擇性描述的是放大器選擇有用信號、抑制無用信號的能力，衡量選擇性好壞的參數是放大器的帶寬和矩形系數；③工作穩(wěn)定可靠：包括放大器的溫度穩(wěn)定性、受電源電壓等外界因素的影響要小、不產生任何自激；④接收機前級放大器：要求內部噪聲要小。本章主要講分立元件高頻小信號諧振放大器。(2)分立元件和集成放大器1/14/202332、工作原理直流偏置：直流偏置和低頻電路完全一樣。只不過基極和發(fā)射極高頻旁路電容Cb和Ce的電容值比低頻電路要小得多。1/14/20234交流等效電路：去掉直流偏置電路。高頻旁路電容Cb和Ce交流短路；直流電源對地交流短路；放大器的負載：是一個抽頭并聯(lián)諧振回路，對信號頻率ω0諧振，完成阻抗匹配和選頻濾波的功能。工作狀態(tài)：放大器工作在A(甲)類狀態(tài)。1/14/202353、性能分析對晶體管的要求：特征頻率fT要高、β要高、噪聲系數要低。晶體管的高頻等效電路：包括混π等效電路和Y參數等效電路。晶體管混π等效電路：混π等效電路能全面反映雙極晶體管在高頻運用時物理過程，也是分析晶體管高頻應用時的基本等效電路。寬帶放大器通常采用混π等效電路來分析。：發(fā)射結電容；：集電結電容；：晶體管的跨導。1/14/20236晶體管Y參數等效電路：由混π等效電路導出，比混π等效電路使用方便，僅適合分析窄帶放大器。Yoe：基極和發(fā)射極交流短路時輸出導納；Yie：集電極和發(fā)射極交流短路時的輸入導納；Yfe：集電極和發(fā)射極交流短路時的正向傳輸導納；Yre：基極和發(fā)射極交流短路時的反向傳輸導納。Y參數等效電路的參數方程：1/14/20237說明：Y參數不僅與靜態(tài)工作點有關，而且還與工作頻率有關。只有當放大器工作在窄帶時Y參數可以近似看作常數。Y參數和混π參數關系：Y參數實際應用中的近似:1/14/20238放大器的性能參數：忽略管子內部的反饋，即令Yre=0，這時放大器的電流、電壓關系為Y'L：代表負載等效到晶體管ce兩端的等效導納。根據上述關系可以計算放大器的電壓放大倍數、輸入導納、輸出導納以及通頻帶和矩形系數。1/14/20239通頻帶B

0.707與矩形系數K

0.1:電壓放大倍數K：輸入導納Yi:

輸出導納Yo:放大器的五個性能參數：1/14/2023104.高頻諧振放大器的穩(wěn)定性放大器不穩(wěn)定的原因：集電結電容Cb'c引入的電流反饋。也可以用Yre解釋。放大器不穩(wěn)定的表現：電流反饋如果在某個頻率點上滿足正反饋的相位和幅度條件，就會產生自激振蕩。在輸入導納Yi中，反饋表現為Yre引入的輸入導納Yir：△ω<0：Yir的電導為負，形成正反饋，會引起放大器不穩(wěn)定。1/14/202311內部反饋對放大器頻率特性的影響：1/14/202312提高放大器穩(wěn)定性的方法：①選擇Yre小的晶體管：這是解決問題的最根本的方法；②中和法：人為地在輸出、輸入端引入一個附加的負反饋電路，來抵消Yre的正反饋，附加的反饋電路稱為中和電路。利用中和電容Cn的中和電路：為了抵消Yre的反饋,，從集電極回路取一與Uc反相的電壓Un，通過Cn反饋到輸入端。根據電橋平衡原理有1/14/202313實際中和電路：用Cb'c來表示晶體管的反饋是一種近似，因此中和電路的效果是有限的，用的比較少，一般用在收音機電路中，如下圖。1/14/202314③ 失配法：從輸入導納Yi的關系式可以看出，要降低Yre對輸入端的影響，可以通過增加負載導納來實現。但這意味著負載和晶體管的輸出導納不匹配，因此這種方法稱為失配法。下圖的共發(fā)—共基電路可以用失配法解釋：V2的輸入導納很大，意味著V1的負載導納很大。1/14/202315雙柵極場效應管放大器提高穩(wěn)定性的原理也可以用失配法解釋。雙柵極場效應管放大器可以看作是共源-共柵兩個場效應管的級聯(lián)，共柵放大器具有較大的輸入導納。1/14/202316外部寄生反饋引起的不穩(wěn)定性：外部寄生反饋是以電磁耦合的方式出現。電磁干擾的耦合途徑：①電容性耦合：由導線與導線間、導線與器件間、器件與器件間的分布電容實現信號由后級耦合到前級；②電感耦合：由導線與導線間、導線與器件間、器件與器件間的互感實現信號由后級到前級的不必要耦合；③公共電阻耦合：后級信號通過公共導線或電阻實現信號由后級到前級的耦合；④輻射耦合：后級電路通過電磁輻射的方式耦合到前級。解決的辦法：①每一級電路就近多點接地；②對高輻射元件進行屏蔽；③在每一級的直流供電處加去耦濾波電容。1/14/2023175.多級諧振放大器多級單調諧放大器：假設有n個單回路調諧放大器級聯(lián)，且各級電壓放大倍數分別為K01、K02、…、K0n，多級單調諧放大器的諧振頻率相同，均為信號的中心頻率?？傠妷悍糯蟊稊担?/14/202318多級雙調諧放大器：設有n級雙調諧放大器級聯(lián)，均工作在臨界耦合狀態(tài)。假設各級電壓放大倍數分別為K01、K02、…、K0n，多級單調諧放大器諧振頻率相同,均為信號的中心頻率。1/14/202319兩種級聯(lián)諧振放大器性能比較：(1)多級單調諧放大器：隨著n的增加，總帶寬減少，矩形系數得到改善(降低)。(2)多級雙調諧放大器：隨著n的增加，總帶寬減少，矩形系數得到改善(降低)。1/14/202320參差調諧放大器：由多級具有不同頻率特性的調諧放大器構成的參差調諧放大器在改善矩形系數的同時，還可以獲得較大的帶寬，在電視接收機的高頻放大器中廣泛應用。1/14/202321電視機高頻放大器的簡化電路：基于參差原理的寬帶放大器。輸入回路：單調諧(諧振于信號頻率)；輸出回路：雙調諧(工作在過耦合狀態(tài)，諧振于信號頻率)；雙柵極：提高穩(wěn)定性。1/14/202322舉例：一中頻放大器電路如圖所示。已知諧振頻率f0=10.7MHz。線圈空載品質因數Q0=100，晶體管經中和后的Y參數(在工作頻率上)為：回路電容C=50pF，中頻變壓器的接入系數設后級晶體管Y參數與上相同。求：回路有載品質因數QL和3dB帶寬B0.7；放大器的電壓增益；中和電容值(設Cb’c=2.67pF)。1/14/202323，解：(1)回路總諧振電阻包括回路空載諧振電阻、晶體管輸出電阻和后級輸入電阻等效到回路中的電阻。回路總電容：回路電容、晶體管輸出電容和后級晶體管輸入電容等效到回路兩端的電容：1/14/202324(2)計算電壓增益：(3)中和電容為：有載品質因數為：3dB帶寬為：1/14/202325二、高頻功率放大器的原理和特性1.概述主要功能：放大高頻信號、高效率地得到大的輸出功率。無線電發(fā)射機中，經過調制的高頻信號只有通過功率放大才能送到天線輻射出去。性能參數：衡量高頻功放的性能指標是輸出功率和轉換效率。輸出功率：發(fā)射機需要的輸出功率范圍：1mW~100kW。 雙極晶體管和場效應管：低于幾百瓦； 電子管：高于幾百瓦。轉換效率：高頻功放實質上是將電源直流功率轉換成高頻功率的過程。轉換效率就是反映直流功率轉換成高頻功率的效率。最高可達80%。1/14/202326工作狀態(tài)：為了提高轉換效率，高頻功率放大器大多工作在C(丙)類狀態(tài)。 A(甲)類：ηmax=50%，放大器一直處于導通狀態(tài)。B(乙)類：ηmax=78.5%，放大器有一半時間處于導通狀態(tài)。C(丙)類：ηmax>78.50%，放大器有一少半時間處于導通狀態(tài)。

為了進一步提高效率，近年來出現了如D類、E類和S類等開關型高頻諧振功放，本章主要介紹C類高頻諧振功放。負載：和低頻功放相比，高頻功放的相對帶寬比較低，故高頻功放用選頻網絡作為負載，以完成阻抗匹配和濾波功能，所以高頻功放稱為諧振功率放大器。高頻諧振功放的分析方法：對于C類高頻諧振功放，由于雙極晶體管(或場效應管或電子管)工作在高頻、大信號非線性狀態(tài)，將采用近似地方法分析。1/14/2023272.工作原理電路特點：由晶體管、諧振回路和輸入回路組成。①晶體管：采用平面工藝制造的高頻大功率NPN管，有較高的特征頻率，能承受高電壓和高電流，為保證在C類工作，基極偏置應使晶體管靜態(tài)時工作在截止區(qū)，因此基極偏壓為負電壓；1/14/202328②諧振回路：功能是阻抗匹配和選頻濾波。一方面從集電極高頻脈沖電流中取出基波分量，得到不失真的輸出電壓；另一方面通過阻抗變換實現阻抗匹配，使高頻功放以高效率輸出大功率。③輸入激勵信號：大信號，一般在0.5V以上，可達1~2V。1/14/202329基極和發(fā)射極電流：假設激勵信號為單一頻率的余弦波，則基極電流和集電極電流為周期性的高頻余弦脈沖。

1/14/202330三類功放與通角的關系：電流流通角θ(簡稱通角)：當ωt=θ，晶體管由放大器區(qū)進入截止區(qū)，這個最小的正θ值稱為電流流通角，簡稱通角。1/14/202331集電極電流分析：集電極電流波形是周期性余弦脈沖，可以利用傅里葉級數分解成直流、基波(信號頻率分量)和各次諧波分量說明：α0(θ)、α1(θ)和αn(θ)分別稱為余弦脈沖的直流、基波、n次諧波分解系數?？梢圆楸?西電版或本章課件附有表格)。1/14/202332基極電流分析：基極電流波形也是周期性余弦脈沖，分解方法同集電極電流相同，分解系數與集電極的完全相同。1/14/202333輸出電壓和集電極電壓：由于并聯(lián)諧振回路諧振于激勵信號頻率ω，因此回路對基波分量呈現大的諧振阻抗RL，對直流和其他諧波分量呈現的阻抗近似為零，所以并聯(lián)諧振回路輸出電壓由Ic1產生。1/14/202334高頻諧振功率放大器的電流波形關系：1/14/202335高頻諧振功率放大器的電壓波形關系：1/14/202336高頻功放的主要性能參數：

(1)高頻輸出功率P1:(2)集電極電源供給的直流輸入功率P0：(3)集電極損耗功率Pc：(4)定義集電極效率η：(6)基極激勵功率：(7)高頻功放的功率增益：(5)輸出功率與損耗功率的關系：1/14/202337提高功率和效率的方法：①提高電壓利用系數ξ(即提高Uc)：通常是通過提高諧振回路的諧振阻抗來實現；②選擇合適的通角θ：功率與θ的關系由α1(θ)決定，效率η與θ的關系由波形系數γ決定。因此為了兼顧效率和輸出功率，θ取65°～75°。1/14/2023383.高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)高頻功放的動特性：是指當加上激勵信號及接上負載阻抗時,晶體管集電極電流ic與電極電壓(ube或uce)的關系曲線,它在ic～uce或ic～ube坐標系統(tǒng)中是一條折線AB?BC。1/14/202339動特性各點的坐標計算：小結：高頻功放的動特性曲線不僅與負載電阻RL有關，還與放大器的通角θ有關；小信號放大器的動特性曲線僅與負載電阻有關。說明：連接A、Q點交Uce軸于B點，則ABC三點連線即為高頻功放的動特性曲線。如果A點進入飽和區(qū)，則飽和區(qū)中的線用臨界飽和線代替。如果A點沒有進入飽和區(qū)，則1/14/202340高頻功放的工作狀態(tài)：高頻功放根據集電極電流是否進入飽和區(qū)可以分為欠壓、臨界和過壓三種狀態(tài)。(1)欠壓狀態(tài)：晶體管在放大區(qū)和截止區(qū)變化，集電極電流ic為高頻脈沖、基本保持不變。輸出功率P1=UcIc1/2隨Uc增加而增加，P0=EcIc0不變，故效率η隨Uc增加而增加，說明集電極電壓利用的不充分，ξ<<1，A點處于放大區(qū)，因此稱為欠壓狀態(tài)。 2)過壓狀態(tài)：A點處于飽和區(qū)。由于放大器大部分時間處于飽和區(qū)，集電極余弦電流脈沖ic頂部向下凹陷，電壓利用系數ξ≈1，這種狀態(tài)稱為過壓狀態(tài)。(3)臨界狀態(tài)：A點正好處于臨界飽和線和放大區(qū)的交接點，稱為臨界狀態(tài)。這時的集電極電流仍為余弦脈沖，而且基波電流和回路電壓都最大，因此具有最大的輸出功率。這是高頻功放的最佳工作狀態(tài)，滿足這一狀態(tài)的負載電阻RL稱為臨界電阻或最佳負載電阻，用RLcr表示。1/14/202341過壓狀態(tài)的電流波形：1/14/202342例3-1已知某高頻諧振功放的工作頻率為10MHz。分析下列兩種情況下在臨界和過壓狀態(tài)下的輸出電流波形：解：(a)發(fā)射結電壓為余弦波臨界工作狀態(tài)：輸出電流為余弦脈沖，輸出電壓為余弦波；過壓工作狀態(tài)：輸出為凹陷的余弦脈沖，由于經過選頻濾波，輸出電壓為余弦波。(b)發(fā)射結電壓為方波臨界工作狀態(tài)：輸出電流為方波脈沖，輸出電壓為余弦波；過壓工作狀態(tài)：輸出為凹陷的方波脈沖，由于經過選頻濾波，輸出電壓仍為余弦波。(圖示見課本)1/14/202343例3-2已知某高頻功放工作在臨界狀態(tài)，通角θ＝70°，輸出功率為P1=3W，Ec＝24V，所用高頻功率管的臨界飽和線斜率Sc＝0.33A/V，轉移特性曲線斜率S＝0.8A/V，Eb′=0.65V，管子能安全工作。試計算：P0、η、負載阻抗、Ub以及Eb的大小。解：臨界狀態(tài)的標志就是icmax值正好處于放大區(qū)向飽和區(qū)過渡的臨界線上。臨界飽和線的斜率為Sc，則臨界線可表示為1/14/202344求臨界時電壓利用系數ξcr、最大電流icmax以及與輸出功率P1的關系：考慮最大電流處1/14/2023451/14/202346根據轉移特性計算所需激勵電壓Ub、基極偏置電壓Eb：轉移特性代表集電極電流與發(fā)射結電壓的關系曲線，可以表示為說明：這個例子概括了臨界狀態(tài)高頻諧振功放的各種公式。1/14/2023474.高頻功放的外部特性：指放大器的性能隨放大器的外部參數變化的規(guī)律。外部參數包括RL、Ub、Eb和Ec。負載特性：只改變負載電阻RL，集電極電流、電壓、功率和效率的變化情況。1/14/202348振幅特性：只改變激勵信號振幅Ub，集電極電流、電壓、輸出功率和效率的變化特性。欠壓狀態(tài)：Ic1、Ic0和Uc隨Ub增加而增加;

過壓狀態(tài)：Ub變化時，Ic1、Ic0和Uc保持不變，因而輸出功率和效率也不變。1/14/202349調制特性：改變基極或集電極的偏置電壓，輸出高頻信號的幅度相應改變。利用這種特性，可以實現振幅調制。調制特性分為基極調制特性和集電極調制特性。如果在直流電壓Eb(或直流電壓Ec)疊加一個較小的信號(調制信號)，再選擇合適的工作狀態(tài)，輸出信號的幅度隨著調制信號變化，就可以將調制和功放同時完成，通常稱為高電平調制。1/14/202350調諧特性：諧振回路在調諧過程中性能參數的變化情況。一般是通過調整回路電容來進行調諧的。注意：調諧時，為了防止由于輸出電壓、電流大幅度變化而損壞晶體管，可以減少Ec或減少激勵電壓。1/14/202351三、高頻功率放大器的高頻效應

高頻效應：當晶體管處于中頻區(qū)(0.5fβ<f<fT)甚至更高頻率時，會出現功率下降、效率降低、增益下降以及輸入/輸出阻抗為復阻抗等現象，稱為功放管的高頻效應。1.少數載流子的渡越時間效應

晶體管是電荷控制器件，少數載流子的注入和擴散是信號放大的基礎。載流子渡越時間：少數載流子在基區(qū)擴散而到達集電極的時間。晶體管在低頻和高頻時渡越時間的影響是不一樣的。低頻工作(信號周期大)：渡越時間小于信號周期，基區(qū)載流子分布可以跟上外加瞬時電壓的變化，晶體管各極電流僅僅與當前輸入信號電壓有關。高頻工作(信號周期小)：渡越時間與信號周期相當，某一時刻基區(qū)載流子分布與前一時刻信號電壓有關，因此各極電流并不取決當前信號電壓，導致高頻功放性能惡化。1/14/202352載流子渡越時間對電流波形的影響：(a)低頻；(b)高頻性能惡化的具體體現：集電極電流減少，輸出功率下降；通角增大，集電極效率降低。1/14/2023532.非線性電抗效應功放管的集電結電容：就是隨集電結電壓Ube變化的非線性勢壘電容。數值可達10～200pF。影響：可以概括為兩條。(1)形成一條反饋支路，導致放大器不穩(wěn)定。(2)在輸出端形成一個隨Ube非線性變化的輸出電容。3.發(fā)射極引線電感的影響

發(fā)射極引線電感：

其中l(wèi)為引線長度，d為直徑。影響：高頻工作時ωLe不能忽略，在共發(fā)功放放大器中引入射極負反饋，導致增益降低。1/14/2023544.飽和壓降的影響

晶體管工作于高頻時,飽和壓降Uces隨頻率提高而加大。影響：導致功放的集電極電壓利用系數減少，這樣會使輸出功率和轉換效率降低。1/14/202355

四、高頻功率放大器的實際線路

1、直流饋電線路：包括集電極和基極饋電線路。功能：包括三個方面：① 保證集電極回路電壓uce=Ec?uc，基極回路電壓ube=Eb+ub；② 保證集電極和基極電流的直流和基波分量有各自的通路；③ 防止高頻信號流過直流電源，增加高頻功率損耗?？赏ㄟ^設置旁路電容Cb和高頻扼流圈Lb來實現上述目的。在短波波段，Cb=0.01uF~0.1uF，Lb=10uH~100uH。1/14/202356集電極饋電線路：包括串聯(lián)和并聯(lián)饋電線路。串聯(lián)饋電線路：晶體管、諧振回路和集電極電源三者是串聯(lián)關系(圖(a))。(1)直流通路 Ec→Lb→L→晶體管→Ec(2)交流通路 發(fā)射極→Cb→諧振回路→集電極高頻扼流圈Lb：防止高頻電流流過Ec。旁路電容Cb：提供交流通路，防止高頻電流流過Ec。1/14/202357集電極并聯(lián)饋電線路：晶體管、諧振回路和集電極電源三者是并聯(lián)關系。(圖(b))(1)直流通路 Ec→Lb→晶體管→Ec(2)交流通路 發(fā)射極→諧振回路→Cb→集電極

Cb：耦合電容，Cb1：旁路電容，Lb：高頻扼流圈。 無論何種饋電方式，均有：uce=Ec-uc1/14/202358基極饋電線路：有四種饋電方式。(1)固定偏壓:基極直流偏壓由外部電源提供；(2)自給偏壓:由基極或發(fā)射極直流電流流過電阻產生；(3)組合偏壓:固定偏壓和自給偏壓兼而有之；(4)零偏壓:基極沒有偏置電壓。 自給偏壓的優(yōu)點是偏壓能隨激勵大小變化，電路工作穩(wěn)定。圖(a):

發(fā)射極自給偏壓；圖(b):

基極組合偏壓；圖(c):零偏壓1/14/202359舉例：例3-2。改正圖(a)線路中的錯誤，不得改變饋電形式，重新畫出正確的線路。1/14/2023602.輸出匹配網絡

主要功能:(1)為了保證放大器傳輸到負載的功率最大，實現阻抗匹配；(2)為了擬制工作頻率之外的無用頻率，實現濾波；(3)適應發(fā)射機的波段工作。常用的匹配網絡有LC網絡和耦合回路。

LC匹配網絡：主要由LC元件組成，有三種形式。1/14/202361L-I型網絡(負載電阻Rp與Xp并聯(lián))：L-Π型網絡(負載電阻Rs與Xs串聯(lián))：1/14/202362舉例1：已知工作頻率f=5MHz，功放臨界電阻RLcr=100Ω，天線端電阻R2=10Ω。例3-3。解：屬于L-II型匹配電路。1/14/202363舉例2：超短波輸出放大器的實際電路，它工作于固定頻率。輸出回路采用π型(C1L1C2)匹配網絡，其中L2為補償電感(補償天線輸入阻抗中的容抗)，Cb為耦合電容或隔直電容。調整C1C2實現阻抗匹配和調諧。1/14/202364耦合回路：采用互感耦合回路作為輸出電路，可以多波段工作，改變互感M可以實現阻抗匹配。下圖是一短波發(fā)射機的輸出放大器，圖中只畫出一個波段。耦合回路初級線圈采用抽頭回路，并采用1:4傳輸線變壓器，原因是功放管的輸出阻抗較小；集電極接地便于晶體管散熱。1/14/2023653.推挽線路與線性高頻功放

功能:高頻功放在放大某些已調波信號(如調幅信號、單邊帶信號)時，除了需要提高輸出功率外，還需要“線性高頻功率放大”，推挽線路就可以完成這樣的功能。推挽線路的結構：兩個功放管VT1和VT2工作在B類狀態(tài)、交替導通、協(xié)同工作，可以實現線性功率放大。輸入端采用傳輸線變壓器實現阻抗變換，輸出負載為寬帶電阻，變壓器實現阻抗變換。1/14/2023664.高頻功放的實際線路舉例

圖(a)是工作頻率為50MHz的晶體管諧振功率放大電路，它向50Ω外接負載提供25W功率，功率增益達7dB?；鶚O采用零偏壓(Lb為高頻扼流圈)，C1C2L1組成T型匹配網絡，集電極采用串饋，L2L3C3C4組成π型匹配網絡。1/14/202367圖(b)為175MHz的VMOS場效應管諧振功放電路，可以向50Ω負載提供10W功率，效率大于60%，柵極采用T型網絡(C1C2C3L1)，漏極為π型網絡(L2L3C5C7C8)。柵極采用并饋偏置，漏極采用串饋偏置。1/14/202368

五、D類高頻功放和高頻功率合成器簡介

1、D類高頻功率放大器提高高頻功率放大器效率的關鍵是降低集電極損耗功率。如果在集電極電