高頻電子線路課件

第1章緒論

1.1資訊技術(shù)1.2通信系統(tǒng)1.3收音機(jī)電路1.4實(shí)訓(xùn)：R828AM/FM收音機(jī)裝配實(shí)訓(xùn)1.5本課程的特點(diǎn)

1.1資訊技術(shù)

當(dāng)前最熱門(mén)的話題就是資訊技術(shù)。其實(shí)，資訊技術(shù)概括起來(lái)包括兩類(lèi)技術(shù)：資訊處理與資訊傳輸。資訊是一個(gè)抽象的概念。資訊的具體形式有：語(yǔ)言、文字、符號(hào)、音樂(lè)、圖形、圖像和數(shù)據(jù)。將表示聲音和圖像等物理信號(hào)，經(jīng)過(guò)感測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為我們處理的對(duì)象。人們從這些信號(hào)中獲取資訊。

通信的主要任務(wù)是傳遞資訊，即將經(jīng)過(guò)處理的資訊從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。對(duì)資訊傳輸?shù)囊笾饕翘岣呖煽啃院陀行?。資訊處理的目的就是為了更有效、更可靠地傳遞資訊。傳遞資訊既可以通過(guò)有線通道，也可以通過(guò)無(wú)線通道。信號(hào)的無(wú)線傳輸是無(wú)線電技術(shù)的主要應(yīng)用，通信作為無(wú)線電技術(shù)的最早應(yīng)用，其組成和工作過(guò)程，很典型地反映了無(wú)線電技術(shù)的基本問(wèn)題。

通信技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化充分反映了無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化。本書(shū)將以無(wú)線通信系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，著重討論無(wú)線電設(shè)備中的高頻放大器和高頻功率放大器、振盪器、頻率變換器等電子電路的基本原理和應(yīng)用。1.2通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)直接完成資訊的傳遞任務(wù)。瞭解該系統(tǒng)的構(gòu)成，有利於掌握無(wú)線通信的基本原理，以及通信電子線路的組成原理。我們知道，無(wú)線通信是將信號(hào)從一個(gè)地方，經(jīng)空間傳送到另一個(gè)地方。為了使我們獲取的聲音或圖像信號(hào)，能不失真地傳遞到其他地方，需要對(duì)聲音或圖像信號(hào)做一些處理，使代表這些資訊的電信號(hào)變換成有利於傳輸?shù)男盘?hào)。這就是通信系統(tǒng)的基本功能。

通信系統(tǒng)的基本組成方框圖如圖1.1所示。它由輸入、輸出變換器，發(fā)送、接收設(shè)備，以及通道組成。輸入變換器將要傳遞的聲音或圖像消息變換為電信號(hào)，該電信號(hào)包含了原始消息的全部資訊（允許存在一定的誤差，或者說(shuō)資訊損失），稱為基帶信號(hào)。輸入變換器的輸出作為通信系統(tǒng)的信號(hào)源。圖1.1通信系統(tǒng)基本組成框圖

通道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，也就是傳輸媒介，不同的通道有不同的傳輸特性。為了適應(yīng)通道對(duì)要傳輸信號(hào)的要求，就必須將已獲取的基帶信號(hào)再做變換，這就是發(fā)送變換設(shè)備的功用。發(fā)送設(shè)備將基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)製等處理，並使其具有足夠的發(fā)射功率，再送入通道，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸。

無(wú)線通信系統(tǒng)使用的頻率範(fàn)圍很寬闊，從幾十千赫茲到幾十兆赫茲。習(xí)慣上按電磁波的頻率範(fàn)圍劃分為若干個(gè)區(qū)段，稱作頻段，或波段。無(wú)線電波在空間傳播的速度c=3×108m/s，則高頻信號(hào)的頻率f與其波長(zhǎng)λ的關(guān)係為式中，f單位取Hz，λ單位用m。(1—1)

無(wú)線電波段可以按頻率劃分，也可以按波長(zhǎng)劃分。表1—1列出按波長(zhǎng)劃分的波段名稱、相應(yīng)的波長(zhǎng)範(fàn)圍及相應(yīng)的頻段名稱。不過(guò)，波段的劃分是粗糙的，各波段之間並沒(méi)有明顯的分界線，所以在各波段之間的銜接處，無(wú)線電波的特性也無(wú)明顯差異。表1—1波段的劃分

通信系統(tǒng)的核心部分是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。不同的通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的組成不完全相同，但基本結(jié)構(gòu)也還是有相似之處。我們經(jīng)常見(jiàn)到的通信系統(tǒng)有廣播通信系統(tǒng)，移動(dòng)通信系統(tǒng)，它們都是無(wú)線通信系統(tǒng)。從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間的無(wú)線電波的傳播屬於模擬通信系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)基本相同。在我們接觸這些設(shè)備的工作原理和組成電路之前，初步瞭解其結(jié)構(gòu)組成是有好處的。無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2和圖1.3所示。圖1.2無(wú)線通信發(fā)送設(shè)備圖1.3無(wú)線通信接收設(shè)備

振盪器產(chǎn)生等幅的高頻正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)倍頻器後，即成為載波頻率信號(hào)；然後，載波頻率信號(hào)被基帶信號(hào)調(diào)製，產(chǎn)生高頻已調(diào)信號(hào)，最後再經(jīng)功率放大器放大，獲得足夠的發(fā)射功率，作為射頻信號(hào)發(fā)送到空間。載波頻率在適合無(wú)線通道傳播的頻率範(fàn)圍。

接收設(shè)備的第一級(jí)是高頻放大器。由於由發(fā)送設(shè)備發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播，受到很大的衰減，能量受到很大的損失，同時(shí)還受到傳輸過(guò)程中來(lái)自各方面的干擾和雜訊。當(dāng)?shù)竭_(dá)接收設(shè)備時(shí)，信號(hào)是很微弱的，因而需要經(jīng)過(guò)放大器的放大，並且，高頻放大器的窄帶特性同時(shí)濾除一部分帶外的雜訊和干擾。高頻放大器的輸出是載頻為fc的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)過(guò)混頻器，

與本地振盪器提供的頻率為fL的信號(hào)混頻，產(chǎn)生頻率為fI的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)中頻放大器放大，送到解調(diào)器，恢復(fù)原基帶信號(hào)，再經(jīng)低頻放大器放大後輸出。高頻放大器、中頻放大器都是小信號(hào)諧振放大器，功率放大器是諧振功率放大器，調(diào)製器和解調(diào)器進(jìn)行幅度調(diào)製、角度調(diào)製和它們的解調(diào)。上述電路以及振盪器、混頻器都是本課程所討論的重點(diǎn)。1.3收音機(jī)電路

在日常生活中，常見(jiàn)的通信產(chǎn)品有許多，與我們息息相關(guān)的產(chǎn)品有收音機(jī)、電視接收機(jī)、步話機(jī)、手機(jī)等。其中收音機(jī)與電視接收機(jī)是最常用的通信設(shè)備，屬於廣播通信的範(fàn)疇，是一種單向通信設(shè)備。

收音機(jī)問(wèn)世已有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間了，然而，收音機(jī)的工作原理特別體現(xiàn)了無(wú)線通信技術(shù)方面的內(nèi)容，幾乎囊括了高頻接收技術(shù)的大部分內(nèi)容。我們通過(guò)一個(gè)典型的收音機(jī)電路來(lái)分析無(wú)線通信接收設(shè)備的工作基本原理。收音機(jī)電路如圖1.4所示。圖1.4R828AM/FM收音機(jī)電路原理圖

該收音機(jī)電路由兩片積體電路晶片與一些週邊輔助電路組成。TEA5711/T晶片是收音機(jī)的主要晶片，它將接收到的無(wú)線電信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻信號(hào)接收、放大、變換，然後，再經(jīng)過(guò)身歷聲功率放大器晶片CXA1622M，輸出聲音信號(hào)，這就是我們接收到的中央人民廣播電臺(tái)的播出節(jié)目?，F(xiàn)在，我們剖析一下TEA5711/T晶片的工作原理。TEA5711/T晶片的電路原理圖如圖1.5所示，該電路的引腳功能與參數(shù)，分別如表1—2和表1—3所示。圖1.5TEA5711/T電路原理框圖表1—2TEA5711/T引腳功能及直流電壓表1—3TEA5711/T電參數(shù)及測(cè)試條件

從圖1.5可見(jiàn)，該晶片分成上下兩個(gè)放大通道。上方的通道是調(diào)頻信號(hào)接收、放大、轉(zhuǎn)換通道。從引腳16，接收高頻調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻放大，再經(jīng)過(guò)調(diào)頻信號(hào)的混頻，輸出10.7MHz的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)中放和FM檢波，產(chǎn)生455KHz中頻調(diào)頻信號(hào)，又經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)電路鑒頻，恢復(fù)音頻信號(hào)，再經(jīng)身歷聲功率放大器，放出聲音來(lái)。下方的通道是調(diào)幅信號(hào)接收、放大、轉(zhuǎn)換通道。從引腳18，接收高頻調(diào)幅信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻放大、混頻，輸出455kHz的中頻調(diào)幅信號(hào)，經(jīng)過(guò)AM檢波，直接送功率放大器放大、輸出。該電路包括自動(dòng)增益控制和自動(dòng)頻率控制電路。1.4實(shí)訓(xùn)：R828AM/FM收音機(jī)裝配實(shí)訓(xùn)

1.實(shí)訓(xùn)目的通過(guò)對(duì)收音機(jī)的安裝、焊接及調(diào)試，瞭解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)製作過(guò)程；掌握電子元器件的識(shí)別及品質(zhì)檢驗(yàn)；學(xué)會(huì)利用工藝檔獨(dú)立進(jìn)行整機(jī)的裝焊和調(diào)試，並達(dá)到產(chǎn)品品質(zhì)要求；學(xué)會(huì)編制簡(jiǎn)單電子產(chǎn)品的工藝檔，能按照行業(yè)規(guī)程要求，撰寫(xiě)實(shí)訓(xùn)報(bào)告（包括主要指標(biāo)，線路工作原理，使用說(shuō)明，測(cè)試說(shuō)明，調(diào)試工藝等）；訓(xùn)練動(dòng)手能力，培養(yǎng)職業(yè)道德和職業(yè)技能，培養(yǎng)工程實(shí)踐觀念及嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)緻的科學(xué)作風(fēng)。

2.實(shí)訓(xùn)步驟

(1)讀圖：對(duì)照電路原理圖，看懂接線圖，瞭解電路圖符號(hào)及圖注。

(2)元件測(cè)試：瞭解元器件的主要技術(shù)參數(shù)及測(cè)試方法。

(3)插件與焊接：根據(jù)工藝圖紙與檔，認(rèn)真完成元器件的焊接。

(4)調(diào)試：分別進(jìn)行IF—AF（中頻—音頻）調(diào)試、KC（調(diào)幅檔）調(diào)試、MC（調(diào)頻檔）調(diào)試、複聽(tīng)四個(gè)過(guò)程。

(5)撰寫(xiě)實(shí)訓(xùn)報(bào)告。

1.5本課程的特點(diǎn)

高頻電子線路是低頻電子線路的後續(xù)課程。從它處理的信號(hào)頻率角度來(lái)說(shuō)，發(fā)送和接收的信號(hào)，都是高頻信號(hào)。這是相對(duì)於需要傳送資訊的音頻信號(hào)和視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)的。我們稱這些音頻信號(hào)和視頻信號(hào)為基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)的基本特點(diǎn)是其信號(hào)頻譜是寬頻的，即該信號(hào)頻譜範(fàn)圍的上限頻率和下限頻率的差（即信號(hào)帶寬），與其下限頻率的比遠(yuǎn)大於1。寬頻信號(hào)包含大量低頻信號(hào)的能量。

為了遠(yuǎn)距離地傳送信號(hào)和接收信號(hào)，就需要調(diào)製，這是一種變換。無(wú)線電波的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備就是進(jìn)行這種變換的設(shè)備。因此，在這些設(shè)備中，必定包含非線性的器件。在本教材中，闡述的各部分高頻電子線路，除高頻小信號(hào)諧振放大器外，都是非線性電路。相對(duì)於線性電子線路的分析方法來(lái)說(shuō)，非線性電子線路的分析方法更加複雜，求解也困難得多。第2章通信信號(hào)的接收

2.1概述2.2小信號(hào)諧振放大器2.3集中選頻放大器2.4放大器的雜訊2.5實(shí)訓(xùn):高頻小信號(hào)諧振放大器

的仿真與性能分析

2.1概述

在無(wú)線通信中，發(fā)射與接收的信號(hào)應(yīng)當(dāng)適合於空間傳輸。所以，被通信設(shè)備處理和傳輸?shù)男盘?hào)是經(jīng)過(guò)調(diào)製處理過(guò)的高頻信號(hào)，這種信號(hào)具有窄帶特性。而且，通過(guò)長(zhǎng)距離的通信傳輸，信號(hào)受到衰減和干擾，到達(dá)接收設(shè)備的信號(hào)是非常弱的高頻窄帶信號(hào)，在做進(jìn)一步處理之前，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)放大和限制干擾的處理。這就需要通過(guò)高頻小信號(hào)放大器來(lái)完成。這種小信號(hào)放大器是一種諧振放大器?；祛l器輸出端也接有這種小信號(hào)放大器，作為中頻放大器對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行放大。

高頻小信號(hào)放大器廣泛用於廣播、電視、通信、測(cè)量?jī)x器等設(shè)備中。高頻小信號(hào)放大器可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以諧振回路為負(fù)載的諧振放大器；另一類(lèi)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(hào)中，選出有用信號(hào)並加以放大，同時(shí)對(duì)無(wú)用信號(hào)、干擾信號(hào)、雜訊信號(hào)進(jìn)行抑制，以提高接收信號(hào)的品質(zhì)和抗干擾能力。

諧振放大器常由電晶體等放大器件與LC並聯(lián)諧振回路或耦合諧振回路構(gòu)成。它可分為調(diào)諧放大器和頻帶放大器，前者的諧振回路需調(diào)諧於需要放大的外來(lái)信號(hào)的頻率上，後者諧振回路的諧振頻率固定不變。集中選頻放大器把放大和選頻兩種功能分開(kāi)，放大作用由多級(jí)非諧振寬頻帶放大器承擔(dān)，選頻作用由ＬC帶通濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器和聲表面波濾波器等承擔(dān)。目前廣泛採(cǎi)用集中寬頻帶放大器。高頻小信號(hào)放大器主要性能指標(biāo)有：諧振增益、通頻帶、選擇性及雜訊係數(shù)等。

1.諧振增益放大器的諧振增益是指放大器在諧振頻率上的電壓增益，記為Au0，其值可用分貝(dB)表示。放大器的增益具有與諧振回路相似的諧振特性，如圖２.１所示。圖中f0表示放大器的中心諧振頻率，Au/Au0表示相對(duì)電壓增益。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率恰好等於f0時(shí)，放大器的增益最大。圖2.1諧振放大器的幅頻特性曲線

2.通頻帶通頻帶是指信號(hào)頻率偏離放大器的諧振頻率f0時(shí)，放大器的電壓增益Au下降到諧振電壓增益Au0的時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率範(fàn)圍，一般用BW0.7表示，如圖２.１所示。

3.選擇性選擇性是指諧振放大器從輸入信號(hào)中選出有用信號(hào)成分並加以放大，而將無(wú)用的干擾信號(hào)加以有效抑制的能力。為了準(zhǔn)確地衡量小信號(hào)諧振放大器的選擇性，通常選用“抑制比”和“矩形係數(shù)”兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。

1)抑制比抑制比可定義為：諧振增益Au0與通頻帶以外某一特定頻率上的電壓增益Au的比，用d(dB)表示，記為2)矩形係數(shù)假設(shè)諧振放大器是理想放大器，其特性曲線是如圖2.1所示的理想矩形。該圖表明在通頻帶內(nèi)放大器的電壓增益保持不變，而在通頻帶外電壓增益為零。若干擾信號(hào)頻率在放大器的頻帶之外，那麼，它將被全部抑制。實(shí)際諧振放大器的特性曲線如圖2.1所示的鐘形曲線所示。為了評(píng)價(jià)實(shí)際放大器的諧振曲線與理想曲線的接近程度，引入矩形係數(shù)，定義為

式中，BW0.7是放大器的通頻帶；BW0.1是相對(duì)電壓增益值下降到0.1時(shí)的頻帶寬度。K0.1值越小越好，在接近１時(shí)，說(shuō)明放大器的諧振特性曲線就愈接近於理想曲線，放大器的選擇性就愈好。

4.雜訊係數(shù)放大器的雜訊係數(shù)是指輸入端的信噪比Pi/Pni與輸出端的信噪比Po/Pno兩者的比值，即或

式中，Pi為放大器輸入端的信號(hào)功率；Pni為放大器輸入端的雜訊功率；Po為放大器輸出端的信號(hào)功率；Pno為放大器輸出端的雜訊功率。若放大器是一個(gè)理想的無(wú)雜訊線性網(wǎng)路，那麼，雜訊係數(shù)2.2小信號(hào)諧振放大器

小信號(hào)諧振放大器類(lèi)型很多，按調(diào)諧回路區(qū)分，有單調(diào)諧回路放大器、雙調(diào)諧回路放大器和參差調(diào)諧回路放大器。按電晶體聯(lián)接方法區(qū)分，有共基極，共發(fā)射極和共集電極放大器等。本節(jié)討論一種常用的調(diào)諧放大器——共發(fā)射極單調(diào)諧放大器。

2.2.1單級(jí)單調(diào)諧放大器單調(diào)諧放大器是由單調(diào)諧回路作為交流負(fù)載的放大器。圖2.2所示為一個(gè)共發(fā)射極單調(diào)諧放大器。它是接收機(jī)中一種典型的高頻放大器電路。圖中Ｒ1、Ｒ2是放大器的偏置電阻，Ｒe是直流負(fù)回饋電阻，Ｃ1、Ｃe是直流高頻旁路電容，它們起穩(wěn)定放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。LC組成並聯(lián)諧振回路，它與電晶體共同起著選頻放大作用。圖2.2共射單調(diào)諧放大器

當(dāng)直流工作點(diǎn)選定以後，圖2.2可以簡(jiǎn)化成只包括高頻通路的等效電路，如圖2.3所示。由圖2.3可以看出，電路分為三部分：電晶體本身、輸入電路和輸出電路。電晶體是諧振放大器的重要組件，在分析電路時(shí)，可用Y參數(shù)等效電路來(lái)說(shuō)明它的特性。輸入電路由電感Ｌ與天線回路耦合，將天線來(lái)的高頻信號(hào)通過(guò)它加到電晶體的輸入端。輸出電路是由Ｌ與C組成的並聯(lián)諧振回路，通過(guò)互感耦合將放大後的信號(hào)加到下一級(jí)放大器的輸入端。本電路的電晶體輸出端與負(fù)載輸入端採(cǎi)用了部分接入的方式。圖2.3交流等效電路

1.LC並聯(lián)諧振回路信號(hào)源與電感線圈和電容器並聯(lián)組成的電路，叫做LC並聯(lián)回路，如圖2.4所示。圖中與電感線圈Ｌ串聯(lián)的電阻Ｒ代表線圈的損耗，電容Ｃ的損耗不考慮。為信號(hào)電流源。為了分析方便，在分析電路時(shí)也暫時(shí)不考慮信號(hào)源內(nèi)阻的影響。

1)並聯(lián)諧振回路阻抗的頻率特性如圖2.4所示，其阻抗運(yùn)算式為圖2.4LC並聯(lián)回路(2─1)(2─2)(2─3)(2─4)

下麵討論並聯(lián)回路阻抗的頻率特性。當(dāng)回路諧振時(shí)，即ω=ω0時(shí)，ω0L-1/ω0C=0。並聯(lián)諧振回路的阻抗為一純電阻，數(shù)值可達(dá)到最大值|Z|=RP=L/CR，RP稱為諧振電阻，阻抗相角為φ=0。從圖2.5可以看出，並聯(lián)諧振回路在諧振點(diǎn)頻率ω0時(shí)，相當(dāng)於一個(gè)純電阻電路。當(dāng)回路的角頻率ω＜ω0時(shí)，並聯(lián)回路總阻抗呈電感性。當(dāng)回路的角頻率ω＞ω0時(shí)，並聯(lián)回路總阻抗呈電容性。(2─5)圖2.5並聯(lián)諧振回路的特性曲線

式中，GP=CR/L=1/RP，為電導(dǎo);B=ωC-1/ωL，為電納。圖2.6就是利用式(2─5)得出的。式(2─5)是我們常用的並聯(lián)振盪回路的表達(dá)形式。

2)並聯(lián)諧振回路端電壓頻率特性諧振回路兩端的電壓為(2─6)(2─7)(2─8)

由此可見(jiàn)，在信號(hào)源電流Is一定的情況下，並聯(lián)回路端電壓UAB的頻率特性與阻抗頻率特性相似，如圖2.7所示。圖2.6並聯(lián)振盪回路圖2.7電壓-頻率特性曲線3)並聯(lián)諧振回路諧振頻率在實(shí)際應(yīng)用中，並聯(lián)諧振回路頻率可以由式(2─2)近似求出(2─9)並聯(lián)回路準(zhǔn)確的諧振角頻率可以從式(2─1)求出：(2─10)4)品質(zhì)因數(shù)並聯(lián)回路諧振時(shí)的感抗或容抗與線圈中串聯(lián)的損耗電阻Ｒ之比，定義為回路的品質(zhì)因數(shù)，用Ｑ0表示，

(2─11)並聯(lián)諧振回路的諧振電阻可以用Ｑ0表示：(2─12)5)諧振曲線、通頻帶及選擇性將式(2─6)與式(2─8)相比，得(2─13)(2─14)圖2.8並聯(lián)回路諧振曲線

由式(2─14)可以繪出並聯(lián)回路諧振曲線，如圖2.8所示。這曲線適用於任何ＬＣ並聯(lián)諧振回路。

對(duì)ξ進(jìn)行如下變換：

在諧振頻率附近，可近似地認(rèn)為，ω≈ω0，ω+ω0=2ω，則(2─15)式中，Δf=f-f0,得

從式(2─16)可以看出，在諧振點(diǎn),Δf=0，U/U0=1。隨著|Δf|的增大，U/U0將減小。對(duì)於同樣的偏離值Δf，Q0越高，U/U0衰減就越多，諧振曲線就越尖銳，如圖2.9所示。

圖2.9幅頻特性曲線

下麵利用諧振曲線求出通頻帶。由式(2─16)，令U/U0=0.707，如圖2.10所示，可得回路的通頻帶BW0.7為

例1

已知並聯(lián)諧振回路諧振頻率f0＝1MHz，Ｑ0＝100。求頻率偏離10kHz時(shí)，電壓相對(duì)於諧振點(diǎn)的衰減比值U/U0

。又若Ｑ0

＝50，求U/U0

。(2─17)

圖2.10通頻帶

解（１）Ｑ0=100時(shí),（２）若Ｑ0=50時(shí)，

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果可畫(huà)得圖2.11，它說(shuō)明在相同的頻率偏離值Δf下，Ｑ越高，諧振曲線越尖銳，選擇性越好，但通頻帶窄了。我們希望諧振回路有一個(gè)很好的選擇性，同時(shí)要有一個(gè)較寬的通頻帶，這是矛盾的。為了保證較寬的通頻帶，只能犧牲選擇性。圖2.11例題圖6)並聯(lián)諧振回路中的電流並聯(lián)回路諧振時(shí)，流過(guò)RP、Ｃ、Ｌ中的電流如下：(2─18)(2─19)(2─20)

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果可畫(huà)得圖2.11，它說(shuō)明在相同的頻率偏離值Δf下，Ｑ越高，諧振曲線越尖銳，選擇性越好，但通頻帶窄了。我們希望諧振回路有一個(gè)很好的選擇性，同時(shí)要有一個(gè)較寬的通頻帶，這是矛盾的。為了保證較寬的通頻帶，只能犧牲選擇性。6)並聯(lián)諧振回路中的電流並聯(lián)回路諧振時(shí)，流過(guò)RP、Ｃ、Ｌ中的電流如下：(2─18)(2─19)(2─20)

由上面三式可見(jiàn)，並聯(lián)回路諧振時(shí)，諧振電阻ＲP上的電流就等於信號(hào)源的電流。電感支路上的電流和電容支路上的電流，等於信號(hào)源電流的Ｑ0倍。因此，在諧振時(shí)，信號(hào)源電流Is不大，但電感、電容支路上電流卻很大，是信號(hào)源電流的Ｑ0倍，所以說(shuō)並聯(lián)諧振也叫電流諧振。7)信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)載對(duì)諧振回路的影響考慮Ｒs和ＲL後的並聯(lián)諧振回路，如圖2.12所示。下麵利用電導(dǎo)的形式來(lái)分析電路。諧振回路的總電導(dǎo)為諧振回路的空載Ｑ0值，即為諧振回路的有載ＱL值為根據(jù)上兩式，可以得ＱL與Ｑ0的關(guān)係由於GΣ＞gP，所以QL＜Q0。8)並聯(lián)諧振回路的耦合聯(lián)接信號(hào)源內(nèi)阻或負(fù)載並聯(lián)在回路兩端，將直接影響回路的Ｑ值，影響負(fù)載上的功率輸出及回路的諧振頻率。為解決這個(gè)問(wèn)題，可用阻抗變換電路，將它們折算到回路兩端，以改善對(duì)回路的影響。

(1)變壓器的耦合聯(lián)接。圖2.13(a)為變壓器的耦合聯(lián)接電路。(2─22)

圖2.13變壓器的耦合聯(lián)接

（２）自耦變壓器的耦合聯(lián)接。如圖2.14(a)所示，N1是匯流排圈數(shù)，N2是自耦變壓器的抽頭部分線圈數(shù)。負(fù)載電阻RL折合到諧振回路後的等效電阻為R′L，如圖2.14(b)所示。(2─23)式中，n=N2/N1為接入係數(shù)。圖2.14自耦變壓器的耦合聯(lián)接

（３）變壓器自耦變壓器的耦合聯(lián)接。如圖2.15(a)所示，該電路可以將信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻折合到諧振回路中(注意接入係數(shù)的正確選擇)。(2─24)RL和Rs折合到諧振回路後的電阻為R′L和R′s，(2─25)圖2.15變壓器自耦變壓器的耦合聯(lián)接

2.電晶體Ｙ參數(shù)等效電路在分析高頻小信放大器時(shí)，採(cǎi)用Ｙ參數(shù)等效電路進(jìn)行分析是比較方便的。所以在電路化簡(jiǎn)時(shí)，可將電晶體等效成一個(gè)Ｙ參數(shù)等效電路。一個(gè)電晶體可以看成有源四端網(wǎng)路，如圖2.16所示。(2─26)令，由電晶體的Ｙ參數(shù)的網(wǎng)路方程得圖2.16電晶體共發(fā)射極電路

Yie是電晶體輸出端短路時(shí)的輸入導(dǎo)納（下標(biāo)“ｉ”表示輸入，“ｅ”表示共射組態(tài)），反映了電晶體放大器輸入電壓對(duì)輸入電流的控制作用，其倒數(shù)是電路的輸入阻抗。Yie參數(shù)是複數(shù)，Yie可表示為Yie=gie+jωCie，其中g(shù)ie、Cie分別稱為電晶體的輸入電導(dǎo)和輸入電容。Yre是電晶體輸入端短路時(shí)的反向傳輸導(dǎo)納（下標(biāo)“r”表示反向），反映了電晶體輸出電壓對(duì)輸入電流的影響，即電晶體內(nèi)部的回饋?zhàn)饔谩?/p>

Yoe是電晶體輸入端短路時(shí)的輸出導(dǎo)納（下標(biāo)“o”表示輸出），反映了電晶體輸出電壓對(duì)輸出電流的作用，其倒數(shù)是電路的輸出阻抗。

圖2.17Y參數(shù)等效電路(a)電晶體Y參數(shù)等效電路；(b)實(shí)際應(yīng)用Y參數(shù)等效電路

圖2.17Y參數(shù)等效電路(a)電晶體Y參數(shù)等效電路；(b)實(shí)際應(yīng)用Y參數(shù)等效電路3.單調(diào)諧放大器單調(diào)諧放大器如圖2.18(a)所示。將圖2.18(a)化為交流等效電路，可得圖2.18(b)。根據(jù)電晶體Ｙ參數(shù)等效電路，並考慮到為保證實(shí)用的單調(diào)諧放大器穩(wěn)定地工作，都採(cǎi)取了一定的措施，使內(nèi)部回饋很小。(2─27)

上式中n1、n2是接入係數(shù)

將圖2.18(e)中的g′oe、g′L、gP合併，得GΣ；將C′oe、C、C′L合併，得CΣ。這樣可進(jìn)－步將圖2.18(e)簡(jiǎn)化成如圖2.18(f)所示的形式。在圖2.18(f)中，(2─28)圖2.18單調(diào)諧放大器的等效電路圖2.18單調(diào)諧放大器的等效電路圖2.18單調(diào)諧放大器的等效電路圖2.18單調(diào)諧放大器的等效電路

下麵對(duì)電路性能進(jìn)行計(jì)算。

1)單調(diào)諧放大器電壓增益放大器的電壓增益：導(dǎo)納輸出電壓

為有載時(shí)並聯(lián)回路的諧振頻率。其電壓增益的模為為有載品質(zhì)因數(shù);(2─29)(2─30)

諧振放大器諧振時(shí)的電壓增益最大。式中的負(fù)號(hào)，表示放大器輸入電壓與輸出電壓反相(有180°的相位差)。諧振放大器的電壓增益與接入係數(shù)n1、n2有關(guān)。當(dāng)回路諧振時(shí)，f=f0，Δf=0時(shí)，放大器諧振電壓增益為(2─31)(2─32)其模為2)單調(diào)諧放大器的通頻帶式(2─30)與式(2─32)相比，可得單調(diào)諧放大器的諧振曲線數(shù)學(xué)運(yùn)算式：(2─33)

單調(diào)諧放大器的諧振曲線如圖２.19所示。令，可求得單調(diào)諧放大器的通頻帶BW0.7。(2─34)圖2.19諧振放大器的幅頻特性曲線

顯然，單調(diào)諧諧振放大器的通頻帶取決於回路的諧振頻率f0以及有載品質(zhì)因數(shù)QL。當(dāng)f0確定時(shí)，ＱL越低，通頻帶愈寬,如圖２.20所示。圖2.20不同Q諧振曲線

當(dāng)Yfe、n1、n2、CΣ均為定值時(shí)，諧振放大器的增益與通頻帶的乘積為一常數(shù)，也就是說(shuō)，通頻帶越寬，增益越??；反之，增益越大。

3)單調(diào)諧放大器的選擇性由式(2─31)可得(2─35)

上式與式(2─34)相比，得矩形係數(shù)上式說(shuō)明，單調(diào)諧放大器的矩形係數(shù)遠(yuǎn)大於１，諧振曲線與矩形相差太遠(yuǎn)，故單調(diào)諧諧振放大器的選擇性較差。

4)功率增益單調(diào)諧放大器的功率增益可由下式表示：(2─36)

式中，Pi為放大器的輸入功率；Po為輸出端負(fù)載gL上所獲得的功率。在滿足匹配n21goe=n22gL的條件下，並考慮到回路的固有損耗，可由下式計(jì)算實(shí)際的功率增益：(2─37)是回路無(wú)損耗又匹配時(shí)，電晶體能給出的最大功率；2.2.2多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器將圖2.21中電晶體V2集電極上加一個(gè)諧振回路，就可得雙級(jí)單調(diào)諧放大電路，如圖2.22所示。下麵分析多級(jí)單調(diào)諧回路諧振放大器的性能指標(biāo)。圖2.21單調(diào)諧放大電路圖2.22雙級(jí)單調(diào)諧放大器1.電壓增益設(shè)有n級(jí)單調(diào)諧放大器相互級(jí)聯(lián)，且各級(jí)的電壓增益相同，即

Ａu1=Ａu2=Ａu3=…=Ａun

則級(jí)聯(lián)後放大器的總電壓增益為

|An|=|Au1|·|Au2|·|Au3|……|Aun|=|Aun|n諧振時(shí)，電壓增益為(2─38)(2─39)

從式(2─39)可以看出，級(jí)聯(lián)後總電壓增益是單級(jí)電壓增益的n次方。在圖2.23中，n=1是單級(jí)單調(diào)諧放大器電壓增益諧振曲線；n=2是雙級(jí)單調(diào)諧放大器電壓增益諧振曲線；n=3是三級(jí)單調(diào)諧放大器電壓增益諧振曲線。電壓增益諧振曲線數(shù)學(xué)運(yùn)算式為(2─40)圖2.23級(jí)聯(lián)放大器諧振曲線2.通頻帶令式(2─40)等於0.707，可得n級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的總通頻帶(2─41)

式中,f0/ＱL是單級(jí)單調(diào)諧放大器通頻帶；是頻帶縮小因數(shù)，下表列出不同n值時(shí)縮小因數(shù)的大小：n12345…10.640.510.430.39…3.選擇性令式(2─40)等於0.1，可得n級(jí)級(jí)聯(lián)放大器總通頻帶BW0.1為將上式與式(2─41)相比，得矩形係數(shù)為(2─42)

下表列出了不同n值時(shí)矩形係數(shù)的大小。由表可以看出，級(jí)數(shù)越大，矩形係數(shù)越接近１。

n123456K0.19.954.663.753.43.23.12.2.3雙調(diào)諧回路諧振放大器設(shè)初、次級(jí)回路都調(diào)諧在同一個(gè)中心頻率f0上，並且兩個(gè)回路中組件都取相同值,即L1=L2=L、C1=C2=C、G1=G2=G。這樣可以方便地計(jì)算雙調(diào)諧回路放大器的主要參數(shù)。

1.電壓增益(2─43)

圖2.24雙調(diào)諧回路放大器

圖2.24雙調(diào)諧回路放大器為廣義失調(diào)量；為耦合因數(shù)；為L(zhǎng)1、L2之間的耦合係數(shù)。1)臨界耦合的電壓增益臨界耦合條件是η=1(K=1/ＱL)。在諧振時(shí)，ξ=0，放大器電壓增益為最大值，記為(2─44)(2─45)電壓增益諧振曲線關(guān)係式為可得|Au/Au0|~ξ曲線如圖2.25所示。2)強(qiáng)耦合及弱耦合時(shí)電壓增益強(qiáng)耦合條件：η＞１；弱耦合條件：η＜１。放大器在強(qiáng)耦合及弱耦合條件下的電壓增益諧振曲線關(guān)係式為(2─46)

它們對(duì)應(yīng)的諧振曲線如圖2.26所示。圖2.25臨界耦合時(shí)放大器電壓增益諧振曲線圖2.26η＞1及η＜1時(shí)放大器電壓增益諧振曲線2.通頻帶令式(2─45)得雙調(diào)諧放大器的通頻帶(2─47)3.選擇性令式(2─45)得

將上式與(2─47)式相比，得臨界耦合時(shí)雙調(diào)諧放大器的矩形係數(shù)：(2─48)2.2.4諧振放大器的穩(wěn)定性

1.放大器的輸入導(dǎo)納如圖2.27所示，求放大器輸入導(dǎo)納Yi。圖中，Ys是信號(hào)源導(dǎo)納；YL是集電極總負(fù)載導(dǎo)納。圖2.27計(jì)算Yi的調(diào)諧放大器等效電路

放大器輸入導(dǎo)納：(2─49)

式中，Yi′是輸出電路通過(guò)Ye的回饋而引起的輸入導(dǎo)納，稱回饋等效導(dǎo)納；Yie是電晶體的輸入導(dǎo)納。圖2.28內(nèi)部回饋對(duì)諧振曲線的影響2.穩(wěn)定性從式(2─49)看出，如果加大負(fù)載導(dǎo)納YL，則放大器輸入導(dǎo)納圖2.29尋呼機(jī)的射頻放大電路圖2.30共發(fā)射極-共基極級(jí)聯(lián)放大器等效電路2.3集中選頻放大器

集中選頻放大器構(gòu)成如圖2.31所示，它由兩種部件組成，一部分是寬頻帶放大器，另一部分是集中選擇性濾波器。寬頻帶放大器一般由線性積體電路構(gòu)成，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，也可用其他分立元件寬頻帶放大器構(gòu)成。圖2.31集中選頻放大器組成示意圖2.3.1集中選頻濾波器

1.陶瓷濾波器在通信、廣播等接收設(shè)備中，陶瓷濾波器有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷濾波器是利用某些陶瓷材料的壓電效應(yīng)構(gòu)成的濾波器，常用的陶瓷濾波器是由鋯鈦酸鉛〔Pb（ZrTi）O3〕壓電陶瓷材料（簡(jiǎn)稱PZT）製成的。圖2.32壓電陶瓷片等效電路和電路符號(hào)

從圖2.32電路可見(jiàn)，陶瓷片具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)是並聯(lián)諧振頻率fP,(2─50)(2─51)圖2.33陶瓷片的阻抗圖2.34四端陶瓷圖2.35四端陶瓷濾波器的2.聲表面波濾波器聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.36所示。它以鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛或石英等壓電材料為基片，利用真空蒸鍍法，在拋光過(guò)的基片表面形成厚度約１０μｍ的鋁膜或金膜電極，稱其為叉指電極。左端叉指電極為發(fā)端換能器，右端叉指電極為收端換能器。圖2.36聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率ｆ等於換能器的頻率f0時(shí)，各節(jié)所激發(fā)的表面波同相疊加，振幅最大，可寫(xiě)成(2─52)圖2.37均勻叉指換能器聲振幅——頻率特性曲線圖2.38非均勻叉指換能器2.3.2集中選頻放大器的應(yīng)用

1.尋呼機(jī)射頻接收電路圖２.39是尋呼機(jī)射頻接收電路的一部分原理圖。

1)天線

2)射頻放大器

3)帶通濾波器圖2.39尋呼機(jī)射頻接收電路的一部分原理圖2.4放大器的雜訊

根據(jù)雜訊的來(lái)源不同，可將其分為如下幾種。

1)人為雜訊

2）無(wú)規(guī)則的自然雜訊

3）起伏雜訊2.4.1電阻熱雜訊、電晶體的雜訊

1.電阻熱雜訊圖2.40電阻雜訊電壓波形

在單位頻帶內(nèi)，電阻所產(chǎn)生的熱雜訊電壓的均方值為

S(f)=4kTRV2/Hz(2─53)

式中，k為玻耳茲曼常數(shù)，為1.38×10-23J/K；T為熱力學(xué)溫度，單位為K，絕對(duì)溫度T(K)與攝氏溫度T(℃)間的關(guān)係為

T(K)=T(℃)+273

S(f)稱為雜訊功率譜密度。

電阻熱雜訊頻譜很寬，但只有位於放大器通頻帶Δf內(nèi)那一部分雜訊功率才能通過(guò)放大器得到放大。能通過(guò)放大器的電阻熱雜訊電壓的均方值為因此，雜訊電壓的有效值（雜訊電壓〕為(2─54)(2─55)圖2.41電阻熱雜訊等效電路2.電晶體的雜訊電晶體的雜訊一般比電阻熱雜訊大，它有四種形式：

1)熱雜訊和電阻相同，在電晶體中，電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生熱雜訊。其中基極電阻rbb′所引起的熱雜訊最大，發(fā)射極和集電極電阻的熱雜訊一般很小，可以忽略。所以rbb′產(chǎn)生的熱雜訊電壓均方值為(2─56)2)散粒雜訊散粒雜訊是電晶體的主要雜訊源。散粒雜訊這個(gè)詞是沿用電子管雜訊中的詞。在二極體和三極管中都存在散粒雜訊。晶體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的，當(dāng)電晶體處?kù)斗糯鬆顟B(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)為正向偏置，發(fā)射結(jié)所產(chǎn)生的散粒雜訊較大；集電結(jié)為反向偏置，集電結(jié)所產(chǎn)生的散粒雜訊可忽略不計(jì)。發(fā)射結(jié)散粒雜訊電流均方值為(2─57)3)分配雜訊電晶體發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的多數(shù)載流子，大部分到達(dá)集電極，成為集電極電流，而小部分在基區(qū)內(nèi)被複合，形成基極電流。這兩部分電流的分配比例是隨機(jī)的，因而造成通過(guò)集電結(jié)的電流在靜態(tài)值上下起伏變化，引起雜訊，把這種雜訊稱為分配雜訊。電晶體集電極電流分配雜訊電流均值為(2─58)4)閃爍雜訊閃爍雜訊又稱低頻雜訊。一般認(rèn)為這種雜訊是由於電晶體清潔處理不好或有缺陷造成的。其特點(diǎn)是頻譜集中在低頻（約1kHz以下），在高頻工作時(shí)通常可不考慮它的影響。

3.場(chǎng)效應(yīng)管的雜訊場(chǎng)效應(yīng)管的雜訊主要是由場(chǎng)效應(yīng)管溝道電阻產(chǎn)生的熱雜訊；柵極漏電流產(chǎn)生的散粒雜訊；表面處理不當(dāng)引起的閃爍雜訊。一般說(shuō)來(lái)，場(chǎng)效應(yīng)管的雜訊比電晶體的雜訊低。圖2.42電晶體共基接法雜訊等效電路2.4.2雜訊係數(shù)

1.雜訊係數(shù)的定義要描述放大系統(tǒng)的固有雜訊的大小，就要用雜訊係數(shù)，雜訊係數(shù)定義為輸入端信噪比輸出端信噪比NF=

研究放大系統(tǒng)雜訊係數(shù)的等效圖如圖２.43所示。其中，Us為信號(hào)源電壓；Rs為信號(hào)源內(nèi)阻；為熱雜訊等效電壓均方值；RL為負(fù)載。圖2.43描述放大器雜訊係數(shù)的等效圖

輸出信噪比要比輸入信噪比低。NF反映出放大系統(tǒng)內(nèi)部雜訊的大小。雜訊係數(shù)可由下式表示:(2─59)或

雜訊係數(shù)通常只適用於線性放大器，因?yàn)榉蔷€性電路會(huì)產(chǎn)生信號(hào)和雜訊的頻率變換，雜訊係數(shù)不能反映系統(tǒng)的附加的雜訊性能。由於線性放大器的功率增益

式中，GpPni為信號(hào)源內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的雜訊經(jīng)放大器放大後，在輸出端產(chǎn)生的雜訊功率;而放大器輸出端的總雜訊功率Pno應(yīng)等於GpPni和放大器本身雜訊在輸出端產(chǎn)生的雜訊功率Pnao之和，即所以式(2─59)可寫(xiě)成(2─60)(2─61)將式（2─61）代人式（2─60）,則得(2─62)2.信噪比與負(fù)載的關(guān)係設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為Rs,信號(hào)源的電壓為Us（有效值），當(dāng)它與負(fù)載電阻RL相接時(shí)，在負(fù)載電阻RL上的信噪比計(jì)算如下：信號(hào)源在RL上的功率信號(hào)源內(nèi)阻雜訊在RL上的功率在負(fù)載兩端的信噪比

結(jié)論：信號(hào)源與任何負(fù)載相接並不影響其輸入端信噪比，即無(wú)論負(fù)載為何值，其信噪比都不變，其值為負(fù)載開(kāi)路時(shí)的信號(hào)電壓平方與雜訊電壓均方值之比。

3.用額定功率和額定功率增益表示的雜訊係數(shù)放大器輸入信號(hào)源電路如圖2.44所示。放大器的雜訊係數(shù)NＦ為

NF=輸入端額定功率信噪比輸出端額定功率信噪比圖2.44以額定功率表示的雜訊係數(shù)＋

式中，Pai和Pao分別為放大器的輸入和輸出額定信號(hào)功率，Pani和Pano分別為放大器的輸入和輸出額定雜訊功率，Gpa為放大器的額定功率增益。信號(hào)源輸入額定雜訊功率為(2─63)4.多級(jí)放大器雜訊係數(shù)的計(jì)算已知各級(jí)的雜訊係數(shù)和各級(jí)功率增益，求多級(jí)放大器的總雜訊係數(shù)，如圖2.45所示。圖2.45多級(jí)放大器雜訊係數(shù)計(jì)算等效圖由雜訊係數(shù)定義可得在第二級(jí)輸出端，由第一級(jí)和第二級(jí)產(chǎn)生的總雜訊

由於由Ro1產(chǎn)生的雜訊已在Pano1中考慮，故這裏應(yīng)減掉，所以第一、二兩級(jí)的雜訊係數(shù)為5.等效雜訊溫度設(shè)放大器的雜訊係數(shù)為NF，雜訊源的溫度為Ｔ0，則折算到放大器輸入端的雜訊功率為EkT0Δf，相當(dāng)於新的溫度為NFT0，則它的溫升(2─66)(2─67)可得Te只代表放大器本身的熱雜訊溫度，與雜訊功率大小無(wú)關(guān)。由上式可知：多級(jí)放大器的等效雜訊溫度為6.電晶體放大器的雜訊係數(shù)根據(jù)圖2.46所示的共基極放大器雜訊等效電路，可求出各雜訊源在放大器輸出端所產(chǎn)生的雜訊電壓均方值總和，然後根據(jù)雜訊係數(shù)的定義，可得到放大器的雜訊係數(shù)的計(jì)算公式(2─68)圖2.46共基極放大器雜訊等效電路2.4.3降低雜訊係數(shù)的措施通過(guò)以上分析，我們對(duì)電路產(chǎn)生雜訊的原因以及影響雜訊係數(shù)大小的主要原因有了基本瞭解?，F(xiàn)對(duì)降低雜訊係數(shù)的有關(guān)措施歸納如下：

1.選用低雜訊元、器件

2.選擇合適的直流工作點(diǎn)

3.選擇合適的信號(hào)源內(nèi)阻

4.選擇合適的工作帶寬(2─69)

2.5實(shí)訓(xùn):高頻小信號(hào)諧振放大器

的仿真與性能分析

本節(jié)利用PSpice仿真技術(shù)來(lái)完成對(duì)高頻小信號(hào)諧振放大器的測(cè)試及性能分析。範(fàn)例：分析並觀察輸出波形及輸出文本檔內(nèi)容

步驟一繪出電路圖

(1)請(qǐng)建立一個(gè)專案Ch2，然後繪出如圖2.47所示的電路圖。其中高頻信號(hào)源用正弦交流電壓源代替，元件編號(hào)為U1。圖2.47高頻小信號(hào)諧振放大器電路(2)對(duì)信號(hào)源U1(即圖中U1)進(jìn)行設(shè)置。

AC:交流值（作“ACSweep”分析時(shí)須填入此量），現(xiàn)設(shè)為30mV。

UOFF:直流基準(zhǔn)電壓，設(shè)定為0V。

UAMPL:幅度電壓（峰值），設(shè)定為30mV。

FREO:信號(hào)頻率，設(shè)定為10Hz。

TD:出現(xiàn)第一個(gè)波形的延遲時(shí)間，設(shè)定為0ms。

DF:阻尼係數(shù)，設(shè)定為0，單位為秒的倒數(shù)。

PHAS:相位，設(shè)定為0。

(3)將圖2.47中的其他元件編號(hào)和參數(shù)按圖中設(shè)置。

步驟二設(shè)置TransientAnalysis(瞬態(tài)分析)(1)在Pspice電路分析功能（分析設(shè)置）項(xiàng)中，選TransientAnalysis(瞬態(tài)分析)。

(2)設(shè)置繪圖的時(shí)間增量，設(shè)定為100ns。設(shè)置瞬態(tài)分析終止時(shí)間，設(shè)定為6μs。設(shè)置瞬態(tài)分析起始時(shí)間，設(shè)定為4μs。

步驟三設(shè)置ACSweep(交流分析)(1)在PSpice電路分析功能（分析設(shè)置）項(xiàng)中，選ACSweep(交流分析)。

(2)在ACSweepType（交流掃描類(lèi)型）中有：Linear(線性掃描)、Octave(倍頻程掃描)、Decade(十倍頻程掃描)三種類(lèi)型?，F(xiàn)選用Octave(倍頻程掃描)或Decade(十倍頻程掃描)類(lèi)型。

(3)在SweepParameters(掃描參數(shù))設(shè)置中，設(shè)StartFrequency(仿真起始頻率)為1Hz，設(shè)EndFrequency(仿真終點(diǎn)頻率)為100MegHz，設(shè)每Decade(十倍頻程掃描)記錄1000點(diǎn)。

(4)注意：小寫(xiě)m代表10-3，大寫(xiě)M或Meg代表106。

步驟四存檔在執(zhí)行分析以前最好養(yǎng)成存檔習(xí)慣，先存檔一次，以防萬(wàn)一。存檔可用File\Save功能選項(xiàng)來(lái)操作。

步驟五啟動(dòng)Pspice進(jìn)行仿真觀察Transient輸出波形

(1)設(shè)計(jì)的電路圖形檔若是可以順利地完成仿真，就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)Probe窗口。這是一個(gè)空?qǐng)D，除了X軸變數(shù)已經(jīng)按照我們?cè)赥ransientAnalysis的設(shè)置為4μs～6μs之外，Y軸變數(shù)則等待著我們的選擇輸入。(2)在Probe窗口中選擇Trace\Add，打開(kāi)AddTrace對(duì)話框。請(qǐng)?jiān)诖翱谙路降腡raceExpression欄處用滑鼠選擇或直接由鍵盤(pán)輸入完成這樣的字串“V(L1:1,L1:2)”。再用滑鼠選“OK”，退出AddTrace窗口。這時(shí)的Probe窗口應(yīng)與圖2.48相似。這個(gè)圖反應(yīng)了高頻小信號(hào)諧振放大器的輸出端的波形。

(3)在Probe窗口中選擇Trace\Add，打開(kāi)“AddTrace”對(duì)話框。請(qǐng)?jiān)诖翱谙路降腡raceExpression欄處用滑鼠選擇或直接由鍵盤(pán)輸入完成這樣的字串“U(U1:+)”。再用滑鼠選“OK”，退出AddTrace窗口。這時(shí)的Probe窗口出現(xiàn)高頻小信號(hào)諧振放大器的輸入信號(hào)的波形，如圖2.49所示。

(4)由圖2.48、圖2.49可計(jì)算高頻小信號(hào)諧振放大器的電壓增益。圖2.48高頻小信號(hào)諧振放大器的輸出端的波形圖2.49高頻小信號(hào)諧振放大器的輸入信號(hào)的波形

步驟六啟動(dòng)PSpice進(jìn)行仿真並觀察ACSweep(輸出波形)(1)設(shè)計(jì)的電路圖形檔若是可以順利地完成ACSweep(交流仿真)，就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)Probe窗口。

(2)在Probe窗口中選擇Trace\Add，打開(kāi)“AddTrace”對(duì)話框。請(qǐng)?jiān)诖翱谙路降腡raceExpression欄處用滑鼠選擇或直接由鍵盤(pán)輸入完成這樣的字串“V(L1:1,L1:2)”。

(3)由圖2.50可計(jì)算高頻小信號(hào)諧振放大器的通頻帶。

圖2.50高頻小信號(hào)諧振放大器的幅頻特性曲線

步驟七觀察輸出文本檔內(nèi)容

(1)打開(kāi)任何文字編輯程式來(lái)觀察Ch1.out文本輸出檔，如圖2.51所示。從Ch2.out文本輸出檔中,可以觀察到高頻小信號(hào)諧振放大器經(jīng)TransientAnalysis(瞬態(tài)分析)、ACSweep(交流分析)後的結(jié)果。

(2)下列程式是Ch2.out的內(nèi)容，我們來(lái)看看記錄了哪些數(shù)據(jù)。為了說(shuō)明的方便，我們?cè)谝恍┹^重要的部分直接以中文來(lái)加以標(biāo)記與說(shuō)明。為了節(jié)省本書(shū)空間，我們摘抄了Ch2.out中部分主要的內(nèi)容。3.1通信信號(hào)的功率放大3.2諧振功率放大器3.3寬頻帶的功率合成(非諧振高頻功率放大器)

3.4倍頻器3.5天線3.6實(shí)訓(xùn):高頻諧振功率放大器的仿真與性能分析

第3章通信信號(hào)的發(fā)送

3.1通信信號(hào)的功率放大

高頻功率放大器有三個(gè)主要任務(wù)：①輸出足夠的功率；②具有高效率的功率轉(zhuǎn)換；③減小非線性失真。

3.2諧振功率放大器

3.2.1諧振功率放大器的基本工作原理

1.工作原理諧振功率放大器的原理電路如圖3.1所示。圖3.1諧振功率放大器的原理電路θ=180°，為甲類(lèi)工作狀態(tài)

θ=90°，為乙類(lèi)工作狀態(tài)

θ＜90°，為丙類(lèi)工作狀態(tài)圖3.2所示工作波形表示了功率放大器工作在丙類(lèi)狀態(tài)。在丙類(lèi)工作狀態(tài)下，uBE=UBB+Ubmcosωt較小，且uBE＞Uon時(shí)才有集電極電流流過(guò)，故集電極耗散功率小、效率高。

圖3.1中，輸出回路中用ＬＣ諧振電路作選頻網(wǎng)路。這時(shí)，諧振功率放大器的輸出電壓接近余弦波電壓，如圖3.2(e)所示。由於電晶體工作在丙類(lèi)狀態(tài)，電晶體的集電極電流iC是一個(gè)週期性的余弦脈衝，用傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)iC

，則得

iC=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt(3―1)圖3.2諧振功率放大器各級(jí)電壓和電流波形2.電路的性能分析準(zhǔn)線性折線分析法的條件如下：

(1)忽略電晶體的高頻效應(yīng)。

(2)輸入和輸出回路具有理想濾波特性。

uBE=UBB+Ubmcosωt(3―2)uCE=UCC-Ucmcosωt(3―3)(3)電晶體的靜態(tài)伏安特性可近似用折線表示。圖3.3電晶體折線化後的轉(zhuǎn)移特性曲線及ic電流1)余弦脈衝分解圖3.3所示是用電晶體折線化後的轉(zhuǎn)移特性曲線繪出的丙類(lèi)工作狀態(tài)下的集電極電流脈衝波形，折線的斜率用G表示。設(shè)輸入信號(hào)為ub=Ubmcosωt，發(fā)射結(jié)電壓為uBE=UBB+Ubmcosωt,電晶體折線化後的轉(zhuǎn)移特性為(3―4)

將uBE=UBB+Ubmcosωt代入上式，可得

iC=G(UBB+Ubmcosωt-Uon)(3―5)

由圖3.3可得，當(dāng)ωt=θ時(shí)，iC=0,代入式(3―5)，可求得

0=G(UBB+Ubmcosθ-U

)(3―6)

(3―7)(3―8)

式(3―5)減式(3―6)，得

iC=GUbm(cosωt-cosθ)(3―9)

當(dāng)ωt=0時(shí),將iC=iCmax代入式(3―9)，可得

iCmax=GUbm(1-cosθ)(3―10)

式(3―9)與式(3―10)相比，可得

(3―11)

式(3―11)是集電極余弦脈衝電流的解析運(yùn)算式，它取決於脈衝高度iCmax和導(dǎo)通角θ。利用傅裏葉級(jí)數(shù)將iC展開(kāi)(3―12)求得上式中各次諧波分量(3―13)(3―14)(3―15)

圖3.4余弦脈衝分解係數(shù)

放大器的輸出功率Po等於集電極電流基波分量在有載諧振電阻RP上的功率，即(3―16)

集電極直流電源供給功率PDC等於集電極電流直流分量與UCC的乘積(3―17)

放大器集電極效率等於輸出功率與直流電源供給功率之比，即(3―18)由式(3―18)可求得不同工作狀態(tài)下放大器效率分別為：甲類(lèi)工作狀態(tài)，θ=180°，g1(θ)=1，ηc=50%；乙類(lèi)工作狀態(tài)，θ=90°，g1(θ)=1.57，ηc=78.5%；丙類(lèi)工作狀態(tài)，θ=60°，g1(θ)=1.8，ηc=90%2)導(dǎo)通角的選擇

(1)等幅波功率放大。

(2)調(diào)幅波功率放大。

Ic1=iCmaxα1(θ)=GUbm(1-cosθ)α1(θ)(3)ｎ次諧波倍頻。3.2.2諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析

1.諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線當(dāng)放大器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，由圖3.5可得，電路的外部關(guān)係

uBE=UBB+UbmcosωtuCE=UCC-Ucmcosωt

由上兩式可得

(3―19)將式(3―19)代入式(3―4)，得動(dòng)態(tài)線方程式(3―20)

令uCE=UCC時(shí)，iC=Gc(UBB-Uon)為圖3.6中的Q點(diǎn)；再令iC=0時(shí)，為圖3.6中的B點(diǎn)。圖3.5諧振功率放大器圖3.6諧振動(dòng)率放大器的動(dòng)態(tài)線和集電極iC電流波形

諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻Rc可用動(dòng)態(tài)線斜率的倒數(shù)求得：(3―21)2.諧振功率放大器的三種工作狀態(tài)

1)欠壓狀態(tài)

2)臨界狀態(tài)

3)過(guò)壓狀態(tài)圖3.7三種工作狀態(tài)3.RP、UCC、Ubm、UBB變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

1)RP變化對(duì)工作狀態(tài)的影響圖3.8RP變化時(shí)的iC波形圖3.9諧振功率放大器的負(fù)載特性

由圖3.9可以得到以下結(jié)論：（1）在欠壓工作狀態(tài)下（2）在臨界工作狀態(tài)下

(3)在過(guò)壓工作狀態(tài)下(3―22)2)UCC變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

3)Ubm變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

4)UBB變化對(duì)工作狀態(tài)的影響圖3.10VCC變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

圖3.11Ubm變化對(duì)工作狀態(tài)的影響圖3.12UBB變化對(duì)工作狀態(tài)的影響3.2.3諧振功率放大器電路諧振功率放大器的管外電路由兩部分組成：直流饋電電路部分和濾波匹配網(wǎng)路部分。

1.直流饋電電路圖3.13集電極饋電電路圖3.14基極饋電電路圖3.15自給偏置電路2.濾波匹配網(wǎng)路功率放大器通過(guò)耦合電路與前後級(jí)連接。這種耦合電路叫匹配網(wǎng)路，如圖3.16所示，對(duì)它提出如下要求：

(1)匹配：使外接負(fù)載阻抗與放大器所需的最佳負(fù)載電阻相匹配，以保證放大器輸出功率最大。

(2)濾波：濾除不需要的各次諧波分量，選出所需的基波成分。

(3)效率：要求匹配網(wǎng)路本身的損耗盡可能小，即匹配網(wǎng)路的傳輸效率要高。圖3.16濾波匹配網(wǎng)路在電路中的位置

根據(jù)等效原理，由於圖3.17(a)、(b)的端導(dǎo)納相等，即

由上式可以得到從串聯(lián)轉(zhuǎn)換為並聯(lián)阻抗的公式，即(3―23)式中,QT為兩個(gè)網(wǎng)路的品質(zhì)因數(shù)，其值為(3―24)

圖3.17串並聯(lián)阻抗變換1)Ｌ型匹配網(wǎng)路圖3.18（ａ）是Ｌ型匹配網(wǎng)路，其串臂為感抗Xs，並臂為容抗XP，RL是負(fù)載電阻。Xs和RL是串聯(lián)支路，根據(jù)串並聯(lián)阻抗變換原理，可以將Xs和RL變?yōu)閬K聯(lián)元件X′P和RP，如圖3.18（b）所示。圖3.18L型網(wǎng)路的阻抗變換

令XP+X′P=0，即電抗部分抵消，回路兩端呈現(xiàn)(3―25)

由式(3―25)求出QT，再代入式(3―23)，便可求出Ｌ型網(wǎng)路各元件參數(shù)的計(jì)算公式（圖3.18中的RL相當(dāng)於式(3―23)中的Rs）：

２)Ｔ型匹配網(wǎng)路圖3.19（ａ）是Ｔ型匹配網(wǎng)路，其中兩個(gè)串臂為同性電抗元件，並臂為異性電抗元件。為了求出Ｔ型匹配網(wǎng)路的元件參數(shù)，可以將它分成兩個(gè)Ｌ型網(wǎng)路，如圖3.19（b）所示。然後利用Ｌ型網(wǎng)路的計(jì)算公式，經(jīng)整理便可最終得到計(jì)算公式。

RP=RL(1+Q2T2)(3―27)(3―28)

圖3.19T型網(wǎng)路的阻抗變換

圖（b）中的第一個(gè)Ｌ型網(wǎng)路與圖3.18(a)的網(wǎng)路是相反的，因此，可以將Ｒo視為ＲL，即(3―30)(3―29)

３)Π型匹配網(wǎng)路

Π型匹配網(wǎng)路如圖3.20所示，分析過(guò)程也是將Π型網(wǎng)路分成兩個(gè)基本的Ｌ型網(wǎng)路，如圖3.20(b)所示，然後按Ｌ型網(wǎng)路進(jìn)行求解。圖3.20Π型網(wǎng)路的阻抗變換式中(3―31)(3―32)

Ｒs是並聯(lián)轉(zhuǎn)換成串聯(lián)的等效電阻。由式(3―23)求得3.諧振功率放大器的調(diào)諧與調(diào)配諧振功率放大器在設(shè)計(jì)組裝之後，還需要進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到預(yù)期的輸出功率和效率。諧振功率放大器的調(diào)整包括調(diào)諧與調(diào)配，下麵分別進(jìn)行討論。

1)調(diào)諧

2)調(diào)配

3)調(diào)諧與調(diào)配的方法圖3.21諧振功率放大器在不同負(fù)載狀態(tài)下的電壓電流波形圖3.22調(diào)諧放大器調(diào)整電路圖3.23諧振功率放大器的調(diào)諧與調(diào)配特性4.諧振功率放大電路

(1)圖3.24所示是一個(gè)工作頻率為160MHz的諧振功率放大電路。圖3.24工作頻率為160MHz的諧振功率放大電路(2)圖3.25所示是一個(gè)工作頻率為150MHz的諧振功率放大電路。其50Ω外接負(fù)載提供３Ｗ功率，功率增益達(dá)10dB。圖3.25工作頻率為150MHz的諧振功率放大電路

3.3寬頻帶的功率合成(非諧振

高頻功率放大器)

3.3.1傳輸線變壓器

1.傳輸線變壓器的工作原理

1)傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)

2)傳輸線變壓器傳輸能量的特點(diǎn)圖3.261:1傳輸線變壓器圖3.27傳輸線在高頻情況下的等效電路

從上述傳輸線變壓器的工作原理，可以歸納出其基本特點(diǎn)是：

(1)工作頻帶寬，頻率覆蓋係數(shù)可達(dá)104。

(2)通帶的低頻範(fàn)圍得到擴(kuò)展，這是依靠高磁導(dǎo)率的磁芯獲得很大的初級(jí)電感的結(jié)果。

(3)通帶的上限頻率不受磁芯上限頻率的限制，因?yàn)閷?duì)於高頻它是以傳輸線的原理傳輸能量。

(4)大功率運(yùn)用時(shí)，可以採(cǎi)用較小的磁環(huán)也不致使磁芯飽和和發(fā)熱，因而減小了放大器的體積。

3)傳輸線變壓器的主要參數(shù)由傳輸線的理論可知，傳輸線的特性阻抗Ｚc為(3―33)

對(duì)於理想無(wú)耗或工作頻率很高時(shí)的傳輸線，有Ｒ<<ωＬ，Ｇ<<ωＣ，則傳輸線的特性阻抗為(3―34)最佳特性阻抗，其值為(3―35)

產(chǎn)生插入損耗的主要原因是傳輸線終端電壓和電流對(duì)於始端產(chǎn)生相移的結(jié)果。我們知道，電磁波自始端傳到終端，是需要一定時(shí)間的。終端電壓、電流總要滯後於始端相應(yīng)電壓、電流－個(gè)相位φ，這個(gè)相位與傳輸信號(hào)波長(zhǎng)λ及傳輸線距離l的關(guān)係為(3―36)式中,，稱為相移常數(shù)。圖3.28傳輸線變壓器的插入損耗2.傳輸線變壓器的應(yīng)用

1)極性變換傳輸線變壓器作極性變換電路，就是1:1倒相