高频电子线路-曾兴雯3.ppt
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第三章高频谐振放大器,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高频功放的高频效应3.4高频功率放大器的实际线路3.5功率合成与射频模块放大器,3.1高频小信号放大器,第三章高频谐振放大器,(),高频小信号放大器的特点,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MHz。
小信号:
信号较小故工作在线性范围内。
具有选频功能:
采用谐振回路作负载。
高频小信号放大器的技术指标,增益:
(放大系数),电压增益:
分贝表示:
功率增益:
高频小信号放大器的技术指标,通频带:
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。
2f0.7也称为3分贝带宽。
高频小信号放大器的技术指标,通频带:
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。
fH/fL1,fH/fL1,高频小信号放大器的技术指标,选择性:
从各种不同频率信号的总和(有用的和有害的)中选出有用信号,抑制干扰信号的能力。
选择性常采用矩形系数来表示,工作稳定性:
指放大电路的工作状态、电源电压变化或元器件参数变化时,放大器主要性能指标的稳定程度。
高频小信号放大器的技术指标,
(一)高频小信号谐振放大器的工作原理,(),图31(a)是一典型的高频小信号谐振放大器的实际线路。
高频小信号谐振放大器,比较:
高频小信号谐振放大器,图31高频小信号谐振放大器(a)实际线路;(b)交流等效电路,高频小信号谐振放大器,gmv1,晶体管的物理参数模型,基极体电阻,集电结势垒电容,发射结扩散电容,集电结电阻,可以忽略,发射结电阻,晶体管的混合型等效电路,晶体管的混合型等效电路,图32晶体三极管等效电路(a)混等效电路;(b)Y参数等效电路,晶体管的Y参数等效电路,(35a),(35b),直接使用晶体管的混等效电路分析放大器的性能很不方便,通常在低频时采用H参数等效电路,而在高频时,一般采用Y参数等效电路。
双口(四端)网络的参数方程,Y参数方程,双口(四端)网络的参数方程,Z参数方程,双口(四端)网络的参数方程,H参数方程,双口(四端)网络的参数方程,在忽略rbe及满足CC的条件下,Y参数与混参数之间的关系为,晶体管的Y参数等效电路,晶体管的Y参数等效电路,忽略管子内部的反馈,即令Yre=0,晶体管的Y参数等效电路,忽略管子内部的反馈,即令Yre=0,忽略管子内部的反馈,即令Yre=0,由图33可得,(36a),(36b),放大器的性能参数,放大器的性能参数,
(1)电压放大倍数K,(37),放大器的性能参数,
(2)输入导纳Yi,(38),放大器的性能参数,(3)输出导纳Yo,(39),放大器的性能参数,(4)通频带B0.707与矩形系数K0.1,(310),谐振放大器的稳定性,以上讨论中假定了反向传输导纳re,即晶体管单向工作,输入电压可以控制输出电流,而输出电压不影响输入。
实际上re0,即输出电压可以反馈到输入端,引起输入电流的变化。
如果这个反馈足够大,且在相位上满足正反馈条件,则会出现自激振荡。
单调谐回路谐振放大器,实际电路:
单调谐回路谐振放大器,交流通路:
晶体管接入系数,负载接入系数,单调谐回路谐振放大器,等效电路:
单调谐回路谐振放大器,等效电路:
晶体管接入系数,负载接入系数,单调谐回路谐振放大器,等效电路:
C=p21Coe+p22CL+C,回路总电导,g=p21goe+p22gL+g0,回路总电容,单调谐回路谐振放大器,电压增益:
单调谐回路谐振放大器,电压增益:
谐振时,例:
已知工作频率030MHz,电感L14H,晶体管接入系数11,负载接入系数20.3,Q0100,Vcc6V,E2mA。
晶体管采用3DG47高频管,其Y参数在上述工作条件下的数值如下:
gie=12mS,Cie=12pF,goe=400S,Coe=9.5pF,|yfe|=58.3mS,|yre|=310S,负载是另一级相同的放大器。
求:
1)回路电容2)谐振电压增益V03)通频带2f07,单调谐回路谐振放大器,单调谐回路谐振放大器,g=n21goe+n22gie+g0C=n21Coe+n22Cie+C,Y参数等效电路如下图。
回路总电导和总电容:
而,1)回路电容,单调谐回路谐振放大器,单调谐回路谐振放大器,AV0=,2)谐振电压增益V0,单调谐回路谐振放大器,3)通频带2f07,谐振放大器的稳定性,由于yre的存在,晶体管是一个双向器件,即通过集基间电容,在不同的工作频率下分别引入负反馈(0)和正反馈(0)。
正反馈使放大倍数增大,负反馈使放大倍数下降,在晶体管的输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路(中和电路),以抵消晶体管内部参数re的反馈作用。
由于re的实部(反馈电导)通常很小可以忽略,所以常只用一个电容N来抵消re的虚部(反馈电容)的影响,达到中和的目的。
提高放大器稳定性的方法,中和法,提高放大器稳定性的方法,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,则中和条件为,提高放大器稳定性的方法,图35中和电路(a)原理电路;(b)某收音机实际电路,通过增大负载电导L,进而增大总回路电导,使输出电路严重失配,输出电压相应减小,从而反馈到输入端的电流减小,对输入端的影响也就减小。
可见,失配法是用牺牲增益而换取电路的稳定。
提高放大器稳定性的方法,失配法,图36共发共基电路,共基电路的特点是输入阻抗很小。
提高放大器稳定性的方法,失配法的典型电路是共发共基电路,其交流等效电路如下图所示:
多级单调谐放大器的谐振频率相同,均为信号的中心频率。
级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生复杂的变化。
多级单调谐回路谐振放大器,1)增益,设各级放大器的电压放大倍数分别为K01、K02、K0n,则总的电压放大倍数为:
多级单调谐回路谐振放大器,2)带宽和矩形系数,由上式知,级联的放大器级数越多,总增益越大,但通频带越窄。
换句话说,当多级放大器带宽确定后,级数越多,要求每一级的带宽越宽。
多级单调谐回路谐振放大器,从下表可以看出,当级数增加时,放大器矩形系数有所改善,但这种改善是有一定限度的,最小不会低于2.56。
结论:
单调谐回路特点是电路简单,调试容易,但选择性差,增益和通频带的矛盾比较突出。
双调谐回路谐振放大器,初、次级均调谐到同一中心频率上,是改善放大器选择性和解决放大器增益和通频带之间矛盾的有效方法之一。
参差调谐放大器,两个或多个调谐放大器的谐振频率分别略高于和略低于中心频率,相对双调谐放大器来说调整较方便。
参差调谐放大器,两个或多个调谐放大器的谐振频率分别略高于和略低于中心频率,相对双调谐放大器来说调整较方便。
例.某中频放大器的通频带为6MHz,现采用两级或三级相同的单调谐放大器,对每一级放大器的通频带要求各是多少?
例.某中频放大器的通频带为6MHz,现采用两级或三级相同的单调谐放大器,对每一级放大器的通频带要求各是多少?
解:
当n=2时,所以要求每一级放大器的带宽,同理,当n=3时,要求每一级放大器的带宽,高频集成放大器,图310集中选频放大器组成框图,课外作业,31对高频小信号放大器的主要要求是什么?
高频小信号放大器有哪些分类?
32一晶体管组成的单回路中频放大器如图所示。
已知fo=465kHz,晶体管经中和后的参数:
gie=0.4mS,Cie=142pF,goe=55S,Coe=18pF,Yfe=36.8mS,Yre=0,回路等效电容C=200pF,中频变压器的接入系数p1=N1/N=0.35,p2=N2/N=0.035,回路无载品质因数Q0=80,设下级也为同一晶体管,参数相同。
试计算:
(1)回路有载品质因数QL和3dB带宽B0.7
(2)放大器的电压增益;(3)中和电容值。
(设Cbc=3pF),3.2高频功率放大器的原理和特性,第三章高频谐振放大器,(),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。
输出功率大,从节省能量的角度考虑,效率更加显得重要。
因此,高频功放常采用效率较高的C类工作状态。
高频功率放大器,
(一)高频功率放大器的工作原理,(),高频功率放大器除电源和偏置电路外,由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成。
高频功率放大器,设输入信号为,则基极回路电压,(317),高频功率放大器,功率放大器工作状态的分类,高频功率放大器,A类:
=180B类:
=90AB:
90180C类:
90,周期性脉冲可以分解成直流、基波和各次谐波分量,即,(318),高频功率放大器,谐波分解系数与的关系曲线示于下图:
高频功率放大器,回路输出电压:
集电极电压:
如何理解:
通角越小,功放的效率越高?
高频功率放大器,回路输出电压:
集电极电压:
从图中可见,越小,ic越集中在ucemin附近,故损耗将减小,效率得到提高。
高频功率放大器,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,(322),集电极电源供给的直流输入功率P0为,(323),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,(324),高频功放的能量关系,Pc变成耗散在晶体管集电结中的热能。
定义集电极效率为,(325),其中:
为集电极电压利用系数。
高频功放的能量关系,为波形系数;,提高效率的两种途径:
一是提高,即提高UC,这可以通过提高回路谐振阻抗RL来实现;二是提高。
高频功放的能量关系,导通角越小,越大,效率越高,但输出功率也越小。
所以要兼顾效率和输出功率两个方面,选取合适的导通角,一般以70作为最佳导通角。
高频功放的能量关系,由式(324)、(325)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为,(326),激励功率为,(327),功率放大倍数为,(328),用dB表示为,(329),高频功放的能量关系,例:
已知谐振功率放大器的工作频率为1MHZ,Ec=24V,输出功率P1=2W,功放管参数Kp13dB,ICM=750mA,UCES=1.5V,PCM=1W,设=70,试求它的能量关系。
解:
能量关系包括:
P1、Pd、P0、Pc、,Pc=P0-P1,P0=EcIco,Ico=iCmax0(),Uc=Ec-UCES=241.5=22.5V,uCEmin=UCES=1.5V,1)确定Uc,2)确定Ic1,例:
已知谐振功率放大器的工作频率为1MHZ,Ec=24V,输出功率P1=2W,功放管参数Kp13dB,ICM=750mA,UCES=1.5V,PCM=1W,设=70,试求它的能量关系。
3)确定Ico,由余弦脉冲分解系数表查得:
0(70)=0.253,1(70)=0.436,Ico=iCmax0(70)=0.4080.253=0.103A,例:
已知谐振功率放大器的工作频率为1MHZ,Ec=24V,输出功率P1=2W,功放管参数Kp13dB,ICM=750mA,UCES=1.5V,PCM=1W,设=70,试求它的能量关系。
4)求P0等,P0=EcIco=240.103=2.472W,Pc=P0-P1=2.4722=0.472W,=,=81%,例:
已知谐振功率放大器的工作频率为1MHZ,Ec=24V,输出功率P1=2W,功放管参数Kp13dB,ICM=750mA,UCES=1.5V,PCM=1W,设=70,试求它的能量关系。
已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态,输出功率P1=15W,电源电压EC=24V,导通角为70,UC=21.84V,试求P0、Pc、。
(0(70)=0.253,1(70)=0.436),课堂练习,1)求P0,P0=EcIco=240.79=18.96W,Ic1=iCmax1(c),Ico=iCmax0(c),课堂练习,已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态,输出功率P1=15W,电源电压EC=24V,导通角为70,UC=21.84V,试求P0、Pc、。
(0(70)=0.253,1(70)=0.436),Pc=P0-P1=18.96-15=3.96W,2)求Pc,3)求,课堂练习,已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态,输出功率P1=15W,电源电压EC=24V,导通角为70,UC=21.84V,试求P0、Pc、。
(0(70)=0.253,1(70)=0.436),1)求,2)求P0,P0=P1/,3)求Pc,Pc=P0-P1,课堂练习,另一种求法:
已知某高频谐振功率放大器工作在临界状态,输出功率P1=15W,电源电压EC=24V,导通角为70,UC=21.84V,试求P0、Pc、。
(0(70)=0.253,1(70)=0.436),
(二)高频功率放大器的工作状态,(),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。
高频功放的动特性,高频功放的动特性,输出特性的特点:
(1)iC与uCE的关系用uBE作参变量;
(2)在截止区,iC=0;(3)在放大区,iC与uBE成线性关系而与uCE基本无关;(4)在饱和区,iC与uCE成线性关系而与uBE基本无关;,ube=Eb+ub,uce=Ec-uc,高频功放的动特性,ube=Eb+ub,uce=Ec-uc,A点:
t=0,ube=Eb+Ubuce=Ec-Uc,高频功放的动特性,ube=Eb+ub,uce=Ec-uc,Q点:
t=/2,ube=Ebuce=Ec,高频功放的动特性,B点:
QA与横轴的交点,ube=Eb+ub,uce=Ec-uc,C点:
t=,ic=0uce=Ec+Uc,高频功放的动特性,ube=Eb+ub,uce=Ec-uc,ABC:
动特性曲线,高频功放的动特性,高频功放的工作状态,欠压状态过压状态临界状态(P1最大),观察UC由小到大变化时,动特性曲线的变化。
高频功放的工作状态,欠压状态下,UC增加时iC基本不变,即IC0、IC1基本不变,所以输出功率P1UCIC1/2随UC增加,而电源功率P0ECIC0基本不变,故效率随UC增加;,临界状态下P1达到最大,通常工作在此状态。
过压状态下IC0、IC1都小于欠压状态时的值;,高频功放的工作状态,UCEminuCES:
欠压状态UCEminuCES:
临界状态UCEminuCES:
过压状态,判定工作状态的方法:
(三)高频功率放大器的外部特性,(),高频功放的外部特性是指放大器的性能(高频功放电流、电压、功率及效率)随外部参数变化的规律。
高频功放的外部特性,外部参数主要包括负载电阻RL、激励电压Ub、偏置电压Eb和Ec等。
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、功率及效率变化的特性。
高频功放的负载特性,欠压状态可当作交流恒流源,过压状态可当作交流恒压源,负载特性是指只改变负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率变化的特性。
高频功放的负载特性,P0曲线与Ico曲线形状相同;P1曲线为Uc曲线与Ic1曲线相乘;Pc曲线为P0曲线与P1曲线相减。
负载特性是指只改变负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率变化的特性。
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。
高频功放的调制特性,高频功放中,可以用改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅,从而实现振幅调制的目的。
基极调制特性,高频功放的调制特性,高频功放中,可以用改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅,从而实现振幅调制的目的。
集电极调制特性,3.3高频功放的高频效应,第三章高频谐振放大器,(),功放管的高频效应,当晶体管的工作频率很高时,会出现输出功率下降、效率降低、功率增益降低以及输入、输出阻抗为复阻抗等现象。
这些现象主要是由于功放管性能随频率变化引起的,称为功放管的高频效应。
3.4高频功放的实际线路,第三章高频谐振放大器,(),
(一)直流馈电电路,(),直流馈电电路,直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路,应保证在集电极和基极回路能使放大器正常工作,集电极电流的直流和基波分量有各自正常的通路,并且高频信号不要流过直流源,以减小不必要的高频功率的损耗。
馈电电路的组成原则,对直流分量,对基波分量,对谐波分量,图326集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电,集电极馈电电路,基极馈电电路,图327基极馈电线路的几种形式,(a)发射级自偏压;(b)基极组合偏压;(c)零偏压,
(二)输出匹配网络,(),输出匹配网络,为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率,输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求,在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。
输出匹配网络,输出匹配网络应具有的几个特点:
(1)阻抗匹配;
(2)滤波功能;(3)调谐方便。
常用输出线路的类型:
(1)LC匹配网络;
(2)耦合回路。
输出匹配网络,输出匹配网络应具有的几个特点:
(1)阻抗匹配;
(2)滤波功能;(3)调谐方便。
常用输出线路的类型:
(1)LC匹配网络;
(2)耦合回路。
高频功放的实际线路举例,图338高频功放实际线路(a)50MHz谐振功放电路;(b)175MHz谐振功放电路,图338高频功放实际线路(a)50MHz谐振功放电路;(b)175MHz谐振功放电路,高频功放的实际线路举例,3.5高频功放、功率合成与射频模块,第三章高频谐振放大器,(),进一步提高效率的方法,减小损耗功率可提高输出功率和效率,而晶体管集电极的瞬时损耗功率等于集电极瞬时电流iC与瞬时电压uCE的乘积;D类放大器中晶体管处于开关状态,饱和时UCES=0,截止时IC=0,因此晶体管集电极的瞬时损耗功率很小,效率很高。
D类功率放大器的原理电路,D类功率放大器的原理电路,vA,A,E类高频功率放大器,D类放大器总是由两个晶体管组成的,而E类放大器则是单管工作于开关状态。
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。
射频模块放大器,射频模块放大器,37什么叫做高频功率放大器?
它的功用是什么?
应对它提出哪些主要要求?
为什么高频功放一般在B类、C类状态下工作?
为什么通常采用谐振回路作负载?
答高频功率放大器是一种能将直流电源的能量转换为高频信号能量的放大电路,其主要功能是放大高频信号功率。
对它的基本要求是有选频作用、输出功率大、自身损耗小、效率高。
为了提高效率,一般选择在B或C类下工作,但此时的集电极电流是一个余弦脉冲,因此必须用谐振电路做负载,才能得到所需频率的正弦高频信号。
课堂练习,当晶体管工作在线性区时的工作状态叫欠压状态,此时集电极电流随激励而改变,电压利用率相对较低。
如果激励不变,则集电极电流基本不变,通过改变负载电阻可以改变输出电压的大小,输出功率随之改变;该状态下输出功率和效率都比较低。
38高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的?
各有什么特点?
当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时,高频功放的工作状态如何变化?
课堂练习,38高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的?
各有什么特点?
当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时,高频功放的工作状态如何变化?
课堂练习,当晶体管工作在饱和区时的工作状态叫过压状态,此时集电极电流脉冲出现平顶凹陷,输出电压基本不发生变化,电压利用率较高。
过压和欠压状态分界点,即晶体管临界饱和时,叫临界状态。
此时的输出功率和效率都比较高。
38高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的?
各有什么特点?
当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时,高频功放的工作状态如何变化?
课堂练习,当单独改变RL时,随着RL的增大,工作状态的变化是从欠压逐步变化到过压状态。
当单独改变EC时,随着EC的增大,工作状态的变化是从过压逐步变化到欠压状态。
当单独改变Eb时,随着Eb的负向增大,工作状态的变化是从过压逐步变化到欠压状态。
当单独改变Ub时,随着Ub的增大,工作状态的变化是从欠压逐步变化到过压状态。
38高频功放的欠压、临界、过压状态是如何区分的?
各有什么特点?
当EC、Eb、Ub、RL四个外界因素只变化其中的一个时,高频功放的工作状态如何变化?
课堂练习,39已知高频功放工作在过压状态,现欲将它调整到临界状态,可以改变哪些外界因素来实现,变化方向如何?
在此过程中集电极输出功率如何变化?
减小负载电阻RL,集电极电流Ic1增大,IC0也增大,但电压振幅UC减小不大,因此输出功率上升。
增大集电极电源电压,Ic1、IC0和UC增大,输出功率也随之增大,效率基本不变。
课堂练习,减小激励Ub,集电极电流Ic1和电压振幅UC基本不变,输出功率和效率基本不变。
增大基极的负向偏置电压,集电极电流Ic1和电压振幅UC基本不变,输出功率和效率基本不变。
39已知高频功放工作在过压状态,现欲将它调整到临界状态,可以改变哪些外界因素来实现,变化方向如何?
在此过程中集电极输出功率如何变化?
课堂练习,316改正图示线路中的错误,不得改变馈电形式,重新画出正确的线路。
课堂练习,316改正图示线路中的错误,不得改变馈电形式,重新画出正确的线路。
课堂练习,改正后的电路图,317试画出一高频功率放大器的实际线路。
要求
(1)采用NPN型晶体管,发射极直接接地;
(2)集电极用并联馈电,与振荡回路抽头连接;(3)基极用串联馈电,自偏压,与前级互感耦合。
课堂练习,317试画出一高频功率放大器的实际线路。
要求
(1)采用NPN型晶体管,发射极直接接地;
(2)集电极用并联馈电,与振荡回路抽头连接;(3)基极用串联馈电,自偏压,与前级互感耦合。
课堂练习,317试画出一高频功率放大器的实际线路。
要求
(1)采用NPN型晶体管,发射极直接接地;
(2)集电极用并联馈电,与振荡回路抽头连接;(3)基极用串联馈电,自偏压,与前级互感耦合。
课堂练习,317试画出一高频功率放大器的实际线路。
要求
(1)采用NPN型晶体管,发射极直接接地;
(2)集电极用并联馈电,与振荡回路抽头连接;(3)基极用串联馈电,自偏压,与前级互感耦合。
课堂练习,课外作业,P111:
3-73-93-18,
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- 高频 电子线路 曾兴雯