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1、1,第3章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号谐振放大器 3.2 低噪声小信号放大器的设计 3.3 高频功率放大器的原理和特性 3.4 高频功率放大器的高频效应 3.5 高频功率放大器的实际线路 3.6 功率放大器线性化技术 3.7 高频功放、 功率合成与射频模块放大器, , ,3.1 高频小信号谐振放大器,一、概述 1、定义：高频小信号放大器的功能就是放大各种无线电设备中的高频小信号。此处的“小信号”是指输入信号的电平较低，放大器工作在它的线性范围。 2、高频小信号放大器的分类： (1) 按放大器的频带宽度来分：窄带放大器和宽带放大器。 所谓频带的宽窄，指的是相对频带，即通频带与其中心频率的
2、比值。宽带放大器的相对频带较宽（往往在0.1以上），窄带放大器的相对频带较窄（往往小到 0.01）。 (2) 按有源器件来分：分立元件高频小信号放大器和集成放大器。,（3）按电路形式分：单级放大器、多级放大器; （4）按负载性质分为：谐振放大器（兼具阻抗变换和选频滤波之功能）、非谐振放大器; 本章主要讨论单级窄带负载为 LC 调谐回路的谐振放大器，这种放大器不仅有放大作用，而且有选频作用。对各种级联放大器也略加讨论。,3、高频小信号放大器的主要要求 (1) 高增益，即要求放大器的放大量要高； 放大器输出电压 V O与输入电压 V i之比，称为放大器的增益或放大倍数，用 A v表示（有时以 dB
3、 数计算）。 例如，用于各种接收机中的中频放大器，其电压放大倍数可达到104105，即电压增益为80100dB。,(2) 频率选择性要好； 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称为放大器的选择性，放大器的频带宽度和矩形系数是衡量选择性的两个重要参数。 (3) 工作稳定可靠。,4、高频小信号放大器放大性能分析与低频小信号放大器基本相同，但又有其特殊性： （1）高频等效电路一般采用Y参数等效电路进行分析。 （2）由于负载为谐振回路，通常需进行阻抗变换，并要考虑到所有损耗在输出端的反映。,二、高频小信号谐振放大器的工作原理 图3-1(a)是一典型的高频小信号谐
4、振放大器的实际线路。 其中：Cb、Ce为高频旁路电容；Rb1 、 Rb2 、 Re为偏置电阻。图3-1(b)为其交流等效电路，有抽头的谐振回路为放大器的负载，完成阻抗匹配和选频功能。放大器工作在甲(A)类状态。,图 3-1 高频小信号谐振放大器 (a) 实际线路; (b) 交流等效电路,三、放大器性能分析 1晶体管的高频等效电路 要分析和说明高频调谐放大器的性能，首先必须考虑晶体管在高频时的等效电路。图3-2(a)是晶体管在高频运用时的混等效电路,它反映了晶体管中的物理过程, 也是分析晶体管高频时的基本等效电路。,图 3-2 晶体三极管混等效电路,直接使用晶体管的混等效电路分析放大器的性能很不
5、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。,晶体管共射极电路,Y参数通过仪器测量，或查手册，或由混合型等效电路求取,称为晶体管输出端交流短路时的输入导纳,称为晶体管输出端交流短路时的正向传输导纳,称为晶体管输入端交流短路时的反向传输导纳,称为晶体管输入端交流短路时的输出导纳,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：,(3-1),(3-2),(3-3),(3-4),特别说明： (1) Y参数不仅与晶体管的静态工作点有关，而且与工作频率有关，不过当放大器工作在窄带时，Y参数变化不大，可近似看作常数； (2) 在以后如没有特别说明，高频小信号放大
6、器都是工作在窄带，晶体管一律用Y参数等效。 由图3-2可以得到晶体管Y参数等效电路的Y参数方程为：,(3-5a),(3-5b),2. 放大器的性能参数,图3 - 3高频小信号放大器的高频等效电路,忽略管子内部的反馈, 由图3 3可,由式（3-5）（3-6）得出高频小信号的主要性能指标,(3 - 6a),(3 - 6b),（1）电压放大倍数K,(3 7),（3-5）,负载导纳，包括谐振回路的导纳和负载电阻RL的等效导纳。,（2）输入导纳Yi,(3 8),（3） 输出导纳Yo,(3 9),（4） 通频带B 0.707与矩形系数K 0.1 (P73),=9.95,理想矩形系数为1,第一项为晶体管的输
7、入导纳，第二项是反向传输导纳Yre引入的输入导纳,C为回路的总电容，包括回路本身的电容和Yoe等效到回路中呈现的电容,g为回路的总电导，包括回路本身的损耗和Yoe、RL等效到回路中的损耗,2、计算放大器 增益,考虑到放大器的输出将通过p1部分接入至谐振回路，而放大器的输出将通过p2至谐振回路，因此有：,四、高频谐振放大器的稳定性 1放大器的稳定性 (1) 稳定性的引入：以上分析时，假定Yre0，即输出电路对输入端没有影响，放大器工作于稳定状态。 但由于晶体管内部存在集基间电容Cbc的反馈，或者通过Y参数的反向传输导纳Yre的反馈，放大器的输出电压可通过晶体管的Yre反向作用到输入端，引起输入电
8、流的变化，如果这个反馈在某个频率相位上满足正反馈，这种反馈作用将可能引起放大器产生自激等不良后果。,18,(2) 近似分析 下面分析由于反向传输导纳Yre的反馈引起的不稳定。假设：反向传输导纳Yre引入的输入导纳, 记为Yir。忽略Rbb的影响, 则由式(3-3)、 (3- 4)有：,考虑谐振频率0附近情况, 有：,其中Zp为有载时并联谐振回路阻抗, 根据第二章(2-9)式，设回路有载谐振阻抗为RL=1/ GL，有：,(3-11a),(3-11b),(3-11c),(3-11d),19,并将Yoe归入谐振回路负载中，则谐振回路总导纳为：,由上述式(3-11a)(3-11d)可得：,故,(3-1
9、1),20,由上式可得： 当回路谐振时，Yir为一电容（由反向传输导纳引入的输入导纳）； 当 0时， Yir的电导为正，是负反馈。 当 0 时， Yir的电导为负，是正反馈，将导致放大器不稳定。,正反馈使放大倍数增大,负反馈使放大倍数下降,2. 提高放大器稳定性的方法,选用Yre（或 Cbc ）小的晶体管,从电路上消除内反馈的影响,中和法（消除Yre的反馈）,失配法,（1）中和法 在放大器线路中插入一个外加的反馈电路，使它的作用恰好和晶体管的内反馈互相抵消。,22,图3-5(a)是利用中和电容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
10、据电桥平衡有：,则中和条件为,(3-12),23,中和电容,24,图 3-5 中和电路 (a) 原理电路; (b) 某收音机实际电路,中和电容,25,中和法的不足：1、用Cbc来表示晶体管的反馈只是一种近似，因此，该法只能近似达到目标； 2、只能在某一个频率点上才能达到“完全中和” ，而在其他频率处只能“部分中和”。 故其效果是很有限的，只能在一些简单电路中使用。,26,图 3-6 共发共基电路,（2）失配法 失配法是通过增大放大器的负载导纳，使输出电路失配，以降低输出电压，从而减少对输入端的影响。因此失配法是用牺牲电路增益来换取电路的稳定。共发共基电路是典型的失配法应用。,27,图 3-7
11、双栅场效应管调谐放大器,29,3、放大器的电磁耦合及其抑制措施 前面讨论放大器的稳定性，是从放大器（晶体管）内部来看的，实际上还应考虑由于外部原因造成的不稳定，而电磁耦合是引起外部寄生反馈的主要因素，因此抑制和减少电磁耦合是提高放大器稳定性的重要途径。 放大器中的电磁耦合途径主要有： A、电容性耦合； B、电感性耦合； C、公共电阻耦合； D、辐射耦合,五、多级谐放大器 1.多级单调谐放大器 假设多级单调谐放大器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：,由第二章可知，单调谐放大器的归一化频率特性为：,则有n的回路的多级单调谐放大器的归一化频率特性为：,(
12、3-13),(3-14),31,2. 多级双调谐放大器 表32 多级双调谐放大器的带宽和矩形系数,(3-16),3.多级参差调谐放大器 各级的调谐频率不同,特点：,有较宽的通频带，且在带内频带特性平坦，带外又有较陡峭的特性。,33,图 3-9电视机高频放大器的简化电路,34,六、 高频集成放大器 1、高频集成放大器的分类 高频集成放大器分为以下两类: (1) 一种是非选频的高频集成放大器, 主要用于某些不需要选频功能的设备中, 通常以电阻或宽带高频变压器作负载； (2) 另一种是选频放大器, 用于需要有选频功能的场合, 如接收机的中放就是它的典型应用。 通常为了满足高增益放大器的选频要求，集成
13、选频放大器一般采用集中滤波器作为选频电路。,35,2、高频集成放大器与集中滤波器的接法 (1) 集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面 在图3-10(a)中, 集中选频滤波器接于宽带集成放大器的后面，这是一种常见接法。 该接法需注意的问题为：集成放大器与集中滤波器之间的阻抗匹配问题，这包括两重含义：其一是从放大器输出上看，阻抗匹配表示放大器有较大的功率增益；其二是从滤波器的输入端看，要求信号源的阻抗与滤波器的输入阻抗，方能得到预期得频率特性。 (2) 集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面 图3-10(b)是集中选频滤波器接于宽带集成放大器的前面的一种接法。,36,图3-10 集中选频放大器组
14、成框图,37,图 3-11示出了Mini Circuits公司生产的一集成放大器MRA8的应用电路， MRA8是硅单片放大器, 其主要指标见表3-3。,图 3-11 集成选频放大器应用举例,38,3.2 低噪声小信号放大器的设计,在接收机中，小信号放大器与天线相连，其噪声特性将严重影响到整机的灵敏度，因此噪声特性将是小信号放大器设计的主要考虑因素之一，因此小信号放大器又称为低噪声放大器（LNA）。 低噪声放大器与一般小信号放大器设计的区别：一般小信号放大器为了获得高增益，放大器的每一级都是按功率匹配的原则进行设计的；而低噪声放大器为了获得较小的噪声系数，第一级必须进行最佳噪声匹配，后级再按功率
15、匹配进行设计，从而使系统既有较好的噪声特性又有较好的增益特性。 图3-12为一晶体管的噪声特性（NF随工作频率、集电极电流、电源电压以及信号源内阻的变化）。,图3-12为一晶体管的噪声特性 （NF随工作频率、集电极电流、电源电压以及信号源内阻的变化）。,低噪声放大器设计时需要： 选择低噪声半导体器件（晶体管、场效应管等）； 确定低噪声工作点及其对工作状态的优化； 选择电子线路形式（如共基、共集、共射组态或者共栅、共漏或共源组态）； 满足信号源阻抗与放大器的噪声匹配。,一、半导体器件及其工作点的选择 在给定信号源（包括信号源阻抗）的条件下，在信号工作频率范围内，为了得到最小的噪声，选择适用于工作
16、频率且具有可接受的增益和噪声系数的晶体管、场效应管等，同时还要考虑其动态范围。,晶体管在高频时：共基的噪声电压与噪声电流较共射高，并且二者间的差别随工作点的降低而增加。 共集的噪声电压均较共射的大，并随工作点降低而增加；共集的噪声电流较共射低， 但这种差别将随工作点的降低而减小。 场效应管：共源、共栅和共漏组态的低、中频段噪声系数完全相同，对高频端的噪声系数共栅最小，共源次之，共漏最大。 放大器的工作状态是根据噪声、增益和饱和输出电平的要求来确定的。,二、放大器噪声匹配网络的设计 功率匹配是指源阻抗与负载阻抗匹配，以使放大器获得最大的功率输出； 噪声匹配是指信号源阻抗与最佳源阻抗相匹配，以使放大器获得最佳的噪声性能。,放大器存在一信号源最佳内阻可使其噪声系数最小，图3-14为噪声系数与信号源内阻之间的关系。在高的信号源内阻情况下，为了达到噪声匹配，一般用场效应管作为放大器输入级；在信号源内阻不高时，一般采用晶体管。可采用噪声
