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第三章 高频谐振放大器

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高频-第3章 高频谐振放大器(4)高频功放状态分析及高频效应

高频-第3章 高频谐振放大器(4)高频功放状态分析及高频效应

有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状
态。
负载特性曲线
临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效 率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计
成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。
掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的 工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很
cos
1
Eb E 'b Ub
集电极电流脉冲幅值 ic max
ic max=gcUb(1–cos)
2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(c)、1(c)… n(c)可查表求得，并求得个分量的实际值。
3) 谐振功率放大器的功率和效率 直流功率：PO=Ic0 EC
2 2 集电极效率： P 1 c 1 P0 2
有帮助的。
2. 高频功放的振幅特性
振幅特性是指放大器电流、 电压、功率及效率随激励信号 振幅Ub的变化特性。 Ub变化，但EC、(-Eb)、Rp 不变或(-Eb)变化，但EC、Ub、
Rp不变，这两种情况所引起放 大器工作状态的变化是相同的。 因为无论是Ub还是Eb的变化， 其结果都是引起uBE的变化。 当(-Eb)或ub由小到大变化时,放 由 uBE= -Eb+Ubcost 大器的工作状态由欠压经临界转 uBEmax= -Eb+Ub 入过压。
电压、电流随负载变化波形
2. 高频功放的工作状态
Uc、ic随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是一 定的，其最大值为Ubemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负
载线的斜率由大变小，如图中123。不同的负载，放大器
的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功 率、效率也是不一样的。

第3章 高频谐振放大器

第3章 高频谐振放大器

YreY fe YS Yie
(3 ─ 9)
Uc
第3章 高频谐振放大器
(4) 通频带B 0.707与矩形系数K 0.1
通频带B 0.707：
B0.707
fo QL
(3 ─ 10)
矩形系数K 0.1 =9.95
第3章 高频谐振放大器
3.1.3高频谐振放大器的稳定性
1． 放大器的稳定性（stability）
a
n
(3 ─ 13)
1 1 2
2 n / 2
(3 ─ 14)
a (1 )
(3 ─ 15)
第3章 高频谐振放大器
2. 多级双调谐放大器: 各级采用同样的双调谐回路， 选择临界耦合状态。其归一化频率特性：
a (1
n

4
4
)
n / 2
(3 ─ 16)
3. 参差调谐放大器 参差调谐放大器： 单调谐回路和双调谐回 路组成的参差调谐放大器，其各级频率不同。 获得大带宽和更好的频率特性。
(3 ─ 5b)

第3章 高频谐振放大器
2． 放大器的性能参数
放大器的高频等效电路：信号源IS表示，内导 纳由YS表示，负载由Y`L表示。 令Yre =0, 可得：

I b I S YS U b (3 ─ 6a) I c YL U c

(3 ─ 6b)
第3章 高频谐振放大器
高低频功率放大器的异同点：
相同点：都要求输出功率大，效率高。 不同点：工作频率和相对带宽不同，故负载和工作 状态也不相同。 无线通信系统的基本组成
第3章 高频谐振放大器
3.2.1工作原理
高频功率放大器的原理线路：由晶体管、 谐振

高频谐振放大器

高频谐振放大器
放大器 谐振回路 负载
(实际电路和交流等效电路)
Rb1 、Rb2是基极直流分压偏置电阻， cb、 ce是高频旁路电容，比低频值要小， 具有抽头的Lc并联回路作为VT管的集电 极负载， 部分接入的目的是为了保证通频带和选 择性的要求， ui由变压器耦合到VT管的基极， u0靠变压器或电感线圈耦合。 二.放大器性能分析 1.高频Y参数等效电路
矩形系数kr0.1= B0.1/B0.707 一般情况下 kr0.1>1,理想情况下 kr0.1=1为 矩形, kr0.1越小,选择性越好,单级谐振放大 器的 kr0.1= 9.96 讨论; ku↑→ g∑↓→ (1) RL’↑表明带负载能力差;所以用p2 接入系数改善带负载能力。 (2) QL ↑→B0.707↓说明放大倍数和通
折线法:目的是简化分析过程,给出明确的 物理概念,为实验调整提供指导性 数据。 要求: (1) 输入信号幅度大 (2) 高Q回路,输出对基波之外的衰减 大,即能量集中在基波上, (波形图) 当 ube= UBB ’ 时， cos ω t= cos θ , U BB U BB cosθ = Ub ic=Ico+Ic1 cosω t+Ic2cos2ω t+……
Yfe= | Yfe| e j φ fe Yre —输入端交流短路时的反向传输导纳, Yre= | Yre| e j φ re
Y参数可以用仪器测出: Ic I | Uce=0 Yie= Yoe= | Ube=0 U ce U I Ic Yfe= | Uce=0 Yre= | Ube=0 U U be
饱和区: ub使工作在AD段, ic出现凹陷, 为凹陷脉冲, (2) 动态输出特性 (曲线图) ube= UBB + Ubcosω t uce= Ucc- Uccosω t 动特性曲线—交流负载线 可能有三种 即ABC、A’BC、A”BC 饱和区：uc使工作在A’B~A”B 间，Icmax 下降，并出现凹陷, 截止区： uc使工作在BC段，ic=0

第3章 高频谐振放大器

第3章 高频谐振放大器

3.1.4多级谐振放大器 1．多级单调谐放大器 多级单调谐放大器的谐振频率相同, 均为信号的中 心频率。
K0 K01K02 K0n
(3 ─ 13) (3 ─ 14) (3 ─ 15)
a
1 1
2
a n (1 2 ) n / 2
第3章 高频谐振放大器
第3章 高频谐振放大器
第3章 高频谐振放大器
N ∶N 3.2.1工作原理 U 一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路, 除 R′ R R 电源和偏置电路外, 由晶体管、 谐振回路和输入回路三 部分组成的。 i
1 2 CC B L L
V ui
c
ube Eb U b cos ωt
＋ CB (a) ic 2
－ ＋ ib V ＋ ube － uce － uc C ＋ L R
3
1 Rb1 V C 2 L 3 Ce 4 RL 5
5 2 L 4 1 RL
V
C
Rb2
C b Re
(a)
(b)
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
第3章 高频谐振放大器
3.1.2 放大器性能分析
1． 晶体管的高频等效电路
b ＋ . Ube Yie e － (b) 晶体三极管Y参数等效电路 . YreUce . YfeUbe ＋ . Yoe U ce － e c
甲类功率放大电路
0
ic 2
u ()
ic 2
t ic 2
ub
t
＋EC
0 ＋EC
0 ＋i
RL 0
L
Eb
＋ Ui －
V1
ic 1
＋ Ui －

3高频谐振放大器

3高频谐振放大器

=· · rb’e
Cb’e
ree
e º
rbb ' 基极体电阻
C b'c 集电结势垒电容
C b'e 发射结扩散电容
gmub’e
rb 'c 集电结电阻，可以忽略
rb 'e 发射结电阻
rb'e 260 IE
高频电子线路
晶体管的混合∏型等效电路
rbb' Cb'e
Cb'c
ub'e rb'e
rb'c gm ub’e rce
高频电子线路
单调谐回路谐振放大器
通频带：
AV
Avo
1 2
（ 2Q2Qf ）
0
f0
令： 1
得：
BW0.7
2f0.7
f0 QL
高频电子线路
单调谐回路谐振放大器
矩形系数：
令：
1 0.1
1 2
得：
2f0.1
99 f0 QL
K0.12 2 ff0 0..7 1 999.95
高频电子线路
单调谐回路谐振放大器
gΣ=p12goe+p22gie+g0=174μS
Av0
p1p2 yf g
e
23
34 2 15
高频电子线路
课堂练习
解： 2）回路电容Ｃ
C 2f102L55pF
C C p 1 2 co ep 2 2 C ie5p 2F
34 2 15
高频电子线路
课堂练习
解： 3）等效品质因数QL
QL
0C
g
21
4）通频带2△f0.7
高频电子线路

第3章 高频谐振放大器

第3章 高频谐振放大器
26
3.电流波形与工作原理
输入信号为: 基极回路电压为:
ub U b cos t uBE U BB U b cos t
uBE U BB时, T 截止,ic 0; uBE U BB时, T 导通,ic由特性给出.
27
28
集电极电流为周期性余弦脉冲,通角为 , 2 , 此余弦脉冲可按付氏级数进行分解:
20

作业:
P129 3-4 P129 3-7
思考题：
P129 3-1 P129 3-6
21

一.概述:
3.2高频功率放大器
1.功能:对高频信号进行功率放大(高效率输出大功率) a:推动强放 b:功率经天线辐射 c:高频加热 2.机理:
有源器件控制 电源供给直流能量
P0
高频交流功率
P 1
3.特点:a:大信号工作（>0.5V，1-2V） b:有源器件工作在非线性状态
1 1 ( P22 gie ) P 2 Q00 L 1
GL
1 2 1 ) ( (0.08) 2 *1.7 *10 3 ) 194us 0.3 100* 2 * 465*103 *560*10 6 Y fe 32*103 K0 66 6 6 194*10 290*10 GL g oe (
4

3.放大器高频等效电路

1)晶体管Y参数等效电路(下图所示)选
I b , I c 为因变量,U b ,U c 为自变量,由此可以对应下图, 写出相应方程: I b Yie U b Yre U c I c Y fe U b Yoe Ub － (b) Y ie . Y Uc re . Yfe U b Yoe

(高频电子线路)第三章高频谐振放大器

(高频电子线路)第三章高频谐振放大器

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发展历程及现状
发展历程
高频谐振放大器经历了从真空管到晶体管再到集成电路的发展历程，不断向着更高频率、更大带宽、更低噪声的 方向发展。
现状
目前，高频谐振放大器已经实现了高度集成化和数字化，采用先进的微波集成电路技术和数字信号处理技术，实 现了高性能、高可靠性、低功耗等目标。同时，随着5G等新一代通信技术的快速发展，高频谐振放大器面临着更 高的挑战和机遇。
设计输入输出匹配网络
根据晶体管的输入输出阻抗，设计合 适的匹配网络，以实现最大功率传输 和最小噪声系数。
仿真与优化
利用仿真软件对设计进行仿真验证 ，并根据仿真结果进行优化调整， 以满足设计要求。
版图设计与后仿真
完成电路版图设计，并进行后仿真 验证，确保实际电路性能与仿真结 果一致。
案例分析：成功与失败经验分享
04
高频谐振放大器仿真与测试 技术
仿真软件介绍及使用技巧
ADS仿真软件
ADS（Advanced Design System）是一款广泛应用于射频、微波和高速数字电路设计的EDA工具，具 有强大的仿真功能和丰富的元件库。使用ADS进行高频谐振放大器仿真时，需要掌握基本的电路搭建、 元件参数设置、仿真控制设置等技巧。
成功案例
某高频谐振放大器设计成功实现了高增益、低噪声和良好的稳定性。关键在于 精心选择了合适的晶体管，并设计了优化的偏置电路和输入输出匹配网络。
失败案例
另一款高频谐振放大器设计在实际测试中出现了自激振荡现象。分析原因发现， 是设计中未充分考虑稳定性因素，导致在某些频率下产生了正反馈。改进措施 包括增加稳定措施和调整匹配网络参数等。
02
高频谐振放大器电路分析

高频谐振放大器

高频谐振放大器

6
2 6 .16
B''
f0 QL '

30 10 26 . 16
6
1 . 15 MHz
K ''
p 1 p 2 Y fe g ''
14 . 48
第3章 高频谐振放大器
分析方法：
分析放大器的工作状态（线性区）
画出交流等效电路 画出Y参数等效电路 关键点：电感 L 端点的等效（交流地） 部分接入→全接入（接入系数） 参数的计算
g ' ' g oe g 0 p 2 g L
2
72 10
6
66 . 35 10
6
0 .2
2
1 620
2 02 . 8 7 s
QL '' 1
0 L13 g ' '

1 2 30 10 1 10
6 6
2 02 . 87 10

2
p1
RL
p 2 g oe
2
调谐回路，所 以：K 0.1=9.95
g 0 p 1 g L p 2 g oe
第3章 高频谐振放大器
3.1.4多级谐振放大器（掌握）
1．多级单调谐放大器
多级单调谐放大器的谐振频率相同, 均为信号 的中心
频率。
K 0 K 01 K 02 K 0 n
特点：负载不具有选频功能，其负载是高频变压器
或传输线变压器。
第3章 高频谐振放大器
三、主要性能指标：
1、电压增益与功率增益：
Au
u0 ui
Ap

高频电路第3章 高频谐振放大器

高频电路第3章 高频谐振放大器

K 0Σ = K 01K 02 ⋅ ⋅ ⋅ K 0 n
(3 ─ 13) (3 ─ 14) (3 ─ 15)
a=
1 1+ξ
2
a n = (1 + ξ 2 ) − n / 2
第3章 高频谐振放大器
第3章 高频谐振放大器
2. 多级双调谐放大器 多级双调谐放大器
a = (1 +
n
ξ4
4
) −n / 2
第3章 高频谐振放大器
ic － ＋ ib u (ω) ub V ＋ ube － uce － uc C ＋ L R
Eb
Ec
图 3 ─ 12 晶体管高频功率放大器的原理线路
第3章 高频谐振放大器
1．电流、 电压波形 ．电流、 电压波形 设输入信号为
ub = U b cos ωt
则由图3 ─ 12得基极回路电压为
的容性电流), 则激励功率为
第3章 高频谐振放大器
1 Pd = I b1U b 2 高频功放的功率放大倍数为
P Kp = 1 Pd
(3 ─ 27)
(3 ─ 28) (3 ─ 29)
用dB表示为
K p = 10 Lg P 1 ( dB ) Pd
第3章 高频谐振放大器
第3章 高频谐振放大器
3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态 高频谐振功率放大器的工作状态 1． 高频功放的动特性 ． 高频功放的动特性 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, 它 在ic～uce或ic～ube坐标系统中是一条曲线。 2． 高频功放的工作状态 ． 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱 和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态

第3章高频谐振放大器高频功放原理和特性-PPT精品文档

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icgcEbUb(ECU cuC)EE'b
gcU U b cuCE U bE CEU 'bU bCE bU C
= gd(uCE– V0)
负载线的斜率为 gd

gc

Ub Uc
，截距为
Uo
UbECEb'Uc EbUc Ub
右图可见：
当c≈120时，Icm1/icmax 达到最大值。在Ic max与 负载阻抗Rp为某定值的 情况下，输出功率将达 到最大值。这样看来， 取c=120应该是最佳通 角了。但此时放大器处 于甲级工作状态效率太 低。
n 10
1
0.5
0
0.4 2.0
0.3 0.2 1.0
01 2
当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为
uBE= –Eb+Ubcost uCE= EC–Uccost 消去cost可得， uBE= –Eb+Ub EC uCE 另一方面，晶体管的折线化方程为 U c ic = gc(uBE–E’b)
得出在ic–uCE坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：
第 3 章 高频谐振放大器
3.2 高频功率放大器的原理和特性 3.2.1 工作原理 3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态
作业： 3-11、3-18
一、概 述
1、使用高频功率放大器的目的
放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。
2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题
①高效率输出 ②高功率输出 3、低频功放与高频功放的区别
用类似的方法，可
得出在ic –uBE坐标平面 的动态特性曲线。
电压、电流随负载变化波形
2. 高频功放的工作状态
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Cb
V
Cb
C
Lb
V
Ec
Lb
C
L1
Cb1
Ec 串联馈电
并联馈电
（2）基极馈电线路
基极馈电线路也有串馈和并馈两种形式：
V
Re
V
Cb
R2
E
Cb
Lb
V
R1
Cb
发射极自给偏压
基极组合偏压
例3.3:改正图中线路中的错误，不得改变馈电
形式，重新画出正确的线路。
2.输出匹配网络常用的输出线路主要有两种类型：LC
匹配网络和耦合回路。
LC匹配网络：LC元件消耗功率很小，可以高效地传输
功率。同时，由于它们对频率的选择作用，决定了这
种电路的窄带性质。
R1
（a） （b） (a)L型 （c） (b)T型 (c)π型
R2
几种常见的LC匹配
L型匹配网络按负载电阻与网络电抗的并联或串联关系，
可以分为L-I型网络（负载电阻与并联）与L-II型网络
谐振回路，含电抗元件 准静态分析法 求动态线
求功率性能
要 点
① 谐振回路滤波特性理想，即尽管集电极、基极
电流为脉冲波，但两回路只产生基波(余弦)电压，其 他分量的电压均可忽略。有
ube Eb Ubm cos t
② 功率管特性用输入和输出静态特性曲线表示， 其参变量采用 ube (而不是通常的 i b )。
基极电路中，信号源供给的功率为高频功放的激励功率
1 Pd I b1U b 2
高频功放的功率放大倍数为
P1 Kp Pd
用dB表示为
P K p 10 lg 1 (dB) Pd
也称为功率增益。
3. 高频谐振功率放大器的动特性 ◆近似分析方法
非谐振功放
集电极负载 纯电阻 图解法 求负载线
丙类谐振功放
U cm 增大，使 t = 0 所对 应的动态点 A处在临界点， iCmax 略微减小。
③ 过压状态
U cm继续增大，使 A(t = 0)动态点处在饱和区，ic 迅速 减小，电流脉冲出现凹陷， cm U 增大，凹陷加深。
4.高频功放的外部特性
（1）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η变化的特性。 按照欠压状态，临界状态和过压状态讨论。
南昌航空大学
第三章 高频谐振放大器
第一节 高频小信号放大器
第二节 高频功率放大器的原理和特性 第三节 高频功放的高频效应
第四节 高频功率放大器的实际线路
第一节 高频小信号放大器
功用：放大各种无线电设备中的高频小信号，以便作进
一步的变换和处理。
分类：按频带宽度可以分为窄带放大器和宽带放大器；
按有源器件可以分为以分立元件为主的高频放大器和以
◆分析步骤
①求动态点，画波形： 设定 Eb、Ubm、Ec、Ucm ，将 t 按等间隔(t = 0º ， 15º ， 30º ，) 给定数值，由
ube Eb Ubm cos t
便可确定
ube、uce 。
谐振功放的近似分析法
②连动态线，画 ic 波形： 根据 ube、uce 值，
集成电路为主的集中选频放大器。 对高频小信号放大器的主要要求是： ⑴ 增益要高 ⑵ 频率选择性要好 ⑶ N F 要小 ⑷ 工作稳定可靠
1.电路和交流等效电路
EC
RL
1
4
Rb1
V
2
C
L
3
5
Rb 2
Cb Re
Ce
高频小信号谐振 放大器实际线路
高频小信号谐振放大器 交流等效电路
2.放大器性能分析
晶体管的高频等效电路，混 等效电路。图中
（2）对于L-II型网络有：
(1 Q 2 ) Rs Rp
1 Q2 X Xs p 2 Q
Xs

Xp
Rs
Xp
Xp
Rp
Q
Xs Rs
由此可见，在负载电阻 Rs 小于高频功放要求的最佳负 载阻抗 RLcr 时，采用L-II型网络，通过调整Q值，可以将 小的 Rs 变换为大的 Rp 以获得阻抗匹配( X p X p 0 )。 谐振时，应有 R R
不到 VCC， 因为导通角 小于
在输出特性曲线上
(以
ube 为参变量)找
对应的动态点，画动
态线(动态点的连线)， 由此可确定 形。
谐振功放的近似分析法
的波 i
c
◆高频谐振功率放大器的工作状态
当 Eb、Ubm、Ec 不变， cm 由小变大，动态点左移 U ① 欠压状态 U cm 的取值，使所对应的动态点均处在放大区。 ② 临界状态


3)输出导纳Yo y re y fe Ic Y0 y oe Ys yie U c I 0
S
4)通频带B0.707与矩形系数K0.1 B0.70 7 f o / QL
4.提高放大器稳定性的方法
一、从晶体管本身想办法，减小其反向传输导纳 。 二、从电路上设法消除晶体管的反向作用，使它单向化， 具体方法有中和法和失配法。 中和法通过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)来抵消晶体管内部参数 . Uc 的反馈作用。
是输入端交流短路时的反向传输导纳。可以得到晶体管Y Yre
参数等效电路的Y参数方程：
Ib yieUb yreUc
b
.
I c y feUb yoeUc


.
c
.
U be Yie
YreU ce
.
Y feU be
Yoe
U ce
e


e
晶体三极管Y参数等效电路
.
.
Ib
I c1
欠压区
过压区
由于基极回路的电压
ube Eb U bm cos t ube max Eb U bm
0
Eb
高频功放的基极调制特性
集电极调制特性：是指仅改变Ec，放大器电流、电压、
功率及效率的变化特性。
高频功放的集电极调制特性
（4）高频功放的调谐特性
在前面所说的高频功放的各种特性时，都认为其 负载回路处于谐振状态，因而呈现为一电阻RL。实际 使用时要通过改变回路元件(回路电容)来进行调谐。
Uc
I c1
I c0
0
C
感性失谐
容性失谐
高频功放的调谐特性
例3.1:某高频谐振功率放大器工作于临界状态，
输出功率P1=6 W,集电极电源Ucc=24V，集电极 电流直流分量Ico=300mA，电压利用系数ξ=0.95。 试计算：直流电源提供的功率Po，功放管的集 电极损耗功率Pc及效率η，临界负载电阻RLcr。
Ic

.
.

Yie
Yre U c
. .
.
Ys
Ub
Is
Y fe U b
Yoe
Uc
YL


高频小信号放大器的Y参数等效电路： 信号源用电流源 I 表示， 是电流源的内导纳，负 Y
s
s
载导纳为 YL ，忽略管子内部的反馈，即令 可得： 0 Yre
，
I b I s YsUb


ic
ic max
Eb 0
Eb '
u ( )
ub
ube


uce
ic ic max
ube max ube

0

t

Eb

0
t
Ub
集电极电流这样的周期性脉冲可以分解成直流、基波
(信号频率分量)和各次谐波分量，即
式中
ic ic max


0

I cn ic max
2 sin n cos 2n sin cos n ic max n ( )(n 1) 2 n (n 1)(1 cos )
例3.2:一谐振功放，原来工作在欠压状态，现
为了提高输出功率，将放大器调整到临界状态，
试问：
（1）分别改变哪些参量来实现？
（2）当改变不同参量调到临界状态时，放大器
的输出功率是否都一样大？
讨论一
某高频谐振功率放大器工作于临界状态。试问：
（1）若输入信号振幅增加一倍，功放的工作状态
如何改变？
（2）若负载电阻增加一倍，功放的工作状态如何
I c YLU c
3.高频小信号放大器的主要性能指标
1)电压放大倍数K
y fe Uc K Ub yoe YL

.
.

Yre U c
. .
Ys
U b Yie
Y fe U b
Yoe
Uc
YL
2)输入导纳Yi yre y fe Ib Yi yie yoe YL Ub
Yi Yie
Ys
YL
共发-共基电路
第二节 高频功率放大器的原理和特性
功用：放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。 高频功率放大器多工作在C类状态，本节主要讨论C类功 率放大器的工作原理。 如图一个采用晶体管的高频功率 放大器的原理线路。除电源和偏置电路外，它是由晶体 管、谐振回路和输入回路三部分组成。 ic _
（负载电阻与串联）两种。
Xs Xs
Xs
Xp
Rp
Rs
Xs

Xp
Rs
Xp
Xp
R p
L型匹配网络
（a）L-I型网络
（b）L-II型网络
（1）对于L-I型网络有：