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第3章第3章高频功率放大器3.1概述 在低频电子线路中,为了获得足够大的输出功率,必须采用低频功率放大器。这种低频功率放大器一般是工作在甲类或乙类(推挽输出)或甲乙类的放大器,效率不会超过78.5%。同样地,在高频电子线路中,为了获得足够大的输出功率,也必须采用高频功率放大器。不过,由于高频的特殊性,高频功率放大器既可以工作在甲类或甲乙类状态,也可以工作在丙类或丁类, 甚至戊类,效率可以高于78.5%。例如,在第1章讨论的调幅信号发射机中,高频功率放大器把已调波的功率放大到足够大,使调幅广播计划的覆盖地区能正常收听。在有线通信中,常常也需要高频功率放大器,比如闭路电视等。由此可见,高频功率放大器是通信发送设备的重要组成部分。 高频功率放大器是用于放大高频信号并获得足够大的输出功率的放大器,它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。 高频功率放大器与低频功率放大器相比,主要有以下几点不同。 (1) 工作波段和相对频带宽度不同。低频功率放大器的工作频率低,但是,相对频带宽度非常宽。比如,放大频率为20Hz~20kHz的低频信号,高低频率之比达到1000∶1;**频率为0.5×(20000+20)Hz=10010Hz,频带宽度为(20000-20)Hz=19980Hz,相对频带宽度为19980Hz/10010Hz=2.0。调频广播的载波频率范围为88~108MHz,高、低频率之比仅为1.23∶1;**频率为0.5×(88+108)MHz=98MHz,频带宽度为(108-88)MHz=20MHz,相对频带宽度为20MHz/98MHz=0.2。它们的工作频率至少差3个数量级,相对频带宽度是10倍的关系。由于工作频率和相对频带宽度不同,决定了低频功率放大器采用无调谐负载,比如电阻、变压器等。而窄带高频功率放大器一般都采用谐振回路作负载。 (2) 采用的工作状态一般不同。低频功率放大器一般是在甲类或乙类(推挽输出)或甲乙类状态下工作。虽然窄带高频功率放大器可以工作在甲类或乙类(推挽输出)或甲乙类状态,但是,为了提**率,往往工作在丙类或丁类,甚至戊类状态。 (3) 工作原理一般不同。低频功率放大器是一种线性放大器,其中的有源器件工作于放大区。如果窄带高频功率放大器工作在丙类或丁类或戊类状态,其中的有源器件工作于截止区,是一种非线性电路。 高频功率放大器有窄带和宽带放大器两类。窄带高频功放常采用具有选频功能的谐振网络作为负载,所以又称为谐振功率放大器。为了提**率,谐振功放常工作于乙类或丙类状态,甚至丁类或戊类状态。其中,放大等幅信号(例如载波信号、调频信号)的谐振功放一般工作于丙类状态;而放大高频调幅信号的谐振功放一般工作于乙类状态,以减小失真,这类功放又称为线性功率放大器。为了进一步提**率,近年来出现了使电子器件工作于开关状态的丁类谐振功放。 通信电子线路(第3版) 第3章高频功率放大器宽带高频功率放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载,它可实现功率合成。由于不采用谐振网络,因此这种高频功率放大器可以在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐。 在高频功率放大器中,有源器件可以采用晶体管或场效应管或电子管,其中,电子管是*古老的元件。晶体管和场效应管与电子管相比,具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点,因此,它们一出现,就获得了迅速的发展。在低频电子线路、脉冲与数字电路、高频电子线路等中,晶体管和场效应管已经或正在取代电子管,成为电子元器件中的主力军,为电子技术的发展谱写了新的篇章。但是,到目前为止,晶体管和场效应管并没有完全取代电子���。比如,在高频功率放大器中,当要求输出功率达到几百瓦以上时,电子管仍然占优势。 高频功率放大器的技术指标包括输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波**度等。这几项指标往往是互相矛盾的,对于不同应用,要有所兼顾。它的主要技术指标是输出功率和效率。 由于高频功率放大器的输出功率比较大,耗能比较多,所以工作效率就显得非常重要。放大器的基本原理都是利用输入基极或栅极的信号去控制集电极或漏极或阳极的直流电源,让这个直流电源输出的功率转变为与输入信号频谱结构相同的输出信号的功率(线性放大)。显然,这个转换的效率不会是****,因为电子元器件本身还要消耗功率,比如,电阻、晶体管、场效应管、电子管等。事实上,这个直流电源输出的功率一部分转变为交流输出功率了,另一部分主要以热能的形式被集电极或漏极或阳极所消耗,称为耗散功率。工作效率的提高,意味着更加节能,同时,也意味着晶体管或场效应管或电子管本身发热的程度更低,使用寿命更长。下面,以晶体管为例,讨论集电极电源提供的直流功率P=、交流输出功率Po和集电极耗散功率Pc之间的关系。 根据能量守恒定律,如果忽略电阻或等效电阻消耗的功率,可以得到P==Po+Pc (31)为了定性说明晶体管放大器的能量转换能力,引入集电极效率的概念,用ηc表示。集电极效率ηc的定义为ηc=PoP==PoPo+Pc (32)本章主要讨论丙类高频谐振功率放大器的工作原理、特性以及技术指标的计算、具体电路的分析等内容,对宽带高频功率放大器和功率合成器作简要的介绍。 3.2丙类高频谐振功率放大器的工作原理〖1〗3.2.1丙类高频谐振功率放大器的原理电路丙类高频谐振功率放大器是指用于对高频输入信号进行功率放大的、工作在丙类状态的放大器,其负载往往是一个谐振回路。丙类高频谐振功率放大器放大的信号一般是窄带的,所以需要一个选频网络作负载,是通信发送设备中常用的一个模块。 常用的丙类高频谐振功率放大器的原理电路如图31所示,其中VBB和VCC分别为晶体管VT的基极和集电极提供直流电源,它们使晶体管VT工作在期望的状态(丙类);Cb和Cc分别是滤波电容或高频旁路电容,对于交流信号,相当于短路;图31(a)中的负载电阻RL通过耦合变压器T2接入放大器,图31(b)中的负载(包括等效电阻rA和等效电容CA)通过自耦变压器T2接入放大器。图31(a)一般用于中间级;图31(b)一般用于输出级,其负载是天线,图32高频功率放大器的原理电路天线可以等效为一个电阻rA和一个电容CA组成的串联支路。无论是哪一种,其等效电路中的负载都可以等效为一个并联谐振电路。所以,后面的电路分析和计算就以图32为例。 图31常用的丙类高频谐振功率放大器的原理电路 在图32中,输入信号为ub(t),电源是VBB和VCC。电路一般工作于丙类状态,发射结反向偏置,集电极的电流呈脉冲状。下面主要以波形图说明丙类高频谐振功率放大器的工作原理。 3.2.2丙类谐振功率放大器的工作原理 在图32中,显然,VBB是负电源,无信号输入时,晶体管VT截止。设ub(t)=Ubmcos(ωct),则发射结两端的电压为uBE(t)=VBB+ub(t)=VBB+Ubmcos(ωct)L、C和RL所组成的并联谐振回路的谐振频率等于输入信号的频率fc。所以,晶体管VT的基极电流iB(t)和集电极的电流iC(t)都是周期性脉冲信号,常被称为余弦脉冲,而且可以展开成如下形式的傅里叶级数:iB(t)=IB0+Ib1mcos(ωct)+Ib2mcos(2ωct)+…+Ibnmcos(nωct)+… (33) iC(t)=IC0+Ic1mcos(ωct)+Ic2mcos(2ωct)+…+Icnmcos(nωct)+… (34)图33高频谐振功率放大器工作原理波形图式中: IB0与IC0、Ib1m与Ic1m、Ibnm与Icnm分别是基极电流iB(t)和集电极电流iC(t)的直流分量、基波分量的振幅、n次谐波分量的振幅。高频谐振功率放大器的工作原理可以用波形图来说明,如图33所示,其中,Ubz是晶体管的开启电压;ICM是集电极电流iC(t)的*大值;IBM是基极电流iB(t)的*大值;θc是导通角,量纲为rad或者度,满足ube(θc)=iC(θcc)=iC(θc)=0。 由图33可见,当输入信号ub(t)为单频信号时,基极电流iB(t)的波形与集电极电流iC(t)的波形理想情况下是一致的(晶体管的转移特性曲线理想化),而集电极与发射极之间的电压uCE(t)的波形则是直流电压VCC上叠加了与输入信号反向、同频率、幅度增大了的正弦信号,也就是说,电压uCE(t)中的交流分量就是输入信号ub(t)的放大信号。 当集电极回路的谐振频率等于输入信号的频率时,对于基波分量来说,回路阻抗为纯电阻RL,基波分量在回路两端产生的压降很大,其振幅为RLIc1m;对于直流分量来说,在回路两端的压降为零;对于各次谐波分量来说,在回路两端产生的压降相对很小,可以忽略不计。因此,在回路两端的电压的频率与输入信号相同,从而实现了不失真的功率放大。如果用数学模型说明,则可以表示为 U· C=I· C(t)Z· p=IC0+I· C1+ +I· C2+…+I· CnZ· p =IC0Z· p+I· C1Z· p+I· C2Z· p+…+I· CnZ· p ≈0+I· C1Z· p+0+…+0 uC(t)≈-Ic1mRLcos (ωct)=-Ucmcos (ωct) 管压降电压为 uCE(t)=VCC+uC(t)≈VCC-Ic1mRLcos (ωct) 在图33中,由于放大器工作在丙类状态,故晶体管只在小半个周期内导通,而在大半个周期内截止。在-πrad~πrad对应的时间内,只有在-θcrad~θcrad对应的时间内才导通,θc被称为半导通角,简称通角,这个参数可以用于判断高频功率放大器的工作状态。当θc=πrad时,放大器工作于甲类状态;当0.5πrad<θc<πrad时,它工作于甲乙类状态;当θc=0.5πrad时,它工作于乙类状态;当θc<0.5πrad时,它工作于丙类状态。 例31试分别求图32所示丙类高频谐振功率放大器中,L、C和RL所组成的并联谐振回路的二到五次谐波与基波对应的阻抗模值的比值。已知回路的有载品质因数为QL=100。 解: 显然,这个并联谐振回路的基波对应的阻抗模值(谐振电阻)为 |Zp1|=Rp=RL并联谐振回路n次谐波对应的阻抗模值为|Zpn|= 11RL+1jnωL+jnωC= RL1+jnωCRL-RLnωL =RL1+j100n-100n=nRLn+j100(n2-1) =nRLn2+104(n2-1)2当n分别等于2、3、4、5时,并联谐振回路对应的阻抗模值分别为Zp2=2RL22+104×(22-1)2=2RL4+9×104≈0.0067RL ……

目录
1.1无线电信号的传输原理1 1.1.1传输信号的基本方法1 1.1.2无线电发送设备的基本组成及其工作原理3 1.1.3无线电接收设备的基本组成及其工作原理3 1.2通信电子线路的研究对象6 本章小结7 思考题与习题8
第2章高频小信号放大器9 2.1概述9 2.2分析高频小信号放大器的预备知识12 2.2.1串、并联谐振回路的特性12 2.2.2串、并联阻抗的等效互换13 2.2.3并联谐振回路的耦合连接与接入系数13 2.3晶体管高频小信号等效电路16 2.3.1y参数等效电路17 2.3.2混合π型等效电路18 2.3.3晶体管的高频参数20 2.4晶体管谐振放大器 21 2.4.1单调谐回路谐振放大电路21 2.4.2放大器的等效电路及其简化22 2.4.3放大器的技术指标计算24 2.4.4多级单调谐回路谐振放大器28 2.5小信号放大器的稳定性29 2.5.1谐振放大器具有不稳定性的原因29 2.5.2放大器的稳定系数及其稳定增益30 2.5.3提高谐振放大器稳定性的措施32 2.6场效应管高频小信号放大器34 2.6.1场效应管共源放大器35 2.6.2共源—共栅级联高频放大器36 2.7线性宽带放大集成电路与集中滤波器37 2.7.1线性宽带放大集成电路37 2.7.2集中滤波器37 2.8放大电路的噪声38 2.8.1放大电路内部噪声的来源和特点39 2.8.2噪声电路的计算41 2.8.3放大电路噪声的表示方法及其计算42 本章小结46 思考题与习题46
第3章高频功率放大器50 3.1概述50 3.2丙类高频谐振功率放大器的工作原理52 3.2.1丙类高频谐振功率放大器的原理电路52 3.2.2丙类谐振功率放大器的工作原理52 3.3谐振功率放大器的折线分析法55 3.3.1晶体管特性曲线的理想化55 3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解57 3.3.3高频功率放大器的输出功率与效率58 3.3.4高频功率放大器的动态特性59 3.3.5高频谐振功率放大器的负载特性62 3.3.6电源电压和输入信号对高频谐振功率放大器工作状态的影响63 3.4谐振功率放大电路65 3.4.1直流馈电电路66 3.4.2匹配网络67 3.4.3实际电路举例69 3.5丙类倍频器70 3.6宽频带高频功率放大器71 3.6.1传输线变压器的特性及原理71 3.6.2宽频带传输线变压器电路73 3.7功率合成75 3.7.1高频功率合成的一般概念75 3.7.2功率合成网络75 3.7.3功率分配网络78 本章小结79 思考题与习题79
第4章正弦波振荡器82 4.1概述82 4.2反馈型LC正弦波振荡器82 4.2.1反馈型LC正弦波振荡器的组成82 4.2.2起振条件和平衡条件83 4.3反馈型LC正弦波振荡电路91 4.3.1互感耦合型振荡器92 4.3.2电容三点式振荡器93 4.3.3电感三点式振荡器94 4.3.4LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则95 4.4振荡器的频率稳定度96 4.4.1频率稳定度的定义96 4.4.2振荡器的频率稳定度的表达式97 4.4.3振荡器的稳频措施98 4.5高稳定度的LC振荡器99 4.5.1克拉泼振荡电路99 4.5.2西勒振荡电路100 4.6场效应管振荡电路101 4.7晶体振荡器102 4.7.1石英晶体的等效电路103 4.7.2石英晶体的阻抗特性104 4.7.3晶体振荡电路105 4.8文氏电桥振荡器107 本章小结108 思考题与习题108
第5章振幅调制电路111 5.1概述111 5.1.1调幅波的概念112 5.1.2普通调幅信号的功率分析114 5.1.3DSB和SSB115 5.2低电平调幅电路116 5.2.1单二极管调幅电路116 5.2.2二极管平衡调幅电路118 5.2.3二极管环形调幅电路120 5.2.4模拟乘法器调幅电路121 5.3高电平调幅电路123 5.3.1集电极调幅电路123 5.3.2基极调幅125 5.4单边带调制127 5.4.1单边带通信的优点与缺点127 5.4.2单边带信号的产生方法127 本章小结129 思考题与习题129
第6章调幅信号的解调电路132 6.1概述132 6.2二极管大信号包络检波器134 6.2.1二极管大信号包络检波器的工作原理134 6.2.2振幅检波器的折线分析法135 6.2.3大信号二极管检波器的技术指标138 6.3二极管小信号检波器143 6.3.1二极管小信号检波器的工作原理143 6.3.2二极管小信号检波器的定量分析144 6.3.3二极管小信号检波器的主要技术指标145 6.4同步检波器146 本章小结147 思考题与习题148
第7章角度调制电路150 7.1概述150 7.1.1调频波与调相波的数学表达式151 7.1.2调频波和调相波的波形155 7.1.3调角波的频谱和带宽155 7.2调频方法概述160 7.2.1直接调频原理160 7.2.2间接调频原理161 7.3变容二极管直接调频电路161 7.3.1变容二极管的特性161 7.3.2变容二极管直接调频的基本原理162 7.3.3电路分析163 7.3.4应用电路简介166 7.4石英晶体振荡器直接调频电路167 7.5调相电路169 7.5.1可变移相法调相170 7.5.2可变延时法调相172 7.5.3矢量合成法调相172 本章小结173 思考题与习题173
第8章调角信号的解调电路176 8.1概述176 8.2鉴相器177 8.2.1乘积型鉴相器178 8.2.2门电路鉴相器183 8.3鉴频器184 8.3.1双失谐回路鉴频器185 8.3.2相位鉴频器186 8.3.3比例鉴频器189 8.3.4相移乘法鉴频器191 8.3.5脉冲均值型鉴频器193 8.4限幅器194 8.4.1二极管限幅器195 8.4.2晶体管限幅器196 本章小结198 思考题与习题198
第9章变频电路200 9.1概述200 9.1.1变频电路的功能200 9.1.2变频器的组成202 9.1.3变频器的技术指标202 9.2晶体管混频器203 9.2.1晶体管混频器的工作原理203 9.2.2晶体管混频器的等效电路206 9.2.3电路组态和应用电路207 9.3场效应管混频器209 9.3.1结型场效应管混频器209 9.3.2双栅绝缘栅场效应管混频器210 9.4二极管混频器212 9.4.1二极管开关平衡混频器212 9.4.2二极管环形混频器214 9.5模拟乘法器混频216 9.6混频器的干扰217 9.6.1高频输入信号与本振信号的组合频率干扰217 9.6.2外来干扰信号与本振信号之间的组合频率干扰218 9.6.3互调干扰219 9.6.4阻塞干扰220 本章小结220 思考题与习题220
第10章反馈控制电路223 10.1概述223 10.2自动增益控制(AGC)电路223 10.2.1AGC电路的作用及组成224 10.2.2平均值式AGC电路225 10.2.3延迟式AGC电路225 10.3自动频率控制(AFC)电路226 10.3.1AFC的工作原理226 10.3.2AFC的应用227 10.4锁相环路(PLL)228 10.4.1锁相环路的基本工作原理228 10.4.2锁相环路的数学模型及性能分析229 10.4.3集成锁相环路238 10.4.4锁相环路的应用240 本章小结245 思考题与习题245 参考文献247 附录余弦脉冲分解系数表248