通信电子电路ppt课件.ppt

国家级精品课程,通信电子电路 中国矿业大学信电学院信息工程系,参考书,1.于洪珍、王艳芬.通信电子电路教学参考书（与本教材配套）2.王卫东等.高频电子电路.北京：电子工业出版社，20043.谢嘉奎.电子线路（非线性部分）.（第四版）.北京：高等教育出版社，20004.汪胜宁等.电子线路（第四版）教学指导书.北京：高等教育出版社，20035.高吉祥.高频电子线路.北京：电子工业出版社，20036.李树德等.通信电子电路.北京：人民邮电出版社，1989,第1章 绪论,1.1 通信系统的概念1.2 无线电波的传播特性1.3 无线电波的频段划分1.4 调制的通信系统1.5 本课程的主要内容,无线电通信发展简史,三个里程碑：1907 Lee de forest发明电子三极管 1948 W.Shockley发明晶体三极管 60年代 集成电路、数字电路的出现,原始手段,烽火、旗语,有线通信,电报（1837 Morse）电话（1876 Bell）,无线通信,电磁波的存在,1864 Maxwell（理论）1887 Hertz（实践）,信号源,发送设备,信道,接收设备,收信装置,通信系统传输信息的系统,噪声源,1.1通信系统的概念,信号源,在实际的通信电子电路中传输的是各种电信号,为此就需要将各种形式的信息转变成电信号。常见的信号源：话筒 摄像机 各种传感器件,发送设备,发送设备的作用：将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号。对基带信号进行变换的原因：由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。,信道,信号从发射到接收之间要经过传输信道，传输信道又称传输媒质。不同的传输信道有不同的传输特性，如电缆、光缆、无线电波 根据传输媒质的不同，通信系统可以分为两大类：有线通信：双绞线、同轴电缆、光纤 无线通信：自由空间,接收设备,接收设备的作用：接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号。对接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。收信装置 收信装置：将接收设备输出的电信号变换成原来形式信号的装置，如还原声音的喇叭，恢复图像的显像管等。,1.2无线电波波段的划分,不同频率电波产生、放大和接收方法不太一样，传播特点更不相同。无线电波按波长的不同划分为超长波、长波、中波、短波、超短波（米波）和微波（包括分米波、厘米波、毫米波）等。如按频率的不同，可划分为甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频和极高频等频段。,国内一般中波广播的波段为535KHz1605KHz，短波广播的波段为224MHz，调频广播的波段为88108MHz。1.3无线电播的传播特性 1.绕射：频率1.5MHz以下的中、长波。2.电离层的反射和折射 电离层通信稳定性较差。短波无线电是利用电离层反射的最佳波段。3.直射：频率在30MHz以上的超短波和微波。,1.4调制的通信系统,1.什么是调制?任何一个正弦波都有三个参数：幅度、频率和相位。调制，就是使这三个参数中的某一个随调制信号大小而线性变化的过程，分别称为幅度调制、频率调制或相位调制。,2.无线电如何将声音传送到远方？,首先把声音变成电信号，然后把这种低频电信号装载到高频电振荡上(即调制)，通过与高频电振荡波长相当的天线把信号有效的辐射出去。3.为什么要调制？从切实可行的天线出发；区别不同的音频信号；可实现的回路带宽。,4.什么是解调？,在接收信号的一方（接收端），从收到的已调信号中把调制信号恢复出来。调幅波的解调叫“检波”，调频波的解调叫“鉴频”，解调是其统称。5.无线电调幅广播发送和接收设备框图（1）调幅发射机组成框图,（2）调幅接收机组成框图,接收设备接收的信号特点：信号频率高；信号功率微弱；多个信号同时出现在接收端。,缺点：对于不同的频率，接收机的灵敏度（接收弱信号的能力）和选择性（区分不同电台的能力）变换较剧烈。,直接放大式接收机框图,超外差接收机组成框图,接收到的不同载频的微弱高频已调信号变成统一的中频已调信号，再进行中频放大。混频器是超外差式接收机的核心。我国规定中频频率：调幅广播465KHz；调频广播10.7MHz。,第2章 小信号调谐放大器,2.1 概述2.2 LC谐振回路2.3 单调谐放大器2.4 晶体管高频等效电路及频率参数2.5 高频调谐放大器2.6 调谐放大器的级联2.7 高频调谐放大器的稳定性2.8 集中选频小信号调谐放大器,2.1概述,一、调谐放大器分类 1.小信号调谐放大器 小信号：输入信号VmV 要 求：增益足够大，通频带足够宽，选择性好，工作在甲类，多用于接收机 2.调谐功率放大器 大信号：输入信号mV以上 要 求：大的功率和效率，工作在丙类，多用于发射机,二、电路特点,采用谐振回路作为放大器的集电极负载。,2.2LC谐振回路,谐振回路：L,C串并联网络作用：构成选频网络、阻抗变换网络等2.2.1串、并联谐振回路的基本特性一、并联谐振与串联谐振回路比较,并联谐振回路R0：电感线圈的固有损耗电阻 对信号源而言，L,C,R三者是并联关系,串联谐振回路r0：电感线圈的固有损耗电阻 对信号源而言，L,C,R三者是串联关系,1.并联谐振回路的阻抗特性,二、并联谐振回路,并联阻抗,或,分析：谐振时，回路呈纯阻；当 时，回路呈容性；当 时，回路呈感性。,定义回路谐振电阻R0与谐振时回路电抗（感抗或容抗）的比值为并联回路的品质因数，用Q表示，它表示回路损耗的大小。,2.谐振曲线和通频带,1）谐振曲线回路电压特性曲线,感性,容性,Q对谐振曲线的影响 Q可以衡量谐振现象的尖锐程度,表示频率偏离谐振的程度，称为失谐量。,称为广义失谐量，它反映失谐的相对程度。,2）通频带,通频带与回路的品质因数Q成反比，Q越高，谐振曲线愈尖锐，回路的选择性越好，通频带越窄。,令,通常对某一频率偏差,下的,值记为，叫做回,路对这一指定频偏下的选择性。,实际中，常常用分贝来表示,选择性表示回路对通频带以外干扰信号的抑制能力。,3.选择性,4.矩形系数(一般了解),放大器的电压增益下降到谐振增益的0.1（或0.001）时，相应的频带宽度B0.1（或B0.01）与放大器通频带B0.7之比,或,并联谐振回路的矩形系数,2.2.2负载和信号源内阻对谐振回路的影响,空载品质因数,信号源,有载品质因数,显然，QLQ0 采用部分接入并联谐振回路,减小加载影响,负载,2.2.3谐振回路的接入方式（重点内容）,信号源和负载直接并在L,C元件两端，存在以下三个问题：谐振回路Q 值大大下降，一般不能满足实际要求；信号源和负载电阻常常是不相等的，即阻抗不匹配。当相差较多时，负载上得到的功率可能很小；信号源输出电容和负载电容影响回路的谐振频率，在实际问题中，RS,RL,CL,CS给定后，不能任意改动。解决这些问题的途径是采用“阻抗变换”的方法，使信号源或负载不直接并入回路的两端，而是跨接在谐振回路的一部分上部分接入。,一、阻抗变换的原理,设,n 接入系数，它表明负载电压占回路电压的比例。电容分压（Z1、Z2为电容）电感分压（Z1、Z2为电感）,利用等效等效前后消耗的功率相等,二、自耦变压器接入,接入系数,三、电容抽头接入,接入系数,四、互感变压器接入,接入系数,五、举例,定义接入系数,则,23单调谐放大器,一、调谐放大器的组成谐振回路 单调谐（LC并联）双调谐（耦合谐振）,变压器或抽头接入,二、电路分析（以单调谐放大器为例）,1.电路组成 R1、R2、R3为分压式偏置电阻 C1为耦合电容、C2为旁路电容 RL为负载电阻 L和C组成并联谐振回路 谐振回路和晶体管的输出端采用自耦变压器连接，以减轻晶体管输出电阻对谐振回路Q值的影响；谐振回路和负载采用紧耦合的变压器连接 定义,2.电压放大倍数K,3.最大增益及阻抗匹配条件,K0受多种因素影响，一般是采用通过调整匝比的方法获得高的增益。是不是，愈大愈好?为什么？要保证一定的QL，又要达到尽可能高的增益，则有一个最佳匝比。,24晶体管的高频等效电路及频率参数,思路：运用线性元件组成的网络模型来模拟晶体管建立方法：物理参数等效电路；网络模型（双口网络）一、混合型等效电路,二、Y参数等效电路,把晶体管看成一个线性有源四端网络Y参数方程为其中,输入导纳,yfe正向传输导纳，yfe越大，放大能力越强 yre反向传输导纳，它反映了放大器内部反馈作用 yoe输出导纳 晶体三极管的Y参数可以通过直接测量得到。,三、混合型等效电路参数与Y参数的关系,四、晶体管的高频放大能力及其频率参数 晶体管在高频情况下的放大能力随频率增高而下降。1.共发射极电流放大系数 下降至1时的频率，称为特征频率。fT是表示晶体管丧失电流放大能力时的极限频率。,定义,截止频率,2.共基极电流放大系数，定义为,截止频率 3.参数间的关系 最高，说明在高频情况下共基接法的频率响应应优于共射接法。,推导过程：,令,利用,因为,又,4.最高振荡频率fmax,晶体管共射极接法功率增益Ap=1时的工作频率。fmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大。当ffmax时，无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。频率参数关系,25高频调谐放大器,一、电路组成二、高频等效电路晶体管接入系数负载导纳接入系数将输出电路所有元件参数均折合到LC两端：电流源,合并,其中,三、电路性能指标 1.电压增益,讨论：,是工作频率f 的函数；当 时，“”号表示输入和输出有180的相位差。此外，是一个复数，它也有一个相角，因此输入和输出之间的相位差不是180，而是；当频率较低时，和 的相位差才是180；与晶体管正向传输导纳 成正比，和回路的总电导 成反比;与n1、n2之间的关系？,2.通频带和选择性,取其模值 可见，单调谐放大器的通频带、选择性有与并联谐振回路相同的结论。,26调谐放大器的级联,实际应用中，常常为了提高增益或改善选择性，采用多级级联放大器。2.6.1多级单调谐放大器（同步调谐放大器）1.多级放大器的增益 假设有n级放大器，特性相同。总增益,如果各级放大器的增益相同，则归一化谐振曲线表达式,2.通频带,保持Bn不变（各级）（各级）因此，增益和通频带存在严重矛盾。改善：参差调谐放大器、双调谐回路放大器,缩小系数（缩减因子）,令,或,2.6.2参差调谐放大器,目的：展宽通频带类型：双参差调谐，三参差调谐 1.双参差调谐放大器 结构：两级为一组，一级调谐在，一级调谐在。由曲线，在f1至f2频率范围内，两回路特性变化趋势相互补偿。,在统一的广义失谐坐标系中，第一级第二级两级相乘 为求出K最大值，令，解得,讨论：,1.，谐振曲线为单峰，在 处 达到最大值 2.，谐振曲线为双峰，且随着 的增加，峰值的高度也随之下降。（）3.，两者的分界线，相当于单峰中最平坦的情况。,极值点,2.三参差调谐放大器,结构：三级为一组优点：幅频特性更接近矩形，通频带更宽缺点：难调整,27高频调谐放大器的稳定性,271晶体管内部反馈的有害影响 1.放大器调试困难 2.放大器工作不稳定272解决办法 1.尽量选用yre小的晶体管；2.增益不能太高，同时在电路上可采用失配法来减小内反馈的影响。,2.8 集中选频小信号调谐放大器,1.集中选频放大器的组成框图 2.主要优点 1）电路简单，调整方便；2）性能稳定；3）易于大规模生产、成本低。,前置放大器,集中滤波器,宽带放大器,通频带，选择性,高增益，宽频带,2.8.1石英晶体滤波器（压电效应）,1.物理特性 石英晶体具有把机械振荡转换成交变电压，或把交变电压转换为机械振荡的作用。广泛用于振荡器或窄带滤波器。2.等效电路 3.特点 中心频率稳定，但带宽很窄,2.8.2陶瓷滤波器（压电效应）,陶瓷滤波器是由锆钛酸铝陶瓷材料制成的。把这种陶瓷材料制成片状，两面覆盖银层作为电极，经过直流高压极化后具有与晶体类似的压电效应，产生机械形变和极间电场之间的相互转换。C0为压电陶瓷片的固定电容，Lq、Cq、rq分别模拟机械振动时的等效质量，等效弹性系数和等效阻尼。压电陶瓷片的厚度、半径等尺寸参数不同，等效电路参数也就不同。,将不同谐振特性的压电陶瓷片进行适当的组合连接，就可获得接近理想矩形的幅频特性。优点：工作频率动态范围大，几百kHz到几十MHz缺点：通频带不够宽,2.8.3声表面波滤波器（声电换能）,优点：工作频率高（几MHz到GHz量级），通频带宽（B0.7/f0可达到50%），频响曲线好 1.结构示意图 在压电晶体（基体）表面，用真空蒸镀蒸发上一层金属膜，并用光刻工艺制作两组叉指换能器，一个用作发射，一个用作接收。,2.工作原理,发射换能器输入加入来自信号源的交变电压，由于压电效应，基体产生弹性形变，激发出与输入信号同频率的弹性波（声波），这种声波沿基体表面10m深度内传播（故称声表面波），接收换能器将声波转换为电信号。,3.频率特性,频率特性除了与压电基体材料有关外，主要取决于叉指换能器的指条数目、疏密和长度等。,4.等效电路,（a）等效电路（b）电路符号 声表面波滤器的输入、输出阻抗呈容性，主要是由叉指换能器的静态电容引起的，在使用时常常在输入、输出端并联一个电感和电阻，以便与输入、输出电容构成品质因数较低的调谐回路，实现纯阻匹配。,第3章 高频调谐功率放大器,3.1 概述3.2 调谐功率放大器的工作原理3.3 功率和效率3.4 调谐功率放大器的工作状态分析3.5 调谐功率放大器的实用电路3.6 功率晶体管的高频效应3.7倍频器3.8集成高频功率放大电路及应用简介,3.1概述,一、用途 高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出；作用是放大信号，使之达到足够功率输出，以满足天线发射或其他负载的要求；作为载波发射机及无线电发射机输出级或输出前一级。二、特点 1.输入信号强,电压在几百毫伏几伏数量级附近;2.为了提高放大器的工作效率，它通常工作在丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域饱和区、截止区;3.要求：输出功率大、效率高。,三、分析方法,采用近似的分析方法折线法四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同 相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。,五、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同,共同之处都要求输出功率大和效率高。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。,3.2调谐功率放大器的工作原理,3.2.1原理电路 Ec、Eb为集电极和基极的直流电源。输入信号经变压器T1 耦合到晶体管基-射极，这个信号也叫激励信号。L、C组成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也叫槽路。,3.2.2晶体管特性的折线化,所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化，每条特性曲线用一组折线来代替。,3.2.3晶体管导通的特点、导通角,1.晶体管导通的特点 无信号：晶体管截止 有信号：激励信号 Eb+Uj 导通,2.导通角,在转移特性的放大区 假设输入信号，则加到晶体管基-射极的电压为，晶体管导通范围内集电极电流ic的表达式 通常把集电极电流导通时间相对应角度的一半称为集电极电流的导通角，用表示。在丙类工作状态下90。根据导通角的定义，当 时，,即,（2）,（1）,3.2.4集电极余弦脉冲电流分析,式（2）代入式（1）得到当 时，为最大值，用 表示，则代入得到 若将尖顶余弦脉冲分解为傅里叶级数其中，直流分量幅值,基波分量幅值,n次谐波分量幅值,、称作余弦脉冲分解系数，它们是导通角的函数。、的特点:1.2.从曲线可以看出：谐波次数越高其振幅值越小；对某一次谐波而言，总有一 个相应的值可使振幅为最 大值。,3.2.5槽路电压,1.波形基本正弦 条件：1）槽路调谐于基波 2）QL 足够高 2.大小 Rc 抽头部分谐振电阻R 并联回路谐振电阻,33功率和效率,功率放大器输出功率大，电源供给、管子发热等问题也大。为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了解功率放大器的功率和效率问题。调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑：1.电源供给的直流功率PS；2.通过晶体管转换的交流功率，即晶体管集电极输出的交流功率Po；3.通过槽路送给负载的交流功率,即RL 上得到的功率PL;4.晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗功率PC；5.槽路损耗功率 PT；,电源供给的功率PS，一部分（PC）损耗在管子，使管子发热；另一部分（Po）转换为交流功率，输出给槽路。通过槽路一部分（PT）损耗在槽路线圈和电容中，另一部分（PL）输出给负载RL。,1.集电极效率,直流电源供给功率集电极交流输出功率放大器的能量转换效率（集电极效率）讨论：（1）集电极电压利用系数（2）集电极电流利用系数，但，Po，为了兼顾功率和效率，通常取。,2.槽路效率,PL 负载功率，RL 所吸收的功率；PT 槽路损耗功率，槽路空载电阻R0所吸收的功率。取决于槽路的空载和有载品质因数。由于受到槽路元件质量的限制，Q0一般几十到几百。QL也不能太小，否则槽路滤波效果太差，输出波形不好，一般QL=510。,结论：,为了尽可能利用小功率容量的管子和电源，输出较大的功率，应力求 和 高。高要适当选取，电压利用系数尽可能大；高，要求槽路空载品质因数Q0大，即应选用低损耗的电感和电容元件。,3.4 调谐功率放大器的工作状态分析,3.4.1调谐功率放大器的动态特性 晶体管的静态特性，是指集电极电路没有负载阻抗条件下电压与电流的变化关系。当考虑了负载的反作用后，得到的uce、ube与ic的关系曲线称为动态特性（即实际放大器的工作特性）。当放大器工作于谐振状态时，外部特性方程 在转移特性的放大区，内部特性方程,动态特性应同时满足外部特性方程和内部特性方程。联立可得 谐振功率放大器动态特性的方程，它是一条直线，只需找出两个特殊点，就可把它绘出。Q(Ec，)B(，0)作出动态特性曲线后，由它和静态特性曲线相应交点，即可求出对应各种不同 值的ic值，绘出相应的ic脉冲波形。,动态线斜率值的倒数称为谐振功率放大器的动态负载电阻，用符号 表示,3.4.2调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法,1.调谐功率放大器的三种工作状态 根据调谐功率放大器在工作时是否进入进入饱和区，可将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种。1)欠压晶体管在任何时刻都工作在放大状态；2)临界刚刚进入饱和区的边缘；3)过压晶体管工作时有部分时间进入饱和区。2.工作状态的判别方法（欠压）（临界）（过压）,3.4.3 Rc,Ec,Eb和Ubm变化对放大器工作状态的影响,1.Rc变化对放大器工作状态的影响负载特性 负载特性是指谐振功率放大器当Ec、Eb和Ubm不变时，放大器中各个电流、电压、功率和效率与晶体管等效负载电阻Rc之间的变化关系。,1）三种工作状态,2）电流、电压、功率、效率与Rc的关系,（1）欠压状态，Ucm 几乎随R c成正比增加，输出功率Po 随 R c 增大而增加，接近常量，随R c增大而增加，随Rc增大而减小（2）过压状态 输出功率Po 随 Rc 增大而减小。在临界状态Po 最大。,电流、电压、功率、效率与Rc的关系,放大器的负载特性曲线,3）三种工作状态的比较,欠压状态：电流Ic1m基本不随Rc变化，输出功率Po随Rc增大而增加，损耗功率PC随Rc增加而减小。当Rc很小时，易使PC超过晶体管最大允许损耗功率PCM，因此在实际使用中要注意保证PC PCM。临界状态：放大器输出功率最大，效率也较高，通常称为最佳工作状态。过压状态：在弱过压状态时，输出电压基本上不随Rc变化；深度过压时，ic波形下凹严重，谐波增多，一般应用较少。,2.Ec变化对放大器工作状态的影响集电极调制特性,集电极调制特性是指当Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能随集电极电压Ec变化的特性。,集电极调制特性,由于只有在过压状态，Ec对Ucm才能有较大的控制作用，所以集电极调幅工作在过压状态。,u,3.Eb变化对放大器工作状态的影响基极调制特性,基极调制特性是指当Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能随基极偏置电压Eb变化的特性。,由于只有在欠压状态，Eb对Ucm才能有较大的控制作用，所以基极调幅工作在欠压状态。,基极调制特性,u,4.Ubm变化对放大器工作状态的影响振幅特性,调谐功放的振幅特性是指当Ec、Eb、Rc保持恒定，放大器的性能随激励振幅Ubm变化的特性。因为ubemax=EbUbm，Eb和Ubm决定了放大器的ubemax，因此，改变Ubm的情况和改变Eb的情况类似。图3-13 调谐功放的振幅特性,35调谐功率放大器的实用电路,调谐功率放大器由直流馈电电路和滤波匹配网络组成，其作用（1）保证晶体管各电极获得相应的馈电电源；（2）通过匹配网络将交流输出功率有效地传输到负载。,3.5.1直流馈电电路,串馈，即直流电源Ec、滤波匹配网络和晶体管在电路形式上为串联连接。并馈，即三者在电路形式上为并联连接。,比较:,串馈电路中，电源与滤波匹配网络串联，因此滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。并馈电路中，电源通过高频扼流圈供电，再加上C2隔断直流，因此滤波匹配网络可以处于直流地电位上，可以直接接地。这样，在电路板上安装比串馈电路方便。但馈电支路的分布参数将直接影响网络调谐。,调谐功率放大器中，通常利用射级或基级电流在某电阻上产生的压降作为基极的反向偏置电压。这种方法叫自给偏压法。1.射极电流自给偏压环节 1）电路 2）工作原理 利用ie中的直流分量在Re上产生的压降作为BE间的直流偏置电压。,3.5.2基极自给偏压环节,3）信号源有无直流通路高频扼流圈,高频扼流圈的作用是将射极偏压引向基极，同时也为基极直流提供通路。4）应用欠压 射流偏压环节对Ie0的变化起负反馈作用。,2.基极电流自给偏压环节,1）电路 2）工作原理 利用ib中的直流分量在Rb上产生的压降作为BE间的直流偏置电压。3）应用过压 基流偏压环节对Ib0的变化起负反馈作用。,3.说明,1）四种偏置电路中，加到BE间的直流偏置电压均随输入信号电压振幅的大小而变化。2）当未加输入信号时，电路的偏置均为零。当输入信号电压由小加大时，加到BE间的直流偏置电压均向负值方向增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的特性称为自给偏置效应。,3.5.3输入、输出匹配网络,保证外负载与调谐功率放大器最佳工作要求相匹配的网络常称为匹配网络。如果负载是下级放大器输入阻抗，应采用“输入匹配网络”或“级间耦合网络”；如果负载是天线或其他终端，应采用“输出匹配网络”。,对输出匹配网络的主要要求：,1）匹配网络应有选频作用，充分滤除不需要的直流和谐波分量，以保证外接负载上仅输出高频基波功率。2）匹配网络还应具有阻抗变换作用，以保证放大器工作在所设计的状态。3）匹配网络应能将功率管输出的信号功率高效率传送到外接负载，即要求匹配网络的效率（槽路效率L）高。,1.并联谐振回路匹配电路,1）电路 2）最佳负载电阻Rcp的估算 放大器工作在临界状态的等效电阻，就是放大器阻抗匹配所需的最佳负载电阻。因为 所以,滤波器型匹配网络,在甚高频或大功率输出级，广泛利用L、C变换网络来实现调谐和阻抗匹配。从结构来看，可分为L型、T 型、型三种类型。,3.7 倍频器,倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（2倍、3倍n倍）增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备。一、为什么采用倍频器 二、倍频器的种类 三、丙类倍频器的工作原理 四、使用时注意问题,一、为什么采用倍频器,1.降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。一般基音体体频率不高于20MHz，具有高稳定性的晶体频率通常不超过5 MHz。所以工作频率高，要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频。2.对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。3.可以提高发射机的工作频率稳定性。,二、倍频器的种类,1.丙类倍频器 2.参变量倍频器 本节主要介绍用丙类放大器构成的倍频器，即所谓“丙类倍频器”。,三、丙类倍频器的工作原理,丙类放大器晶体管集电级电流脉冲中含有丰富的谐波分量。如果集电极调谐回路谐振在二次或三次谐波频率上，放大器就主要有二次或三次谐波电压输出。这样丙类放大器就成了二倍频器或三倍频器。丙类倍频器的原理电路,设倍频器输入电压为 输出电压为 式中 是谐振回路两端 n 次谐波电压幅值。倍频器输出的功率和效率为 丙类倍频器的输出功率和效率将远低于丙类放大器，且随着次数的增大而迅速降低。最佳导通角 与倍频次数的关系为,四、使用时注意问题,1.选择适当的导通角 导通角 为 60或40时，二次或三次谐波系数最大，即此时输出的功率和效率也最大。最佳导通角 与倍频次数的关系为 谐波次数 2.谐波次数越高，越小 3.波形差,第4章 正弦波振荡器,4.1 概述4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原理4.3 三点式LC振荡器4.4 改进型电容三点式振荡器4.5 振荡器的频率稳定问题4.6 石英晶体谐振器4.7石英晶体振荡器电路4.8陶瓷振子和陶瓷振子电路4.9单片集成振荡电路E1648,4.1概述,振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。一、正弦波振荡器的应用 在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的；在超外差式各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号；在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器；在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。,二、分类,按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按工作方式分：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的原件分：LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型,4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原理,4.2.1从调谐放大到自激振荡 实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来。开关K拨向“1”时，电路为调谐放大器。调整互感M及同名端以及回路参数，可以使uF=ui。此时，若将开关K快速拨向“2”点，则集电极电路和基极电路都维持开关K接到“1”点时的状态。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。,框图,若ufui，放大电路依靠来源于输出端的反馈电压工作。此时即使没有输入信号，放大器仍有电压输出，放大器变为振荡器。由于，因此。,4.2.2振荡的建立和起振条件,1.振荡的建立过程 在电源开关闭合的瞬间，存在各种电的扰动。突变的电流包含着许多谐波成分，它们通过LC谐振回路，在它两端产生电压，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。起始振荡信号十分微弱，但是由于不断对它进行放大选频反馈再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地建立起来。由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。,2.起振条件,起振时uf ui，因此，振荡器的起振条件为 物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。,4.2.3振荡器的平衡条件,所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。平衡时ufui，因此，振荡器的平衡条件为 在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持振荡所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡。,振幅平衡条件,相位平衡条件,4.2.4振荡器的稳定条件,1.稳定平衡和不稳定平衡 2.振幅稳定条件 在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率。3.相位稳定条件 相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新稳定在原有频率上的条件。相位稳定条件是：相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的。,4.2.5对振荡三条件的讨论,1.三个条件都必须满足，缺一不可。在实际振荡电路中，必须满足起振和平衡条件，而稳定条件则是隐含在电路结构中。2.如果电路结构合理，只要满足起振条件，就能自动进入平衡状态，产生持续振荡。3.振荡器的分析可分为定性和定量两个方面。定性分析判断电路结构是否合理，包括电路中是否有选频网络，选频网络的相频特性是否为负斜率，电路中是否具有正反馈。定量分析仅需分析电路是否满足起振条件，由于起振时，振荡管处于线性放大状态，且输入信号很微弱，可以采用微变等效电路的方法进行分析。,4.3三点式LC振荡器,4.3.1三点式LC振荡器组成法则（相位平衡条件）1.电路 LC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连，分电容三点式和电感三点式两种。2.特点 射同集（基）反与射极相连的元件电抗性质相同，与集电极、基极相连的元件的电抗性质相反。,3.证明,忽略三极管输入和输出阻抗，且回路品质因数足够高，则当回路谐振，即X1+X2+X30时，回路呈纯阻。为了满足相位平衡条件，X2与X1必须为同性质电抗。,4.3.2电容三点式振荡器（考毕兹电路）,1.电路反馈信号从哪取得？从电容C2两端取得，送回放大器输入端。能否满足自激振荡的相位平衡条件呢？满足“射同集（基）反”,2.反馈系数 3.振荡频率其中,4.优缺点,1）优点 振荡波形好；电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响；工作频率可以做得较高，可直接利用晶体管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。2）缺点 调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。,4.3.2电感三点式振荡器（哈特莱电路）,1.电路 2.反馈系数 3.振荡频率其中,4.优缺点,1）优点 L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可；C的改变基本上不影响电路的反馈系数。2）缺点 振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；振荡频率不能做得太高，这是因为当频率太高，极间电容影响加大，可能使支路电抗性质改变，从而不能满足相位平衡条件。,4.4 改进型电容三点式振荡器,1.电容三点式振荡电路的不足之处 影响反馈系数F与振荡频率的因素都是C1与C2。2.改进办法 1）把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的主要元件分开。2）振荡频率不受晶体管的输出、输入电容影响。,3.如何减小Co、Ci 的影响，以提高频率稳定度,表面看来，加大回路电容C1与C2的电容量，可以减弱由于Co、Ci的变化对振荡频率的影响。但是这只适用于频率不太高，C1 和C2较大的情况。当频率较高时，过分增加C1和C2，必然减小L的值（维持振荡频率不变），这就导致回路的Q值下降，振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。这就有待于改进。,4.4.1串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼电路）,1.电路特点 把基本型的电容三点式振荡器集电极-基极支路的电感改用L-C串联回路代替。2.振荡频率 选择，时，振荡频率,3.电容C对振荡电路的影响,，再利用，可得 可见，减小C来提高回路标准性是以牺牲环路增益为代价的。,4.不足之处,1）C1、C2 如过大，则振荡幅度就太低。2）当减小C 来提高 f0 时，振荡幅度显著下降；当C减到一定程度时，可能停振。因此限制了f0 的提高。3）波段范围不宽，频率覆盖系数小，一般约为1.21.3，另外波段内输出幅度不均匀，不易起振。,4.4.2并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路）,1.电路特点 除了采用两个容量较大的 C1、C2 外，主要是把基本型的电容反馈线路集电极-基极支路改用LC并联回路再与 C3串联。2.振荡频率,3.电容C对振荡电路的影响,n 和C 无关，当调节C 来改变振荡频率时，n不变。，再利用，可得 可见，当改变C时，n、L、Q都是常数，R仅随0一次方增长，易于起振。,4.优点,波段内振幅比较稳定，且调谐范围比较宽，实际中常用于宽波段工作系统中。4.4.3几种三点式振荡器的比较（教材P103表42）,4.5 振荡器的频率稳定问题,1.振荡器的频率稳定度 在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量。根据规定时间的长短不同，可分为长期、短期和瞬时频率稳定度。2.造成频率不稳定的因素（1）LC回路参数不稳定；（2）晶体管参数不稳定。,3.稳频措施,（1）提高谐振回路的标准性，采用高质量的集总参数电感和电容；（2）提高谐振回路的Q值；（3）为了减小寄生电容及其对回路的影响，器件和回路之间采用部分接入方式。,一、石英晶体的电特性 石英片是从石英晶体柱中切割下来的一种弹性体，有一固有振动频率，其值与石英片的形状、尺寸、切型有关。当外加交流电压的频率等于晶体固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。1.物理性能和化学性能十分稳定 2.振动具有多谐性 基频振动、泛音振动 3.具有正反压电效应机和电的相互转换效应,4.6 石英晶体谐振器,二、符号和等效电路,石英谐振器具有很大的Lq（几十毫亨），很小的Cq（10-2pF以下）和很高的Q。其次C0远大于Cq，因此接成晶体振荡电路时，外电路对晶体电特性的影响便显著减小。符号 基频等效电路 完整等效电路,三、石英晶体的阻抗特性,1.串联谐振频率 2.并联谐振频率 在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有电容CL，相应的并联谐振频率由fp减小到fN，其值为?通常称CL为晶体的负载电容，标在晶体外壳上的振荡频率（或称晶体标称频率）就是并接CL后的fN值。,3.电抗-频率曲线（rq=0）,四、石英谐振器频率稳定度高的原因,1.高回路标准性 2.高Q值 3.极小的部分接入 如果某一分布电容Cn并在C0两端，振荡频率 外界电阻R如果并在C0两端，则折合到Lq两端的电阻由于,所以。,4.7石英晶体振荡器电路,并联型晶振电路晶体工作于略高于串联谐振频率fs呈感性的频段（fs f fp）内，晶体等效为一个电感；串联型晶振电路晶体工作在串联谐振频率fs上，作为高选择性的短路元件。注意：晶体只能工作在上述两种方式，否则，无法保证频率稳定。,4.7.1并联晶振电路,这里主要介绍皮尔斯（Pierce）振荡电路。1）电路 晶体接在晶体管b、c极之间。由晶体与外接电容器构成并联谐振回路，按三点线路的连接原则，晶体等效为电感。图4-25 原理电路图 图4-26 并联晶体振荡器实例,2）振荡频率f0的确定,选择 则所以,若C很大，可得 f0 最小值为 若C 很小，取,3）f0 总是处在 fp 与 fs 两频率之间,4）微调频率问题,实际中，由于生产工艺的不一致以及老化等原因，振荡器的振荡频率往往与晶体标称频率稍有偏差。因而，在振荡频率准确度要求很高的场合，振荡电路中必须设置频率微调元件。图426中，C为微调电容，用来改变并接在晶体上的负载电容，从而改变振荡器的振荡频率。,4.7.2串联型晶振电路,串联型晶振电路是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件。串联型晶体振荡器实例（一）,串联型晶体振荡器实例（二）,这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。,4.7.3泛音晶振电路,所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是，电气谐波与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时并存；而泛音是在基频奇数倍附近，且两者不能同时并存。石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，机械强度越差，用在电路中易于振碎。一般晶体频率不超过30MHz。为了提高晶振电路的工作频率可使电路振