[工学]第3章 高频功率放大器电路gyx.ppt

第 3 章 高频功率放大器电路,2,内 容,3.1 高频功率放大器概述 3.2 谐振功率放大器的工作原理 3.3 谐振功率放大器的特性分析 3.4 谐振功率放大器电路与设计 3.5 丁类和戊类谐振功率放大器 3.6 集成射频功率放大器及其应用简介 3.7 宽带高频功率放大器,3,高频功率放大器是各种无线电发射机的重要组成部分，主要用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大，其输出功率小到几毫瓦，大到几百瓦，上千瓦，甚至兆瓦量级。在高频功率放大领域内扮演重要角色的是高频谐振功率放大器。本章主要介绍高频谐振功放的基本原理、动态特性、功率和效率等指标和高频谐振功放电路的实际设计，并简要介绍了集成和宽带高频功放与有关技术。,3.1 高频功率放大器概述,4,作用：高效率地输出足够大的信号功率。,5,3.2 谐振功率放大器的工作原理,图3.1 高频谐振功率放大器原理电路图,3.2.1 基本工作原理,6,放大器工作状态的选择,7,设输入信号 ，从图3.1(c)电路可见，晶体管基极与发射机之间的电压为：,（3.2）,VBB本身包含正负号。晶体管集电极与发射极之间的电压为：,（3.1）,（3.4）,（3.5）,（3.6）,（3.3）,8,图3.2 谐振功率放大器激励电压与集电极电流脉冲波形,9,图3.3谐振功率放大器中电流电压波形,10,3.2.2谐振功率放大器的近似分析,图3.4晶体管特性曲线折线化及集电极电流脉冲波形,11,式中，gc为折线化转移特性曲线的斜率。输入回路和输出回路可以重新写为：,（3.7）,（3.8）,（3.9）,定义一个周期内导通角度的1/2为导通角（见图3.4）。由图所示的几何关系，即当 t= 时，iC=0，可以写出：,（3.10）,由此式可以求出导通角,并得到丙类工作条件,12,需要注意的是，VBB可正可负，即,就是图3.4中,的长度。将uBE代入式（3.7），并利用式（3.10）可得：,（3.11）,（3.12）,由图3.4可见，当 t= 0时，iC = iCmax，由式（3.11）可得：,13,这样，,式（3.13）是以 和iCmax为自变量的iC的表达式。上式实质上就是式（3.3）尖顶电流脉冲的数学表达式，利用傅立叶级数可展开为：,（3.13）,其中IC0为直流分量，Icnm为基波及各次谐波的振幅。应用数学中求傅立叶级数的方法可以求出各个分量，它们都是 的函数。,（3.14）,14,（3.15）,（3.16）,15,同理，,（3.17）,（3.18）,16,一般情况下，,（3.19）,（3.20）,式中，,称为余弦脉冲电流分解系数，其大小是导通角 的函数。,17,图3.5 余弦脉冲电流分解系数,18,3.2.3 输出功率与效率,放大器输出的交流功率等于集电极基波电流分量在负载Re上的平均功率，即：,电源输入的直流功率PD等于集电极直流分量IC0与VCC的乘积，即：,集电极耗散功率PC等于直流功率PD与交流功率Po之差，即：,定义集电极效率为：,（3.21）,（3.22）,（3.24）,（3.23）,19,其中，,称为集电极电压利用系数，,。,称为波形系数。,是导通角 的函数，且是单调的，其关系如图3.5所示。,在,的条件下，可求得不同工作类型时放大器的效率：,甲类工作状态：,乙类工作状态：,丙类工作状态：,20,例3.1 在图3.1(c)所示谐振功率放大器电路中，VCC = 30 V，测得IC0 =100mA， Ucm = 28V， = 70 ，求该功率放大器的iCmax、Po、PD、PC、C和回路谐振阻抗Re。,解：由图可查得,因此由式(3.15) 可求得,由式(3.17) 可求得,由式(3.21) 可求得,由式(3.22) 可求得,由式(3.23) 可求得,由式(3.24) 可求得,由式(3.5) 可求得,21,3.3谐振功率放大器的特性分析,谐振功率放大器的输出功率、效率及集电极耗散等都与集电极负载回路的谐振阻抗、输入信号的幅度、基极偏置电压以及集电极电源电压的大小密切相关。为了得到大功率、高效率的输出，必须对谐振功率放大器的工作状态进行分析。,3.3.1谐振功率放大器的工作状态与负载特性,动态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iCuBE或iCuCE坐标系统中是一条曲线。其作法与小信号放大器不同。当晶体管的特性用折线近似时，动态特性曲线即为直线。据式（3.11）,1.高频功放的动态特性,22,又根据,可得,由上式可知，iC与uCE是直线关系，两点决定一条直线，因此只要在输出特性上求出谐振功率放大器的两个瞬时工作点，它们的连线就是晶体管放大区的动特性曲线。,（3.25）,在A点没有进入饱和区时，动态特性曲线的斜率为：,动态特性不仅与Re有关，而且与 有关。,23,图3.6 高频谐振功率放大器的动特性曲线,24,2.谐振功率放大器的工作状态,由图3.6可知，若改变电路参数，瞬时工作点,的位置可能发生移动。因此，根据A点的位置不同，谐振功率放大器有欠压、临界和过压三种工作状态。,图3.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形,25,3.负载特性,图3.8 电流波形随变化的特性 三种状态下的动特性及集电极电流波形,图3.9谐振功率放大器的负载特性,负载特性是指当保持晶体管及VCC、VBB、Uim不变时，改变负载电阻Re，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，输出电压Ucm，输出功率P0，集电极耗散PC，电源功率PD及集电极效率C随之变化的曲线。,26,由下式近似确定,工程上,临界状态对应的负载电阻称为匹配负载，用,表示。,可以根据所需输出信号功率,其中，,为集电极饱和压降。,27,3.3.2 VCC对放大器工作状态的影响,（a）脉冲形状变化 （b）集电极调制特性 图3.10 对放大器工作状态的影响,28,图3.11 集电极调幅电路,必须工作在过压区，才会呈现调制特性,29,3.3.3 Uim和VBB对放大器工作状态的影响,（a）iC脉冲形状变化 （b）放大特性 图3.12 对放大器工作状态的影响,1.,对放大器工作状态的影响,30,2.,对放大器工作状态的影响,（a）iC脉冲形状变化 （b）基极调制特性 图3.13 对放大器工作状态的影响,必须工作在欠压区，才会呈现调制特性,31,图3.14基极调制电路,例3.2某谐振功放工作在过压状态，现欲将它调整到临界状态，应改变哪些参数？不同的调整方法所得到的输出功率是否相同？,解： 减小RP（如图3.9），或增大VCC（如图3.10），或减小VBB，减小Uim（如图3.123.13）；或综合调节。不同的调整方法所得到的输出功率不相同。,32,3.4谐振功率放大器电路与设计,前面，我们对谐振功率放大器的原理电路进行了分析，但实际的谐振功率放大器电路，往往要比原理电路复杂得多。它通常包括直流馈电（包括集电极馈电和基极馈电）和匹配网络（包括输入匹配网络和输出匹配网络）两个部分，现分别介绍如下。,3.4.1直流馈电电路,1.集电极馈电线路,集电极馈电可分为两种形式，一种为串联馈电，另一种为并联馈电。,(1)串联馈电,集电极串联馈电是一种在电路形式上直流电源VCC，集电极负载谐振回路，晶体管c,e三者为串联连接的馈电方式，如图3.15所示。,33,图3.15 集电极串馈电路,LC和CC的取值在实际工程中需满足：,（3.26）,（3.27）,34,(2)并联馈电,图3.16 集电极并馈电路,与串馈类似，LC和CC的取值在实际工程中需满足：,（3.28）,（3.29）,35,2.基极馈电线路,图3.17 基极馈电线路,基极馈电线路原则上和集电极馈电相同，也有串馈与并馈之分。基极串联馈电是指偏置电压VBB，输入信号源ui及管子b,e三者在电路形式上为串联连接的一种馈电方式，而在电路形式上为并联连接的则称为并联馈电。如图3.17所示。不论串馈还是并馈同样都满足关系式,，折线近似分析法都适用。,折线近似分析法都适用。,36,图3.19 “零”偏置电压和略微正电压偏置电路,图3.18 基极自给偏压,37,3.4.2滤波匹配网络,1.对匹配网络的要求,图3.20中，RL通过输出匹配网络转换成工作在临界状态时所需的Reopt值。匹配网络同时又是选频网络，它能滤除高次谐波电流Icnm。由于起到了滤波和匹配的双重作用，又称为滤波匹配网络。,图3.20 匹配网络,38,对滤波匹配网络的主要要求是：,(1)滤波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。通常，滤波性能的好坏用滤波度n表示，即,(2)滤波匹配网络还应有阻抗变换作用,（3.30）,(3)滤波匹配网络应能将功率管给出的信号功率Po高效率传送到外接负载RL上（功率为PL），即要求匹配网络的效率（称为回路效率k=PL/Po）高。 另外，匹配网络还应保证一定的通频带，结构简单，调整方便。 下面仅讨论滤波匹配网络的阻抗变换特性。,39,2.LC网络的阻抗变换作用 (1)串并联电路的阻抗变换,图3.21 串并联电路阻抗变换,由,可得到串联阻抗转换为并联阻抗的关系式为,（3.31）,（3.32）,（3.33）,40,反之可得到并联阻抗转换为串联阻抗的关系式为,（3.34）,（3.35）,（3.36）,Qe为品质因数，一般都大于1。由式（3.31）（3.36）可见，并联形式电阻Rp大于串联形式电阻Rs；转换前后电抗性质不变，且电抗值相差很小。,41,(2)L型滤波匹配网络的阻抗变换 L型网络是由两个异性电抗元件接成“L”形结构的阻抗变换网络，它是最简单的阻抗变换电路。图3.23(a)是低阻抗变高阻抗的L型滤波匹配网络。,(a) L型滤波匹配网络 (b) 等效电路 图3.23低阻变高阻L型滤波匹配网络,42,将图3.23(a)中L和RL串联电路用并联电路来等效，可得如图3.23(b) 所示的等效电路。由式（3.31）（3.36）串并联电路阻抗变换关系可得,（3.37）,图3.23(b)所示并联回路在信号频率上应呈现谐振，有,，其谐振电阻Re等于RL。,（3.38）,43,例3.4 已知某谐振功率放大器工作频率f =50MHz，实际负载电阻RL= 50 ，所需的匹配负载为Re = 1k 。试设计一L型网络作为输出滤波匹配网络。,解：采用低阻变高阻型L型滤波匹配网络，其电路如图3.23(a)所示，参数设计如下 由式（3.38）可得,由式（3.37）可得,因此,如果外接负载电阻RL比较大，而放大器要求的负载电阻Re比较小，可采用图3.24(a)所示的高阻变低阻L型滤波匹配网络。,44,(a) L型滤波匹配网络 (b) 等效电路 图3.24高阻变低阻L型滤波匹配网络,将图3.24(a)中C和RL并联电路用串联电路来等效，可得如图3.24(b) 所示的等效电路。由式（3.31）（3.36）并串联电路阻抗变换关系可得,（3.39）,（3.40）,45,图3.23(a)和图3.24(a)两种L型滤波匹配网络均是低通电路，图3.25所示为两种高通电路。相比来讲，低通电路具有良好的高频滤波作用，应用较为广泛。,图3.25两种高通型网络,46,(3)型和T型滤波匹配网络,形网络的形式如图3.26(a)所示。它可以视作是两节L型匹配网络的级联，如图3.26(b)所示。型匹配网络的阻抗变换特点是高阻低阻高阻。,(a) 型网络 (b) 等效电路 图3.26 型滤波匹配网络,47,(a) T型网络 (b) 等效电路 图3.27 T型滤波匹配网络,T型网络的形式如图3.27(a)所示。显然，它可以视作是两节L型匹配网络的级联，如图3.27(b)所示。T型匹配网络的阻抗变换特点是低阻高阻低阻。,48,3.4.3 谐振功率放大器的电路设计实例,例3.6 设计一个用3DA1硅高频三极管做成的谐振功率放大器，工作频率fo=2MHz，输出功率Po=2W，VCC=24V，查得3DA1的参数如下：fT=70MHz，Ap 13dB，ICM=750mA，PCM1W， 10，VCES 1.5V。ICM为晶体管允许的最大集电极电流，PCM为允许的最大集电极耗散功率，VCES 为饱和压降。试计算其他参数。,解：(1),工作于低频区，可用折线法计算。,选导通角,(2) 计算匹配电阻，设工作于临界状态，则,49,(3) 计算,从最大允许电流角度看，晶体管工作是安全的。,(4) 计算,从集电极耗散功率看，晶体管工作是安全的。由,及,这两个条件看，设计是合理的。,50,(5) 输入参数的计算,设硅晶体管导通电压,则,51,3.4.4 谐振功率放大器的实际电路,图3.29 50MHz谐振功率放大器电路,52,图3.30 150MHz谐振功率放大器电路,53,3.5 丁类和戊类谐振功率放大器,图3.31 为丁类（D类）谐振功率放大器的原理电路和相应的波形。图中，ub1和ub2是由ui通过变压器产生的两个极性相反的输入激励电压，分别加到两个特性配对的同型功率管V1和V2的输入端。若输入激励电压为角频率为的余弦波，且其幅值足够大，足以使ui正半周时T1管饱和导通，T2管截止，ui负半周时T2管饱和导通，T1管截止，设V1和V2管的饱和压降为UCES，则当V1管饱和导通时，A点对地电压为,当V2管饱和导通时,54,图3.31 丁类谐振功率放大器的原理电路及其波形,55,因此，uA是幅值为,因此，uA是幅值为 的矩形方波电压。该电压加到由L、C和R组成的串联谐振回路上，若谐振回路调谐在输入信号角频率上，且其Q值足够高，则可近似认为通过回路的电流io是角频率为的余弦波，RL上获得不失真输出功率。,56,3.6 集成射频功率放大器及其应用简介,图3.32 M57704内部电路图,57,图3.33 M57704外形尺寸图,58,图3.34 M57704H典型应用电路,59,图3.35 MHW912的测试电路,60,3.7 宽带高频功率放大器,3.7.1传输线变压器,1.传输线变压器简介,图3.36所示是一种简单的1:1传输线变压器，(a)图是结构示意图，(b)图和(c)图分别是传输线方式和变压器方式的工作原理图，(d)图是用分布电感和分布电容表示的传输线分布参数等效电路。,在以传输线方式工作时，信号从、端输入， 、端输出。如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟，两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的，则传输线的特性阻抗,（3.41）,61,其中L、C分别是单位线长的分布电感和分布电容，Zc的值取决于传输线的结构尺寸及线间填充介质的特性，对于理想无耗的传输线，Zc为纯电阻。当Zc与负载电阻RL相等时，则称为传输线终端匹配。,(a) 结构示意图 (b)、(c)、(d)等效图 图3.36 传输线变压器结构示意及等效电路,62,2.传输线变压器的功能,(1)平衡与不平衡电路的转换,(a) 不平衡平衡 (b)平衡不平衡 图3.37 平衡与不平衡电路的转换,63,(2)阻抗变换,(a) 4:1阻抗变换器 (b) 1:4阻抗变换器 图3.38 传输线变压器构成的阻抗变换器,64,利用传输线变压器还可以实现其它一些特定阻抗比的阻抗变换，如9:1、1:16或1:9、16:1。图3.38(b)是实现1:4阻抗变换器，终端匹配条件是 。注意不同阻抗比时的终端匹配条件是不一样的。,3.7.2功率合成技术,利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大，然后设法将各个功放的输出信号相加，这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。,65,图3.39 功率合成器的原理框图,66,3.7.3宽带高频功率放大器实用电路,图3.40宽频带功率合成电路,67,本章小结,1. 高频功率放大器主要用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大，其主要性能指标是输出功率和效率。根据导通角的不同，高频功率放大器可以分为甲类、乙类和丙类。相比之下，丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类大，但由于导通角小，效率高，节约能源，所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。 丙类谐振功放中功放管的导通角小于90，所以输出电流为脉冲电流，但是由于利用了选频网络的滤波作用，可以得到正弦电压输出。,68,2. 谐振功率放大器中，根据晶体管工作是否进入饱和区，将其分为欠压、临界、过压三种工作状态。当Re、VCC、VBB、Uim四个参量中任意一个改变时，放大器的工作状态也跟随变化。四个量中分别只改变其中一