《高频电路原理与分析》（第四版） PPT电子课件教案-第3章 高频谐振放大器.ppt

第3章 高频谐振放大器,3.1 高频小信号放大器 3.2 高频功率放大器的原理和特性 3.3 晶体管高频功率放大器的高频效应 3.4 高频功率放大器的实际线路 3.5 丁类（d类）高频功率放大器 3.6高频功放、功率合成与射频模块放大器,3.1 高频小信号放大器,3-1-1 高频小信号放大器基础 一、宽、窄带小信号 高频放大器综述 宽带放大器:相对频带 fh /fl 1 窄带放大器:(fo很大时) 相对频带 fh /fl 1,小信号高频放大器是线性放大器，甲类工作。,作用：放大信号幅度 要求：不失真、 增益尽量大、不自激，选择性好,二、电路及高频交流等效电路 小信号高频放大器电路,宽带放大,窄带放大,交流通路,宽带 窄带,例：集成中放,3-1-2 晶体管高频等效电路,1.物理模拟等效电路的模型： 混合型 （晶体管内部情况描述） 2. 四端网络参量等效电路： h参数、y参数、z参数、s参数等效电路 （用于放大器电路设计） 3. 高频交流等效电路： 电路的交流通路等效 （用于电路分析）,一、晶体管混合型等效电路,(1) 基极体电阻 rbb : 5 100 rbb 较小时，高增益和低噪声。 (2)发射结等效电阻 rbe : 500 2000 rbe =re = vt/ie 发射结等效电阻 re = vt/ie26mv/ie (3)发射结电容 cbe 100 500pf (4)集电结电阻 rbc 2 5m (可忽略) (5)集电结电容 cbc 0.5 5pf 为内部反馈元件，严重影响放大器的性能指标。 (6)受控电流源 gm vbe : 表征晶体管的放大作用。 gm 称为晶体管的跨导 gm=1/re =/rbe gm vbe = ib (7)集-射极电阻 rce : 10 100k (可忽略) (8)集-射极电容 cce : 2 10pf (可忽略),混合型等效电路的简化,高频,低频,二、晶体管网络参量等效电路,共发射极电路 1h参数等效电路,h参数等效电路,2y参数等效电路,e,共发射极放大电路 y参数等效电路,三、y参数与混合型参数的关系(见教材p65),y参数定义,四、晶体管高频特性的几个频率参数,f 共射截止频率 ft 特征频率 f 共基截止频率 fmax 最高振荡频率 fmaxf ft f f工作f时：|= ft /f工作 （ f = ft / ） ft =o f,五、 场效应晶体管等效电路,优点： (1)id与vgs是平方率关系，频率变换方便； (2)线性区域宽，动态范围大； (3)噪声系数低； (4)输入阻抗高 (高频时与f的平方成反比下降，但仍大大高于双极型晶体管)。 缺点：功率增益通常低于双极型晶体管。,3-1-3 小信号宽带放大器 调制信号带宽较大时(如:全电视信号为8mhz),窄带调谐放大器不易制作，采用： (1) 多级宽放与集中带通滤波方法。 (2) 多级宽放与调谐放大器组合方法。 分析方法：高频交流等效电路、传递函数等。 有关参量：增益、幅频特性、相频特性、 上限截止频率、输入阻抗、输出阻抗 一、共e、共b、共c宽带放大器 设：ai为电流增益, av为电压增益 ，ri为输入电阻, r0 为输出电阻， fh 为上限截止频率， bav 为增益带宽乘积(b与av成反比) 高频工作时的特点：,1.共发(共e)宽带放大器 （1）ai ，av 均较大； （2）ri ，r0 均适中(容性:f ,等效r0 ); （3）为提高 fh 射极加电流串联负反馈电阻，虽工作稳定，但av，且 fh 仍较低。 2.共基(共b)宽带放大器 （1）airecbe时，ri0（负阻）。 （3） fh与共e放大器同一数量级。,二、级联组合放大器,利用各种电路的特点，及负反馈等方法，以提高放大器的性能。 1.共e-共b级联宽带放大电路 通过加大负载强度，以降低增益的代价来提高 fh。 共e（t1）-共b(t2)放大器电路 （1）t2的ri 小 t1的负载重， 则：av, fh； （2）rl(ul)与ri (us)被t2隔离，工作稳定； （3）t1因负载重而av1，但t2有av2，所以总av仍较大； （4）t2的ai21，但t1的ai1较大，所以总ai仍较大；,2负反馈宽带放大电路 通过负反馈，以降低增益的代价来提高fh，和工作的稳定性。,三、电感串并联补偿宽带放大电路 通过电感串并联补偿的方法，提高fh（上限截止频率）。 1集电极并联补偿电路,说明,幅 频 特 性,无lc时：f , xc (负载加重）,av， 原fh较小； 有lc时：f 到lc与c总的并联谐振频率fp时，等效负载阻抗值加大，放大器负载减轻，av。 且rc较大时，q较小，曲线平坦。 当 新fh=1.73倍原fh时： 最平幅频条件 :,最平时延条件 : k=0.322 兼顾两条件取 : k=0.36,2集电极串并联补偿电路,说明,幅 频 特 性,无lc时： 原fh较小； 有lc时： fp处：lc与c2并联谐振，等效负载阻抗值加大，放大器负载减轻，av。 fs处：ffp时，lc与c2回路容性。 等效电容与l串联谐振， lc与c2回路(容性)上的阻抗最大，av。且rc，r 较大时，q 较小，曲线平坦。,3-1-4 小信号调谐放大器,一、概述 1小信号调谐放大器为窄带(选频)放大器，线性(甲类)工作。 2种类: *（单级）单调谐、双调谐放大器； *（多级）调谐放大器，每级同频工作，总通频带下降； *（多级）参差调谐放大器，每级工作频率不同，总通频带提高。 特点：负载为谐振回路,二、小信号单调谐放大器 1单管共e调谐放大电路及等效电路,谐振回路电阻,最终等效电路,2定量分析 回路谐振频率 回路通频带(即放大器通频带) 回路的有载 放大器选择性 放大器电压增益,上式表明：共e放大器的输入、输出相互牵制。 cbc0(yre0)时：yiyie，yoyoe,输入导纳,输出导纳,由上述公式可知, 电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关： (1) 为了增大au0, 应选取|yfe|大, goe小的晶体管。 (2) 为了增大au0, 要求负载电导小, 如果负载是下一级放大器, 则要求其gie小。 (3) 回路谐振电导g0越小, au0越大。而g0取决于回路空载值q0, 与q0成反比。 (4) u0与接入系数p1、p2有关, 但不是单调递增或单调递减关系。由于p1和p2还会影响回路有载值e, 而e又将影响通频带,所以p1与p2的选择应全面考虑, 选取最佳值。,三、小信号双调谐放大器 电路和等效电路,优点： 1. 通频带b0.7大于单调谐放大器； 2. 选择性k0.1优于单调谐放大器。 要求：两回路参数完全对称 三种耦合方式： 互感耦合-工作频率高，调整困难； 电容耦合-简单、易调整，工作频率低； 部分变压器耦合-工作稳定、易调整，工作频率低。 双调谐与单调谐性能比较： 单调谐放大器：通频带：b0.7=fo/q 选择性：k0.1=9.96 电容耦合双调谐放大器：临界耦合 强耦合（谷点为0.7时） 通频带:b0.7=1.414fo/q b0.7=3.1fo/q 选择性:k0.1=3.16 k0.1=1.44,四、多级小信号高频放大器 1多级宽频带放大器 总增益av(n)为n级放大器增益的乘积； 总通频带 b0.7 下降。,2多级单调谐放大器（各级同频工作） 总增益提高； 总通频带 b0.7下降； 总选择性 k0.1 变好。,3. 多级双调谐放大器（各级同频工作） 总增益提高； 总通频带 b0.7下降 总选择性 k0.1变好。,例：广播收音机有三级中放(回路)，fo=465khz，要求通过b0.7为9khz的调幅信号，求每级中放的b0.7和回路q值。 解：三级放大：b的压缩系数为0.51 （1）每级中放的b0.7=9/0.5118khz （2）回路q值 q=fo/b0.7=465/1826,五、参差调谐放大器 1双参差调谐放大器,通过f1和f2的不同取值，可形成单峰或双峰的总特性。 带宽、增益与双调谐接近，选择性k0.1劣于双调谐回路。,2三参差调谐放大器,三参差调谐放大器回路的参量选择： f01=f0 f02=f0+0.43f0.7 f03=f0-0.43f0.7 b1=2f0.7 q1=q b2=0.52f0.7 q2=2q b3=0.52f0.7 q3=2q 式中： fo 为放大器的中心频率; 2f0.7 为放大器的总带宽(总幅频特性); q 为放大器的等效品质因数,3.组合差调谐放大器 例1：单调谐+双调谐,例2：集总滤波+宽放+调谐,3-1-5 场效应管高频放大器 一、结型场效应管高频放大器,两管组成共s-共g级联放大器。与共e-共b级联放大器相同，除放大量大、工作稳定、高频特性好等特点外，还有噪声低、动态范围大、线性好等独特性能。,二、双栅效应管高频放大器 双栅管内部为共s-共g级形式。,3-1-6 调谐放大器的稳定性,一、原因,共e放大电路，y参数等效 (1)经cbc反馈的电流if (yrevl)，与输入信号幅度相同、方向相同时，电路产生自激；,(2)不满足幅度、相位条件时，虽不产生自激，但破坏输入回路的谐振特性。,共e单调谐放大器增益,低频工作时：fe0,lc=0 放大器倒相，不会自激。 高频工作时：fe0,lc0，及re， fe lc re ube(ib) ic uec uce yreuce(if) if：反馈电流，引起不稳定，可能产生自激。 在c-b 间外加中和电容，引入负反馈(与if相位相反)，以破坏自激条件。,二、稳定系数s,定义：放大器信号源电压： 反馈电压：,稳定系数s：,1、s为正实数时，两者同相，满足自激振荡条件 2、|s|1时，反馈量小，不会自激 3、|s|1时，反馈量大 ，放大器不稳定，可能自激 单级放大电路一般取|s|=5-10 |s|过大，会导致增益下降。 4、 yres 和yfes,下面从两个角度观察稳定系数s,（1）反馈观点 已知：if = is 时, 不稳定且可能自激。 则： 反馈系数=if/is 越大越好。 （2）导纳参数观点 已知：yi中含有正反馈分量（if），则: ys+yi=0 时，为临界自激条件。这时，正反馈的能量抵消了回路损耗的能量，即电纳部分相互抵消。 带入yi的公式，化简后为：,即：yres 和yfes,讨论： s=1 临界自激条件; s1 不易自激，但不一定稳定； s1 正反馈弱，不自激，工作稳定。 一般要求：s = 510,三、稳定系数s与电压增益av的关系 一般av, s, 易自激。 设：fe=0, re-/2 即：yfe=|yfe|, yre-jcre 则：,（1）s, avo； （2）为提高avo应选|yfe|大和|yre|小的管子。 （以上为yre内部反馈引起的放大器不稳定。另外，有电磁耦合、电源串扰等的影响，可通过电路设计和结构工艺解决。）,四、提高放大器的稳定性的措施 （1）选|yre|小和|yfe|大;(|yfe|不能过大) （2）降低工作频率（提高ft)； （3）消除yre的正反馈作用,成为“单向器件“。 1中和法 在输入回路中加入另一个反馈分量ynvl(if),与yrevl(if)大小相等、方向相反，以抵消yrevl的作用,实现中和。 即：-ynvl=yrevl 或： -if = if，if+if=0,调谐放大器中的中和,调谐放大器中的中和,说明：抽头为电感中间，即电感的中间为零电位，则两端a、c的电位相反，故内部反馈电容和外部中和电容上的电流方向正好相反，对其它电路而言，看不到反馈电容的电流反馈了,2失配法 由：,可见：通过加大yl(rl)，输出失配，使 yiyie.。共e-共b放大电路是典型的失配法电路，共e的yl是共b的yi大(ri小)，产生失配使s,即工作稳定性提高，且fh。,3-1-7 集成高频小信号放大实例 一、调频中放集成电路,外接谐振回路,二、汽车收音机中频电路,三、100mhz调谐放大电路,3.2 高频功率放大器的原理和特性,3-2-1概述 工作频率 相对频带 负载 低频 几khz 例:2020khz 电阻、变压器 (宽带) 几mhz fh/fl=1000 高频 几百khz 例:fo=1mhz 选频网络 (窄带) 几千mhz b=4khz (末级) 几万mhz fh/fl=1.008 高频 几mhz fh/fl大 高频变压器、 (宽带) 几十mhz 传输线变压器,(中间级、次末级),共同要求： 1.信号输出功率高 2.效率高 3.不失真,不同之处： 1.工作频率、相对频带、负载不同。 2.电路形式不同(甲类丙类、丁类)。,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三个问题,高效率输出,高功率输出,高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。,联想对比：,不失真输出,3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处,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。,谐振功率放大器波形图,小信号谐振放大器波形图,小信号谐振放大器波形图,观测：工作点， 输出不失真,谐振功率放大器波形图,观测：工作点， 输出严重失真,4、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。,功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。,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(c90)，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。,工作状态,功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,5.高频功放在发射机中的位置,3-2-2 谐振功率放大器的工作原理,1、原理电路,晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。,谐振回路lc是晶体管的负载,电路工作在丙类工作状态,外部电路关系式：,晶体管的内部特性：,谐振功率放大器的基本电路,故晶体管的转移特性曲线表达式：,故得：,必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。,谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下图所示,导通角,谐振功率放大器转移特性曲线,导通开始点,放大区,截止区,高频功率放大器中各分电压与电流的关系,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,三极管产生功耗的时段,输入端情况,输出端情况,lc回路能量转换过程,回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。,回路是由l、c二个储能元件组成。,当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感l的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容c，即使c充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源vcc给出的能量储存在电容c之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止。,由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。,2、谐振功率放大器的功率关系和效率,功率放大器原理：利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。,由前述所知：,有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。,p=直流电源供给的直流功率； po=交流输出信号功率； pc=集电极耗散功率；,根据能量守衡定理：,故集电极效率：,p= po+ pc,由上式可以得出以下两点结论：,1) 设法尽量降低集电极耗散功率pc，则集电极效率c自 然会提高。这样，在给定p=时，晶体管的交流输出功 率po就会增大；,如果维持晶体管的集电极耗散功率pc不超过规定值，那么提高集电极效率c，将使交流输出功率po大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。,2) 由式 可知,如何减小集电极耗散功率pc,可见使ic在vc最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。,晶体管集电极平均耗散功率：,故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180，处于丙类工作状态。,谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c90，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：,ic=ico+ icm1cost+icm2cos2t+icm3cos3t+,直流功率：,输出交流功率：,vcm 回路两端的基频电压 icm1 基波电流 rp 回路的谐振阻抗,放大器的集电极效率：,p=vcc ic0,由于lc谐振回路只对基波谐振，故两端呈现基波电压，不存在高次谐波电压及其功率成分,集电极电压利用系数,波形系数，通角c的函数；c越小g1(c)越大,越大(即vcm越大或vmin越小)c越小效率c越高。因此，丙 类谐振功率放大器提高效率c的途径即为减小c角；使lc 回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应vc的最小值。,基极偏置为负值；半导通角c90，即丙类工作状态；负载为lc谐振回路。,故谐振功率放大器的工作特点：,式中：,3-2-3 谐振功率放大器的折线近似分析法,一、折线法,对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量ic0和基频分量icm1。,工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。,所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。,折线化的前提要求：工作在低频区 低频区:f工作0.5f (可忽略内部电抗) 中频区:0.5ff工作0.2ft(考虑内部电抗) 高频区:0.2ftf工作ft (考虑内部电抗、引线电感等),折线分析法的主要步骤：,1、测出晶体管的转移特性曲线ic vb及输出特性曲线ic vc， 并将这两组曲线作理想折线化处理,2、作出动态特性曲线,3、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲ic和输出电压vc的波形,4、求出ic的各次谐波分量ic0、ic1、ic2由给定的负载谐 振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、 直流供给功率、效率等指标,二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线,晶体管实际特性和理想折线,根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于vbz的一条直线来表示(vbz为截止偏压)。,若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrvc,在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：,由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流 只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。,则 ic =gc(vbvbz) (vbvbz),3)临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。,2)过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区， 交流输出电压较高且变化不大。,1)欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方， 交流输出电压较低且变化较大。,三、集电极余弦电流脉冲的分解,当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。,尖顶余弦脉冲,晶体管的内部特性为：,它的外部电路关系式,当t=0时，ic= ic max,ic=gc(vbvbz),vb= vbb+vbmcost,vc= vccvcmcost,因此，ic max= gcvbm(1cos c),若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,尖顶脉冲的分解系数,尖顶脉冲的分解系数,当c120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 于甲类工作状态而效率太低。,右图可见：,尖顶脉冲的分解系数,由于：,波形系数,由曲线可知： 极端情况c=0时，,此时=1，c可达100%,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,1. 谐振功率放大器的动态特性,高频放大器的工作状态是由负载阻抗rp、激励电压vb、供电电压vcc、vbb等4个参量决定的。,为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。,集电极动态特性：在输入信号的激励下，在晶体管输出特性上不同时刻集电极电压ce与集电极电流ic的轨迹。,四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为,vb= vbb+vbmcost,vc= vccvcmcost,消去cost可得，,vb= vbb+vbm,另一方面，晶体管的折线化方程为,ic = gc(vbvbz),得出在icvc坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：,= gd(vc v0),图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：,从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。,用类似的方法，可得出在icvb坐标平面的动态特性曲线。 根据负载线和最大输出电压，决定三极管的工作状态：,欠压状态：输出电压的最大点在输出特性放大区,临界状态：输出电压的最大点在输出特性放大区和饱和区的临界点,过压状态：输出电压的最大点在输出特性饱和区,输出电压的最大点在输出特性放大区和饱和区的临界点-则三极管处于临界状态 (即负载线与饱和线的交点),输出电压的最大点在输出特性放大区-欠压状态,欠压和临界状态： ic是相同的余弦脉冲；但临界状态uc1m大；,输出电压的最大点b在输出特性饱和区-过压状态,过压状态：ic中间凹陷；uc1m较临界略有增大。,动态负载rc：动态特性曲线斜率的倒数,2. 功率放大器的负载特性,在其他条件不变(vcc、vbb、vb为一定)，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性。,电压、电流随负载变化波形,1) vc、ic随负载变化的波形vc、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vbemax，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。,2) 欠压、过压、临界三种工作状态, 欠压状态 b点以右的区域。在欠压区至临界点 的范围内，电流脉冲的幅度会随负载电阻rp的增大而缓慢减小；根据vc=rpic1，放大器的交流输出电压在欠压区内随负载电阻rp的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。, 临界状态 负载线和 vb max正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。, 过压状态 在过压区， 随着负载rp的加大，输出 电压沿负载线从小到大到 临界点c，电流也一直增大； 经过c点后，由于vce减小， 输出电流ic不再增大,但谐 振电路的固有特性，谐振电压继续增大，而vce减小,电流也将减小，直到到达谐振电压峰值d点，此时电流也到达谷值。这里由于基波电流减小，放大器的输出功率和效率也要减小。,电压、电流随负载变化波形,根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线,负载特性曲线,欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,过压状态的优点是：当负载阻抗变化时，输出电压比较平 稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率 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：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。,掌握负载特性意义：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有帮助的。,负载特性曲线,五、放大器工作状态及导通角的调整,1. 导通角c的调整,如果：希望增大c，但要保持icm不变，则应在增加vbb的同时，适当减小激励vb。,导通角c增大： 1）增大输入信号的幅度 ）偏置电压vbb右移,当c增大时：ic脉冲电流的振幅icm会加大，输出功率po当然也会加大,2. 欠压、临界、过压工作状态的调整,调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载rp；改变供电电压vcc；改变偏压vbb；改变激励vb。,(1) 负载特性 改变rp，但vb、vcc、vbb不变 当负载电阻rp由小至大 变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临 界状态时输出功率最大。,(2) 集电极调制特性 改变vcc，但rp、vb、vbb不变当集电极供电电压vcc由小至 大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。,vcc变化时对工作状态的影响,在欠压区内，输出电流的 振幅基本上不随vcc变化 而变化，故输出功率基本 不变；而在过压区，输出 电流的振幅将随vcc的减 小而下降，故输出功率也 随之下降。,vcc减小,在过压区中输出电压随vcc改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变vcc来实现调幅过程的。改变vcc时，其工作状态和电流、功率随之变化(如上图所示)。,线性部分,(3) 基极调制特性 vbb变化 但vcc、vbm、rp不变,由 vb= vbb+vbmcost vb max= vbb+vbm,当vbb由小到大变化时， 放大器的工作状态由欠压经临 界转入过压。,增大,vbb变化时电流、功率的变化,线性部分,(4) 放大特性 vbm 变化 但vcc、 vbb 、rp不变,由 vb= vbb+vbmcost vb max= vbb+vbm,当vbm由小到大变化时， 放大器的工作状态由欠压经临 界转入过压。,增大,vbm变化时电流、功率的变化,线性放大,六、谐振功率放大器的计算,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。 以临界状态为例：,1) 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和c,导通角c,集电极电流脉冲幅值icm,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：,p=ic0 vcc,交流输出功率：,集电极效率：,4) 根据,可求得最佳负载电阻：,(1)在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。,(2) “最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。,(3)可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角c改变而变化的。c小，rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。,(4)在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载(如天线等)相匹配。,3.3 晶体管功率放大器的高频效应,一、概述,折线法分析：引入误差。 由于晶体管的高频特性及大信号的注入效应而引入的高频误差将更大，严重时，使放大器无法工作。,1、晶体管基区少数载流子的渡越时间 2、晶体管的体电阻(特别是rbb的影响) 3、饱和压降及引线电感等因素的影响 4、工作在大信号，即大注入条件下引起的基极电流和饱和压降增加的影响。 上述的这些影响都会使放大器的功率增益、最大输出功率及效率的急骤下降。,二、基区渡越时间的影响,在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来表示基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可等效成线性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线性特性。,通过实验，可以用示波器观察功率放大器放大管各极电流波形随工作频率变化而变化的情况。,高频情况下功放管各电极电流波形,在工作频率很高， 渡越角在0=1020时，功放管各电极电流的变化情况：,发射极电流ie 随着工作频率提高，存贮在基区中的非平衡少数载流子,由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极，因而ie出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越高,ie反向脉冲的宽度就越大，幅值也越南高，导通角也越扩展。,(2) 集电极电流ic ic 的峰值滞后于ie 的峰值，二者差一渡越角0，ic的导通角也由低频时的c增大到：c+20,高频情况下功放管各电极电流波形,(3) 基极电流ib 由于ie出现反向脉冲，根据ib= ie ic，所以ib也出现反向电流脉冲，反向电流的出现，使其基波分量ib1大大增加，ib1的增加将提高了对激励功率的要求。,上述分析表明：ic的导通角加大，将使功率管的效率大大降低；ib1的加大将使激励功率增加，这会使放大器的功率增益降低，这种现象将随工作频率升高而加剧。,高频情况下功放管 各电极电流波形,三、晶体管基极体电阻rbb的影响,当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值ib1是迅速增加的，这表明be间呈现的交流阻抗显著减小，因此rbb的影响便相对增加，要求的激励功率将更大，这会使功率增益进一步减小。,四、饱和压降vces,大信号注入时，功率管的饱和压降将增大，在高频工作时，集电极体电阻也要提高，致使饱和压降进一步增加。,例如: 当f=30mhz时，实测某管的vces=1.5v， 当f=200mhz时，vces则可大到3.5v。,vces的增加，会使功率放大器的输出功率、效率、功率增益均减少。,五、引线电感的影响,在更高频率工作时，要考虑管子各电极引线电感的影响，其中以发射极的引线电感影响最严重，因为它能使输出输入电路之间产生寄生耦合。,一般长度为10mm的引线，其电感约为103h，在工作频率为300mhz时，感抗值约为1.9，若通过1a高频电流，则会在此感抗上产生约1.9v的负反馈电压。这种负反馈当然会使输出功率及功率增益下降，并使激励增加。,3.4 高频功率放大器的电路组成,一、直流馈电电路,二、输出回路和级间耦合回路,集电极馈电电路,基极馈电电路,级间耦合网络,输出匹配网络,1. 集电极馈电电路,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,一、直流馈电电路,(1) 串馈电路 指直流电源vcc、负载回路(匹配网络)、功 率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。c1、lc为低通 滤波电路，a点为高频地电位，既阻止电源vcc中的高频 成分影响放大器的工作，又避免高频信号在lc负载回路 以外不必要的损耗。c1、lc的选取原则为 1/ lc 回路阻抗1/10 lc1/ c 10,(2) 并馈电路 指直流电源vcc、负载回路(匹配网络)、功 率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图lc为高频扼 流圈，c1为高频旁路电容，c2为隔直流通高频电容， lc、c1、c2的选取原则与串馈电路基本相同。,(3) 串并馈直流供电路的优缺点 在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接 地，因此回路安装比较方便，调谐电容c上无高压，安全可靠；缺点是在并馈电路中，lc处于高 频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特点正好与并馈电路相反。,分布电容影响小；但lc处于直流高电位上，网络元件安装不方便。,lc处于直流地电位上，网络元件安装方便；但分布参数直接影响网络的调协。,2. 基极馈电电路,基极馈电电路也分串馈和并馈两种。,基极偏置电压vbb可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源vcc分压供给。在功放级输出功率大于1w时，基极偏置常采用自给偏置电路。,优点：能自动维持放大器的稳定性。有利于稳定输出电压，但对于要求具有线性放大特性的放大器来说则不利。,ube=ubb+uimcost,1. 级间耦合网络,多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。,这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。,对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。,二、输出回路和级间耦合回路,对于中间级应采取如下措施：,1) 使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒 压源。,2) 降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本身 的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本 身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效 率一般为k=0.1-0.5，平均在0.3上下。也就是说，中 间级的输出功率应为后一级所需激励功率的3-10倍。,2. 输出匹配网络,输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络，这种匹配网络有l型、型、t型网络及由它们组成的多级网络，也有用双调谐耦合回路的。,输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。,高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗zl转换成放大管所要求的最佳负载阻抗rp，使管子送出的功率p0能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。,下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数q值很低(通常q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用t型或型网络作匹配之用。,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用t型网络)。图中r2代表终端(负载)电阻，r1代表由r2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。,图中，介于电子器件与天线回 路之间的l1c1回路就叫做中介 回路；raca分别代表天线的辐 射电阻与等效电容；ln、cn为 天线回路的调谐元件，它们的 作用是使天线回路处于串联谐 振状态，以获得最大的天线回 路电流ia，亦即使天线辐射功 率达到最大。,复合输出回路(为了简化电路，省略了直流电源及辅助元件l、c、c等),这种电路是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电 极调谐回路相耦合。,可以看到：两种输出网络，从晶体管集电极向右方看去，都应等效为一个并联谐振回路，如图所示。,等效电路,由耦合电路的理论可知，当天线回路调 谐到串联谐振状态时，它反映到l1c1中 介回路的等效电阻为,因而等效回路的谐振阻抗为,改变m(晶体管电路由于元件小，实现可变m是较困难的，这时里为了便于说明问题，因而仍采用了改变m的讲法)，就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的 等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。,耦合越紧，即互感m越大，则反映等效电阻越大，回路的等效阻抗也就下降越多。,为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载ra上就希望 反射电阻r回路损耗电阻r1,衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率k，简称中介回路效率。,从回路传输效率高的观点来看，应使ql尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则ql值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，ql值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，ql也有低到10以下的。,故有:,3.5 丁类（d类）高频功率放大器,一、 概述 甲、乙、丙类 放大器的比较,甲到乙到丙类是通过不断减小导通角，通过减少ic的流通时间(pc)，使。 太小时,虽高,但icm,po反而下降。 为提高icm，必须加大激励电压(太大会击穿管子)。 丁(d)类，戊(e)类采用固定=90o(icm固定)，而尽量减小pc的方法，提高,即：管子工作于开关状态 导通时进入饱和区： vc=vces, ic=ices 截止时进入截止区： vc=vcc, ic=0 使pc=vcic大大减小,使,理想时接近100%。,丁类放大器的ic与vce,电压开关型丁类放大器,二、电压开关型电路,vt1和vt2轮流导通、截止。l、c、r串联(电流)谐振，谐振于基波频率(选频)。 工作波形,vt1导通：a点电位=vcc-vces vt2导通：a点电位=vces va（方波）经付氏级数分解，选出基波v1,基波电压峰值： vo=v1=(2/)(vcc-2vces ) 基波电流峰值： i1=vo/r=(2/r)(vcc-2vces ) 平均分量：(直流) ico=i1/=(2/2r)(vcc-2vces ),则输出功率： po=(v1i1)/2=(2/2r)(vcc-2vces )2 直流供电功率： pdc=vccico=(2vcc /2r)(vcc-2vces) 集电极效率： c=po/pdc=1-(2vces/vcc) 当vces很小时，c接近100%,注意： 选用开关时间短的器件，以提高c。,另外： (1)电流开关型电路：c更高 c=po/pdc=1-(vces/vc