09级高频电子技术课件第3章_高频功率放大电路.ppt

第3章高频功率放大电路 第3章高频功率放大电路2 第3章高频功率放大电路 3 1概述3 2丙类谐振功率放大电路的工作原理3 3丙类谐振功率放大器的特性分析3 4丙类谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络 第3章高频功率放大电路3 回顾问题 模拟电子技术中的功放内容 1 放大器的实质 3 工作状态对效率的影响 2 放大器的两种工作状态 已学的 3 1概述 第3章高频功率放大电路4 1 放大器的实质 是一种能量转换器件 将直流电源输出的直流能量转换为交流能量 供给负载 2 功率放大器的工作状态 甲类 线性状态 甲乙类乙类 非线性状态 第3章高频功率放大电路5 放大器的三种工作状态的应用 2 高频功率放大器工作频率高 相对频带很窄 因此 适宜采用调谐回路作负载 即有选频功能 1 低频功率放大器工作频率低 相对频带宽 因此 都采用无调谐负载 即无选频功能的负载 如电阻 变压器等 甲类 乙类 丙类 非线性状态 第3章高频功率放大电路6 本节问题 3 1概述 一 高频功率放大器在无线电发射机中的位置 二 高频功率放大器性能的评价指标 四 调谐功率放大器的基本电路形式 构成 三 调谐功放与小信号调谐放大器的比较 第3章高频功率放大电路7 一 高频功率放大器在无线电发射机中的位置 第3章高频功率放大电路8 功率放大器的作用及其实质 决定了衡量它性能的两个主要指标 1 输出的交流 功率2 直流能量转化为交流能量的 效率 二 高频功率放大器的性能指标 放大输入信号 使之达到足够的 交流 功率输出 以满足天线发射远距离传输信号的要求 或其他负载的要求 第3章高频功率放大电路9 三 调谐功放与小信号调谐放大器的比较 第3章高频功率放大电路10 四 高频功率放大器的典型电路 第3章高频功率放大电路11 高频功放 将高频信号进行功率放大的电路 实质是在输入高频信号的控制下 将电源的直流功率转变成高频功率 主要功用 放大高频信号 以高效率输出大功率 并且尽量保证非线性失真小 分类 低频功放 甲类 3600导通 效率50 乙类 1800导通 效率78 5 甲乙类 大于1800导通 效率75 高频功放 丙类 小于1800导通 效率92 丁类 戊类 开关型 理论上效率100 特点 工作频率高 相对带宽小 大信号非线性状态 采用选频网络作为负载 故称谐振功率放大器 技术指标 输出功率 效率 功率增益 带宽 谐波抑制度 3 1概述 第3章高频功率放大电路12 3 2调谐功率放大器的工作原理 一 调谐功率放大器的电路形式 构成 二 调谐功率放大器如何完成它的功能 即它的工作原理 问题 第3章高频功率放大电路13 3 2丙类 C类 谐振功率放大电路的工作原理 一 丙类谐振功率放大电路的结构图3 1所示的是高频谐振功率放大器的原理线路图 图3 1晶体管高频谐振功率放大器的原理线路图 第3章高频功率放大电路14 构成 电源 偏置电路 晶体管 谐振回路和输入回路 谐振回路 1 减小失真 丙 丁 戊类的电流失真大 2 实现阻抗匹配 3 对窄带系统 实现滤波 第3章高频功率放大电路15 3 2谐振功率放大器的原理线路 二 工作原理1 工作条件工作在丙类状态Eb倒置 使T在截止区 LC回路为集电极负载 调谐在输入信号中心频率上 Rp为考虑实际负载与抽头等效后的并联谐振电阻 第3章高频功率放大电路16 3 2谐振功率放大器的原理线路 第3章高频功率放大电路17 3 电流 电压波形 设输入信号为则由图3 2得基极回路电压为 3 1 第3章高频功率放大电路18 输入信号为大信号 非线性器件主要呈导通 截止 二极管 或饱和 截止状态 三极管 跨导 BC段的斜率 折线化后的截止电压 非线性电路分析法 补充 折线分析法 第3章高频功率放大电路19 周期函数可展开为傅立叶级数 输入信号 是一个有直流偏置电压 的余弦信号 但不是余弦信号 而是周期性的余弦脉冲信号 取决于和 因此也可用和来表示 非线性电路分析法 补充 折线分析法 第3章高频功率放大电路20 ib ic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 即余弦电流脉冲的表达式 3 2 第3章高频功率放大电路21 3 19b 3 19a 余弦脉冲的分解 3 3 3 4 为导通角 1800 甲类 900 甲乙类 900 乙类 900 丙类 i 各次波的分解系数 第3章高频功率放大电路22 ic 集电极余弦脉冲电流分析 第3章高频功率放大电路23 输出回路 放大器的负载为并联谐振回路 其谐振频率 0等于激励信号频率 时 回路对 频率呈现一大的谐振阻抗 因此集电极电流基波分量在回路上产生电压 对远离 的直流和谐波分量2 3 等呈现很小的阻抗 因而输出很小 几乎为零 因此有 3 5 3 6 第3章高频功率放大电路24 结论 1 icmax ubemax ucemin出现在同一时刻 2 集电极功耗 icuce 很低 效率高 丙类谐振功率放大器的电压 电流波形 第3章高频功率放大电路25 4 高频功放的能量关系 功率与效率电源功率 直流功率 输出功率 基波功率 集电极耗散功率直流电源供给的直流功率P 为 输出功率Po为 集电极损耗功率Pc为 3 7 3 8 3 9 第3章高频功率放大电路26 集电极效率 为 其中 集电极电流波形系数集电极电压利用系数结论 提高效率的两种途径 提高电压利用系数 通过提高谐振电阻实现 同时尽量使放大管工作在极限运用状态 提高波形系数g1 降低导通角 一般取65 75度 使放大器工作在丙类工作状态 3 10 第3章高频功率放大电路27 g1 0 1 2 3 与 的关系 第3章高频功率放大电路28 3 3丙类谐振功率放大器的特性分析 一 晶体管静态特性曲线的折线化 折线化分析 用几条直线近似晶体管的实际特性曲线 然后用数学解析式写出表达式并进行分析的方法 特点 物理概念清晰 方法简单 准确度差 应用 工程实际 第3章高频功率放大电路29 a 静态输出特性曲线 以ube为参变量 ic与uce的关系曲线 如图 由临界线分为饱和区与放大区 3 11 晶体管特性曲线的折线化 a 静态输出特性曲线 第3章高频功率放大电路30 b 静态转移特性曲线 ic与ube的关系曲线 折线化后的直线斜率为 通常为几十 几百mA V 3 12 VBZ 晶体管特性曲线的折线化 b 静态转移特性曲线 第3章高频功率放大电路31 二 高频功放管集电极的动态特性 静态特性 晶体管 基极加上输入信号 集电极没有负载阻抗的条件下 集电极电流与基 射电压和集 射电压的关系 即输出特性曲线 动态特性 基极加上输入信号并且集电极接上负载阻抗后 随输入信号的变化 集电极电流与基 射电压和集 射电压的关系 可用动态特性曲线来描述 动态特性曲线 功率放大器工作点变化的轨迹 也称动态交流负载线 由集电极电流ic与集电极电压uce曲线构成 第3章高频功率放大电路32 二 高频功放管集电极的动态特性 由于晶体管的静态特性曲线是非线性的 所以实际动态特线性曲线也是非线性的 但可以证明 当静态特性曲线折线化后 且放大器负载处于谐振状态 即负载为纯电阻 则动态特性曲线也为一条直线 当负载回路处于谐振状态时 有 由以上两式可得 3 13 第3章高频功率放大电路33 将 3 13 代入 3 12 有 3 14 3 15 第3章高频功率放大电路34 丙类谐振放大电路的动态特性图 动态特性图如图所示 C 第3章高频功率放大电路35 图中 t 0 ube Eb Ubm ubemaxA点uce Ec Ucm ucemin t 2 ube Eb ubeminQ点uce Ecic gc ube VBZ 0 辅助点Q 实际不存在 t ic 0C点uce Ec Ucm动态曲线 A点 Q点的连线 与横坐标的交点B 第3章高频功率放大电路36 注意 动态线斜率 动态电阻 上式中经简化可得 3 16 3 17 第3章高频功率放大电路37 三 负载特性 及决定了功放的工作状态 当前三者不变时 的变化对功放的功率和效率的影响即称为功放的负载特性 图上直线1 2 3分别是取不同值时的交流负载线 动态特性 当增加时 负载线的斜率将减小 因此负载线将趋于平坦 Q点坐标不变 斜率减小 第3章高频功率放大电路38 负载线2 增加时 也逐渐增加 与临界线交于点 称为临界工作状态 此时依然为尖顶余弦脉冲 负载线3 继续增加 也进一步增加 进入过压工作状态 曲线穿过临界点后 将沿临界线下降 点决定了集电极电流脉冲的高度 为凹顶状脉冲 此时 第3章高频功率放大电路39 在欠压区到临界线之间 随着的增加 和略微减小 因此 和随的增加下降很少 几乎维持常数 而 所以随的增加近似线性增大 过压区 集电极电流呈现凹顶状 并且随着的增加 凹陷程度急剧加深 使得和也急剧下降 而随的增加只有微弱上升 几乎不变 第3章高频功率放大电路40 欠压时功放相当一个理想电流源 过压时相当一个理想电压源 临界状态 最大 也较高 是最佳工作状态 用于发射机末级 过压状态 输出电压较平稳 弱过压时最高 用作中间放大级 欠压状态 和都较低 应用少 特殊 基极调幅 第3章高频功率放大电路41 四 各级电压对工作状态的影响 不变时 改变 因为不变 的变化仅改变点的位置 但不会改变负载线的斜率 即负载线随的变化而发生左右平移 增加 负载线右平移 工作状态由过压欠压 减小 负载线左平移 工作状态由欠压过压 在欠压区 对和的影响很小 在过压区 和随近似成正比 所以 集电极调幅时功放要工作在过压状态 第3章高频功率放大电路42 不变时 改变 增加 增加 即输出特性曲线中最高曲线上移 工作状态由欠压 临界 过压 反之 过压 临界 欠压 Q点坐标不变 当时 第3章高频功率放大电路43 不变时 改变 欠压区 与成线性增加 过压区 由于出现凹顶 尽管增加时会增加 但同时凹陷程度也增加 故增长很缓慢 近似不变 第3章高频功率放大电路44 不变时 改变 因为 增加相当于减小的值 对的影响与正好相反 与关于临界线呈纵轴对称 在过压区 或对的影响很小 在欠压区 或才能有效控制的变化 所以 基极调幅时功放要工作在欠压状态 第3章高频功率放大电路45 五 高频功放的调制特性调制特性 只改变电极直流电压 以改变高频信号的振幅 实现幅度调制 分类 改Eb 基极调制改Ec 集电极调制原则 Ucm与Eb或Ec成线性关系 a 基极调制与Ubm类似 但可为负 Eb大小 过临欠 b 集电极调制Ec大小 欠临过结论 基于原则 基极调制放大器工作在欠压区集电极调制放大器工作在过压区 第3章高频功率放大电路46 高频功放的基极调制特性 高频功放的集电极调制特性 第3章高频功率放大电路47 应用 1 基极调幅它与谐振功率放大器电路的不同仅是在基极回路中接入了调制信号电压 谐振回路上输出已调幅电压 若要求集电极回路上产生振幅按调制信号规律变化的调幅电压 根据基极调制特性 放大器必须在Eb t 的变化范围内工作在欠压状态 2 集电极调幅它与谐振功率放大器电路的不同仅是在集电极回路中接入了调制信号电压 谐振回路上输出已调幅电压 若要求集电极回路上产生振幅按调制信号规律变化的调幅电压 根据集电极调制特性 放大器必须在Ec t 的变化范围内工作在过压状态 第3章高频功率放大电路48 六 高频功放的调谐特性调谐特性 负载电路应工作在调谐状态 方法 调节电容C 回路调谐时 回路阻抗最大 Ic0达到最小 Ucm达到最大 回路失谐时 回路阻抗减小 Ic0增大 Pd增加 P0下降 Pc增加 高频功放的调谐特性 第3章高频功率放大电路49 功率放大器的调谐调谐前 应该作如下准备 减小放大器输入激励电压Ubm 减弱天线回路 外接负载 对放大器的影响 将直流电源电压Ec降至正常值的1 3 1 2 因为减小激励电压和电源电压都可使Pd和Pc减小 减小外接负载 可提高L1C回路的Q值 增大回路的选择性 使调谐更快更准确 同时Q值提高可使相应的输出功率P0提高 从而使Pc减小 以减轻晶体管的压力 待调谐完毕后 再将输入激励电压 外接负载和电源电压调至正常值 第3章高频功率放大电路50 5 四个特性在调试中的应用正如前述 在调试谐振功率放大器时 上述四个特性是十分有用的 例如 一个丙类谐振功率放大器 需要设计在临界状态 现若发现所研制放大器的P0和 均不能达到设计要求 则应如何进行调整 P0不能达到设计要求 表明放大器没有进入临界 而是工作在欠压或过压状态 例如 增大Rp能使P0增大 则根据负载特性可以断定放大器实际工作在欠压状态 在这种情况下 分别增大Rp Ubm和E 或同时增大或两两增大均可使放大器由欠压进人临界 P0和 同时增大 如果增大Rp反而使P0减小 则可断定放大器实际工作在过压状态 在这种情况下 增大E 的同时适当增大Rp或Ubm或E 可增大P0和 不过 增大E 时必须注意放大管安全工作 实际上 放大器的工作状态除改变Rp外还可根据实际情况通过改变E Ubm或E 来进行判断 不过 改变Rp的方法用得较为普遍 顺便指出 不论采用改变哪种电量判断工作状态或调整P0和 时 都必须保证回路谐振在工作频率上 第3章高频功率放大电路51 线路构成 直流馈电线路 提供放大器正常工作所必需的电压偏置 提供集电极电流的直流和基波分量的正常通路 匹配网络 阻抗匹配 使信号高效传送 连接原则 直流有通路 直流支路加共轭电感 并旁路电容 交流有通路 交流支路前端加隔直电容 直流电源 不流过高频电流 一 直流馈电线路直流馈电线路 集电极和基极馈电线路 4 3丙类谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络 第3章高频功率放大电路52 集电极馈电线路两种形式 a 串联馈电 b 并联馈电 1 集电极馈电线路集电极馈电线路的两种形式 串联馈电线路和并联馈电线路 串联馈电线路 晶体管 电源 谐振回路三者串联见图 a 并联馈电线路 晶体管 电源 谐振回路三者并联见图 b 第3章高频功率放大电路53 串馈的特点 a 与 地 间的散杂电容较大 但对回路的影响较小 b 馈电支路分布参数对回路影响小 c 回路处在直流高点位上 安装不便 所以 这种电路适合于频率较高的场合 并馈的特点 a 馈电支路分布参数直接影响信号回路的谐振频率 b 信号回路处于直流低电位上 安装调整方便 c C E间分布参数影响较大 所以 适合于频率较低的场合 第3章高频功率放大电路54 2 基极馈电线路 基极馈电线路 串联和并联两种形式 如左图所示 在实际电路中 工作频率较低或工作频带较宽的功率放大器往往采用互感耦合 如图 a 所示 对于甚高频段的功率放大器 由于采用电容耦合比较方便 所以几乎都是用图 b 的馈电形式 在以上的电路中 偏置电压Vbb都用电池的形式来表示 实际上 单独用电池供给是不方便的 因而实际电路中可采用分压电路的形式 如右图所示 基极馈电线路的两种形式 分压馈电电路 第3章高频功率放大电路