高频功率放大器.doc

高频论文（设计） 摘 要 我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器。同样，在高频范围，为了获得足够大的高频输出功率，也必须采用高频功率放大器。例如，绪论中所示发射机方框图的高频部分，由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。这里所提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。由此可见，高频功率放大器是发送设备的重要组成部分。 -We already know that in the low-frequency amplifier circuit in order to obtain sufficient low-frequency output power, low-frequency power amplifier must be used. Similarly, in the high-frequency range, in order to obtain sufficient high-frequency output power, high-frequency power amplifier must be used. For example, as shown in the Introduction of the high-frequency transmitter block diagram of the transmitter due to the oscillator in the high-frequency oscillations generated by small power, and therefore it must be behind a series of amplification - the buffer level, the middle class to enlarge , at the end of grade-level power amplifier, high-frequency power was sufficient, we will then feed on the radiation from the antenna. Referred to here are the zoom level of the scope of high-frequency power amplifier. This shows that the high-frequency power amplifier is sending an important component of the equipment. 目 录 一 绪论 3 二 简单 介绍高频功率放大器 三 高频功率放大器原理的简单分析； 四 桥式推挽功率放大器的原理及应用 五、参考文献 一 绪 论高频功率放大器是无线电射机的重要组成部分，其用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发射功率的要求，然后经天线将其辐射到空间，保证在一定区域贩的接收机接收到满意的电平信号，并且不相干拢相邻信道的通信，当然这以牵扯到其它知识，如信道的时分复用，频分复用，码分复用等，这里不作深入研究，由于工作在频率高，相对带宽很窄，高频功率放大器通常采用LC谐振网络作为负载构成功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器常工作在丙类状态。二 简单 介绍高频功率放大器高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的了类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进， 使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。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，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至 20000 Hz，高低频率之比达 1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百 kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（5351605 kHz的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络 和工作状态也不同。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得 短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态三 高频功率放大器原理的简单分析；在问题之初我们先信号进行一个分析。工程上在对信号进行处理过程中，为了简化信号特征参数的提取，常对信号进行变换；即从一个时间域转换到令一域，即对信号进行线性变换。信号的基本表达式是以时间为变量的连续函数进行变换已是数学上的问题这里不作研究，仅对前人总结的知识借以利用，对信号进行一个简单的分解。 设有一信号I，我们对它进行一个傅里叶级数的展开： I=A0+I1mcos(wt)+I2Mcos(2wt)+InmCOS(nwt) 由此可以看出，信号可以分解为一个直流分量，一个基波分量，及多次谐波分量。 高频功率放大器的工作原理便是在这一理论基础上进行分析进行的。如图 一个集电极加以LC选频滤波网络，以实现对信号的选频，滤波，及阻抗匹配。 Ui为一正弦输入信号，在实际电路中多为发射机调制好的已调信号，经由高频功率放大器，实现功率放大，最好终完成信号的发送过程。 Vbb,Vcc为基极集电极的直流电源，因高频功率放大器为实现其工作目的，而工作在丙类状态，由图可知电路的输入电压即晶体管基极与发射极电压，为 Ube=Vbb+Ui=Vbb +UiCOS(wt) 当Ube大于晶体管导通电压时，晶体管导通，因Ube为一余弦交流信号，其波形为一余弦状态变化的波莆，当其变化到Ube（on）之下时晶体管截止，因此集电极产生一个脉冲状波形。为便于分析将其写成傅里叶级数展开式： Ic=IcmCOS(2wt)+Ic2mCOS(2wt)+IcnmCOS(nwt) 集电极接一LC谐振回路，保证其谐振频为Ic的基波分量频率相同，使谐振回路在集电极电流Ic的基波分量的频率上发生谐振。回路因其选频滤波特性将其他多次谐振分量滤除。直流分量通过电感线圈流过，因电感线圈内阻很小，近似的看作短路，直流分量近似无损耗流通。因谐振回路谐振时等效为纯电阻，设谐振电阻为Re,Ic在谐振频率上产生压降，因此Uc=-ReIc1Mcos(wt)=-UcmCOS(wt), Ucm=ReIc1m至此我们便可得到高频功率放大器的输出电压。 Uce=Vcc+Uc=Vcc-UcmCOS(wt) 由式我们可得出组波形，与输入波形相比，我们不难得出如下结论。 利用谐振回路可以不失真的将集电极电流脉冲变换为不失真的余弦电压，相位相差90度。同时谐振回路清寒可以将含有电抗成分的外接负载变为纯电阻。实现阻抗匹配。Ic只有Uce很底的时间内出现，故集电极耗损很小，功率放大器的效率因而较高，而ic导通时间越小，效率就越高。四 桥式推挽功率放大器的原理及应用 OCL功放的效率较高，但由于负载一端接地，故电源的利用率较低。从图1(a)可大体以看到，输入信号Vi的正负周期分别由三极管T1/T2和对应的正负电源向负载提供能量。若电源电压为Vcc，其绝对值为2Vcc，则负载两端得到的最大理想输出电压将不会超过Vcc。如果将负载RL的接地端改接到另外一组相同的OCL功放输出端，如图1(b)所示，这就构成了BTL(桥式推挽)功率放大器。BTL电路充分利用了系统电压，并可以减小开环失真，在采用蓄电池供电、对信噪比要求不是非常严格(如汽车音响)的低压供电中应用非常广泛。 电路中四只功率三极管VlV4组成桥式结构。在静态(Vi=O)时，两组功放的中点电压均为0，负载两端的直流电位相等，没有电流流过RL，此时电桥处于平衡状态。在Vi的正半周，两个输入端信号的相位相反，T1与T4导通，在RL上将得到正半周的功率输出。而在Vi负半周时，T2与T3导通，RL上得到负半周功率。如果忽略所有的三极管管压降，则负载两端将得到2Vcc的最大输出电压，负载的输出功率也由此近似增大为单端输出时的4倍。根据电桥平衡原理，BTL电路左右两臂的三极管T1和T3、T2和T4分别配对即可实现桥路的对称。这种同极性、同型号间三极管的配对显然比互补对管的配对更加容易也更经济，特别适宜制作输出级为分立元件的功放。但由于集成功放的外接元件少，保护功能完备，加之集成芯片内部的差分对管、互补对管的一致性较好，因而实际产品普遍采用的是集成功放来制作BTL功放。集成功放外围电路中与BTL无关的退耦、消振、自举等阻容元件均不能省略，由于BTL输出时功率将成倍增加，故集成功放的散热片还须适当加大，以避免芯片因过热而出现超温保护。个别采用固定增益的集成功放由于增益较高，是不适合用来改装BTL的；对于大多数可以通过改变负反馈环节参数来调节增益的集成功放在改制BTL时，也需要适当降低放大器增益，并在扬声器两端并联RC移相网络以避免电路发生自激。得到与输入信号相位相反的另一路信号是实现BTL的关键，最简单的实现途径是只使用一只电阻，通过串联分压将经第一级同相放大器放大的输出信号衰减后送到另外一组放大器的反相输入端，其电路如图2所示。 该电路结构简单、易于调试，主观听感也不错，但由于A1的输出噪声和失真被引入A2重复放大，将使系统的性能指标变劣。而分压电阻R10相当于给电阻R12并上一只负载，破坏了电路的对称性，会削弱电路抑制共模信号的能力。此外，输入信号被同时加到了功放的同相输