第2章 高频功率放大器5.ppt

第2章高频功率放大器 任务 实现高频信号的功率放大 窄带高频功率放大器 以LC并联谐振回路作负载 又称为谐振功率放大器 原理组成 谐振功率放大器是如何工作的 那些参数直接关系到它的效率和输出功率 目标 达到高效率 大功率 高稳定性输出 实现方法 如何保证上条件得到满足 直流馈电和输出匹配网络 分析 在什么条件下能实现高效率和高功率输出 关键问题 与器件功耗联系的功率管温升受限 本章内容 2 1谐振功率放大器基本工作原理2 2丙类功率放大器的工作状态分析2 3谐振功率放大器的高频特性2 4谐振功率放大器电路2 5高效率高频功率放大器及功率合成技术 2 1谐振功率放大器基本工作原理 功率放大器与信号放大器的异同点 共同点 放大器 在结构上相似 不同点 器件 工作状态 低频信号放大器工作于甲类或乙类 高频功放工作于丙类甚至于丁类 效率大为提高 负载特性 低频信号放大器工作频率低 一般用非调谐回路作负载 通过变压器或直接耦合 高频功放工作频率高 相对带宽较窄 因此用谐振回路作负载 分析方法 低频信号放大器利用晶体管实际特性图解分析 比较准确 高频功放输出电流ic为脉冲电流 因此用折线近似法 2 2 1谐振功率放大器的电路组成 图2 1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理电路 图2 1谐振功率放大器原理电路 设输入信号为 则由图2 1得基极回路电压为 2 1 1 设三极管发射极的导通电压为UB 在时 iC 0 只有在uBE UB 时 集电极才有电流输出 iC gm uBE UB 所以集电极电流将是余弦脉冲 2 1 2 图2 2丙类工作情况的输入电压 集电极电流波形 2 1 2工作原理 集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路 谐振角频率 0等于输入信号的角频率 回路两端的电压 uc 晶体管集射极间的电压 ub iC ic1 uc uCE之间的时间关系波形如图2 3所示 90o 丙类工作状态 90o 乙类工作状态 180o 甲类工作状态 图2 3电流 电压波形 由图可见 虽然集电极电流为脉冲 但由于LC并联谐振回路的选频滤波作用 集电极电压仍为余弦波形 且uCE与uBE反相 另外 已知集电极电流iC中有很多谐波分量 如果将LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上 即 0 n 则在回路两端将得到 n的电压uc IcnmRencos n t 的输出信号 它的频率是激励信号频率的n倍 所以这种谐振功率放大器称为倍频器 2 1 3高频谐振功率放大器中的能量关系高频平均功率直流输入功率 直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率PC 即 定义集电极效率 C为波形系数集电极电压利用系数 可知 当Po一定时 减小PC可提高 C PC可表示为 2 1 12 因此 减小iC uce及导通角 可减小PC 由图2 3可看出 iC的最大值与uce的最小值对应 通角 越小 iC越集中在ucemin附近 集电极损耗也就越小 丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看 由 提高效率 1 减小导通角 2 减小ucemin 2 1 13 可见 当晶体管允许损耗功率PC一定时 C越高 输出功率Po越大 在高频功率放大器中 提高集电极效率的同时 还应尽量提高输出功率 因为 例1 某谐振功率放大器 已知Ec 24V 输出功率Po 5W 晶体管集电极电流中的直流分量Ico 250mA 输出电压幅值Uc 22 5V 试求 直流输入功率PE 集电极效率 c 谐振电阻Re 基波电流IC1m 解 直流输入功率PE Ico Ec 6 w 集电极效率 c Po PE 83 谐振电阻Re Uc2 2Po 50 6 基波电流IC1m Uc Re 445 mA 分析方法 解析法 简单 概念清楚 可给出定量的近似结果 图解法 形象直观 但要获得定量的结果比较麻烦 2 2 1解析分析法 两处近似 a 理想化的转移特性 b 理想化的输出特性 2 2丙类谐振放大器的工作状态分析 晶体管工作在放大区晶体管工作在截止区晶体管工作在饱和区 当ic 0时的导通角 满足 集电极余弦脉冲电流的解析表示式为 0 1 n 分别称为余弦脉冲的直流 基波 n次谐波的电流分解系数 图2 5余弦脉冲分解系数与 的关系曲线 波形系数 2 2 2动特性曲线 图解分析法小信号电压放大器仅仅在放大区工作 负载是纯电阻 因此可近似等效为一个线性元件 小信号电压放大器瞬时工作点的轨迹就是负载线 是一条直线 谐振功率放大器不是仅工作在线性区 各个区的特性曲线方程不同 因此各个区域工作点的移动规律也不同 工作点的轨迹就不是一条直线 所以瞬时工作点的轨迹称为动特性曲线 iC uCE 已知放大区集电极电流表示式为 又根据uCE EC Ucmcos t写出 所以 动特性曲线在放大区部分是直线 在取iC 0时 得到线性区的另一点A 对应的 t 在 t 0时 有 对应于输出特性上的C点 在谐振功率放大器的输出特性上求出的两个瞬时工作点 就得到在放大区的动特性曲线 t继续增加时 就表现为非线性 集电极电流维持为0 但集电极电压继续增大 瞬时工作点在横坐标轴上向右移动 图2 6动特性曲线与集电极电流波形 动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与电压uCE的关系曲线 它在输出特性上iC uCE 转移特性上iC uBE 是一条折线 当 t 2时 瞬时工作点为EC点 当 t 时 瞬时工作点为D点 虽然动特性是折线 晶体管输出电流时余弦脉冲 但放大器输出电压是完整的余弦波形 2 2 3谐振功率放大器的工作状态1 欠压状态 C点在放大区 余弦脉冲高度最大 但Ucm比较小2 临界状态 C点在放大区与饱和区的边界上 余弦脉冲高度同上 Ucm接近最大3 过压状态 C点在饱和区 集电极电流波形出现凹陷明显下降 Ucm略大于临界状态 谐振功率放大器的工作状态是根据瞬时工作点C在动特性曲线上所处位置来确定的 谐振功率放大器的输出功率和效率由EB Ubm EC Re UB 和gm六个参量决定 图2 7三种状态下的动特性及集电极电流波形 要点回顾 关键问题原理结构负载不同实现高效率的方法 导通角如何实现高功率与高效 三极管的工作状态 解析分析法 导通角 最大电流的表达式动特性曲线 四点 从输出特性上寻找同时实现高功率与高效的状态放大器的工作状态由六个参数确定 对应着一动特性曲线 S Eb Ubm Ec Re gm UB 需要记住的四个图 结构 输入输出 电压 电流 三极管特性 动特性曲线负载特性 2 2 4负载特性 负载特性是指当保持EC EB Ubm不变而改变Re时 谐振功率放大器的电流IC0 Ic1m 电压Ucm 输出功率Po 集电极损耗功率PC 电源功率PE及集电极效率 C随之变化的曲线 图2 8电流波形随Re的变化及其负载特性 a 电流波形 b c 负载特性 Recr称为临界电阻 此时输出功率最大 所以临界状态为最佳工作状态 功放一般工作在临界或弱过压状态 处于过压状态时 三极管会工作在那几个区 高频功放三种工作状态的特点 表2 1三种工作状态的比较 2 2 5EC EB Ubm对谐振功率放大器性能的影响 集电极调制特性 集电极调制特性是指当保持EB Ubm Re不变而改变EC时 放大器电流 电压 功率及效率的变化特性 集电极调幅时 谐振功放工作于过压区 图2 9集电极调制特性 2 基极调制特性 基极调制特性是指当保持EC Ubm Re不变而改变EB时 放大器电流 电压 功率及效率的变化特性 在基极调制特性中 应选择在欠压状态工作 3 放大特性 放大特性是指当保持EC EB Re不变而改变Ubm时 放大器电流 电压 功率及效率的变化特性 4 高频功放的调谐特性高频功放的外部电流ICO IC1和电压UC等随回路电容C的变化特性称为调谐特性 利用这种特性可以指示放大器是否调谐 高频功率放大器的调谐特性 例2某高频功率放大器 当输入时 作出的动特性如图中ABC所示 已知功放管临界饱和线的斜率Scr 1 5S 试解答以下问题 1 判断功放工作于何种工作状态 2 计算Ec Ucm EB Ubm Po Pc及 3 画出输出的波形 4 为获得最大输出功率 应如何调整谐振电阻Re 并求出此时的Recr Pomax 例3 某谐振功率放大器 EB 0 2V UB 0 6V Scr 0 4S Ec 24V Re 50 Ubm 2V Po 1W 试求 Ucm icmax 并判断放大器工作于什么状态 例4 某谐振功率放大器 Ec 30V Scr 1 5S 若要求导通角为70o 最大输出功率Po 20W 试问 1 功放应调整在什么状态 此时Re 2 功放管的效率和功耗各为多少 3 若将负载减小一半或增大一倍 输出功率 4 若将输入电压减小一半或增大一倍 则功放的工作状态和输出功率分别有何变化 要点回顾 四个特性 负载 集电极和基极调制 放大特性 由输出特性的动特性曲线 特性参数 2 3谐振功率放大器的高频特性 1 基区的渡越时间效应晶体管本质上是电荷控制器件 少数载流子的注入和扩散是晶体管能够进行放大的基础 少数载流子在基区扩散到达集电极 形成集电极电流iC 需要的时间称为载流子渡越时间 当工作频率较高时 即渡越时间可以与信号周期相比拟时 集电极电流iC比iB iE均要落后一相角 且由于电子运动不规则 引起渡越的分散性 从而造成集电极脉冲电流峰值减小 脉冲展宽 最终导致Ic1m减小 输出功率P0减小 集电极效率降低 载流子渡越效应对电流波形的影响 a 低频时 b 高频时 影响当频率增高时 由于iC的最大值下降且滞后于iE 因此使iB增大 将导致ib1m增大 发射结的阻抗显著减少 的影响相对增大 最终导致加在发射结的有效输入电压下降 若要求加在发射结的输入电压保持不变 必须使基极的输入电压增加 从而输入功率增大 功率增益下降 3 饱和压降的影响工作频率升高加上大注入的影响 将使功率管的饱和压降uCES增大 工作频率为几十兆赫时 uCES 3V 工作频率为几百兆赫时 uCES 5V 在EC相同时 导致集电极临界输出电压ucmcr减少 从而使放大器的输出功率 效率 功率增益均相应减小 晶体管的饱和特性 4 引线电感 极间电容的影响 在共射极放大电路中 发射极引线电感的影响最为严重 因为发射极电流在其上产生的反馈电压将导致增益和输出功率的下降 极间电容将使输入阻抗减小 寄生反馈增加 造成放大器工作不稳定 在设计谐特功率放大器时 必须选取特征频率远高于工作频率 以保证正常工作 2 4谐振功率放大器电路 2 4 1直流馈电线路1 馈电原则直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路 集电极馈电线路 集电极电流iC中的直流分量ICO只流过集电极直流电源EC 谐振回路两端仅有基波分量压降 外电路对高次谐波分量ICn呈现短路 基极馈电线路 基极电流中的直流分量IBO只流过基极偏置电源EB 基极电流中的基波分量Ib1只流过输入端的激励信号源 2 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 图2 14 b 中晶体管 电源 谐振回路三者是并联连接的 故称为并联馈电线路 图2 14集电极馈电线路 a 串联馈电形式 b 并联馈电形式 串馈与并馈的特点并馈的优点 谐振回路两端处于直流地电位 因而调整方便 并馈的缺点 馈电线路元件LC CC1处于高频高电位 因而分布电容直接影响谐振回路的谐振频率 串馈的优点 线路简单 馈电元件处于高频地电位 分布电容不影响谐振回路的谐振频率 串馈的缺点 谐振回路处于直流高电位 回路调整不方便 维护使用不安全 3 基极馈电线路 基极馈电线路也有串联和并联两种形式 基极的负偏压既可以是外加的 也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生 1 串联馈电 2 并联馈电 3 偏压EB的获得 正的EB可用EC分压获得 但分压电阻数值应大些 以减小分压电路的功耗 负偏置电压不给出能量 只消耗能量 可用自给偏置电路获得 自偏置分为基极自给偏置及发射极自给偏置 自给偏置电路提供的偏压数值会随输入信号幅度Ubm而变化 自给偏压效应能使放大器工作状态变化小 因而能自动维持放大器的工作稳定 2 4 2输出匹配网络 输出匹配网络介于功率管和外接负载之间 该双端口网络应具有这样的几个特点 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 以保证外接负载上输出高频基波分量最大 滤波性能用滤波度 n表示 2 匹配网络具有阻抗变换作用 即把实际负载ZL的阻抗转变为纯阻性 且其数值等于谐振功率放大器所要求的负载电阻值 以保证放大器工作在设计的临界状态 3 匹配网络应能将功率管给出的信号功率高效率传输给外接负载RL上 即要求匹配网络的效率 称为回路效率 k 高 4 在有n个电子器件同时输出功率的情况下 应保证它们都能有效地传输功率给公共负载 同时又要尽可能地使这几个电子器件彼此隔离 互不影响 实际的匹配网络 滤波度 n和回路效率 k是矛盾的 一般应兼顾考虑 并联谐振回路型输出匹配网络电路如图 只要谐振回路的Q值足够大 它就具有很好的滤波作用 调整抽头位置或初 次级匝数比 可完成阻抗变换 例5谐振功放电路如图 a 要求工作状态如图 b 已知RL 100 f0 30MHz B 1 5MHz C 100pF EC 12V N1 N2 60匝 求 N3 N1 N2 特性阻抗 动特性曲线对应的状态 例6某谐振功率放大器及其动特性如图所示 图中 N1 20匝 N2 10匝 RL 90 测得该功放的集电极效率 60 1 确定放大器的工作状态 2 求Po Pc PE 3 若要使输出功率达到最大 试问电感抽头A点应如何改变 设一放大器以简单并联振荡回路为负载 输入信号中心频率f0 20MHz 回路电容C 40pF 回路品质因数为Q 200 试计算回路的电感 谐振电阻和带宽 解 1 工作在欠压状态 2 由动特性曲线CBD知 2UCm 30 6 UCm 12V 抽头接入系数 p 1 3 Re p2RL 10 3 因为负载电阻小于临界电阻 所以需要增大接入系数使晶体管工作在临界状态 在临界状态时 输出电压幅值 2 滤波器型匹配网络常用的LC匹配网络有L型 T型 型 1 串 并联阻抗转换 总阻抗不变 其中 2 L型匹配网络 当真实负载rA Re时的匹配方法 先串联电感 进行串并转换 再并联电容抵消感抗 L I型网络 电感与电容的设计 谐振时 应有Xp Xc 0 并联电容 对于rA Re情况 L II型网络 谐振时感抗等于容抗 串联电感 当rA稍小于 或大于 Re时 由 回路的Q值将很低 不能满足集电极负载的要求 当rA稍小于Re时 要满足变换前后阻值相差不大 同时又有较高的Q值 可用一个低阻高阻变换网络和一个高阻低阻变换网络级联 这就是T型网络 对rA稍大于Re情况 与上类似 可用一个高阻低阻变换网络和一个低阻高阻变换网络级联 这就是 型网络 L型网络简单 但阻抗匹配时 回路的Q值就确定了 当阻抗变换比不太大时回路Q值低 滤波性能差 需采用T型 型匹配网络 T型 型匹配网络可看成二个L型网络的级联 T型网络的输入端有近似串联谐振回路的特性 一般不作为功放的输出电路 而常作为功放的级间耦合电路 2 4 3高频功放的实际线路举例 下图 a 是工作频率为50MHz的晶体管谐振功率放大电路 它向50 外接负载提供25W功率 功率增益达7dB 50MHz谐振功放电路 LC 2 5高效率高频功率放大器及功率合成技术 在丙类高频功放中 管子工作在放大 截止区 提高集电极效率是靠减小集电极电流导通角来实现的 当 0时 UCE 0 管耗 0 很明显此时输出功率 0 要降低UCE就要使管子饱和导通 所以饱和导通 截止 这就要求大信号输入 2 5 1高效高功率放大器 丁类高频功率放大器 下图是电压开关型丁类放大器的原理线路和波形图 线路通过高频变压器T1 使两只NPN晶体管V1 V2获得相位相反的大激励电压 图2 26电压开关型丁类功放