高频电子线路第六章.ppt

6高频功率放大器 2 掌握高频功率放大器的折线近似分析法 3 熟悉高频功率放大器的电路组成原则与匹配网络的计算 4 掌握传输线变压器的工作原理 5 了解倍频器的工作原理 1 掌握高频功率放大器的工作原理 6 理解放大器的欠压 临界 过压三种工作状态 1 功率放大电路的主要特点 输出功率 ABQ功率三角形 允许轻微非线性波形失真 要想Po大 应使Vom和Iom都要大 非线性 大信号 6 1概述 管子工作在接近极限状态 2 要解决的问题 减小失真 线性度 管子的保护 提高输出功率 提高效率 3 提高效率的途径 降低静态功耗 即减小静态电流 a 甲类class Aamplifier b 乙类class Bamplifier c 甲乙类class ABamplifier d 丙类class Camplifier 4 工作状态分类 丙类 C类 放大器的效率最高 但是波形失真也最严重 5 效率与失真矛盾的解决 通过谐振负载 从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号 6 谐振 高频 功放与非谐振 低频 功放的比较 相同 要求输出功率大 效率高线性 大信号 不同 工作频率与相对频宽不同 谐振与非谐振 低频 音频 20Hz 20kHz 高频 射频 以调幅为例 已调信号 AM广播信号 535kHz 1605kHz BW 10kHz 高频窄带信号 7 功放设计中各方面的折中关系 减小失真 线性度 管子的保护 提高输出功率 提高效率 1 丙类导通角 180o 何时最优 遗留问题 2 放大 临界 饱和 何处最优 6 2谐振功率放大器的工作原理 一 获得高效率所需要的条件 丙类工作状态 图6 2 1高频功率放大器的基本电路 1 iC与vBE同相 与vCE反相 2 iC脉冲最大时 vCE最小 3 导通角和vCEmin越小 Pc越小 电流 电压波形 二 功率关系 直流功率 输出交流功率 集电极效率 电压利用系数 波形系数 6 3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法 0 为了对高频功率放大器进行定量分析与计算 关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1 最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角 c的关系 以便于电路设计和调试时 对放大器工作状态的选择指明方向 考虑到谐振功率放大器工作于丙类 非线性 大信号 状态 采取图解法与数学解析分析相折中的办法 折线近似分析法 一 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 图6 3 1晶体管的输出特性及其理想化 iC gcrvCE 图6 3 2晶体管静态转移特性及其理想化 iC gc vBE VBZ vBE VBZ 集电极余弦脉冲电流 iC gc vBE VBZ vBE VBZ gc Vbmcos t VBZ VBB gcVbm cos t cos c gcVbm 1 cos c 当 t 0时 iC iCmax 取决于脉冲高度iCmax与通角 c 当 t c时 iC 0 二 集电极余弦电流脉冲的分解 由傅里叶级数求系数 得 波形系数 分析基波分量Icm1 集电极效率 c和输出功率Po随通角 c变化的情况 从而选择合适的工作状态 尖顶脉冲的分解系数 当 c 120 时 Icm1 iCmax最大 在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下 输出功率将达到最大值 但此时放大器处于甲乙类状态 效率太低 图6 9尖顶脉冲的分解系数 由曲线可知 极端情况 c 0时 如果此时 1 c可达100 为了兼顾功率与效率 最佳通角取70 左右 分析基波分量Icm1 集电极效率 c和输出功率Po随通角 c变化的情况 从而选择合适的工作状态 三 高频功率放大器的动态特性与负载特性 因此 下面分析四个参数Rp和电压VCC VBB Vbm的变化对工作状态的影响 即谐振功放的动态特性 从而阐明各种工作状态的特点 为工作状态的调整提供参考 集电极效率 c和输出功率Po能否最佳实现 最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压VBB Vbm VCC 1 高频功放的动态特性 通过折线近似分析法定性分析其动态特性 首先 建立由Rp和VCC VBB Vbm所表示的输出动态负载曲线 2 高频功放的负载特性 vbe 过压区 临界区 欠压区 过压区 临界区 欠压区 结论 欠压 恒流 Vcm变化 Po较小 c低 Pc较大 过压 恒压 Icm1变化 Po较小 c可达最高 临界 Po最大 c较高 最佳工作状态 发射机末级 中间放大级 图6 3 7负载特性曲线 四 各极电压对工作状态的影响 1 改变 CC对工作状态的影响 集电极调幅作用是通过改变VCC来改变 cm1与 o才能实现的 因此 必须工作于过压区 2 改变 bm对工作状态的影响 3 改变 BB对工作状态的影响 基极调幅作用是通过改变 BB来改变 cm1与 o才能实现的 因此 必须工作于欠压区 VBB绝对值增加等效于减少Vbm 两者都会使vbemax产生相同的变化 五 工作状态的计算 估算 举例 例6 3 1有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器 设已知 CC 24 工作频率 MHz 试求它的能量关系 由晶体管手册已知其有关参数为f 70MHz Ap 功率增益 13dB Cmax 750 CE sat 集电极饱和压降 1 5 CM W 解 由前面的讨论已知 工作状态最好选用临界状态 作为工程近似估算 可以认为此时集电极最小瞬时电压 2 解 3 选 c 70o 4 未超过电流安全工作范围 5 6 7 8 9 6 4晶体管功率放大器的高频特性 图6 4 1在低频和高频工作时的发射极电流脉冲波形 图6 4 2晶体管在高频大信号工作时各极电流脉冲波形的关系 晶体管高频工作时的特点 发射极电流出现负脉冲 而且主脉冲高度有所下降 发射结的有效激励电压小于外加激励电压 集电极电流减小 集电极电流基波分量落后于激励电压 输入与输出电压的相位有附加相移 基极电流直流分量减小 甚至可能出现反向直流电流 各极电流不能从晶体管的静态特性曲线求出 6 5高频功率放大器的电路组成 一 馈电线路 以上的高频功率放大器的电路仅仅是其原理图 欲使高频功率放大器正常工作于丙类某一最佳状态 与小信号谐振放大器同样 必须有正确的直流通路和交流通路 除此之外 还要尽量减少功率传输中的损耗 这就涉及其馈电线路的实现问题 图6 5 1对不同频率电流的等效电路 图6 5 2集电极电路的两种馈电形式 图6 5 2集电极电路的两种馈电形式 注意 直流电源一端必须接地 图6 5 3基极馈电的两种形式 图6 5 3几种常用的产生基极偏压的方法 二 输出 输入与级间耦合回路 图6 5 5放大器与负载之间用四端网络耦合 1 输出匹配网络 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配 以保证放大器传输到负载的功率最大 即它起着匹配网络的作用 抑制工作频率范围以外的不需要频率 即它应有良好的滤波作用 有效地传送功率到负载 但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离 互不影响 图6 5 6复合输出回路 虽然阻抗变换网络类型很多 但是 都可以等效成一个标准的并联谐振回路 下面就等效成的标准并联谐振回路分析其功率传输效率 图中 r 为等效到谐振回路的负载电阻 r1为谐振回路本身的损耗电阻 图6 5 10晶体管等效电路 2 输入匹配网络与级间耦合网络 中间放大级工作于过压状态 此时它等效为一个理想电压源 其输出电压几乎不随负载变化 以稳定激励电压为目的 中间级应采取措施 图6 5 11输入匹配网络举例 6 8宽带高频功率放大器 现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术 以便于迅速转换工作频率 为了满足上述要求 可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器 它不需要调谐回路 就能在很宽的波段范围内获得线性放大 最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器 宽带变压器有两种形式 一种是利用普通变压器的原理 只是采用高频磁心 可工作到短波波段 另一种是利用传输线原理与变压器原理二者结合的所谓传输线变压器 这是最常用的一种宽带变压器 图6 8 1低频变压器及其频率特性示例 1 低频变压器频率特性 2 展宽变压器工作频带的措施 1 尽量减小线圈的漏电感与分布电容 将初 次级线圈绕在环形铁氧体的磁芯上 匝数要少 匝间距离要大 2 减小磁芯的功率损耗 采用高频铁氧体作磁芯 3 为了展宽低频响应 要求初级线圈的电感大 采用高磁导率磁芯 加大环形磁芯截面积 适当增加匝数 图6 8 21 1传输线变压器 3 传输线变压器 传输线绕在高磁导率的铁芯磁环上 磁芯用高频铁氧体磁环 特点 初 次级都有一端接地 1 4或2 3 由信号源端1 3看来的阻抗等于负载阻抗 输出电压与输入电压大小相等 方向相反 即为1 1阻抗方向变压器 4 变压器的工作模式 1 传输线模式 2 变压器模式 每个线圈中通过大小相等 方向相反的电流 磁芯中的磁场相互抵消 磁芯无功率损耗 线圈中有激励电流 并在磁芯中产生公共磁场 磁芯有功率损耗 图6 8 3 4传输