第5章 高频功率放大器.ppt

通信电子线路 中国民航大学电子信息与自动化学院 陈敏 minszu 126 co第五章高频功率放大器 本章内容 5 1概述5 2谐振功率放大器工作原理5 3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析5 4谐振功率放大器的计算5 5谐振功率放大器的高频特性5 6谐振功率放大器电路5 7宽带高频功率放大器与功率合成技术 5 1概述 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 由于采用谐振回路作负载 解决了大功率放大时的效率 失真 阻抗匹配等问题 因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器 5 1概述 2 功率信号放大器使用中需要解决的两个问题 高效率输出 高功率输出联想对比 谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器 谐振功率放大器与低频功率放大器 5 1概述 3 谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器的异同相同之处 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电路不同之处 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 5 1概述 4 高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处相同之处 都要求输出功率大和效率高 不同之处 工作频率与相对频宽不同放大器的负载不同放大器的工作状态不同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换为交流能量 能量转换的能力即为功率放大器的效率 功率放大器的主要指标是输出功率和效率 5 1概述 5 功率放大器的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 这二类放大器是工作在开关状态谐振功率放大器通常工作在丙类 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 1概述 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号 其工作状态通常选为丙类工作状态 为了不失真放大信号 它的负载必须是谐振回路 非谐振功率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谐振功率放大器的分析方法 图解法和解析法 5 2谐振功率放大器工作原理 谐振功率放大器的工作频率范围划分低频区 0 5 中频区 0 5 0 2 T高频区 0 2 T低频区工作时晶体管的影响因素少 分析方法比较成熟 不用考虑分布参数的影响 因此本书主要从低频区分析计算高频功率放大器的工作原理 一 获得高功率条件由前述所知 功率放大器的作用原理是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 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 5 2谐振功率放大器工作原理 由上式可以得出以下两点结论 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 2 由式可知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 如何减小集电极耗散功率Pc呢 晶体管集电极平均耗散功率 可见使ic在ec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 5 2谐振功率放大器工作原理 5 2 1谐振功率放大器的原理及电压电流波形 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 故晶体管的转移特性曲线表达式故得 5 2 1谐振功率放大器的原理及电压电流波形 半流通角 通角 必须强调指出 集电极电流ic虽然是脉冲状 但由于在集电极电路内采用的是并联谐振回路 因此谐振回路的这种滤波作用仍然能得到正弦波形的输出 5 2 1谐振功率放大器的原理及电压电流波形 2 谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示 图6 5高频功率放大器中各部分电压与电流的关系 5 2 1谐振功率放大器的原理及电压电流波形 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 电容通过电感放电 下一周期到来重复以上过程 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 LC回路的能量转换过程 图6 6LC回路能量转换过程 谐振功率放大器特点 1 用来放大窄带高频信号 通带宽度只有中心频率的1 2 工作于丙类工作状态 c 90 3 负载必须是LC谐振回路 4 基极偏置电压为负值 电流是尖顶余弦脉冲 5 放大器属于非线性电路 不能采用等效电路进行分析 采用折线近似分析法 功率放大器的作用原理是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 这种转换不可能是百分之百的 因为直流电源所供给的功率除了转变为交流输出功率的那一部分外 还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 为了表示晶体管放大器的转换能力引入了集电极效率 设 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 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 集电极效率两点结论 1 设法降低集电极耗散功率2 维持不超过规定值 例 由此可见 提高效率对输出功率有极大的影响 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 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 如何减少集电极功率 如果使ic只有在vCE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 由此可见 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 ic的流通角小于1800 即为丙类工作状态 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 二 功率关系式集电极电流脉冲的傅立叶展开级数直流电源功率为回路基频功率 交流功率 为 回路两端的基频电压 基频电流 谐振电阻 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 放大器集电极效率 集电极电压利用系数 波形系数 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 故谐振功率放大器的工作特点 越大 即Vcm越大或ecmin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的途径为 1 减小 c角 2 使LC回路谐振在信号的基频上 即ic的最大值应对应ec的最小值 故谐振功率放大器的工作特点 放大高频大信号 属于非线性工作状态 基极偏置为负值 半通角 c 90 即丙类工作状态 电流脉冲是尖顶余弦脉冲 负载为LC谐振回路 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 晶体管的内部特性为 晶体管外部电路关系式为 因此集电极电流为 当时 即集电极电流为0 得到 当时 因此集电极电流为 因此尖顶余弦脉冲的解析式为 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 将尖顶脉冲分解为傅立叶级数 由傅立叶级数求得系数 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 由傅立叶级数求得系数 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 由上图可以看出 1的最大值为0 535 此时 c 120 虽然此时基波电流和输出功率达到最大 但是处于甲乙类状态放大器的集电极效率很低 5 2 2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率 由上图曲线可以看出 1 越小 就越大 2 在时 达到最大值 3 如果电压利用系数 则可达100 但此时 没有功率输出 4 当 c 120 时 功率输出最大 但是又嫌太小 放大器的效率太低 5 为了兼顾功率与效率 最佳通角 c 70 5 3高频功率放大器的动态特性和负载特性 特性曲线的理想化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 放大区 集电极电流只受基极电压的控制饱和区 集电极电流只受集电极电压的控制 5 3高频功率放大器的动态特性和负载特性 转移特性方程可写为 5 3高频功率放大器的动态特性和负载特性 输出特性曲线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 5 3高频功率放大器的动态特性和负载特性 若临界线的斜率为gcr 则临界线方程可写为ic gcrVCEgc 转移我方程的斜率 gcr 临界线的斜率 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 gc称为跨导 一般约为几十至几百ms 5 3高频功率放大器的动态特性和负载特性 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 此时为欠压或者临界状态 当晶体管处于过压状态时 电流余弦脉冲为凹顶脉冲 欠压工作状态 过压工作状态 欠压工作状态 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 谐振功率放大器的动态特性晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的 例如 维持集电极电压vC不变 改变基极电压vB 就可求出ic vB静态特性曲线族 如果集电极电路有负载阻抗 则当改变vB使ic变化时 由于负载上有电压降 就必然同时引起vC的变化 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 如果VCC VBB vb3个参变量不变 则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定 此时 放大器的电流 输出电压 功率 效率等随Rp而变化的特性 就叫做放大器的负载特性 动态特性是和静态特性相对而言的 在考虑负载的反作用后 所获得的与的关系曲线就叫做动态特性 曲线 最常用的是当同时变化时 表示关系的动态特性曲线 有时也叫做负载线或者工作路 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 动态特性曲线是在晶体管的特性曲线上画出的谐振功率放大器瞬时工作点的轨迹 小信号电压放大器是纯电阻负载 晶体管仅仅在放大区工作 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 谐振功率放大器是非线性工作 各个区域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 所以称其为动态特性曲线 以示与负载线的区别 5 3高频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 其外部电路关系为 得 又知晶体管折线方程 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 可得出在坐标平面上的动态特性曲线方程为 其中动态特性曲线的斜率为负值 它的物理意义 从负载方面来看 放大器相当与一个负电阻 亦即其相当于交流电能发生器 可以输出电能至负载 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 在坐标平面上的动态特性曲线与相应的波形 动态特性直线的做法 方法1 在 C轴上取B点 使OB V0 从B点作斜率为gd的直线BA 则BA即为动态特性 方法2 1 由 求得静止点虚拟电流IQ 即 从而得到Q点 2 由求得A点 3 连接A Q两点 即得到动态特性直线 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 2 功率放大器的负载特性动态特性曲线的斜率与负载阻抗有关 负载阻抗越大 其交流输出电压越大 负载线的斜率gd越小 因此放大器的工作状态随负载的不同而变化 当等维持不变时 改变会引起集电极电流脉冲的变化 同时引起等的变化 各个电流 电压 功率与效率等随而变化的曲线就是负载特性曲线 负载特性曲线是高频功率放大器的重要特性之一 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 集电极电压 电流随负载变化的波形 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 上图为集电极电压 电流随负载变化的波形 放大器的输入电压一定 其最大值为 在负载电阻由小至大变化时 负载线的斜率由大变小 即由图中1线至3线 不同的负载 放大器的工作状态是不同的 所得到的波形 输出交流电压幅值功率和效率也不一样 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 根据Rp与VBmax相交在不同区域 可分为三种工作状态1 欠压工作状态如动态特性曲线1 其代表较小 因而也较小的情形 它与静态特性曲线的交点决定了集电极电流脉冲的高度 此时电流波形为尖顶余弦脉冲 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 2 临界工作状态如动态特性曲线2 随着的增加 动态线斜率逐渐减小 输出电压则逐渐增加 直到它与临界线OP 静态特性曲线相交于时 放大器就工作于临界状态 此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 3 过压工作状态随着的继续增加 动态线斜率继续逐渐减小 输出电压则继续逐渐增加 动态特性曲线穿过临界点后 电流将沿着临界线下降 因此集电极电流脉冲呈现为凹顶状 动态特性曲线3与临界线相交于决定脉冲高度 由曲线3与静态特性曲线延长线的交点做垂线 交临界线于 的纵坐标即为电流脉冲下凹的高度 此时电流波形为凹顶余弦脉冲 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 负载特性曲线从上面动态特性曲线随变化的分析可以看出 由小到大 放大器的工作状态由欠压变到临界再进入过压 相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲 电流波形随的变化及其负载特性 增大 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 在欠压区至临界线的范围内 当逐渐增大时 集电极电流脉冲的最大值以及导通角的变化不大 增加仅使略有减小 因此几乎维持常数 仅随的增加略有下降 在进入过压区域后 集电极电流脉冲开始下凹 而且下凹程度随着的增大而急剧加深 导致也急剧下降 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 随增加的变化曲线 1 在欠压区由于变化很小 因此随的增加而直线上升 2 在过压区由于随的增加而显著下降 因此随的增加而很缓慢地上升 近似地说 欠压时几乎不变 过压时几乎不变 负载特性曲线 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 功率与效率曲线 1 直流输入功率 由于不变 因此曲线与曲线的形状相同 2 交流输出功率 因此的曲线可以从与两条曲线相乘求出来 3 集电极耗散功率 故曲线可由与曲线相减而得 在欠压区内 当减少时 上升很快 当时达到最大值 可能使晶体管烧坏 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 集电极效率 1 在欠压时 变化很小 所以随的增加而增加 2 到达临界时 开始时因为的下降没有下降快 因而继续增加 但增加得比较缓慢 随着的继续增加 因的急剧下降而下降 因而略有减小 由此可知 在靠近临界的弱过压状态出现的最大值 负载特性曲线 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 三种工作状态的特点 1 临界状态优点 输出功率最大 也较高 可以说是谐振功率放大器最佳工作状态 主要用于发射机末端 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 2 过压状态优点 当负载阻抗变化时 输出电压比较平稳 在弱过压时 效率可达最高 但输出功率有所下降 经常用于需要维持输出电压比较平稳的场合 例如发射机的中间级放大器和集电极调幅 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 3 欠压状态输出功率与效率都比较低 而且集电极消耗功率大 输出电压又不够稳定 因此较少采用 但在某些场合 例如基极调幅就是利用了改变使电路工作于欠压状态 三种工作状态的比较 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 集电极电压对工作状态的影响指当保持不变而改变时 功率放大器电流以及功率 效率随之变化的曲线 由于不变 所以当由小增大时也将由小增大 因而由决定的瞬时工作点将沿这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动 工作状态由过压变到临界再进入欠压 波形由较小的凹陷脉冲变为较大的尖顶脉冲 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 集电极电压 电流随负载变化的波形 对工作状态的影响 过压 临界 欠压 0 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 由于 因而可以从已知的得出随变化的曲线 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 基极电压对工作状态的影响当保持不变而改变时 功率放大器电流以及功率 效率随之变化的曲线 当由小增大时 即增加时 静态特性曲线向上方平移 因此如果原来工作于临界状态 那么放大器将进入过压状态 反之 当减小时 放大器将进入欠压状态 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 集电极电压 电流随负载变化的波形 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 由于 1 在欠压状态 随着的减小 亦随之减小 2 在进入过压状态 电流脉冲出现凹顶 因此增加时 脉冲振幅虽然增加 但凹陷深度也增大 故的增长缓慢 对工作状态的影响 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 由于 因而可以从已知的得出随变化的曲线 对工作状态的影响 欠压 过压 5 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 由可知 增加等效于减小的绝对值 二者都会使产生同样的变化 因此 只要将增加的方向改为减小的方向 即可以得到当不变 只改变时 各电流与功率的变化规律 1 在过压区 的变化对的影响很小 2 在欠压区 才能有效控制的变化 以临界状态为例 1 求得集电极电流脉冲的两个主要参数和导通角 集电极脉冲高度 5 4谐振功率放大器的计算 2 根据电流脉冲的各谐波分量系数 求得各谐波电流值3 计算谐振功率放大器的功率和效率 5 4谐振功率放大器的计算 4 根据 可求得最佳谐振电阻在临界工作状态时 电压利用系数接近于1 估算时选1 最佳的含义是采用这一负载值时 调谐功率放大器的效率较高 输出功率较大 放大器所要求的最佳负载随导通角变化 导通角小 最佳负载大 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 实际电路中 通过匹配网络和终端负载 如天线 相匹配 5 4谐振功率放大器的计算 例5 3 2由3DA1构成的谐振功率放大器 已知工作频率 试求它的能量关系 查表得晶体管的有关参数 解 系统的工作状态选为临界状态 5 4谐振功率放大器的计算 5 4谐振功率放大器的计算 1 作为工程近似 集电极最小瞬时电压于是2 由于 5 4谐振功率放大器的计算 3 选取 查表得4 在安全电流范围内 5 5 4谐振功率放大器的计算 5 功率由功率增益的定义 所需要的激励功率为 5 4谐振功率放大器的计算 例5 3 3某晶体管谐振功率放大器 电压利用系数 输出功率试求电源供给功率 集电极耗散功率 集电极电流基波振幅 最大值与通角 若偏压 求基极输入信号电压的振幅 解 5 4谐振功率放大器的计算 由于 因此查表得 5 4谐振功率放大器的计算 例5 3 4谐振功率放大器输出功率已测出 在电路参数不变时 为提高输出功率采用提高Vbm的办法 但效果不明显 试分析原因 并指出为了达到输出功率明显提高的目的 可采用什么措施 负载特性曲线 采用提高Vbm提高Po效果不明显说明放大器工作在过压工作状态 为了达到Po明显提高的目的可以减小Rp或增加Vcc 5 5谐振功率放大器的高频特性 用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差 低频时误差还是允许的 但随着工作频率的提高 由于晶体管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大 严重时 使放大器无法工作 基区少数载流子的渡越时间 体电阻 饱和压降及引线电感大信号引起的基极电流和饱和压降增加的影响功率增益 最大输出功率和效益下降 5 5谐振功率放大器的高频特性 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 结电容线性的 大信号工作时 考虑结电容的非线性特性 5 5谐振功率放大器的高频特性 在工作频率很高时 功放管各电极电流的变化情况 1 发射极电流 随着工作频率提高 存储在基区中的载流子由于输入信号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 反向脉冲的宽度就越大 幅值也越高 导通角越大 2 集电极电流 峰值滞后于ie的峰值 二者差一渡越角 导通角变大 3 基极电流 最大值比VBE的最大值提前 基波分量加大 基波分量的增加将提高对激功率的要求 5 5谐振功率放大器的高频特性 rbb 影响当频率增高时 由于iC的最大值下降且滞后于iE 因此使基极电流iB增大 将导致Ibm1增大 发射结的阻抗显著减小 rbb 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 若要求加至发射结上的输入电压保持不变 必须使基极的输入电压增大 从而输入功率增大 功率增益下降 5 5谐振功率放大器的高频特性 饱和压降影响大信号注入时 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 在电源电压VCC相同时 饱和压降Vces的增加 导致集电极临界输出电压 cmcr减小 从而使放大器的输出功率 效率 功率增益均相应减小 5 5谐振功率放大器的高频特性 引线电感的影响当工作频率更高时 引线电感 极间电容的影响就逐渐显著 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 例如 一般长度为10mm的引线 其电感约为10 3 H 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 5 5谐振功率放大器的高频特性 极间电容的影响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 因此 在设计谐振功率放大器时 必须选取特征频率 T远高于工作频率 以保证正常工作 5 5谐振功率放大器的高频特性 晶体管在高频工作时的特点 1 发射极电流出现负脉冲 而且主脉冲高度有所下降 2 发射结有效激励电压小于外加激励电压 集电极电流减小 3 集电极电流基波分量落后于激励电压 亦即产生了附加相移 4 基极电流减小 甚至可能出现反向电流 5 更高频率时还要考虑各极引线电感的影响 5 6谐振功率放大器电路组成 前面 我们对谐振 高频 功率放大器的原理电路进行了分析 但实际的谐振功率放大器电路 往往要比原理电路复杂得多 高频功率放大器通常包括直流馈电 包括集电极馈电和基极馈电 和匹配网络 包括输入匹配网络和输出匹配网络 两个部分 现分别介绍如下 5 6谐振功率放大器电路组成 直流馈电线路1 馈电原则欲使谐振功率放大器正常工作 各电极必须接有相应的馈电电源 直流馈电必须遵循以下原则 1 直流电流是产生能量的源泉 它由经晶体管外电路输出到集电极 应该是除了晶体管的内阻外 没有其他电阻消耗 5 6谐振功率放大器电路组成 2 高频基波分量应通过负载回路 以产生所需要的高频输出功率 因此只应在负载回路上产生压降 其余的部分对于来说 都应该是短路的 3 高频谐波分量是 副产品 不应消耗功率 因此晶体管外电路对来说 应该尽量接近于短路 图5 5 1集电极馈电线路组成原则说明 a 直流通路 b 基波通路 c 高次谐波通路 b c a 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 集电极馈电线路集电极馈电可分为两种形式 一种为串联馈电一种为并联馈电串联馈电 集电极串联馈电是一种在电路形式上直流电源 集电极谐振回路负载 晶体管 c e极 三者为串联连接的馈电方式 5 6谐振功率放大器电路组成 并联馈电 与串馈相对应 集电极并馈线路是指直流电源 集电极谐振回路负载 晶体管 c e极 三者在电路形式上为并联连接的一种馈电方式 图中 为旁路电容 为隔直流电容 为高频扼流圈 a 串联馈电形式 b 并联馈电形式 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 电子线路馈电的基本原则 电源是不可以和负载电路LC回路或者扼流圈互换位置的 这是由于电源与地之间有一定的杂散电容 而且比较大 如果它们互换位置 杂散电容将与负载回路并联 成为回路电容的一部分 不但限制了电路电路的最高工作频率 而且会引起电路不稳定 因此直流电源的一端必须接地 串并馈直流供电路的优缺点优点 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 在并馈电路中 高频厄流圈处于高频高电位上 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相反 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 基极馈电线路基极馈电线路原则上和集电极馈电相同 也有串馈与并馈之分 基极串联馈电是指偏置电压 输入信号源 b及晶体管 b e极 三者在电路形式上为串联连接的一种馈电方式 而在电路形式上为并联连接的则称为并联馈电 5 6谐振功率放大器电路组成 基极馈电线路的组成原则与集电极馈电线路相仿 第一 基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源 即直接加到晶体管b e两端 第二 基极电流中的基波分量Ib1只流过输入端的激励信号源 以便使输入信号控制晶体管的工作 实现放大 图5 5 3基极馈电线路组成原则说明 a 直流通路 b 基波通路 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 1 串联馈电 如图5 5 4 a 所示 图中为滤波旁路电容 由图可见 VBB b 管子b e三者为串联连接 基极电流中的直流分量IB0只流过偏置电压VBB 而基波分量Ib1只通过激励信号源 b 符合馈电线路原则 2 并联馈电 基极并馈线路如图5 5 4 b 所示 图中为基极高频扼流圈 为耦合 旁路电容 由图可见 输入回路 VBB 晶体管输入端三者相并联 Ib1只通过激励信号源 b IB0只通过偏置电压VBB 图5 5 4基极馈电线路 a 串馈电路 b 并馈电路 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 偏压的获得在丙类谐振功率放大器中 基极偏置电压VBB可为小的正偏压 负偏压及零偏压 正的VBB可用分压获得 但应注意 分压电阻数值应适当选大些 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 所以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 5 6谐振功率放大器电路组成 经常采用的产生的方法 1 利用基极电流的直流分量IB0在基极偏置电阻上产生所需要的偏置电压 见图5 5 4 a 2 利用基极电流在基极扩散电阻上产生所需要的 由于很小 因此所得到的也很小 且不够稳定 见图5 5 4 b 3 利用发射极电流的直流分量IE0在基极偏置电阻上产生所需要的偏置电压 见图5 5 4 c 图5 5 4几种常用的产生基极偏压的方法 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 输出 输入与级间耦合回路谐振功放中都要采用一定形式的回路 以使其输出功率能有效地传输到负载 下级输入回路或者天线回路 这种保证外负载与谐振功放最佳工作要求相匹配的网络常称为匹配网络 如果谐振功率放大器的负载是下级放大器输入阻抗 应采用 输入匹配网络 或 级间耦合网络 如果谐振功率放大器的负载是天线或其他终端负载 应采用 输出匹配网络 对输入匹配网络与输出匹配网络的要求略有不同 但基本设计方法相同 这里主要讨论输出匹配网络 5 6谐振功率放大器电路组成 1 级间耦合网络对于中间级而言 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 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 5 6谐振功率放大器电路组成 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 5 6谐振功率放大器电路组成 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 隔离和高效率 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 5 6谐振功率放大器电路组成 谐振功率放大器阻抗匹配的概念 低频中的匹配是指晶体管的负载阻抗和输出阻抗相等 在给定电路条件下 改变负载回路的可调元件 使电子器件送出额定的输出功率至负载 这就叫达到了匹配状态 调整负载回路的可调元件 使得负载上获得最大功率 5 6谐振功率放大器电路组成 输出匹配网络 对输入匹配网络与输出匹配网络的要求略有不同 但基本设计方法相同 输出匹配网络介于功率管和外接负载之间 如图5 5 5所示 对它的主要的要求是 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 以保证外接负载上仅输出高频基波功率 通常 滤波性能的好坏用滤波度 n表示 即 图5 5 5放大器与负载之间用四端网络耦合 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 式中 Icm1 Icmn分别表示集电极电流脉冲中基波分量及n次谐波分量的幅度 ILm1 ILmn则表示外接负载中电流基波分量及n次谐波分量的幅度 n越大 滤波性能越好 2 匹配网络还应具有阻抗变换作用 即把实际负载ZL的阻抗转变为纯阻性 且其数值应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所设计的状态 若要求大功率 高效率输出 则应工作在临界状态 因而需将外接负载变换到临界负载电阻 5 6谐振功率放大器电路组成 3 匹配网络应能将功率管给出的信号功率高效率传送到外接负载RL上 即要求匹配网络的效率高 称为回路效率 k 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送功率给公共负载 同时又要尽可能地使这几个电子器件彼此隔离 互不影响 本节主要研究网络的匹配与滤波作用 5 6谐振功率放大器电路组成 最常见的输出回路形式为复合输出回路 天线回路通过互感或其它形式与集电极调谐回路相耦合 图5 5 5复合输出回路 介于电子器件与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介回路 5 6谐振功率放大器电路组成 复合输出回路的等效电路 以互感耦合回路为例 当天线回路调谐到串联谐振状态时 反映到L1C1中介回路的等效电阻为 等效回路的谐振阻抗为 5 6谐振功率放大器电路组成 由上式显然可知 改变M 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 当M增大 等效电阻增大 回路的等效阻抗下降 5 6谐振功率放大器电路组成 中介回路的传输效率 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 5 6谐振功率放大器电路组成 总效率PA 天线功率Po 集电极输出功率功率P 电源供给功率 k 中介回路效率 c 集电极效率 5 6谐振功率放大器电路组成 例5 5 1在图5 5 5电路中 假设初次级回路都谐振于工作频率1MHz 天线辐射电阻RA 37 空载品质因数为100 有载品质因数10 回路接入系数为0 2 试求M L1与C1之值为多少时 天线与3DA1相匹配 5 6谐振功率放大器电路组成 解 对于3DA1有 5 6谐振功率放大器电路组成 因此 5 6谐振功率放大器电路组成 其它形式匹配网络的设计与计算用LC滤波器作匹配网络 有L型 型 T型等 各种匹配网络的阻抗变换特性 都是以串 并联阻抗转换为基础 下面作简要介绍 5 6谐振功率放大器电路组成 1 串 并联阻抗转换 若需将电阻 电抗串联电路 Rs Xs串联 与它们相并联的电路 Rp Xp并联 之间作恒等变换 如图22所示 则可根据端导纳相等的原则进行变换 即 5 6谐振功率放大器电路组成 就可得到所需的串 并联阻抗转换公式 即式中为品质因数 一般都大于1 由 2 4 2 和式 2 4 3 可见 并联形式电阻Rp大于串联形式电阻Rs 转换前后电抗性质不变 且电抗值相差很小 2 4 2 2 4 3 图22 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 2 L型匹配网络 设有一谐振功放 要求的临界状态电阻为Re 负载为天线 呈现纯阻性rA 且rA Re 应如何设计匹配网络呢 首先 因为rA Re 故rA应为串联型电阻 令一电抗与rA相串联 则变为并联形式时 电阻可增大 若再进一步选取合适的Qe值 使并联电阻Rp Re 则天线电阻rA就可变换为Re 但尚存有一电抗 只要另加一相反性质电抗与之并联 使之在信号频率上谐振 即可消除其影响 根据上述原则 就有如图23 a b 所示两种L型匹配网络 图23L型匹配网络 5 6谐振功率放大器电路组成 2 4 5 5 6谐振功率放大器电路组成 进一步考察图23 a b 显然图23 a 为高通网络 而图23 b 为低通网络 具有良好的滤波作用 应用更为广泛 图23 c d 表示了图 b L型网络的串 并联阻抗等效变换 L型匹配网络如何设计呢 若给定功率管要求的Re 则由式 2 4 2 可得 5 6谐振功率放大器电路组成 由式 2 4 4 可得 2 4 5 2 4 7 3 型匹配网络和T型匹配网络 型网络的形式如图24 a 所示 显然 它可以视作是两节L型匹配网络的级联 如图24 b 所示 型网络的阻抗变换特点是高 低 高 5 6谐振功率放大器电路组成 T型网络的形式如图24 c 所示 它同样可视作是两节L型匹配网络的级联 如图24 d 所示 与 型匹配网络相反 T型匹配网络的阻抗变换特点是低 高 低 前面的讨论认为天线为纯电阻rA 但实际上天线常为阻容性负载 这时 可以把它的电容归入匹配网络电抗中去 按前面纯阻负载情况进行分析 表22列出了常用匹配网络及相应设计公式 图24 型匹配网络和T型匹配网络 5 6谐振功率放大器电路组成 表22 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 5 6谐振功率放大器电路组成 例5 5 2有一个输出功率为2W的高频功率放大器 负载电阻R2 50 VCC 24V 50MHz QL 10 试求 型匹配网络的元件值 解 由图5 5 8 a 得 5 6谐振功率放大器电路组成 故得到又 5 6谐振功率放大器电路组成 回路的感抗得到回路的电感为 5 6谐振功率放大器电路组成 输入匹配网络与级间耦合网络为了保证给下级以稳定激励电压的目的 对于中间级应采取的措施 1 中间放大级工作于过压状态 等效为一个理想电压源 输出电压几乎不随负载变化 2 降低级间耦合回路效率 回路效率降低 减弱了下级回路对本级回路工作状态的影响 5 6谐振功率放大器电路组成 级间耦合网络 输入匹配网络 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 5 6谐振功率放大器电路组成 注意 匹配网络在高频功率放大器中占有很重要的地位 匹配网络设计和调整良好 就能保证放大器工作于最佳状态 宽带高频功率放大器及功率合成技术 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 一般来说 宽带功率放大器适用于中 小功率级 对于大功率设备来说 可以采用宽带功放作为推动级 宽带高频功率放大器无需调谐 能在很宽的范围内获得线性放大 宽带高频功率放大器及功率合成技术 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 宽带变压器的两种类型 1 利用普通变压器的原理 只采用高频磁芯 可工作到短波波段 2 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 高频磁芯变压器 与普通变压器原理相同 只是采用了高频磁芯 传输线变压器 传输线原理与变压器原理相结合 宽带变压器 宽带高频功率放大器及功率合成技术 低频功率放大器的功率 效率和阻抗匹配等问题可以通过低频变压器耦合电路来实现1 低频变压器依靠铁芯中的公共磁通将初级线圈中的能量传到次级线圈中 低频端 初级电感实际上不能为无穷大 频率相应下降 高频端 线圈漏感与分布电容的影响 会产生谐振 有峰点相应 之后由于容抗的旁路作用 相应会迅速下降 普通变压器不能应用于高频 宽带高频功率放大器及功率合成技术 展宽变压器工作频带从而使其工作于高频的措施 高频变压器必须具备的条件 1 尽量减小线圈的漏感与分布电容 磁芯用铁氧体 2 减小磁芯的功率损耗 采用高频铁氧体 3 为展宽低频响应 要求初级线圈电感大 采用高导磁率磁芯 加大环形磁芯截面积 并适当增加匝数 由于高频变压器仍然应用了变压器原理 因而线圈漏感与分布电容仍然是限制其工作到更高频率的主要因素 宽带高频功率放大器及功率合成技术 把传输线原理应用到变压器 就可以提高其工作频率的上限 并解决宽带的问题 这种变压器是用传输线绕在高磁导率的铁芯磁环上构成 结构简单 轻便 频带宽 a 1 1传输线变压器结构示意图 宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器的结构 宽带高频功率放大器及功率合成技术 1 1传输线变压器电路图 1 4两端同时接地 或2 3两端同时接地 宽带高频功率放大器及功率合成技术 1 由图 c 可以看出 如果是普通变压器 则负载1 2端可以对地隔离 也可以任意一端接地 2 由图 b 可以看出 作为传输线变压器 则必须是1 4 或者2 3 两端同时接地才可以 3 在图 b 中 由电源端1 3看去的阻抗应该等于负载阻抗RL 即等于传输线的特性阻抗Rc 但输出电压与输入电压反相 所以它相当于一个1 1阻抗反相变压器 宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器的工作原理是传输线与变压器原理的结合 传输线变压器的工作模式 1 传输线工作模式 即在两个线圈中通过大小相等 方向相反的电流 磁芯中的磁场正好互相抵消 因此磁芯没有功率损耗 对传输线的工作没有什么影响 2 变压器工作模式 线圈中有激磁电流 并在磁芯中产生公共磁场 有铁芯损耗 宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器具有良好频率特性的原因 这是由它的传输线工作模式所决定的 1 普通变压器绕组间的分布电容是限制它工作带宽的主要因素 2 传输线变压器绕组间的分布电容则成为传输线特性阻抗的一个组成部分 宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器的工作方式 1 在高频时 传输线模式起主要作用 此时初次级间的能量传输主要依靠线圈之间的分布电容耦合作用 2 在低频时 变压器模式起主要作用 此时初次级间的能量传输主要依靠线圈的磁耦合作用 宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器的工作原理前提条件 传输线理想无损耗 终端匹配 工程上 传输线变压器满足 端口电压相等 即V1 V2 V 流过传输线电流大小相等 方向相反 I1 I2 宽带高频功率放大器及功率合成技术 1 4 或4 1 阻抗传输线变压器这种传输线变压器是将绕组看成两根平行的传输线 可以起一个1 4阻抗变换的作用 使2 3两端的RL 4Rs折合到2 4两端等于RL 4 以与电源内阻Rs相匹配 宽带高频功率放大器及功率合成技术 1 4阻抗传输线变压器电路图 宽带高频功率放大器及功率合成技术 电阻折合关系 由传输线理论知2 4端的输入阻抗为 宽带高频功率放大器及功率合成技术 从负载RL两端看去 应有 宽带高频功率放大器及功率合成技术 由图5 8 3可以列出回路方程 由上述方程求得电流为 由图5 8 3 b 2 4端得到 由图5 8 3 b 1 3端得到 宽带高频功率放大器及功率合成技术 电路的输出功率为 功率若达到最大 则电路必须达到匹配状态 因此应满足的条件 于是得到匹配条件为 宽带高频功率放大器及功率合成技术 1 4传输线变压器的特性阻抗 由输出功率表达式可以看到 如果使传输功率最大 则最佳的Zc值应该是使分母中的第二项最小 即得到最佳特性阻抗为 宽带高频功率放大器及功率合成技术 估计输出功率的减小程度 插入损耗 在RL 4Rs情况下 1 4阻抗变换 插入损耗简化为 宽带高频功率放大器及功率合成技术 在最佳状态Zc 2Rs时 插入损耗为 当时 Zi Rs为匹配状态 随着的逐渐增加 Zi逐渐偏离匹配值 因而产生插入损耗 在一般情况下 传输线长度取为最短波长的八分之一或者更小 但考虑低频相应 绕组又必须又相当长度 又足够的电感 宽带高频功率放大器及功率合成技术 宽带高频功率放大器及功率合成技术 4 1传输线变压器 宽带高频功率放大器及功率合成技术 宽带高频功率放大器及功率合成技术 三 高频功率放大器利用传输线变压器的宽带特性可构成宽带高频功率放大器 宽带功放工作于甲类工作状态 用传输线变压器耦合 不使用调谐选频回路 输出级采用推挽电路 以减小谐波输出 缺点 效率低 一般只有20 左右 高频变压器可以获得150kHz到30MHz的宽带工作范围 传输线变压器还适用于功率合成器 宽带高频功率放大器及功率合成技术 宽带高频功率放大器及功率合成技术 功率合成技术高频功率放大器中 所需要地输出功率超过单个电子器件所能输出地功率时 可以将几个电子器件的输出功率叠加起来 以获得足够的输出功率 一个理想的功率合成电路除应能无损失地合成各功率放大器的输出功率外 还应有很好的隔离作用 即任一放大器的工作状态的变化不应引起其他放大器状态的变化 以免影响输出功率 另外 功率合成所用器件多 为使结构简单 性能可靠 放大器均不带调谐元件 而采用宽带工作方式 宽带高频功率放大器及功率合成技术 功率合成电路类型很多 这里只简略介绍工作在短波或超短波段的用传输线变压器构成的功率合成电路 功率合成器框图如图5 9 1所示 图中三角形代表晶体管功率放大器 菱形代表功率分配或合成电路 无源器件 这些功率分配和合成电路是由传输线变压器构成的3dB耦合器 图中虚线方框所示是功率合成器