高频电子线路

高频与射频线路 第五章高频功率放大器 学习内容 掌握高频功率放大器的工作原理 掌握高频功率放大器的折线近似分析法 掌握高频功率放大器的电路组成原则与匹配网络的计算 了解倍频器的工作原理 5 1概述 放大高频大信号获得足够大的发射功率 无线发射机 无线接收机 高效率输出 高功率输出 工作频率 音频 高频 射频 带宽 超宽带 窄带 宽带 负载 纯电阻 LC谐振回路 工作状态 甲类或乙类 丙类 高频 谐振 功放与低频功放的区别 电路性质 线性 非线性 应用 射频放大器 功放推动级 发射机末端功率放大 放大器类型 甲类 丙类 集电极输出波形 与输入信号一致 余弦脉冲 作用 信号波形放大 传输 将电源的能量尽可能以信号的形式输出 主要技术指标 增益 噪声 输出功率 效率 高频功放与高频小信号放大器的比较 0 高频功放工作在大信号非线性状态 晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用 所以分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线 通常所说的静态特性曲线是指低频区 低频区 中频区 高频区 5 2谐振功率放大器工作原理 故高频区或中频区的分析和计算是相当困难 本节将从低频区的静态特性来解析晶体管的高频功放的工作原理 高频放大器的工作状态 功放基本电路 vB 0 0 甲类放大器工作状态 0 Class AAmplifier 0 乙类放大器工作状态 0 Class BAmplifier vB 0 0 Class CAmplifier 丙类放大器工作状态 放大器静态工作点决定工作状态 余弦脉冲 5 2 1获得高效率所需要的条件 功放主要技术要求 高输出功率和高效率 功放工作于丙类的原因 根据能量守恒定律 5 2 1 效率 5 2 2 由上式可得 5 2 3 晶体管发射极电压与电流 余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加 5 2 7 例题5 2 1表明回路阻抗 各次谐波与基频相比可忽略 短路 丙类功放各部分电压与电流关系 在流通角内 即 推得 5 3 8 5 3 4 5 3 6 5 3 7 将式 5 3 6 与式 5 3 7 相减 5 3 9 5 3 10 将上两式相除 推得 5 3 11 丙类功放基本电路 选频作用 LC回路谐振于基频 将集电极电流脉冲变换为输出基频余弦信号 阻抗匹配作用 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 余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加 5 2 7 LC回路选频 滤波 LC回路轻微失谐 造成滤波器的中心频率偏移 会使有用频率幅度降低 而无用频率幅度可能升高 从而使增益下降且输出波形产生失真 LC回路严重失谐 LC的导纳变大 阻抗变小 使回路电流增大 而且电压集中在晶体管上 因此晶体管容易烧毁 5 2 2功率关系 功放基本电路 5 2 7 5 2 8 集电极输出等效电路 LC回路可吸取的基频功率为 5 2 10 故 放大器的集电极效率为 5 2 12 即 LC回路阻抗值为 5 2 11 5 3 1晶体管特性曲线理想化及表达式 折线法是将电子器件的特性曲线理想化 用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算 晶体管转移特性 晶体管输出特性 5 3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法 5 3 1 5 3 3 5 2 7 5 3 11 5 2 7 根据傅里叶级数原理 5 3 12 故 5 3 2集电极余弦电流脉冲的分解 同理可得 其中 尖顶余弦脉冲的分解系数为 5 3 15 5 3 16 5 2 12 又 尖顶余弦脉冲的分解系数与波形系数 设计倍频器参考值 最佳取值区 解 1 又 又 2 3 查教材P235的附录5 1余弦脉冲系数表 可得 或 5 3 3高频功率放大器的动态特性与负载特性 静态特性 集电极电路没有负载下晶体管参数的关系 晶体管转移特性 晶体管输出特性 外部电路关系 5 3 17 内部关系式 5 3 18 两式推得 功放基本电路 5 3 8 又 动态特性曲线 负载线或工作路 的斜率 故 5 3 19 动态特性曲线 负载线或工作路 的截距 晶体管工作 晶体管截止 0 0 1 2 3 临界线 临界线 集电极饱和电压 临界线 饱和区 工作区 出现凹顶 三种工作状态的波形汇总 临界 临界 欠压 欠压 过压 过压 负载特性曲线 临界 临界 欠压 欠压 过压 过压 负载特性曲线 临界 临界 欠压 欠压 过压 过压 解 1 且 故 从图中得到 故放大器不会烧毁 3 2 5 3 4各级电压对工作状态的影响 0 界 0 界 各变量对功放工作状态影响的总结 功放在过压和欠压工作状态的一个重要特点 解 1 5 5高频功率放大器的电路组成 要使高频功放正常工作 在其输入和输出端需接有直流通路和交流通路 直流馈电线路 为晶体管各级提供合适的偏置及能量功率 交流匹配网络 使高频交流信号能有效地进行传输 功放基本电路 5 5 1直流馈电电路 根据直流电源连接方式的不同 可分为 串联馈电线路 直流电源 匹配网络和晶体管形成串联连接的方式 并联馈电线路 直流电源 匹配网络和晶体管形成并联连接的方式 并联反馈 串联反馈 串并馈直流供电路的优缺点 优点 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 串联电路的特点正好与并馈电路相反 缺点 并馈电路中 LC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 1 集电极馈电电路 集电极电路对不同频率电路的等效电路 常用集电极电路 LC回路阻抗特性 频谱 以上两个电路均满足 串馈 并馈 2 基极馈电线路 几种常用的产生基极偏压的方法 a b 是并馈 c 是串馈 5 5 2输出 输入和级间耦合回路 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 匹配 抑制工作频率范围以外的不需要频率 滤波 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 隔离 放大器与负载之间用四端网络耦合 最常见的输出回路是复合输出回路 如图所示 L1C1回路就叫做中介回路 RACA分别代表天线的辐射电阻与等效电容 Ln Cn为天线回路的调谐元件 作用是使天线回路处于串联谐振状态 以获得最大的天线回路电流iA 亦即使天线辐射功率达到最大 复合输出回路 为了简化电路 省略了直流电源及辅助元件L C C 等 这种电路是将天线 负载 回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合 输出匹配网络类型很多 如L形 形 T形等 但是都可以等效成一个标准的并联谐振回路 等效电路 谐振阻抗 等效电路 高频功率放大器工作于非线性状态 晶体管内阻随导通和截止变化剧烈 输出阻抗并非常数 内阻等于外阻无意义 衡量回路传输能力的优劣中介回路的传输效率 阻抗匹配概念 调谐送出额定功率 下图是两种 形网络是其中的形式之一 也可以用T型网络 图中R2代表终端 负载 电阻 R1代表由R2折合到左端的等效电阻 故接线用虚线表示 2 输入匹配网络与级间耦合网络 多级功放电路中 除末级以前的各级都叫中间级 上级放大器集电极回路相对下一级既是级间耦合回路 又是输入匹配网络 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 也就是减弱了下级对本级工作状态的影响 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 降低级间耦合回路的效率 5 10晶体管倍频器 倍频器是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路 用以提高频率 作用是降低振荡器频率 提高振荡器的频率稳定度 参量倍频器 利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频 丙类倍频器 利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频 倍频器的应用 丙类倍频器电路结构 丙类倍频器 晶体管倍频器与高频功放的线路基本相同 不同的是集电极回路谐