第三章-高频功率放大电路..ppt

第3章高频调谐功率放大器 3 1概述3 2调谐功率放大器的工作原理3 3功率和效率3 4调谐功率放大器的工作状态分析3 5调谐功率放大器的实用电路3 6功率晶体管的高频效应3 7倍频器3 8集成高频功率放大电路及应用简介 3 1概述 一 用途高频功率放大器是一种能量转换器件 它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出 作用是放大信号 使之达到足够功率输出 以满足天线发射或其他负载的要求 作为载波发射机及无线电发射机输出级或输出前一级 二 特点1 输入信号强 电压在几百毫伏 几伏数量级附近 2 为了提高放大器的工作效率 它通常工作在丙类 即晶体管工作延伸到非线性区域 饱和区 截止区 3 要求 输出功率大 效率高 三 分析方法 采用近似的分析方法 折线法四 谐振功率放大器与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回路 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 五 谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 共同之处都要求输出功率大和效率高 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号 信号的通带宽度只有其中心频率的1 或更小 其工作状态通常选为丙类工作状态 90 为了不失真的放大信号 它的负载必须是谐振回路 非谐振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 3 2调谐功率放大器的工作原理 3 2 1原理电路Ec Eb为集电极和基极的直流电源 输入信号经变压器T1耦合到晶体管基 射极 这个信号也叫激励信号 L C组成并联谐振回路 作为集电极负载 这个回路也叫槽路 3 2 2晶体管特性的折线化 所谓折线近似分析法 是将电子器件的特性理想化 每条特性曲线用一组折线来代替 3 2 3晶体管导通的特点 导通角 1 晶体管导通的特点无信号 晶体管截止有信号 激励信号Eb Uj导通 2 导通角 在转移特性的放大区假设输入信号 则加到晶体管基 射极的电压为 晶体管导通范围内集电极电流ic的表达式通常把集电极电流导通时间相对应角度的一半称为集电极电流的导通角 用 表示 在丙类工作状态下 90 根据导通角的定义 当时 即 2 1 3 2 4集电极余弦脉冲电流分析 式 2 代入式 1 得到当时 为最大值 用表示 则代入得到若将尖顶余弦脉冲分解为傅里叶级数其中 直流分量幅值 基波分量幅值 n次谐波分量幅值 称作余弦脉冲分解系数 它们是导通角 的函数 的特点 1 2 从曲线可以看出 谐波次数越高其振幅值越小 对某一次谐波而言 总有一个相应的值 可使振幅为最大值 3 2 5槽路电压 1 波形 基本正弦条件 1 槽路调谐于基波2 QL足够高2 大小Rc 抽头部分谐振电阻R 并联回路谐振电阻 3 3功率和效率 功率放大器输出功率大 电源供给 管子发热等问题也大 为了尽量减小损耗 合理地利用晶体管和电源 必须了解功率放大器的功率和效率问题 调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑 1 电源供给的直流功率PS 2 通过晶体管转换的交流功率 即晶体管集电极输出的交流功率Po 3 通过槽路送给负载的交流功率 即RL上得到的功率PL 4 晶体管在能量转换过程中的损耗功率 即晶体管损耗功率PC 5 槽路损耗功率PT 电源供给的功率PS 一部分 PC 损耗在管子 使管子发热 另一部分 Po 转换为交流功率 输出给槽路 通过槽路一部分 PT 损耗在槽路线圈和电容中 另一部分 PL 输出给负载RL 1 集电极效率 直流电源供给功率集电极交流输出功率放大器的能量转换效率 集电极效率 讨论 1 集电极电压利用系数 2 集电极电流利用系数 但 Po 为了兼顾功率和效率 通常取 2 槽路效率 PL 负载功率 RL所吸收的功率 PT 槽路损耗功率 槽路空载电阻R0所吸收的功率 取决于槽路的空载和有载品质因数 由于受到槽路元件质量的限制 Q0一般几十到几百 QL也不能太小 否则槽路滤波效果太差 输出波形不好 一般QL 5 10 结论 为了尽可能利用小功率容量的管子和电源 输出较大的功率 应力求和高 高要适当选取 电压利用系数尽可能大 高 要求槽路空载品质因数Q0大 即应选用低损耗的电感和电容元件 3 4调谐功率放大器的工作状态分析 3 4 1调谐功率放大器的动态特性晶体管的静态特性 是指集电极电路没有负载阻抗条件下电压与电流的变化关系 当考虑了负载的反作用后 得到的uce ube与ic的关系曲线称为动态特性 即实际放大器的工作特性 当放大器工作于谐振状态时 外部特性方程在转移特性的放大区 内部特性方程 动态特性应同时满足外部特性方程和内部特性方程 联立可得谐振功率放大器动态特性的方程 它是一条直线 只需找出两个特殊点 就可把它绘出 Q Ec B 0 作出动态特性曲线后 由它和静态特性曲线相应交点 即可求出对应各种不同值的ic值 绘出相应的ic脉冲波形 动态线斜率值的倒数称为谐振功率放大器的动态负载电阻 用符号表示 3 4 2调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法 1 调谐功率放大器的三种工作状态根据调谐功率放大器在工作时是否进入进入饱和区 可将放大器的工作状态分为欠压 过压和临界三种 1 欠压 晶体管在任何时刻都工作在放大状态 2 临界 刚刚进入饱和区的边缘 3 过压 晶体管工作时有部分时间进入饱和区 2 工作状态的判别方法 欠压 临界 过压 3 4 3Rc Ec Eb和Ubm变化对放大器工作状态的影响 1 Rc变化对放大器工作状态的影响 负载特性负载特性是指谐振功率放大器当Ec Eb和Ubm不变时 放大器中各个电流 电压 功率和效率与晶体管等效负载电阻Rc之间的变化关系 1 三种工作状态 2 电流 电压 功率 效率与Rc的关系 1 欠压状态 Ucm几乎随Rc成正比增加 输出功率Po随Rc增大而增加 接近常量 随Rc增大而增加 随Rc增大而减小 2 过压状态输出功率Po随Rc增大而减小 在临界状态Po最大 电流 电压 功率 效率与Rc的关系 放大器的负载特性曲线 3 三种工作状态的比较 欠压状态 电流Ic1m基本不随Rc变化 输出功率Po随Rc增大而增加 损耗功率PC随Rc增加而减小 当Rc很小时 易使PC超过晶体管最大允许损耗功率PCM 因此在实际使用中要注意保证PC PCM 临界状态 放大器输出功率最大 效率也较高 通常称为最佳工作状态 过压状态 在弱过压状态时 输出电压基本上不随Rc变化 深度过压时 ic波形下凹严重 谐波增多 一般应用较少 2 Ec变化对放大器工作状态的影响 集电极调制特性 集电极调制特性是指当Eb Ubm Rc保持恒定 放大器的性能随集电极电压Ec变化的特性 集电极调制特性 由于只有在过压状态 Ec对Ucm才能有较大的控制作用 所以集电极调幅工作在过压状态 u 3 Eb变化对放大器工作状态的影响 基极调制特性 基极调制特性是指当Ec Ubm Rc保持恒定 放大器的性能随基极偏置电压Eb变化的特性 由于只有在欠压状态 Eb对Ucm才能有较大的控制作用 所以基极调幅工作在欠压状态 基极调制特性 u 4 Ubm变化对放大器工作状态的影响 振幅特性 调谐功放的振幅特性是指当Ec Eb Rc保持恒定 放大器的性能随激励振幅Ubm变化的特性 因为ubemax Eb Ubm Eb和Ubm决定了放大器的ubemax 因此 改变Ubm的情况和改变Eb的情况类似 图3 13调谐功放的振幅特性 3 5调谐功率放大器的实用电路 调谐功率放大器由直流馈电电路和滤波匹配网络组成 其作用 1 保证晶体管各电极获得相应的馈电电源 2 通过匹配网络将交流输出功率有效地传输到负载 3 5 1直流馈电电路 串馈 即直流电源Ec 滤波匹配网络和晶体管在电路形式上为串联连接 并馈 即三者在电路形式上为并联连接 比较 串馈电路中 电源与滤波匹配网络串联 因此滤波匹配网络处于直流高电位上 网络元件不能直接接地 并馈电路中 电源通过高频扼流圈供电 再加上C2隔断直流 因此滤波匹配网络可以处于直流地电位上 可以直接接地 这样 在电路板上安装比串馈电路方便 但馈电支路的分布参数将直接影响网络调谐 调谐功率放大器中 通常利用射级或基级电流在某电阻上产生的压降作为基极的反向偏置电压 这种方法叫自给偏压法 1 射极电流自给偏压环节1 电路2 工作原理利用ie中的直流分量在Re上产生的压降作为B E间的直流偏置电压 3 5 2基极自给偏压环节 3 信号源有无直流通路 高频扼流圈 高频扼流圈的作用是将射极偏压引向基极 同时也为基极直流提供通路 4 应用 欠压射流偏压环节对Ie0的变化起负反馈作用 2 基极电流自给偏压环节 1 电路2 工作原理利用ib中的直流分量在Rb上产生的压降作为B E间的直流偏置电压 3 应用 过压基流偏压环节对Ib0的变化起负反馈作用 3 说明 1 四种偏置电路中 加到B E间的直流偏置电压均随输入信号电压振幅的大小而变化 2 当未加输入信号时 电路的偏置均为零 当输入信号电压由小加大时 加到B E间的直流偏置电压均向负值方向增大 这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的特性称为自给偏置效应 3 5 3输入 输出匹配网络 保证外负载与调谐功率放大器最佳工作要求相匹配的网络常称为匹配网络 如果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 如果负载是天线或其他终端 应采用 输出匹配网络 对输出匹配网络的主要要求 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 2 匹配网络还应具有阻抗变换作用 以保证放大器工作在所设计的状态 3 匹配网络应能将功率管输出的信号功率高效率传送到外接负载 即要求匹配网络的效率 槽路效率 L 高 1 并联谐振回路匹配电路 1 电路2 最佳负载电阻Rcp的估算放大器工作在临界状态的等效电阻 就是放大器阻抗匹配所需的最佳负载电阻 因为所以 滤波器型匹配网络 在甚高频或大功率输出级 广泛利用L C变换网络来实现调谐和阻抗匹配 从结构来看 可分为L型 T型 型三种类型 3 6功率晶体管的高频效应 晶体管分为三个工作区 1 f0 2fT 高频工作区 3 6 2晶体管高频工作时载流子渡越时间的影响 晶体管工作在低频时 总认为三个极的电流时同时发生的 实际上 由于基区载流子渡越时间的影响 集电极电流滞后基极和发射极电流 3 7倍频器 倍频器是一种将输入信号频率成整数倍 2倍 3倍 n倍 增加的电路 它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备 一 为什么采用倍频器二 倍频器的种类三 丙类倍频器的工作原理四 使用时注意问题 一 为什么采用倍频器 1 降低设备的主振频率 由于振荡器频率愈高稳定性愈差 一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器 以后加若干级倍频器达到所需频率 一般基音体体频率不高于20MHz 具有高稳定性的晶体频率通常不超过5MHz 所以工作频率高 要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频 2 对于调相或调频发射机 利用倍频器可以加大相移或频移 即可增加调制度 3 可以提高发射机的工作频率稳定性 二 倍频器的种类 1 丙类倍频器2 参变量倍频器本节主要介绍用丙类放大器构成的倍频器 即所谓 丙类倍频器 三 丙类倍频器的工作原理 丙类放大器晶体管集电级电流脉冲中含有丰富的谐波分量 如果集电极调谐回路谐振在二次或三次谐