3 高频功率放大电路

2020年4月20日星期一 1 第三章高频功率放大电路 3 1概述 主要内容 3 2丙类谐振功率放大电路 3 3宽带高频功率放大电路与功率合成电路 小结 2020年4月20日星期一 2 3 1概述 功能 高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器 将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出 它主要应用于各种无线电发射机中 特点 为了获得大功率 则输入信号为大信号 则放大这种信号的放大器工作于非线性状态 2020年4月20日星期一 3 主要技术指标 高频输出功率 Po 效率 输出功率Po 直流电源功率PD 功率增益 输出功率Po 输入功率Pi 选频特性 高频功率放大器希望输出的谐波分量尽可能小 以免对其它频道产生干扰 国际对谐波辐射规定是 对中波广播来说 在空间任一点的谐波场强不得超过基波场强的0 02 无论电台的功率有多大 在距电台一公里处的谐波场强不得大于50 v m 在一般情况下 假如任一谐波的辐射功率不超过25mW 即可认为满足上述要求 2020年4月20日星期一 4 3 2丙类谐振功率放大电路 根据放大管集电极电流导通时间的长短 功放分为甲类 乙类 丙类等 高频功率放大器的工作状态 2020年4月20日星期一 5 甲类 在输入信号的整个周期中 集电极都有电流流通的放大器称为甲类放大器 此时电流导通角为180o UBB Ubm Uon 信号无失真放大 2020年4月20日星期一 6 乙类 在输入信号的整个周期中 只有输入信号正半周集电极有电流流通 此时电流导通角为90o UBB Uon 信号失真放大 2020年4月20日星期一 7 丙类 在输入信号的整个周期中 只有小于输入信号正半周集电极有电流流通 此时电流导通角小于90o UBB Uon 信号失真放大 2020年4月20日星期一 8 甲类能够对信号无失真放大 而乙类以及丙类放大信号时出现了失真 而放大器的一个非常重要的指标就是信号的失真度 2020年4月20日星期一 9 傅立叶级数 2020年4月20日星期一 10 其频谱为 丙类功率放大器输出电流 结论 丙类功放无失真放大信号的条件是 加入带通滤波器将丙类功放非线性状态所产生谐波成分滤除 通过滤波器后的电流为 2020年4月20日星期一 11 思考 为什么低频功放不能工作在丙类状态 以音频放大为例 若工作在丙类状态 则其频谱为 基波 二次谐波 三次次谐波 会产生频谱混叠 不能够无失真恢复原低频信号 2020年4月20日星期一 12 图3 1晶体管高频功率放大器的原理电路 丙类功放的组成 放大器 带通滤波器 高频小信号放大器 滤除外加干扰以及混频干扰 削弱前后级电路对LC回路特性的影响 高频功率放大器 滤除晶体管工作在非线性特性产生的谐波分量 功率匹配 滤波以及阻抗变换 输入信号 基极静态偏置 集电极静态偏置 2020年4月20日星期一 13 二 工作原理 集电极回路电压为 基极回路电压为 输入信号为Ub Ubmcos t 2020年4月20日星期一 14 直流功耗PD 交流功率Po 集电极效率 集电极功耗PC 实现大功率 高效率的途径 降低静态工作点 增大输入信号振幅 思考 丙类功放工作在谐振状态 如果失谐会有什么后果 PD UCCIC0 2020年4月20日星期一 15 高频功率放大器一般工作在输入信号为大信号 工作状态为丙类状态 斜率g 分段折线化处理 2020年4月20日星期一 16 1 当 t 时 ic 0 2 当 t 0时 ic Icm Ubmcos Ubm 1 cos 2020年4月20日星期一 17 由傅立叶级数知识知周期性脉冲可以分解成直流 基波 信号频率分量 和各次谐波分量 即 其中 2020年4月20日星期一 18 称为余弦电流脉冲分解系数 0 为直流分量分解系数 a1 为基波分量分解系数 an 为n次谐波分量分解系数 集电极利用系数 定义波形系数 则得出集电极效率和输出功率的另一种表达式 2020年4月20日星期一 19 尖顶余弦脉冲的分解系数 与波形系数g1 越小 效率越高 为120o时输出功率最大 综合考虑功率以及效率 在 70o时能够输出较大的功率以及较高的效率 例1 2020年4月20日星期一 20 三 高频功放的性能分析 问题提出 若丙类谐振功放输入为振幅为Ubm的单频余弦信号 那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系 Ucm的大小受哪些参数影响 2020年4月20日星期一 21 由以下表达式 当晶体管确定以后 Ucm与UBB UCC R 和Ubm四个参数都有关系 2020年4月20日星期一 22 下图所示为折线化转移特性和输出特性曲线 动态线 2020年4月20日星期一 23 放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求得 即 其中 2020年4月20日星期一 24 而根据上图还可以写出斜率值gd的另一种形式 代入 则得 因此 动态电导gd与R 都有关系 且gd与R 不等 2020年4月20日星期一 25 1 负载特性 当放大器直流电源电压UCC和UBB以及激励电压Ubm固定不变 放大器的集电极电流Ic0 Ic1m 回路电压Ucm 输出功率Po 效率 随负载电阻变化的特性称为放大器的负载特性 它是高频功率放大器的重要特性之一 下图表示在三种不同负载电阻时 根据折线法作出的三条不同的动态负载线A1B1 A2B2 A3B3 以及相应的集电极电流脉冲波形 2020年4月20日星期一 26 2020年4月20日星期一 27 1 动态特性曲线1代表R 较小因而Ucm也较小的情形 称为欠压工作状态 它与静态曲线交点A1决定了集电极电流脉冲的高度 显然 这时电流波形为尖顶余弦脉冲 2 随着R 的增加 动态线斜率逐渐减小 输出电压Ucm也逐渐增加 直到它与临界线交于一点A2时 放大器工作于临界状态 此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲 3 负载电阻R 继续增加 输出电压进一步增大 即进入过压工作状态 动态线3就是这种情形 其波形发生发生凹陷 是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的 2020年4月20日星期一 28 2020年4月20日星期一 29 现将三种工作状态的优缺点综合如下 例2 作为末级功放 要求输出足够大的功率和具有较高的效率 显然采用临界工作状态是合理的 过压状态具有较高的效率 并具有恒压性质 因此它较适合用于中间级 这时它能向后级提供比较稳定的激励电压 欠压状态的输出功率与效率都比较低 而且集电极耗散功率大 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 就是工作在欠压状态 2020年4月20日星期一 30 2 各级电压对工作状态的影响 以上着重讨论了负载阻抗对放大器工作状态的影响 现在我们来研究各级电压变化时 对放大器工作状态的影响 1 改变UCC对工作状态的影响 通常 UCC保持不变 但在集电极调幅电路中 则是依靠改变UCC来实现调幅过程 因此有必要研究当负载 UBB Ubm保持不变 只改变UCC时 放大器工作状态的变化 2020年4月20日星期一 31 2020年4月20日星期一 32 2020年4月20日星期一 33 2 改变Ubm或UBB对工作状态的影响 UCC UBB与R 不变 改变激励电压Ubm 设原先工作在临界状态 2020年4月20日星期一 34 当Ubm增加 这时放大器将进入过压状态 当Ubm减小 这时放大器将进入欠压状态 2020年4月20日星期一 35 这样 就得到如图所示的电流变化曲线 在过压区 Ic1m Ic0接近于恒定 在欠压区 电流随Ubm的下降而下降 2020年4月20日星期一 36 下面研究UBB的变化对放大器工作状态的影响 例3 假定UCC Ubm R 不变 当UBB从反向偏置向正向偏置变化时 Icm增大 而且工作状态从欠压转入过压 因此 UBB的变化对集电极电流脉冲波形以及Ic1m Ic0 各功率等量的影响与Ubm的影响是类似的 显然 在过压区Ubm或UBB的变化对Ic1m的影响很小 只有在欠压区 Ubm或UBB才能有效地控制Ic1m的变化 因此基极调幅 相当于改变UBB 与已调波放大 相当于改变Ubm 都应工作在欠压状态 2020年4月20日星期一 37 四 直流馈电线路与匹配网络 1 集电极馈电电路 对于集电极电路 由于其电流是脉冲形状 包含各种频率成分 电路的组成原则是 2020年4月20日星期一 38 直流Ic0是产生直流功率的 Ic0由UCC经过管外电路提供给集电极 应该是除了晶体管的内阻外 没有其它电阻消耗能量 2020年4月20日星期一 39 高频基波分量Ic1m应通过负载电路 以产生所需要的高频输出功率 Ic1m只应在负载回路产生电压降 其余的部分对于Ic1m来说 都应该是短路的 2020年4月20日星期一 40 外电路对高次谐波Ic1m尽可能接近短路 2020年4月20日星期一 41 要满足以上几条原则 可以采用串联馈电与并联馈电两种电路 简称串馈与并馈 串馈 将电子器件 负载回路和电源三部分是串联起来 并馈 将电子器件 负载回路和电源三部分并联起来 2020年4月20日星期一 42 2 基极馈电电路 利用基极电流的直流分量即基极偏置电阻Rb上产生所需要的偏置电压UBB 2020年4月20日星期一 43 利用基极电流在基极扩散电阻rbb 上产生所需要的UBB 优点是简单 元件用得少 缺点是数值较小且不够稳定 因而一般只在需要小的UBB时才采用这种电路 2020年4月20日星期一 44 利用发射极电流的直流分量Ic0在发射极偏置电阻Re上产生所需要的UBB 例4 优点是可以自动维持放大器的工作稳定 2020年4月20日星期一 45 五 匹配网络 高频功率放大器中都采用一定形式的回路 以使它的输出功率能有效地传输到负载 一般来说 放大器与负载之间所用的回路可以用图所示的四端网络来表示 2020年4月20日星期一 46 由于高频功率放大器工作于非线性状态 因此线性电路的阻抗匹配 负载阻抗与电源内阻相等 概念已不适用 非线性工作时 电子器件的内阻变动剧烈 导通时 内阻很小 截止时内阻近于无穷大 高频功放的阻抗匹配的概念是 在给定的电路条件下 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PO至负载 这就叫达到了匹配状态 常用的的匹配网络有前面介绍的T型 L型选频匹配网络 2020年4月20日星期一 47 3 3宽带高频功率放大电路与功率合成电路 窄带高频功率放大器 宽带高频功率放大器 适用于固定频率或频率变化范围较小的高频设备 一般工作在丙类状态 适用于频率相对变化范围较大的短波 超短波的高频设备 工作在甲类 甲乙类 2020年4月20日星期一 48 一 普通变压器不能在较宽频带内工作的原因 以高频变压器为负载的放大器其最高工作频率可达几百千赫至十几兆赫 但当工作频率更高时 由于普通变压器的线圈漏感和匝间分布电容的作用 其输出功率将急剧下降 2020年4月20日星期一 49 L LS1 r1是变压器初级绕组的电感量 漏感和损耗电阻 LS2 r2是折合到初级后次级绕组的漏感和损耗电阻 C是变压器等效分布电容 它是变压器各分布电容折合到初级后的总和 RL 是折合到初级后的等效负载电阻 US RS是信号源电压及其内阻 2020年4月20日星期一 50 在低频端 由于频率较低 各漏感和损耗电阻很小 也可略去不计 在低频端 由于频率较低 故感抗很小 总的等效阻抗较小 故输出电压就很小 2020年4月20日星期一 51 在高频端由于初级绕组电感的感抗很大 因此在高频等效电路中可以认为电感L是开路的 在高频端 负载RL 接在Ls和C组成的串联谐振回路的容抗元件的两端 因此输出特性具有串联谐振的件质 在谐振频率fs附近 负载两端的电压急剧增加 并在fs上达到最大 2020年4月20日星期一 52 其频率特性如图所示 由于频率响应特性在高端有一个峰起 且频率高于fs后 信号的输出幅度就急剧地下降 这就是导致一般变压器高频响应变差 不能在更高的频率上工作的原因 2020年4月20日星期一 53 通过增加初级线圈匝数的办法 可以改善变压器的低频响应 但匝数的增高 势必使分布电容C加大 也就使高频响应恶化 高 磁芯 使变压器的工作频带大大展宽 但任何磁芯都有其最佳的工作频段 高于此频段工作时 磁芯的损耗将大大增加 使传输效率急剧下降 2020年4月20日星期一 54 二 传输线变压器 能不能设法减少分布电容和漏感的影响 而把这个不利因素变为有利因素呢 宽带传输线变压器就是根据这种设想制作出来的 传输线变压器是将传输线绕在高导磁率低损耗的磁心上构成的 传输线可以用同轴线 带状传输线或双绞线 这种变压器的最高工作频率可以扩展到几百兆赫甚至上千兆赫 利用下图所示的一种简单的传输线变压器 可以说明这种特殊变压器能同时扩展上 下限频率的原理 2020年4月20日星期一 55 2020年4月20日星期一 56 在以传输线工作时 信号从1 3端输入 2 4端输出 如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟 则两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路 2020年4月20日星期一 57 根据传输线定理 则传输线的特性阻抗决定于 r 单位线长的损耗电阻 G 单位线长区间两线间的漏电导 L 单位线长的分布电感 C 单位线长区间两线间的分布电容 2020年4月20日星期一 58 对于理想的 无损耗的传输线 则其特性阻抗可进一步简化为 由此可见 传输线的特性阻抗仅决定于导线的结构与两线间的介质 而与其传输的信号电平无关 2020年4月20日星期一 59 传输线在信号源与负载间起了一个阻抗变压器的作用 即负载电阻RL经传输线变换后在输入端的等效电阻 应等于信号源内阻RS 或者信号源内阻经传输线变换后在其输出端的等效电阻应等于负载电阻RL 这样传输系统将达到匹配 根据传输线原理可知 当信号源内阻RS 负载电阻RL已知时 满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为 故为了实现负载电阻RL和信号源内阻RS的完全匹配 传输线本身的特性阻抗就应该为某一特性值 对于1 1传输线变压器 则当特性阻抗与负载阻抗即信号源内阻相等时 则传输线工作于匹配状态 此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化 2020年4月20日星期一 60 对理想功率合成器的要求是 1 N个同类型的放大器 它们的输山振幅相等 每个放大器供给匹配负载额定功率PO 则N个放大器输至负载的总功率为NPO 2 合成器中各单元放大器应相互隔离 某一单元放大器如若损坏 应不影响相邻放大器的工作 这些放大器仍应向负载提供白己的额定功率PO 三 功率合成器 2020年4月20日星期一 61 下图为一功率合成器方框图 2020年4月20日星期一 62 功率分配则是功率合成的反过程 其作用是将某信号功率平均地 互不影响地分配给各个独立负载 使各负载得到均等的 同相或反相的分信号 在任一功率合成器中 实际上也包含了一定数量的功率分配器 功率分配技术近年来已被广泛地采用 例如 在电视天线共用器系统中 就采用一套功率分配器 将接收天线所接收的电视信号 均匀地 互不影响地分配到各电视用户 2020年4月20日星期一 63 如上所述 功率分配器 功率合成器均由一定数量的宽频带合成网络 分配网络及线性功率放大器构成 其中合成网络与分配网络多以传输线变压器为基础构成 两者的差别仅在于端口的连接方式不同 故通常把这类网络通称为 混合网络 2020年4月20日星期一 64 1 高频谐振功率放大电路可以工作在甲类 乙类或丙类状态 相比之下 丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类大 但效率高 节约能源 所以是高频功放中经常选用的一种电路形式 2 丙类谐振功放效率高的原因在于导通角 也就是晶体管导通时间短 集电极功耗减小 但导通角 越小 将导致输出功率越小 所以选择合适的 角 是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑 小结 2020年4月20日星期一 65 3 折线分析法是工程上常用的一种近似方法 利用折线分标法可以对丙类谐振功放进行性能分析 得出它的负载特性 放大特性和调制特性 若丙类谐振功效用来放大等幅信号 如调频信号 时 应该工作在临界状态 若用来放大非等幅信号 如调幅信号 时 应该工作在欠压状态 若用来进行基极调幅 应该工作在欠压状态 若用来进行集电极调幅 应该工作在过压状态 折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的作用 202