第3章高频功率放大器fp-高频电子线路-课件要点.ppt

哈尔滨工业大学2009 10 高频电子线路 第三章高频功率放大器 第三章高频功率放大器 主要内容概述丙类 C类 高频功率放大器原理丙类 C类 高频功率放大器折线分析法丙类 C类 高频功率放大电路宽频带高频功率放大器 第一节概述 高频功率放大的必要性远距离无线传输 弥补信号衰落 提高信号抗噪声干扰能力一些其他需要 如高频加热装置 微波功率源等需要高频功率放大电路最主要的技术指标 与低频功率放大电路一样 输出功率 效率和非线性失真 高频功率放大器的特点 放大信号频率高 输出功率高 效率高 高频功率放大器的功能 用小功率的高频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的高频能量输出 并保证输出与输入的频谱相同 从节省能量的角度考虑 效率更加重要 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态 即晶体管集电极电流导通时间 导通角 c 小于输入信号半个周期的工作状态 为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量 采用LC谐振回路作为选频网络 也称为谐振高频功率放大电路 使用高频功率放大器的目的放大高频信号使发射机末级获得足够大的发射功率高频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高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高 高频功率放大器与小信号谐振放大器的对比 相同点 放大的信号均为高频信号 放大器的负载均为谐振回路 不同点 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 高频功率放大器波形图 小信号谐振放大器波形图 高频功率放大器与非谐振功率放大器的对比 相同点 输出功率大 输出效率高 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化为交流能量 能量转换的能力即为功率放大器的效率 不同点 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 导通角 c 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 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 高频功率放大器通常工作于丙类工作状态 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 甲 乙 丙三种状态下的转移特性 甲类 乙类 丙类 高频功率放大器的分类 宽带和窄带宽带高频功放采用具有宽带特性的传输线变压器作为负载 不需要调谐 适于频率相对变化范围大的通信系统 选用甲类和乙类推挽放大 窄带高频功放多选用丙类或丁类 甚至戊类放大 以提高效率 相对带宽在1 左右 甚至更小 中波调幅 载波 535 1602kHz 信息带宽 9kHz相对带宽 0 6 1 7 高频功率放大器的主要技术指标 1 输出功率 放大器的负载得到的功率2 效率 高频输出功率与直流电源提供功率的比值 即能量转换的效率3 功率增益 高频输出功率和信号输入功率的比值4 谐波抑制度 是对非线性高频功率放大器而提出的 谐波分量相对于基波分量越小越好 第二节丙类 C类 高频功放工作原理 无论中间级还是输出级 其负载可以等效为并联谐振回路 一 基本电路形式 二 基本特点为了提高效率 放大器常工作于丙类状态 流过晶体管的电流为失真的脉冲波形 负载为谐振回路取出基波分量 获得正弦电压波形 阻抗匹配 谐振于输入信号的频率 谐振功率放大器原理图 谐振功率放大器原理图 三 工作原理发射结处于负偏压状态无输入时 晶体管截止 ic 0输入时 ib为脉冲形状 可用傅立叶级数展开同理负载回路谐振频率为 高频功率放大器中各部分电压与电流的关系 第三节丙类 C类 高频功放折线分析法 工作在大信号和非线性工作状态 小信号分析方法不适用将晶体管特性曲线理想化成为折线进行分析 称为折线分析法有一定误差 但较为简便 工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算 折线法就是常用的一种分析法 对高频功率放大器进行分析计算 关键在于求出电流的直流分量Ic0和基频分量Icm1 折线分析法的主要步骤 1 测出晶体管的转移特性曲线ic ube及输出特性曲线ic uce 并将这两组曲线作理想折线化处理 2 作出动态特性曲线 3 根据激励电压ub的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲ic和输出电压uce的波形 4 求出ic的各次谐波分量Ic0 Ic1m Ic2m 由给定的负载谐振阻抗的大小 即可求得放大器的输出电压 输出功率 直流供给功率 效率等指标 3 1晶体管特性曲线的理想化 一 正向传输特性曲线理想化由理想化输入特性可得理想化的正向传输特性 称为理想化晶体管跨导 理想化晶体管导通电压或截止电压 二 输出特性曲线理想化输出特性曲线理想化 饱和区 放大区饱和区 近似认为ic只受uce的控制 而与ube无关 理想的饱和临界线为一条通过原点的斜线 斜率 放大区 近似认为ic与uce无关 各条曲线为平行于uce的水平线 对于等差的 ib间隔应该是相等的 表征临界线的方程 3 2集电极余弦电流脉冲的分解 一 余弦电流脉冲的表示式 当输入信号时 集电极电流ic的波形为余弦电流脉冲 当 t c时 ic 0 可得导通角 已知Vbb Ubz和Ubm可确定高频功率放大器的半通角 c 有时也称 c为通角 通常用 c 180 表示甲类放大 c 90 表示乙类放大 c 90 表示丙类放大 余弦电流脉冲表示式 由脉冲高度IcM和通角 c决定 当 t 0时 ic Icm 可得 二 余弦电流脉冲的分解系数周期性的电流脉冲可以用傅氏级数表示 其中 直流分量电流 基波分量电流幅值 N次谐波分量幅值 称为余弦电流脉冲分解系数 0 c 为直流分量分解系数 1 c 为基波分量分解系数 n c 为n次谐波分量分解系数 g1与的关系 返回 3 3功率与效率 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 P Po Pc故放大器效率 两点结论 1 设法尽量降低集电极耗散功率Pc 则放大器效率 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 那么提高放大器效率 c 将使交流输出功率Po大为增加 高频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 可见使ic在uce最低的时候通过 则集电极耗散功率自然会大为减小 所以要想获得高的放大器效率 高频功率放大器的集电极电流应该是脉冲状 导通角 c小于90 处于丙类工作状态 高频功率放大器工作在丙类工作状态时 c 90 集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数 晶体管集电极平均耗散功率 直流电源提供的直流功率 高频输出交流功率 Ucm谐振回路两端的基频电压Icm1基频电流Rp回路的谐振阻抗 放大器的效率 称为集电极电压利用系数 称为波形系数 是通角 c的函数 c越小g1 c 越大 越大并且 c越小 效率 c越高 丙类高频功放提高效率 c的途径 减小 c 使LC回路谐振在信号的基频上 即ic的最大值应对应uce的最小值 1的理想情况下 甲类 g1 180 1 c 50 乙类 g1 90 1 57 c 78 5 丙类 g1 1 57 c 78 5 高频功放在谐振电阻Rp一定的条件下 c 120 时输出功率最大 但是集电极理想效率只有66 而 c 1 15 时 效率最高 但输出功率却最小 所以实际 为兼顾二者 通常取 c 60 80 的丙类工作状态 3 4丙类高频功率放大器的动态特性 一 动态特性在晶体管 电源电压Vcc和Vbb 输入信号振幅Ubm和输出信号振幅Ucm 或Rp 一定的条件下 ic f ube uce 的关系称为放大器的动态特性 动态特性曲线是在晶体管的特性曲线上画出的高频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 高频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 当放大器工作于谐振状态时 它的外部电路关系式为 ube Vbb Ubmcos t uce VCC Ucmcos t 消去cos t可得 ube Vbb Ubm 另外 晶体管的折线化转移特性方程为ic gc ube UBZ 得出在ic uce坐标平面上的动态特性曲线 负载线或工作路径 方程 所以高频功放动态特性曲线是一条折线 ube UBZ时 ube UBZ时 是动态特性的斜率 是在uce轴上的截距 二 截距法求动态特性 截距法作动态特性的步骤 在输出特性的uce轴上取截距U0 Vcc Ucmcos c得动态特性的B点 通过B点作斜率为gd gcUbm Ucm的直线交ubemax Vbb Ubm线于A点 在uce轴上选取ucemax Vcc Ucm为C点则AB BC折线为动态特性 与横坐标相交确定C点则AB BC折线为动态特性 三 虚拟电流法求动态特性 确定Q点坐标 Vcc IQ 确定A点 连接AQ与横坐标相交确定B点 四 谐振高频功率放大器的三种工作状态 输出电压波形 高频功率放大器的工作状态是根据ube ubemax uce ucemin时瞬时工作点在静特性曲线上所处位置确定的 当其落在输出特性 对应ubemax的那条 的放大区时 为欠压状态 当其正好落在临界点上时 为临界状态 当其落在饱和区时 为过压状态 高频功率放大器的工作状态必须由VCC Vbb Ubm Ucm四个参量决定 缺一不可 其中任何一个量的变化都会改变工作点所处的位置 工作状态就会相应地发生变化 高频功率放大器工作状态 欠压 动态特性A1B1 B1C1在输入信号一周内 A点没有进入晶体管的饱和区 这种工作状态称为欠压工作状态 对应的集电极电流为尖顶脉冲 交流输出电压较低且变化较大 临界 动态特性A2B2 B2C2 A点正好在晶体管的临界饱和线上 这种工作状态称为临界工作状态 对应的集电极电流为尖顶脉冲 过压 动态特性MA3 A3B3 B3C3在输入信号一周内 A点已进入晶体管的饱和区 这种工作状态称为过压工作状态 对应的集电极电流为凹顶脉冲 交流输出电压较高且变化不大 3 5丙类高频功率放大器的负载特性 在晶体管 VCC Vbb Ubm一定时 改变回路谐振负载电阻Rp 放大器的工作状态 电流 电压 功率和效率随Rp变化的关系 称为放大器的负载特性 在晶体管 电源电压Vcc和Vbb 输入信号振幅Ubm和输出信号振幅Ucm 或Rp 一定的条件下 ic f ube uce 的关系称为放大器的动态特性 Q点 Vcc IQ 不变 c为常数 gd绝对值与Rp成反比 不变 A点随Rp的增大 由欠压A1 临界A2 过压A3 电流 电压随Rp变化的关系Ucm Ic1mRp 功率 效率随Rp变化的关系 工作状态随Rp的变化关系 结论 欠压工作状态 输出功率P0和效率 c都较低 而且输出信号电压振幅Ucm随Rp变化较大 因此 除了特殊场合以外 很少采用这种工作状态 临界工作状态 输出功率P0最大 且效率 c也高 常用于发射机的功率输出级 末级 以便获得最大输出功率 过压工作状态 在弱过压区 c达最大 P0下降不多 当Rp变化时 输出信号电压振幅Ucm变化较小 多用于需要维持输出电压比较平稳的场合 如发射机的中间放大级 当RP 0 即负载短路时 集电极损耗功率Pc达最大值 有可能使功率晶体管烧坏 因此 在调整谐振功率放大器的过程中 必须防止负载短路 3 6各级电压变化对工作状态的影响 一 集电极电源电压Vcc变化对工作状态的影响 Vbb gc Ubz Ubm Rp不变 ubemax IQ c gd不变 1 随着Vcc的增加工作状态由过压 临界 欠压 Vcc对电流 电压 功率 效率的影响 二 改变Ubm对工作状态的影响 Vcc Vbb gc Ubz Rp不变 Q不变 Ubm增加 欠压与临界时 ubemax c增加 gd 减少 过压时 ubemax gd gcUbm Ucm增加 随着Ubm的增加工作状态由欠压 临界 过压 Ubm对电流 电压 功率 效率的影响 o 三 改变Vbb对工作状态的影响 Vcc Ubm gc Ubz Rp不变时 Vbb增大 ubemax c增加 IQ gd 减小 Vbb增大的含义是从负电压向小于Ubz的正电压变化 随着Vbb的增加工作状态由欠压 临界 过压 Vbb对电流 电压 功率 效率的影响 第四节丙类高频功率放大电路 基本组成 丙类高频功率放大器是由输入回路 非线性器件 晶体管 场效应管 和输出谐振回路组成 输入 输出回路在功率放大器中的作用是 提供放大器所需的正常偏置 实现滤波选取基波分量 实现阻抗匹配 组成 直流馈电电路滤波匹配网络 4 1直流馈电电路 直流馈电电路 直流电源加到各电极上去的线路集电极馈电电路基极馈电电路连接方式 串联馈电并联馈电 一 集电极馈电电路馈电原则 直流有直流通路 交流有交流通路 且高频信号不能通过直流电源基波分量要有效地流过负载回路谐波对于负载回路是短路 a 直流通路 b 基波通路 c 高次谐波通路 晶体管 负载回路和直流电源组成串联联接形式称为串联馈电 L 高频扼流圈 对直流短路对交流开路 作用 阻挡高频信号流过直流电源 C 高频旁路电容 对直流开路对交流短路 作用 提供交流通路 优点 馈电元件L C 和Vcc均处于高频地电位 他们的分布电容和分布电感就不会影响回路 缺点 回路处于直流的高电位 回路的电容动片不能接地 调试不方便 晶体管 负载回路和直流电源组成并联联接形式称为并联馈电 L 高频扼流圈C 电源滤波电容C 隔直电容 优点 回路处于直流低电位 克服了串馈的缺点 缺点 L 处于高频高电位 它对地的分布电容很大 影响回路谐振频率 二 基极馈电电路馈电原则 基极电流中的直流分量只流过基极偏置电源基极电流中的基波分量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 a 直流通路 b 基波通路 基极的反向偏压供给方式 外加偏置 自给偏置外加反向偏置电路 并联馈电 串联馈电 基极馈电线路 a 串馈电路 b 并馈电路 利用发射极电流的直流分量Ie0在Re上的压降产生自给负偏压 自给反向偏置电路 利用输入信号电压产生的基极电流的直流分量Ib0在基极电阻Rb上的压降产生自给负偏压 总结 自给偏压能随激励信号的大小而变化 即自动维持放大器工作的稳定性 零压偏置电路 小正压偏置电路 4 2匹配网络 功率放大器通过耦合电路与前后级连接 这种耦合电路叫匹配网络 对它提出如下要求 匹配 使外接负载阻抗与放大器所需的最佳负载电阻相匹配 以保证放大器输出功率最大 滤波 滤除不需要的各次谐波分量 选出所需的基波成分 效率 要求匹配网络本身损耗尽可能小 即匹配网络的传输效率要高匹配网络分类输入回路 信号源与丙类功率放大器之间输出回路 输出级与天线负载之间级间耦合回路 丙类功率放大器的推动级与输出级之间匹配网络的组成 这三种匹配网络都可以采用由L和C组成的L型 型或T型这样的双端口网络来实现 丙类高频功放非线性电路 与线性电路匹配概念不同在给定电路条件下 通过匹配网络将负载电阻转换成高频功放工作状态所需的最佳电阻 匹配 最佳电阻Rp 根据需要决定输出级 要求输出功率最大 Rp 临界状态中间级 要求输出电压变化小 Rp 过压状态原因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 若前级工作在欠压状态 则由于负载的变化 其输出电压将不稳定 对于中间级应采取如下措施 使中间级放大器工作于过压状态 使它近似为一个恒压源 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显得不重要了 中间级耦合回路的效率一般为 0 1 0 5 平均约0 3 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 滤波和高效率 下图所示的匹配网络具有电路简单 容易实现的优点 不足之处是电路的品质因数Q值很低 通常Q 10 因此电路的滤波特性很差 所以在实际的发射机中 常常选用T型或 型网络作匹配之用 下图是两种 形网络形式之一 也可以用T型网络 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 下图是两种 形网络形式之一 也可以用T型网络 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 图中 介于电子器件与天线回路之间的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 它们的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 最常见的输出回路是复合输出回路 如图所示 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 4 3实际电路举例 50MHz 25W丙类功率放大器 工作频率为150MHz的谐振功率放大电路 其50 外接负载提供 功率 功率增益达10dB 第五节宽频带高频功率放大器 5 1宽频带高频功率放大器的特点与要求频带 要求覆盖整个发射机工作频率范围 在发射机变换工作频率时 不需要进行调谐 信号源与放大器 放大器与放大器 放大器与天线负载之间的耦合必须实现宽频带的阻抗匹配通常利用宽频带变压器做输入 输出和级间耦合电路 实现宽频带的阻抗匹配宽频带变压器的两种形式 利用普通变压器的原理 采用高频磁芯来扩展频带 可以工作到短波段 传输线变压器 5 2传输线变压器 一 传输线变压器的结构及原理传输线变压器是基于传输线原理和变压器理论二者结合而产生的一种耦合元件 将传输线 如相互绝缘的双导线 绕在高导磁率磁环上制成 变压器工作方式 传输线工作方式 传输线变压器 传输线在高频情况下的等效电路 二 传输线变压器的特性宽频带特性 良好宽频带特性 工作频带宽 高频 传输线方式起主要作用 在无耗匹配的情况下 上限频率将不受漏感 分布电容 高导磁率磁芯的限制 低频 变压器方式起主要作用 由于信号波长远远大于传输线长度分布参数可以忽略 由于磁芯的导磁率很高 保证了低频特性较好 大功率运用时 可以采用较小的磁环也不致使磁芯饱和和发热 因而减小了放大器的体积 三 传输线变压器的主要参数特性阻抗由传输线的理论可知 传输线的特性阻抗 c为 对于理想无耗或工作频率很高时的传输线 有r 则传输线的特性阻抗为 最佳特性阻抗 其值为 插入损耗 产生的主要原因 是传输线终端电压和电流对于始端产生相移的结果 电磁波自始端传到终端 是需要一定时间的 终端电压 电流总要滞后于始端相应电压 电流 产生相位差 这个相位与传输信号波长 及传输线距离l的关系为 相移常数 四 传输线变压器的应用1 极性变换传输线变压器作极性变换电路 就是1 1倒相传输线变压器 1 1倒相传输线变压器 2 平衡和不平衡的互相变换 平衡与不平衡的互相变换 平衡与不平衡的互相变换 3 阻抗变换在输入端和输出端之间实现阻抗变换 由于传输线变压器的结构的限制 它不能像普通变压器那样 借助匝数比的改变来实现任何阻抗比的变换 而只能完成某些特定阻抗比的变换 如 1 9 1 1 1 或者1 1 9 1 16 等等 1 1传输线变压器 实现变压器与负载匹配的条件是实现信号源与传输线变压器匹配的条件是1 1传输线最佳匹配条件是在实际电路中 Rs RL的情况很少 因此1 1传输线更多用作为倒相器 1 4传输线变压器 时 采用1 4传输线变压器进行阻抗变换 4 1传输线变压器 时 采用4 1传输线变压器进行阻抗变换 根据相同的原理