[工学]高频电子线路第三章高频功率放大器

,Chapter 3 高频功率放大器,第一节 概 述第二节 谐振高频功率放大器的工作原理第三节 谐振功率放大器的折线分析法第四节 谐振功率放大器电路组成第五节 丙类倍频器第六节 丁类倍频器第七节 宽频带高频功率放大器第八节 功率合成思考题与习题,1、放大器工作状态分类 按工作状态分：,按放大器件分：,晶体管放大器(BJT) ；场效应管放大器( FET) ；集成电路放大器(IC),按频谱宽度分： 窄带放大器和宽带放大器 按电路形式分： 单级放大器和多级放大器 按负载性质分： 谐振放大器和非谐振放大器,3.1 概述,3.1 概述,3、如何解决非线性工作状态带来的失真？ 用谐振回路作负载。,2、高频功率放大器的目的与特点,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。特点： 高频 高效率输出 大功率输出,*可选丙类工作状态。,3.2 谐振功率放大器的工作原理,1、电路构成,* 放大元件（晶体管）选取： 根据参数定元件：Pi 、 Po 、U ces 、 U cem 、 Ic 、 * 工作状态: 电路工作在丙类工作状态（基极负偏置） * 信号通路：信号加晶体管be端，放大后经LC谐振回路选频，送负载。,Ic 、c 、uo,晶体管电路输入输出端波形：,2、电路波形,谐振功率放大器的基本电路,*晶体管输入与输出回路：,*晶体管的转移特性：,3、晶体管的导通角：,例：晶体管特性曲线,3.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,一、折线近似分析法 将电子器件的特性曲线理想化，用一组直线代替晶体管静态特性曲线后，进行分析和计算的方法。,二、集电极余弦电流脉冲,尖顶余弦脉冲,当 t = 0时:,1.集电极余弦电流脉冲的表达式,当 ubeUBZ 时：, 由傅里叶级数的求系数法得分解系数,2. 余弦尖顶脉冲的分解, ic=Ico+Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+,(c)值讨论：可查表-见P7071 ；可曲线观察,分解ic时，如何求取ic各次频率分量的振幅？,3. 曲线随变化观察：,1.0随c单调增加 2. 当c120时，1达到最大值。在Ic max与Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时g1小，效率太低。综合考虑后取c70 3.当c=60时，2达到最大值。 4.当c=40时，3达到最大值。,三、功放电路功率与效率,定义符号：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； c = Po / P=,根据能量守衡定理：,直流电源输出功率：,交流信号输出功率：,放大器的集电极效率：, ic=Ico+ Icm1cost + Icm2cos2t + Icm3cos3t +,例1：用高频功率管3DAl 做成谐振功率放大器，且工作在临界状态，已知Vcc=24V，P0=2W，工作频率为1MHz，UCES1.5V，半通角c70。求: Ucm、Rp、Ic1m、Ic0、Pc、P=、。提示：1（70）=0.436、0（70）= 0.253 解：,动态特性：,四、 高频谐振功率放大器的动态特性,静态持性： 晶体管集电极电路无负载阻抗条件下测得的ic与 ube和uce的关系特性。,这是晶体管本身所固有的。,在高频功率放大器的输入、输出电路条件确定后，也即在晶体管、电源电压Vcc和Vbb、输入信号振幅 ubm，和输出负载 R 一定的条件下，晶体管放大器输出端的工作轨迹，反映 ic与 ube和uce的关系。 由于是工作于丙类状态，它在icuce或icube坐标系统中是一条折线。,Ucm2,Ucm1,1.,可见：输出动态特曲是一条斜率为gd经U0的直线。,用理想化特性曲线来表示动态特性形式和方法:,通过放大器输入/输出回路方程和转移特性方程导出。,连接BC；,2. 截距法作动态特性曲线：,在 ic / uce 坐标中，作经 B(U0 ，0 ) 点、斜率为gd的直线、上交 ubemax = Vbb+Ubm于A点的直线，是动态特性曲线的一段。,C点坐标：,得折线AB-BC 。,作AB线段：,作BC线段：,3. 虚拟电流法作动态特性曲线：, 连接AB、BC， 折线 AB-BC 为输出动态轨迹。,假设ubeUBZ 时 ic 0，满足于上式。AB线段可向下延射,Q为虚拟工作 点。,建虚拟工作点Q：,uce= ucemin时,ic=gc(ubemax-UBZ ) =icm得A点,定A、C点：,uce= ucemax时, ic=0 得C点；,定B点：连接AQ交横轴于B，,4. 影响动态特性曲线的因素：, 影响 Q 点因素：,影响斜率因素：,影响动态特性曲线的因素： 晶体管,影响 A点因素：,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。,2)过压工作状态： 集电极最大电流进入饱和区，交流输出电压较高且变化不大。,1)欠压工作状态： 集电极最大点电流在线性区，交流输出电压较低且变化较大。,5. 丙类谐振放大器三种工作状态化分为：,三个工作区,谐振功率放大器的工作状态是指处于丙类或乙类放大时，在输入信号激励的一周内，是否进入晶体管特性曲线的饱和区来划分，它分为欠压、临界和过压三种状态，用动态特性能较容易区分这三种工作状态。,欠压和临界状态时，集电极电流为余弦尖脉冲；过压状态时，集电极电流为带凹槽的余弦脉冲；,决定高频放大器工作状态的参数有： 晶体管(gc、UBZ)、负载阻抗Rp、激励电压ub、供电电压VCC、VBB。,五、谐振功率放大器的负载特性,1)动态曲线随 Rp 变化情况：,如果晶体管及UCC、UBB、ub 参量不变，放大器的输出电流、输出电压、功率、效率等仅随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。, Rp变化Q点不会改变。,可见：动态曲线斜率 与 Rp成反比。,2）负载特性讨论：,欠压状态： Rp增大 IcM不变 Ic1m 、Ic0不变； Ucm线性增大 。 过压状态： Rp增大临界IcM Ic1m 、Ic0 ； Ucm趋于不变,1. 谐振功率放大器的VCC变化特性,动态特曲 ABC 随VCC 变化而左右平移。, VCC变化会使Q点平移。, VCC变化不会改变gd。, VCC变化不会改变Ubemax 。,1）动态曲线变化：,六、各电压变化对工作状态的影响,如果晶体管及Rp、UBB、ub 参量不变，放大器的输出电流、输出电压、功率、效率等仅随UCC 而变化的特性。,1. 谐振功率放大器的VCC变化特性,集电极调幅特性,欠压工作状态： IcM 不随VCC变化 Ico、 Ic1m不变； Ucm不随VCC变化。,过压工作状态： VCC 临界IcM 线性 Ico、 Ic1m线性,3)VCC变化特性：,2）输出变化：（看图）,2. Ubm变化，但晶体管及VCC、VBB、Rp不变：, Ubm变化不会改变Q点。, 过压状态： Ubm Ubemax ；但临界 IcM 基本不变 Ico 、Ic1m 、Ucm基本不变。, Ubm,Ucm 基本不变 IcM比临界微增长 Ico 、Ic1m 、Ucm微增长,1）动态曲线变化：,2）Ubm变化特性：,3. VBB变化，但VCC 、Ubm 、Rp不变：, 动态特曲在虚拟Q 点有： 在VBB时， Q 点在uCE = VCC线上 上下移. 动态线 AQ 随VBB变化而上下平移。, 过压状态： Vbb线 AQ向上平移 临界IcM,但凹形波 波形系数1 Ico 、Ic1m 、Ucm微。,c 微（1-cosc) 1 (c ) 微 微,1）动态曲线变化：,2）VBB变化特性：,-类似于Ubm变化特性,3.4 高频功率放大器的电路组成,一、直流馈电电路,集电极馈电电路,基极馈电电路,二、匹配网络 级间耦合网络 输出匹配网络,三、高频功率放大器应用电路,（1）馈电三原则：,一、直流馈电电路,1.集电极馈电线路,1)直流电流分量Ic0是为晶体管提供能量的，它由Vcc经管外电路输至晶体管ce 端。设计电路时，从节能考虑，希望除了晶体管的内阻外，没有其它器件消耗能量。 即：对直流等效电路来说，要求 Vcc 直接接晶体管CE 两端， 如下图（a）所示。 2)高频基波分量 ic1由晶体管提供给负载回路，产生所需要的高频功率输出。 基波分量只应在负载回路上产生压降, 对其它电路部分,都应等效短路,如图(b)所示。 3)高频谐波分量icn是“副产品”,不应消耗功率(倍频器除外)。因此管外电路对icn 来说，应该尽可能接近于短路，如图(c)所示。,（2）集电极馈电电路,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,(1) 串馈电路：直流电源VCC、负载回路、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。,(2) 并馈电路：指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。,一、直流馈电电路,2.基极馈电线路,1)直流电流分量是为晶体管建立工作点，它由Vbb经管外电路输至晶体管，应该是除了晶体管的内阻外，没有其它器件消耗能量。 对直流等效电路来说，要求Vbb 直接接晶体管输入两端。如下图（a）所示。 2) 信号输入 ub 为晶体管高频输入。希望其全加在晶体管输入端。等效如图(b)所示。,（1）馈电原则：,2. 基极馈电电路,基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源VCC分压供给。基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极馈电分为固定偏压式馈电和自给偏压式馈电。在功放级输出功率大于 1W 时，基极偏置常采用自给偏置电路。,*固定偏压式馈电电路,*自给偏压式馈电电路,例：,一超短波输出放大器的实际电路,二、匹配网络,1.匹配网络的主要要求：(1)实现非线性放大电路的负载匹配。 *非线性放大电路中的匹配是指通过匹配网络具有的阻抗变换作用，将负载阻值转换成高频功率放大器工作状态所需的最佳负载电阻值。(2)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。,二、匹配网络,2.匹配网络的类型：* 根据匹配网络的电路形式，可分为L型、型或T型的基本网络。,*根据匹配网络在谐振功率放大器中所处位置,可分为输入、输出和级间藕合三种匹配电路。(为获得大的高频输出功率，发射机常采用多级高频功率放大。) 输入匹配网络用于信号源与推动级谐振功率放大器之间； 输出匹配网络用于输出级与天线负载之间； 级间耦合匹配网络用于高频功率放大器的推动级与输出级之间。,1)输入匹配网络,2) 中间级匹配网络,高频功率晶体管输入阻抗实数部分的数值一般很小,常只有几, 而信号源内阻比晶体管输人电阻要高。为使信号源的功率有效地加到高频功率晶体管的发射结上，可采用输入匹配网络来实现低输入电阻与高信号源内阻的匹配。,中间级匹配网络作用是实现级间良好耦合，但其负载是下一级功率放大器输入阻抗, 其大小会随激励电平和工作状态的改变而变化。为保证级间功率放大器在其负载变化时，仍能向下级提供平稳的输出电压，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 = 0.10.5，平均在0.3上下。即中间级的输出功率应为后一级所需激励功率的310倍。,3) 输出匹配网络（指设备末级功放与天线或其他负载间的网络。） 末级功放输出连接天线或其他负载, 其主要目是使负载获得高功率。应使末级功放工作在临界状态，以获得最大功率输出。 匹配网络应能通过阻抗变换，调节阻抗值，使末级功放工作于临界状态。,各级匹配网络任务,3. 匹配网络设计： 对输入匹配网络、中间级匹配网络与输出匹配网络的要求有所不同，但基本设计方法相同。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。 例：,X,s,X,p,RL,X,s,Xp,X,s,Xp,RL,Re,Re,RL,RL,Re,Xs,Re,Xp,匹配网络,1. 下图是工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路, 它向50 外接负载提供25W功率, 功率增益达7 dB。EC经L2向集电极馈电，基极采用自给偏压；两虚线框内容实现匹配耦合功能。,图 1 50MHz谐振功率放大电路,三、高频功率放大器电路举例,2.下图是一超短波输出放大器的实际电路, 它工作于固定频率。3DA21C为高频功率管；集电极并联馈电，基极采用自给偏压；两虚线框内容实现匹配耦合功能。,一超短波输出放大器的实际电路,复合输出回路的末级功放,3.采用复合输出回路的末级放大电路 在集电极，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。 其中：L1C1回路称作“中介回路”； RACA分别代表天线的辐射电阻与等效电容； LnCn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。,3.5 丙类倍频器（自习）,3.6 丁类倍频器,1.典型电路 电流开关型,电压开关型,电压开关型,2.丁类放大器应用FM波放大； PWM波放大；低频功率放大等,3.6 宽带高频功率放大器,1. 高频宽带功率放大电路采用非调谐宽带网络作为耦合匹配网络, 能在很宽的频带范围内获得线性放大。 2. 常用的宽带匹配网络是传输线变压器, 它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫, 并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。 3. 由于无选频滤波性能, 故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态, 效率较低。,一、宽带放大器的组成,二、传输线变压器,(一) 结构 与等效 （以1:1传输线变压器为例） 它是将传输线(双绞线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的，如图(a)；是传输线原理和变压器原理相结合而产生的一种耦合元件。,低频时：变压器工作方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量, 保证了较好的低频特性。为 11的反相变压器如图（b）。,高频时：传输线方式起主要作用如图（c）。,低频时：为 11的反相变压器。,高频时：传输线方式起主要作用如图（c），。,(二) 工作主要参数：,(三)传输线变压器特点,(2) 工作频带宽，频率覆盖系数(fmax/fmin)可达104; 通带的低频范围得到扩展，这是依靠高磁导率的磁芯获得很大的初级电感的结果;通带的上限频率不受磁芯上限频率的限制，因为对于高频它是以传输线的原理传输能量。,(1) 绕线 l 很短，且阻抗匹配时：,(3)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。,(四) 阻抗变换特性 1、1:1传输线变压器:, 实际结构与等效电路如图,匹配时得传输线特性阻抗：,在无耗且传输线长度很短的情况下,阻抗变比为 11。, 阻抗：,* 变压器工作方式时： 阻抗变比为 11,* 传输线工作方式时：,(二) 阻抗变换特性,匹配时得传输线特性阻抗：,在无耗且传输线长度很短的情况下,阻抗变比为 14,* 变压器工作方式时： 阻抗变比为 14,* 传输线工作方式时：,2、1 : 4 传输线变压器:, 实际结构与等效电路如图, 阻抗：,(a),(c),(b),RS,US,1,2,3,4,UL,RL,U,R,i,I1,I2,I2,2I1,U,(二) 阻抗变换特性,匹配时得传输线特性阻抗：,在无耗且传输线长度很短的情况下,阻抗变比为 41,* 变压器工作方式时：阻抗变比为 41,* 传输线工作方式时：,3、4 : 1 传输线变压器:, 实际结构与等效电路如图, 阻抗：,1) 极性变换 利用1:1传输线变压器作极性变换电路。,1:1倒相传输线变压器,(五) 传输线变压器的应用,2) 平衡和不平衡的互相变换 利用1:1传输线变压器作平衡与不平衡电路的互相变换。,3) 阻抗变换 传输线变压器只能完成某些特定阻抗比的变换，如:1、16:1，或者1:、1:16等。,例 1. 两级功放电路都工作在甲类状态, 并采用本级直流负反馈方式展宽频带, 改善非线性失真。 两级宽带高频功率放大电路, 其匹配网络采用了三个传输线变压器。三个传输线变压器均为41阻抗变换器。前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络, 总阻抗比为161, 使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高输出阻抗与50的负载电阻实现匹配。,三、宽带高频功率放大电路,例2. 下图是一短波发射机的输出放大器， 它采用互感耦合回路作输出电路, 多波段工作。,短波输出放大器的实际线路,3.7 功率合成,一、原理与要求,功率合成电路的原理是用N个相同的功率放大器，通过混合电路使其输出功率在公共负载上叠加起来，以获得总输出功率。 例：,利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦高频输出功率。,章 末 小 结,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小, 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。 3折线近似分析法是工程上常用的分析非线性电路的一种近似方法。 利用折线分析法可建立晶体管的理想特性方程；从而对非线性电路进行分析。应用折线近似分析法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。 4. 非线性电路的特性：波形失真 频率变换 不符合叠加原理 例：某元件伏安特性为：,(一)基本概念,章 末 小 结,(二)丙类谐振功率放大器,1丙类谐振功放电路的建立原则： 90,基极加负偏置，负载为谐振回路。 直流馈电要遵从直流馈电原则；有串馈和并馈两种直流馈电方式。输入回路常采用自给负偏压方式或混合偏压方式。 交流耦合根据阻抗匹配原则，采用不同形式的匹配网络。 2丙类谐振功放电路的非线性放大原理参典型电路的波形图。 3. 功率参数计算要借助波形分解系数。,4丙类谐振功放的输出会因晶体管、RC、VCC、VBB、Ubm 的变化而变化。 5丙类谐振功放在进行功率放大的同时，也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上，功放应工作在欠压状态；若调制信号加在集电报电压上，功放应工作在过压状态。 6若对等幅信号进行功率放大，应使功放工作在临界状态，此时输出功率最大，效率也接近最大。如调频信号的功率放大。若对非等幅信号进行功率放大应使功放工作在欠压状态，但线性较差。如调幅信号的功率放大。若采用甲类或乙类工作状态，则线性较好。,章 末 小 结,(三)宽带高频功率放大器,1. 宽带高频功率放大器工作状态是甲类或乙类；其效率低，频带宽。负载采用非调谐形式(传输线变压器)。 2. 传输线变压器是宽带高频放大器的耦合元件。具有工作频带宽的特点。高频时，传输线工作方式起主要作用，能量传输依靠线圈的漏感和分布电容的耦合作用；低频时，变压器工作方式起主要作用。 3. 传输线两导线流过的电流大小相等而方向相反，输入/输出端电压振幅相等。 4. 传输线变压器固定的连接形式对应有固定的阻抗变比。 5. 传馈线变压器应用于宽带放大器、宽带功率放大器和功