高频电子线路第五章(new)

1、高频与射频线路高频与射频线路 第五章第五章 高频功率放大器高频功率放大器 1讲解：XX2021/3/10 学习内容学习内容 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掌握高频功率放大器的电路组成原则与匹 配网络的计算；配网络的计算； 了解倍频器的工作原理。了解倍频器的工作原理。 2讲解：XX2021/3/10 5.1 5.1 概述概述 音频 放大器 调制器激励放大 输出功 率放大 载波 振荡器 天线开关 高频放大混频器 中频放大 与滤波 解调器 音频 放大器 话 筒

2、 本地 振荡器 扬 声 器 变频器 放大放大高频大高频大信号获得信号获得足够大的发射足够大的发射功率功率 无线发射机 无线接收机 高效率高效率输出输出 高高功率输出功率输出 3讲解：XX2021/3/10 低频功放低频功放高频功放高频功放 工作频率工作频率音频音频 高频、射频高频、射频 带宽带宽超宽带超宽带窄带、宽带窄带、宽带 负载负载纯电阻纯电阻LCLC谐振回路谐振回路 工作状态工作状态甲类或乙类甲类或乙类丙类丙类 高频高频（谐振）功放与低频功放的区别（谐振）功放与低频功放的区别 4讲解：XX2021/3/10 高频小信号高频小信号 放大器放大器 高频功放高频功放 电路性质电路性质线性线性非

3、线性非线性 应用应用 射频放大器、功放推射频放大器、功放推 动级动级 发射机发射机末端功率放大末端功率放大 放大器类型放大器类型甲类甲类丙类丙类 集电极输出波形集电极输出波形 与输入信号一致与输入信号一致余弦脉冲余弦脉冲 作用作用 信号波形放大、传输信号波形放大、传输 将电源的能量尽可能将电源的能量尽可能 以信号的形式输出以信号的形式输出 主要技术指标主要技术指标增益、噪声增益、噪声输出功率、效率输出功率、效率 高频功放与高频小信号放大器的比较高频功放与高频小信号放大器的比较 5讲解：XX2021/3/10 0 高频功放工作在大信号非线性状态，晶体管的小高频功放工作在大信号非线性状态，晶体管的

4、小 信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法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。特性曲线是指低频区。 低频低频区：区： 中频区：中频区： 高高频区：频区： 5 5.2 .2 谐振功率放大器工作原理谐振功率放大器工作原理 故高频故高频区或中频区的分析和区或中频区的分析和 计算是相当计算是相当困难困难, ,本本节将从低节将从低 频区的静态特性来解析晶体管频区的静态特性来解析晶体管 的高频功放的工作原理。的高频功放的工作原理。 6讲解：XX2021/3/10 + + + + +

5、 + + + 高频放大器的高频放大器的工作状态：工作状态： 功功放基本电路放基本电路 7讲解：XX2021/3/10 vB BZ V iC BB V iC 0 0 0 8讲解：XX2021/3/10 0 0 甲类放大器工作状态甲类放大器工作状态 0 0 Class-A Class-A Amplifier Amplifier 9讲解：XX2021/3/10 0 0 乙乙类放大器工作状态类放大器工作状态 0 0 Class-B Class-B Amplifier Amplifier 10讲解：XX2021/3/10 vB iC BB V iC 0 0 0 0 Class-C Class-C Amp

6、lifier Amplifier 丙类放大器工作状态丙类放大器工作状态 放大器静态工作点决定工作状态放大器静态工作点决定工作状态 余弦余弦 脉冲脉冲 11讲解：XX2021/3/10 5.2.1 5.2.1 获得高效率所需要的条件获得高效率所需要的条件 功放主要功放主要技术技术要求要求：高高输出输出功率功率和和高高效率效率 功放工作于丙类的原因功放工作于丙类的原因 根据根据能量守恒定律：能量守恒定律： （5.2.15.2.1） 效率：效率： （5.2.25.2.2） 12讲解：XX2021/3/10 由上式可得：由上式可得： （5.2.35.2.3） 13讲解：XX2021/3/10 晶体管发

7、射极电压与电流晶体管发射极电压与电流 + + 14讲解：XX2021/3/10 15讲解：XX2021/3/10 余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加 （5.2.7） 16讲解：XX2021/3/10 例题例题5.2.15.2.1表明回路表明回路阻抗：各次谐波与基频相比可忽略（短路阻抗：各次谐波与基频相比可忽略（短路） 17讲解：XX2021/3/10 18讲解：XX2021/3/10 丙类功放各部分电压与电流关系丙类功放各部分电压与电流关系 在在流通角流通角内：内： 即：即： 推得：推得： （5.3.85.3.8） （5.3.45.3.4） （5.3.65

8、.3.6） （5.3.75.3.7） 19讲解：XX2021/3/10 将式（将式（5.3.65.3.6）与式（）与式（5.3.75.3.7）相减：）相减： （5.3.95.3.9） （5.3.105.3.10） 将上两式相除，推得：将上两式相除，推得： （5.3.115.3.11） 20讲解：XX2021/3/10 丙类丙类功放基本功放基本电路电路 选频作用选频作用：LCLC回路回路谐振谐振 于基频，于基频，将集电极将集电极电流电流 脉冲变换脉冲变换为输出为输出基频余基频余 弦信号；弦信号； 阻抗匹配作用：阻抗匹配作用：使负载使负载 阻抗与放大器所需要的阻抗与放大器所需要的 最佳阻抗相匹配，

9、以保最佳阻抗相匹配，以保 证放大器传输到负载的证放大器传输到负载的 功率最大，即它起着匹功率最大，即它起着匹 配网络的作用。配网络的作用。 21讲解：XX2021/3/10 余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加 （5.2.75.2.7） 22讲解：XX2021/3/10 LCLC回路选频回路选频/ /滤波滤波 LCLC回路轻微失谐，造成滤波器回路轻微失谐，造成滤波器的中心频率偏移，的中心频率偏移， 会使有用频率幅度降低，会使有用频率幅度降低，而无用频率幅度可能升而无用频率幅度可能升 高，高，从而从而使增益下降且输出使增益下降且输出波形产生失真波形产生失真；

10、LCLC回路严重失谐，回路严重失谐，LCLC的导纳变大（阻抗变小），的导纳变大（阻抗变小）， 使回路电流增大，而且电压集中使回路电流增大，而且电压集中在在晶体管晶体管上，因上，因 此晶体管容易烧毁此晶体管容易烧毁。 23讲解：XX2021/3/10 5 5.2.2 .2.2 功率关系功率关系 功放基本功放基本电路电路 （5.2.75.2.7） （5.2.85.2.8） 集电极输出等效电路集电极输出等效电路 24讲解：XX2021/3/10 LCLC回路可吸取的基频功率为：回路可吸取的基频功率为： （5.2.105.2.10） 故，放大器的集电极效率为：故，放大器的集电极效率为： （5.2.12

11、5.2.12） 即，即，LCLC回路阻抗值为：回路阻抗值为： （5.2.115.2.11） 25讲解：XX2021/3/10 5.3.1 5.3.1 晶体管特性曲线理想化及表达式晶体管特性曲线理想化及表达式 折线折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组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折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算。计算。 理想化折线理想化折线 （虚线虚线） ic gc 0 VBZ ic 过压区过压区 临界线临界线 欠压区欠压区 0 gcr 晶体管转移晶体管转移特性特性 晶体管输出特性晶体管输出特性 5.3 5.3 晶体管谐振功率放大器

12、的晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法折线近似分析法 26讲解：XX2021/3/10 （5.3.15.3.1） （5.3.35.3.3） （5.2.75.2.7） 27讲解：XX2021/3/10 （5.3.115.3.11） （5.2.75.2.7） 根据傅里叶级数原理根据傅里叶级数原理 （5.3.125.3.12） 故：故： 5.3.2 5.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解 28讲解：XX2021/3/10 同理可同理可得得: : 其中，尖顶余弦脉冲的分解其中，尖顶余弦脉冲的分解系数为：系数为： （5.3.155.3.15） （5.3.165.3.16） （5.

13、2.125.2.12） 又又: : 29讲解：XX2021/3/10 尖顶余弦脉冲的分解尖顶余弦脉冲的分解系数与系数与波形波形系数系数 设计倍频器参考值设计倍频器参考值 最佳取值区最佳取值区 30讲解：XX2021/3/10 解解：1 1） 又又 又又 31讲解：XX2021/3/10 2 2） 3 3） 查教材查教材P235P235的附录的附录5.15.1余弦脉冲系数表余弦脉冲系数表 可得：可得： 或或： 32讲解：XX2021/3/10 5.3.3 5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性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。静态特性：集

14、电极电路没有负载下晶体管参数的关系。 理想化折线理想化折线 （虚线虚线） ic 0 VBZ ic 0 晶体管转移晶体管转移特性特性 晶体管输出特性晶体管输出特性 33讲解：XX2021/3/10 + + + + + + + + 外部电路关系外部电路关系: : （5.3.175.3.17） 内部关系式内部关系式: : （5.3.185.3.18） 两式推得：两式推得： 功放基本功放基本电路电路 34讲解：XX2021/3/10 （5.3.85.3.8） 又：又： 动态特性曲线（负载动态特性曲线（负载 线或工作路）的线或工作路）的斜率斜率 故故：（5.3.195.3.19） 动态特性曲线（负载动态

15、特性曲线（负载 线或工作路）的截距线或工作路）的截距 35讲解：XX2021/3/10 晶体管工晶体管工作作 晶体晶体管管截止截止 0 0 0 0 36讲解：XX2021/3/10 1 12 2 3 3 37讲解：XX2021/3/10 临界线临界线 38讲解：XX2021/3/10 临界线临界线 （集电极饱和电压）（集电极饱和电压） 39讲解：XX2021/3/10 临界线临界线 饱和区饱和区 工作区工作区 出现凹顶出现凹顶 40讲解：XX2021/3/10 3 2 1 0 180 BA C D 3 2 1 负载增大负载增大 VCC Q Vcm 1.欠压状态欠压状态 2.临界状态 临界状态

16、3.过压状态过压状态 Rp Vcm Vcm 三三种工作状态种工作状态的波形汇总的波形汇总41讲解：XX2021/3/10 00 临临 界界 临临 界界 欠压欠压 欠压欠压过压过压 过压过压 负载特性曲线负载特性曲线 42讲解：XX2021/3/10 00 临临 界界 临临 界界 欠压欠压 欠压欠压过压过压 过压过压 负载特性曲线负载特性曲线 43讲解：XX2021/3/10 00 临临 界界 临临 界界 欠压欠压 欠压欠压过压过压 过压过压 44讲解：XX2021/3/10 解解：1 1） 且且 故故 45讲解：XX2021/3/10 cm V C v C i maxBE vi C t max

17、C i )( minCsatC Vv也是 cr g CC V 从图中得到：从图中得到： 46讲解：XX2021/3/10 故放大器不会烧毁故放大器不会烧毁 3 3） 2 2） 47讲解：XX2021/3/10 5.3.4 5.3.4 各级电压对工作状态的影响各级电压对工作状态的影响 t 过压过压欠压欠压 0 临临 过压过压欠压欠压 临临 界界 0 界界 48讲解：XX2021/3/10 t 过压过压欠压欠压 0 临临 过压过压欠压欠压 临临 界界 0 界界 49讲解：XX2021/3/10 各变量对功各变量对功放放工作工作状态状态影响的总结影响的总结 功放在过功放在过压和压和欠压工作状态欠压工

18、作状态的一个重要的一个重要特点特点 50讲解：XX2021/3/10 解解：1 1） 51讲解：XX2021/3/10 52讲解：XX2021/3/10 5.5 5.5 高频高频功率放大器的电路组成功率放大器的电路组成 要使高频功放正常要使高频功放正常工作，在其输入和输出工作，在其输入和输出端需端需接接 有直流通路和交流通路：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直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置及偏置及 能量功率；能量功率； 交流匹配网络交流匹配网络：使高频交：使高频交 流信号能有效地进行传输流信号能有效地进行传输。 功放基本电路功放基本电路 53讲解：XX202

19、1/3/10 5.5.1 5.5.1 直流直流馈电电路馈电电路 根据直流电源连接方式的不同根据直流电源连接方式的不同，可可分为：分为： 串联馈电线路：直流电源串联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管、匹配网络和晶体管 形成串联连接的方式。形成串联连接的方式。 并联并联馈电线路：直流电源馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管、匹配网络和晶体管 形成并联连接的方式。形成并联连接的方式。 并联反馈并联反馈 串联反馈串联反馈 54讲解：XX2021/3/10 串并馈直流供电路的优缺点：串并馈直流供电路的优缺点： 优点：优点：并并馈电路中，信号回馈电路中，信号回 路两端均处于直流地电位，路两端均处于直流地

20、电位， 即零电位。对高频而言，回即零电位。对高频而言，回 路的一端又直接接地，因此路的一端又直接接地，因此 回路安装比较方便，调谐电回路安装比较方便，调谐电 容容C C上无高压，安全可靠上无高压，安全可靠； 串联电路的特点正好与并馈电路相反串联电路的特点正好与并馈电路相反 缺点：缺点：并馈电路中，并馈电路中，LCLC处于高频高电位上，它对处于高频高电位上，它对 地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率 的稳定性；的稳定性； 55讲解：XX2021/3/10 1 1. .集电极集电极馈电电路馈电电路 集电极电路对不同频率电路的等效电路集电极电路对不同频

21、率电路的等效电路 56讲解：XX2021/3/10 常用集电极电路常用集电极电路 2 30 LCLC回路阻抗特性回路阻抗特性 频谱频谱 以上两个电路均以上两个电路均满足：满足： 串馈串馈并馈并馈 57讲解：XX2021/3/10 2.2.基极基极馈电线路馈电线路 几种几种常用的产生基极偏压的方法常用的产生基极偏压的方法 （a）、（）、（b） 是并馈是并馈 （c）是）是串串馈馈 58讲解：XX2021/3/10 5.5.2 5.5.2 输出、输入和输出、输入和级间耦合回路级间耦合回路 1 1. .输出输出匹配网络匹配网络 使使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，负载阻抗与放大器所需要的最佳阻

22、抗相匹配， 以保证放大器传输到负载的功率以保证放大器传输到负载的功率最大最大（匹配）（匹配）； 抑制工作频率范围以外的不需要频率抑制工作频率范围以外的不需要频率（滤波）（滤波）； 有效有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使 这几个电子器件彼此隔离，互不这几个电子器件彼此隔离，互不影响影响（隔离）（隔离）。 59讲解：XX2021/3/10 最常见的输出回路是最常见的输出回路是复合输出回路复合输出回路，如图所示。，如图所示。 L1C1回路就叫做回路就叫做中介回路中介回路； RACA分别代表天线的辐射电阻分别代表天线的辐射电阻 与等效电容；与等效电容； L

23、n、Cn为天线回路的调谐元件，为天线回路的调谐元件， 作用作用是使天线回路处于串联谐是使天线回路处于串联谐 振状态，以获得最大的天线回振状态，以获得最大的天线回 路电流路电流iA，亦即使天线辐射功率亦即使天线辐射功率 达到最大。达到最大。 复合输出回路复合输出回路( (为了简化电路，为了简化电路， 省略了直流电源及辅助元件省略了直流电源及辅助元件L 、 C 、C 等等) ) 这种电路是将天线这种电路是将天线( (负载负载) )回路通过互感或其他形式与集电回路通过互感或其他形式与集电 极调谐回路相耦合。极调谐回路相耦合。 60讲解：XX2021/3/10 输出匹配网络类型很多，如输出匹配网络类型

24、很多，如L形、形、形、形、T形等，但是都形等，但是都 可以等效成一个标准的并联谐振回路。可以等效成一个标准的并联谐振回路。 等等 效效 电电 路路 谐振阻抗：谐振阻抗： 61讲解：XX2021/3/10 高频功率放大器工作于非线性状态，晶体管内阻随导通和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。截止变化剧烈，输出阻抗并非常数。内阻等于外阻内阻等于外阻 无意义无意义 衡量回路传输能力的优劣衡量回路传输能力的优劣 中介回路的传输效率：中介回路的传输效率： 阻抗匹配概念：阻抗匹配概念： 调谐调谐 送出额定功率送出额定功率 62讲解：XX2021/3/10 下

25、图是两种下图是两种 形网络是其中的形式之一形网络是其中的形式之一(也可以用也可以用T型网络型网络)。 图中图中R2代表终端代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1代表由代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效 电阻，故接线用虚线表示。电阻，故接线用虚线表示。 R1C 1C2 R2 L1 (a) R1C1R2 C2 L1 (b) 2 L 2 1 1 2 L 1L 1 (3) 11) 2 L ( 1 2 2 2 (2) L 1 1 (1) C XQ R Q RQ L X Q R R R C X Q R C X 11) 2 L ( 1 2 2 1 (3) 1 1 L 2 1 2 L 1L 2 (2)

26、L 1 1 (1) Q R R R L X L XQ R Q RQ C X Q R C X 63讲解：XX2021/3/10 2 2. .输入输入匹配网络与级间耦合网络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。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。路，又是输入匹配网络。 对于对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压中间级而言，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 则降为次要则降为次要问题，也就是问题，也就是减弱了下级对本级工作状态减弱了下级对本级工作状态 的影响的影响。 中间中间放大级工作于过压放大级工作于过压状态状态，此时它等效为一个，此时它等效为一个 理想电