高频电子电路2.4课件

1、2.4 高频功率放大器的实用电路高频功率放大器的实用电路 要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：接有：直流馈电电路直流馈电电路：为晶体管各级提供合适的偏置；：为晶体管各级提供合适的偏置；滤波匹配网络：将交流功率信号有效地传输。滤波匹配网络：将交流功率信号有效地传输。 2.4.1直流馈电电路直流馈电电路 根据直流电源连接方式不同可分为：根据直流电源连接方式不同可分为：串联馈电串联馈电：指晶体管、负载回路和直流电源是：指晶体管、负载回路和直流电源是串联串联的；的；并联馈电并联馈电：指晶体管、负载回路和直流电源是：指晶体管、负载

2、回路和直流电源是并联并联的。的。1.集电极馈电电路集电极馈电电路（1）分类）分类两种馈电方式都应满足：两种馈电方式都应满足：1cosCEccmuEUt（2）集电极馈电电路的组成原则）集电极馈电电路的组成原则IcoEC 的直流分量的直流分量 由由 经过管外电路供给经过管外电路供给集电极，在集电极，在 流过的通道中除晶体管内阻流过的通道中除晶体管内阻外，应该没有其他电阻消耗能量。外，应该没有其他电阻消耗能量。cicoIcoIcE 2.4.1 直流馈电电路直流馈电电路 1.集电极馈电电路集电极馈电电路 的基波分量的基波分量 应通过负载回路，产生应通过负载回路，产生需要的高频输出功率，因此需要的高频输

3、出功率，因此 ， 应只在负应只在负载回路上产生电压降，其余部分的外电路载回路上产生电压降，其余部分的外电路对它应是短路的。对它应是短路的。ci1ci1cmIIcm1CL 的高频谐波分量的高频谐波分量 不应该消耗功率，不应该消耗功率，因此，管外电路对因此，管外电路对 应尽可能接近于短路。应尽可能接近于短路。cicnicmnIIcmn（3）常用的集电极馈电电路）常用的集电极馈电电路 2.4.1直流馈电电路直流馈电电路 1.集电极馈电电路集电极馈电电路LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT高频扼流圈高频扼流圈Lc：通直流阻交流；：通直流阻交流；高频旁路电容高频旁路电容Cc：通交流

4、隔直流；：通交流隔直流；隔直电容隔直电容Cc1：通交流隔直流。：通交流隔直流。串馈串馈并馈并馈Ico直流通路直流通路IcoECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTic1交流通路交流通路ic1icn交流通路交流通路icnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT1cosCEccmuEUt两种馈电方式都满足：两种馈电方式都满足：根据直流电源连接方式不同可分为：根据直流电源连接方式不同可分为：串联馈电串联馈电：指晶体管、输入回路和直流电源是：指晶体管、输入回路和直流电源是串联串联的；的；并联馈电并联馈电：指晶体管、输入回路和直流电源是：指晶体管、输入回路和直流电

5、源是并联并联的。的。2. 基极馈电电路基极馈电电路（1）分类）分类cosBEBBbmuUUt 两种馈电方式都应满足：两种馈电方式都应满足：（2）基极馈电的两种形式）基极馈电的两种形式CBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB串馈串馈并馈并馈2. 基极馈电电路基极馈电电路（3）实用的基极馈电电路）实用的基极馈电电路CBLBLBLBCERBReVTVTVTIBOUBBIBOIEO +UBB -实际应用中，由于基极馈电电路中采用单独电源实际应用中，由于基极馈电电路中采用单独电源 不方便，不方便，通常采用通常采用自给偏压自给偏压的方式提供基极偏置。的方式提供基极偏置。BBU并馈并馈并馈并馈串馈串馈（1

6、）利用基极回路直流电流）利用基极回路直流电流 产生偏压产生偏压BOIBBBOBUIR （2）利用）利用 在在 上产生偏压上产生偏压 （ 一般很小）一般很小）BOIbbrBBBO bbUIr bbr（3）利用射极回路直流电流）利用射极回路直流电流 产生偏压产生偏压EOIBBEOeUIR 常用的常用的自给偏自给偏压电路压电路仿真仿真 2.4.2 滤波匹配网络滤波匹配网络 高频功放都要采用一定的高频功放都要采用一定的耦合回路耦合回路，以使输出功率能有效地传输到负载（下，以使输出功率能有效地传输到负载（下级输入回路或天线回路），一般说来，放大器与负载之间的耦合可采用下图所级输入回路或天线回路），一般说

7、来，放大器与负载之间的耦合可采用下图所示的四端网络来表示。这个四端网络应完成的任务是：示的四端网络来表示。这个四端网络应完成的任务是：功功 率率放大器放大器输入输入匹配匹配网络网络输出输出匹配匹配网络网络RLRSuSRiRoRLRS（1） 使负载阻抗与放大器所需要的使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。 （2） 抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。良好的滤波作用。 （3） 在有几个电子器件同时输出功率

8、的情况下，保证它们都能在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功有效地传送功率到公共负载率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响彼此隔离，互不影响。 输入匹配网络或级间耦合网络输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载是用以输出功率至天线或其他负载L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK 介于放大器与天线回路之间的介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做回路就叫做中介并联谐中介并联谐振回路

9、振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；分别代表天线的幅射电阻与等效电容； L2、C2为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路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，以使天线回路的电流处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，达到最大值，亦亦即使天线幅射功率达到最大。即使天线幅射功率达到最大。 从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中其中Rp为折合到晶体管输出回路的等效负载为折合到晶体管输出回路的等效负载 。 1. 输出匹配电路输出匹配电路 （1） 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配

10、电路 RpRp 当天线回路调谐在串联谐振状态时，它当天线回路调谐在串联谐振状态时，它反映到反映到L1C1中介回路的等效电阻为中介回路的等效电阻为 设初级回路的接入系数为设初级回路的接入系数为 p，则晶体，则晶体管输出回路的等效负载为：管输出回路的等效负载为： rr1C1L1C1RpL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp（1）并联谐振回路型的匹配电路）并联谐振回路型的匹配电路ARMr22 L1C1中介回路的等效谐振阻抗为中介回路的等效谐振阻抗为 11CQLQRLLP QL为有载品质因素为有载品质因素 ，rrLQL 11 )(22111111APRMrCLrrCLR )(2211122

11、APPRMrCLpRpR 改变互感系数改变互感系数M和接入系数和接入系数 p就可以在不影响回路调谐的情况下。调就可以在不影响回路调谐的情况下。调整晶体管的输出回路的等效负载电阻整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp，以达到阻抗匹配的目的。，以达到阻抗匹配的目的。 （1）并联谐振回路型的匹配电路）并联谐振回路型的匹配电路 由于高频功率放大器工作在非线性（丙类）由于高频功率放大器工作在非线性（丙类）工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，内工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻不是常数。所谓线性电路的阻不是常数。所谓线

12、性电路的阻抗匹配阻抗匹配（负载（负载阻抗与电源内阻相等）概念也就失去了意义。阻抗与电源内阻相等）概念也就失去了意义。 k ：中介回路的传输效率。中介回路的传输效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp如果设如果设 ： 111porCLR 空空载载回回路路谐谐振振阻阻抗抗)(1111rrCLRP 有有载载回回路路谐谐振振阻阻抗抗11rLQQo 值值空空载载回回路路111rrLQQL 值值有有载载回回路路OLPPkQQRRrrrrrro 11)(1)(111 rr1C1L1C1RpL1IKRp2211()()AkokkPPIrrIrrrr回路送到负载的功率电子元件送至回路的总功率因此有：因此有：

13、 要想回路的传输效率高，则要想回路的传输效率高，则空载空载Qo越大越越大越好，有载好，有载QL越小越好，越小越好，也就是说，也就是说，中介回路中介回路本身的损耗越小越好本身的损耗越小越好 但从要求但从要求回路滤波作用良好来考虑，则回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，。在功率很大的放大器中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。 （2） 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 在大功率输出级，在大功率输出级，T型、型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。型等滤波型的匹

14、配网络就得到了广泛的应用。 图中的图中的R2一般代表终端一般代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1则代表由则代表由R2折合到左端的等效电阻折合到左端的等效电阻，现以现以 (a)为例进行计算公式的推导为例进行计算公式的推导 。两种两种型匹配网络型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2 将并联回路将并联回路R1C1与与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得L1C1R1C2R21212c12c121111RRXXQRR C12C12121C1XXRRX 2212c22c22RRXXR C12C22222C2XXRRX 网络匹配

15、时，网络匹配时，R1= R2 22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 由谐振条件得由谐振条件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX 例例 有一个输出功率为有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求，试求型匹配网络的元件值。型匹配网络的元件值。 解解 :（2） 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 L1R1C1R2= RLC2 R1应该是功率放大器所要求的匹配电应该是功率放大器所要求的匹配电阻阻 Rp ,即即L1C1R1C2R2 1442224222o2Co

16、2cm11PEPURRp4 .141014411c1 QRXpF2214 .1410502116c11 XC网络匹配时，网络匹配时，R1= R2 22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 改写为：改写为： 22c221211)(111RXRRQ 解之得：解之得： 57. 8114450)101(501)1(212212C2 RRQRXpF37157. 810502116c22 XC 由谐振条件得由谐振条件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX 12c1212c1c22c121c2121L1RXRXXRXXRRX )1(1)1(11c212211

17、121c2212111XQRQRQQXRRQRQ 6 .22)75. 810501(110144102 nH72105026 .226L11 XL注意，考虑到晶体管的输出电容注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，后，C1应减去应减去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当当L1确确定之后，用定之后，用C2主要调匹配，用主要调匹配，用C1主要调谐振。主要调谐振。 实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件（通常都是假定

18、个假设条件（通常都是假定Q1值），即可求出电路值），即可求出电路元件的数值。元件的数值。 2.6.1 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 以以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/ fo只有百只有百分之几甚至千分之几，所以又称为分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐系统复窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。 2.6宽带高频功率放大器与功率合成电路宽带高频功率放大器与功率合成电路 近年来一种新颖的，近年来一种新颖的，能够在很

19、宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功率放大器率放大器得到了迅速的推广。得到了迅速的推广。 宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路感线圈作为其输出电路 。 宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小

20、的甲类或甲题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的换取宽频带输出的 。 1. 普通变压器不能在较宽频内工作的原因普通变压器不能在较宽频内工作的原因 2.6.1 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 图图 (b)中中L、Ls1、r1是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；是变压器初级绕组的电感、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；是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；C是变压器各分布电容折是变压器

21、各分布电容折合到初级后的总和；合到初级后的总和；RL是折合到初级后的等效负载电阻。是折合到初级后的等效负载电阻。 在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感以认为电感L是开路，如图是开路，如图(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和损。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，可以认为电容耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容C开路，如图开路，如图 (d)；(a)原理电路原理电路(b)等效电路等效电路(c)高频端等效电路高频端等效电路(d)低频端等效电路低频端等效电路(e) 频率响应曲线频

22、率响应曲线usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CRLrLsLCRLRLfsfuo一般变压器的等效电路一般变压器的等效电路 可见工作频率越低，电感可见工作频率越低，电感L的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将。在高频端作频率的降低而下将。在高频端负载负载RL接在接在Ls和和C组成的串联谐振回路容组成的串联谐振回路容抗元件的两端抗元件的两端，在串联谐振频率，在串联谐振频率fs的附近，负载两端的电压急剧增加，并在的附近，负载两端的电压急剧增加，并在fs上达到最大值。但是，偏离谐振频率上达到最大值。但是，偏离谐振频率fs

23、，电压将急剧减小。，电压将急剧减小。 2. 宽频带传输线变压器的工作原理宽频带传输线变压器的工作原理 传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损耗传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。 传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。 两根导线紧靠在

24、一起，所以导线任意长度处的线两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均匀分磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电分布参数电路路。 usususRLRLRLRsRsRs(a) 结构示意图结构示意图(c) 普通变压器的原理电路普通变压器的原理电路(b) 原理电路图原理电路图u1u2u1u2u1u2 在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以在传输线变压器中，线间的分布电容不

25、影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。 （1） 1:1传输线变压器传输线变压器 3. 常用传输线变压器分析常用传输线变压器分析 1:1传输线变压器，又叫传输线变压器，又叫倒相变压器倒相变压器。当传输线无损时，可以认为。当传输线无损时，可以认为u1=u2和和i1=i2。usRLRsu1u2i1i2如果传输线的特性阻抗：如果传输线的特性阻抗： CLZ o传输线输出端的等效阻抗为：传输线输出端的等效阻抗为：2242iuZ 输入端（输入端（1、3端）的等效阻抗为端）的等效阻抗为 ：421131 ZiuZ为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求： LRZ 42为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求： SRZ 311:1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足传输线变压