高频电路Class9ppt课件

1、高频电子线路王军王军汕头大学电子工程系汕头大学电子工程系3.3 高频功率放大器的高频效应高频功率放大器的高频效应1. 少数载流子的渡越时间效应少数载流子的渡越时间效应 由于晶体管基区内的不平衡少数载流子向集电区分散时需由于晶体管基区内的不平衡少数载流子向集电区分散时需求一定的时间求一定的时间，这个时间称为，这个时间称为“渡越时间。在低频任务时渡越时间。在低频任务时远小于信号周期远小于信号周期 ，因此它的影响不明显，集电极电流可以跟，因此它的影响不明显，集电极电流可以跟随信号的变化。但当信号频率比较高时，由于随信号的变化。但当信号频率比较高

2、时，由于的影响，使的影响，使ic滞后后滞后后ie到达最大值。而且当输入信号改动方向时，反向电场到达最大值。而且当输入信号改动方向时，反向电场将把滞留在基区的少数载流子拉回发射区，构成反向发射极将把滞留在基区的少数载流子拉回发射区，构成反向发射极电流。由于晶体管的基区电阻和输入结电容的影响，也会使电流。由于晶体管的基区电阻和输入结电容的影响，也会使基极电流和集电极电流幅度下降，且基极电流超前输入电压基极电流和集电极电流幅度下降，且基极电流超前输入电压一个相位，有明显的容性分量。一个相位，有明显的容性分量。 图图3-25阐明了功放在低频和高频任务时的情况。因此，功阐明了功放在低频和高频任务时的情况

3、。因此，功放的高频性能将下降，输出功率和效率都比在低频任务时要放的高频性能将下降，输出功率和效率都比在低频任务时要低很多。低很多。图3-25 载流子渡越时间对电流波形的影响a低频任务时；b高频任务时 CiEiBi（a）（b）t2. 非线性电抗效应非线性电抗效应 功放管中存在集电结电容功放管中存在集电结电容Cbc,这个电容是随集电结电压这个电容是随集电结电压Ubc变化的非线性势垒电容。变化的非线性势垒电容。1假设为负反响：它的存在使的对高频信号呈现出低阻通道，使ib加大，rbb上压降增大，ube减小，ic减小，输出功率和效率下降。为什么是非线性电抗？电容大小是受静态任务点非线性影响的一个可变电容

4、。非线性电抗效应的影响怎样样？2假设为正反响：会带来放大器的不稳定。3. 发射极引线电感的影响发射极引线电感的影响940.1971 2.3log0.7510 ()elLd 在高频任务时，这个电感呈现出很大的阻抗，作为射级负反响。从而减小了集电极电流、降低了输出功率和效率。3-49引入了什么反响？引入了什么反响？电流串联负反响同样大小鼓励的作用下，会产生相对较小的输出电流。降低了输出功率降低了效率缘由是电压利用率降低了4. 饱和压降的影响饱和压降的影响 晶体管任务于高频时晶体管任务于高频时, 实验发现其饱和压降随频率提高而加实验发现其饱和压降随频率提高而加大。饱和电压的加大，使任务于临界形状的放

5、大器的输出幅度大。饱和电压的加大，使任务于临界形状的放大器的输出幅度下降，因此输出功率和效率也会降低。下降，因此输出功率和效率也会降低。图3-27 晶体管的饱和特性bce cesb cb eceVVVIRR cesb cb eVVV 频率比较低时：I低频时忽略掉了体电阻高频时，由于趋肤效应，体电阻的影响将表达出来：3.4 高频功率放大器的实践线路高频功率放大器的实践线路不外乎要留意两个问题(1)如何加直流偏置？要保证在静态时集电结和发射结都要反偏，以保证晶体管处于C类放大形状；(2)如何与前级或后级电路实现阻抗匹配？1 集电极馈电线路集电极馈电线路图图3-27(a)中，晶体管、中，晶体管、 谐

6、振回路和电源三者是串联衔接的，故谐振回路和电源三者是串联衔接的，故称为串联馈电线路称为串联馈电线路.减小电源内阻减小电源内阻(公共内阻公共内阻)呵斥呵斥的共模干扰的共模干扰3.4.1 直流馈电线路直流馈电线路为高频信号提供通路为高频信号提供通路(基涉及各次谐波基涉及各次谐波)为直流信号提供通道为直流信号提供通道,而而对高频信号呈现高阻抗对高频信号呈现高阻抗,阻止高频经过阻止高频经过.Lb和Cb组成低通滤波器 Why？(1)电源总是有内阻的，假设不加这样的滤波电路，那么各次高频分量会在电源内阻上耗费能量，从而降低能量转换效率。(2)另外一个侧面：共模干扰和稳定性问题串联馈电的优点是Ec、 Lb、

7、 Cb处于高频地电位，分布电容不影响回路Lb和Cb组成低通滤波器图 3-27(b) 中晶体管、 电源、 谐振回路三者是并联衔接的，故称为并联馈电线路。由于正确运用了扼流圈Lb和耦合电容Cb，图3-27(b)中交流有交流通路，直流有直流通路，并且交流不流过直流电源。并联馈电的优点是回路一端处于直流地电位，谐振回路中L、 C元件一端可以接地，安装方便。2 基极馈电线路基极馈电线路图 3-28 基极馈电线路的几种方式 +-自给偏压自给偏压Eb=-UCb基极组合偏压基极组合偏压Eb=ER1/(R1+R2)零偏压零偏压Eb=0自给偏压的优点是偏压能随鼓励大小变化，使晶体管的各极自给偏压的优点是偏压能随鼓

8、励大小变化，使晶体管的各极电流受鼓励变化的影响减小，电路任务较稳定。电流受鼓励变化的影响减小，电路任务较稳定。Why?鼓励添加鼓励添加-那么发射极脉冲电流幅度添加那么发射极脉冲电流幅度添加-直流分量添加直流分量添加-UCB添加添加-使得偏置电压使得偏置电压(回想上节课回想上节课)Eb越负越负-减少脉冲幅度减少脉冲幅度-相当于加了一个负反响相当于加了一个负反响!基极馈电线路也有串联和并联两种方式。3.4.2 输出匹配网络输出匹配网络高频功放的级与级之间或功放与负载之间是用输出匹配网高频功放的级与级之间或功放与负载之间是用输出匹配网络衔接的，普通用双端口网络来实现。该双端口网络应具有这络衔接的，普

9、通用双端口网络来实现。该双端口网络应具有这样的几个特点样的几个特点: (1) 以保证放大器传输到负载的功率最大，即起到阻抗匹以保证放大器传输到负载的功率最大，即起到阻抗匹配的作用配的作用; (2) 抑制任务频率范围以外的不需求频率，即有良好的滤抑制任务频率范围以外的不需求频率，即有良好的滤波作用波作用; (3) 大多数发射机为波段任务，因此双端口网络要顺应波大多数发射机为波段任务，因此双端口网络要顺应波段任务的要求，改动任务频率时调谐要方便，并能在波段内坚段任务的要求，改动任务频率时调谐要方便，并能在波段内坚持较好的匹配和较高的效率等。常用的输出线路主要有两种类持较好的匹配和较高的效率等。常用

10、的输出线路主要有两种类型型: LC匹配网络和耦合回路。匹配网络和耦合回路。有选频功能有选频功能1. LC匹配网络匹配网络图图3-29是几种常用的是几种常用的LC匹配网络。匹配网络。图 3-29 几种常见的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型在负载电阻Rp大于高频功放要求的最正确负载阻抗RLcr时，采用L-型网络，经过调整Q值，可以将大的Rp变换为小的以获得阻抗匹配()。在负载电阻Rs小于高频功放要求的最正确负载阻抗RLcr时，采用L-型网络，经过调整Q值，可以将小的Rs变换为大的以获得阻抗匹配()。sRLcrsRR pRLcrpRR 最后等效为一个串联谐振方式最后等效为一个串联

11、谐振方式-小电阻小电阻等效为一个并联谐振方式等效为一个并联谐振方式-大电阻大电阻L型网络虽然简单，但由于只需两个元件可选择,阻抗变换功能与选频功能Q值决议是一对矛盾。T型网络和型网络有没有阻抗变换功能？真正的目的是？获得一个好的Q值，也就是好的滤波或选频性能。最好采用L型网络+T型网络或型网络相互结合来实现阻抗匹配和阻抗变换功能没有！没有！图图 3-30 一超短波输出放大器的实践电路一超短波输出放大器的实践电路自偏压自偏压C1、C2、L1构成构成型匹配网络型匹配网络L2补偿天线补偿天线的辐射电容的辐射电容图3-30是一超短波输出放大器的实践电路，它任务于固定频率。图中L1、 C1、 C2构成一

12、型匹配网络，L2是为了抵消天线输入阻抗中的容抗而设置的。改动C1和C2就可以实现调调和阻抗匹配的目的。2 耦合回路耦合回路图图3-31 是一短波发射机的输出放大器，它采用互感耦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，多波段任务。由第合回路作输出电路，多波段任务。由第2章分析可知，改动章分析可知，改动互感互感M，可以完成阻抗匹配功能。，可以完成阻抗匹配功能。图图3-31 3-31 短波输出放大器的实践线路短波输出放大器的实践线路1:4变换器变换器波段开关波段开关有电流放大才干有电流放大才干, ,从而有功率放大从而有功率放大也是双调谐电路也是双调谐电路,改动改动K-即改动即改动M

13、,改动改动C1和和C2可以实现调谐可以实现调谐有没有反响？有没有反响？3.4.3 高频功放的实践线路举例高频功放的实践线路举例采用不同的馈电电路和匹配网络，可以构成高频功放的各采用不同的馈电电路和匹配网络，可以构成高频功放的各种适用电路。种适用电路。图图3-32(a)是任务频率为是任务频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路，的晶体管谐振功率放大电路，它向它向50 外接负载提供外接负载提供25 W功率，功率增益达功率，功率增益达7 dB。这个放大。这个放大电路基极采用零偏，集电极采用串馈，并由电路基极采用零偏，集电极采用串馈，并由L2、L3、C3、 C4组成组成型网络型网络(?)。图图3-3

14、2(b) 是任务频率为是任务频率为175 MHz的的VMOS场效应管谐振功场效应管谐振功放电路，可向放电路，可向50 负载提供负载提供10 W功率，效率大于功率，效率大于60，栅极采，栅极采用了用了C1、 C2、 C3、 L1组成的组成的T型网络，漏极采用型网络，漏极采用L2、L3、 C5、C7、 C8组成的组成的型网络型网络(?); 栅极采用并馈，漏极采用串馈。栅极采用并馈，漏极采用串馈。图 3-32 高频功放实践线路 (a) 50 MHz谐振功放电路; (b) 175 MHz谐振功放电路3.5 高效功放与功率合成高效功放与功率合成对高频功率放大器的主要要求是高效率和对高频功率放大器的主要要

15、求是高效率和大功率。大功率。C类功放效率和大功率是一对矛盾近年来出现了新的功率放大器，效率高达90%以上一类：开关型高频功放另外一类：采用特殊的电路设计技术设计功放的负载回路，以降低器件功耗，提高功放的集电极效率，这类功放有F类、 G类和H类功放。有D类、 E类和S类开关型功放今天要讲的内容我的猜测：类似于开关电源中的软开关战略的一种开关型高频功放3.5.1 D类高频功率放大器类高频功率放大器 D类高频功放就是任务于这种开关形状的放大器。当晶体管处于开关形状时，晶体管两端的电压和脉冲电流当然是由外电路，也就是由晶体管的鼓励和集电极负载所决议。通常根据电压为理想方波波形或电流为理想方波波形，可以

16、将D类放大器分为电流开关放大器和电压开关放大器。1. 电流开关型电流开关型D类放大器类放大器图图3-33是电流开关型是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图，线路经类放大器的原理线路和波形图，线路经过高频变压器过高频变压器T1，使晶体管，使晶体管V1、V2获得反向的方波鼓励电压。在获得反向的方波鼓励电压。在理想形状下，两管的集电极电流理想形状下，两管的集电极电流ic1和和ic2为方波开关电流波形，为方波开关电流波形，ic1和和ic2交替地流过交替地流过LC谐振回路，由于谐振回路，由于LC回路对方波电流中的基频分回路对方波电流中的基频分量谐振，因此在回路两端产生基频分量的正弦电压。晶体管量谐振，

17、因此在回路两端产生基频分量的正弦电压。晶体管V1、V2的集电极电压的集电极电压uce1、uce2波形示于图波形示于图3-33(d)、(e)。由图可见，。由图可见，在在V1(V2)导通期间的导通期间的uce1(uce2)等于晶体管导通时的饱和压降等于晶体管导通时的饱和压降uces; 在在V1(V2)截止期间的，截止期间的，uce1(uce2)为正弦波电压的一部分。回道路为正弦波电压的一部分。回道路圈中点圈中点A对地的电压为对地的电压为(uce1+uce2)/2，为如图，为如图3-33(f)的脉动电压的脉动电压uA，可见可见A点不是地电位，它不能与电源点不是地电位，它不能与电源Ec直接相连，而应串

18、入高频扼直接相连，而应串入高频扼流圈流圈Lb后，再与电源后，再与电源Ec相连相连(本末倒置本末倒置)。图图 3-33 电流开关型电流开关型D类放大器的线路和波形类放大器的线路和波形 大电感,电流不能突变相当于一个电流源,所提供的能量其实是大电感所储存的能量. .基频分量的作用类似结果 1sgn1(-) cos2inputcecmcescesuutUUtU2sgn1( )(-) cos2inputcecmcescesuutUUtU1212sgn22() cos2() cosgnscecescecesAcescececmcescesMcesceinpustinputuUuUuUuuUUtUUUtU

19、uu对谐振电路部分，谐振电路为线性电路，符合叠加原理，故而有：到目前为止UM多大对我们来说是未知的，如何求这个UM呢？在中点A，该点的平均电压应该为电源电压EC，因此从图3-33(f)中可以得到，/2/21()cos122()()()2cMcescesMcescesmcescesMccescesEUUtUd tUUUUUUUEUU，因此：2()()cmMcesccesUUUEU那么：回路两端的电压幅度为：(3-33)集电极回路两端的高频电压有效值为 (3-34)cmceffcces()22UUEu 调查直流分量，而直流时扼流电感呈现短路形状V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形，它的基

20、频分量振幅等于(2/)Ic0。V1、V2的ic1、ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗(思索了负载RL的反射电阻)两端产生的基频电压振幅为(3-35)2cmc0LUIRLR将式(3-33)代入式(3-35)，得 (3-36)(22cescL2Lcmc0uERRUI输出功率为 (3-37)2cescL2L2cm1)(221uERRUP输入功率为(3-38)ccescL20c00)(2EuERIEPcescescL210c)(2uuERPPP集电极损耗功率为(3-39)%100%100ccesc01EuEPP集电极效率为(3-40)这种线路由于采用方波电压鼓励，集电极电流为方波开关波形，故称此线

21、路为电流开关型D类放大器。由集电极效率公式(3-42)可见，当晶体管导通时，假设饱和电压降uces=0, 此时，电流开关型D类放大器可获得理想集电极效率为100%。实践D类放大器的效率低于100%。引起实践效率下降的主要缘由有两个:另一个是鼓励电压大小总是有限的，且由于晶体管的电容效应，由截止变饱和，或者由饱和变截止，电压uce1和uce2实践上有上升边和下降边，在此过渡期间已有集电极电流流通，有功率损耗。任务频率越高，上升边和下降边越长，损耗也越大(为什么?)。这是限制D类放大器任务频率上限的一个重要要素。通常，思索这些实践要素后，D类高频功放的实践效率仍能到达90%，甚至更高些。一个是晶体

22、管导通时的饱和压降uces不为零，导通时有损耗。2 电压开关型电压开关型D类放大器类放大器图图3-34 为一互补电压开关型为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。类功放的线路及电流电压波形。两个同型两个同型(NPN)管串联，集电极加有恒定的直流电压管串联，集电极加有恒定的直流电压Ec。两管输。两管输入端经过高频变压器入端经过高频变压器T1加有反相的大电压，当一管从导通至饱加有反相的大电压，当一管从导通至饱和形状时，另一管截止。负载电阻和形状时，另一管截止。负载电阻RL与与L0、C0构成一高构成一高Q串联串联谐振回路，这个回路对鼓励信号频率调谐。假设忽略晶体管导通谐振回路，这个回路对鼓励

23、信号频率调谐。假设忽略晶体管导通时的饱和压降，两个晶体管就可等效于图时的饱和压降，两个晶体管就可等效于图3-34(b)的单刀双掷开的单刀双掷开关。晶体管输出端的电压在零和关。晶体管输出端的电压在零和Ec间轮番变化，如图间轮番变化，如图 3-34(c)所所示。在示。在uce2方波电压的鼓励下，负载方波电压的鼓励下，负载RL上流过正弦波电流上流过正弦波电流iL，这是由于高这是由于高Q串联回路阻止了高次谐波电流流过串联回路阻止了高次谐波电流流过RL(直流也被直流也被C0阻隔阻隔)的缘故。这样在的缘故。这样在RL上依然可以得到信号频率的正弦波电压上依然可以得到信号频率的正弦波电压, 实现了高频放大的目

24、的。在理想情况下，两管的集电极损耗都为实现了高频放大的目的。在理想情况下，两管的集电极损耗都为零零(因因uce2ic2=uce1ic1=0)，理想的集电极效率为，理想的集电极效率为100%。这也可。这也可以从输入功率和输出功率计算中得出。以从输入功率和输出功率计算中得出。 图 3-34 电压开关型D类功放的线路及波形由图可见，因ic1、ic2都是半波余弦脉冲(=90)，所以两管的直流电压和负载电流分别为两管的直流输入功率为cmaxc01iIcmaxc0c001iEIEPcmaxLiI两个半波合成一个整波两个半波合成一个整波应该改为：流过直流电源的直流电流只需半周期有电流应该改为：流过直流电源的

25、直流电流只需半周期有电流负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波电压分量。对uce2分解可得负载上的功率为(3-41)可见c0cL2dsin1EttEUcmaxcLLL121iEIUP0LPP 1 oLPP 效率：对基波谐振，而谐振时电感和电容上的对基波谐振，而谐振时电感和电容上的压降大小相等，差压降大小相等，差180度，所以。度，所以。对输入电压滤波之后的基波电压信号就等于基波电流在RL上构成的电压此时匹配的负载电阻为 (3-42)影响电压开关型D类放大器实践效率的要素与电压开关型根本一样，即主要由晶体管导通时的饱和压降uces不为零和开关转换期间(脉冲上升和下降边沿)的损耗功率所呵

26、斥。开关型D类放大器的主要优点是集电极效率高，输出功率大。但在任务频率很高时，随着任务频率的升高，开关转换瞬间的功耗增大，集电极效率下降，高效功放的优点就不明显了。 由于D类放大器任务在开关形状，因此也不适于放大振幅变化的信号。cmaxcLLL2iEIUR那用在哪儿？F类、 G类和H类放大器是另一类高效功率放大器。在它们的集电极电路设置了专门的包括负载在内的无源网络，产生一定外形的电压波形，使晶体管在导通和截止的转换期间，电压uce和ic同时具有较小的数值，从而减小过渡形状的集电极损耗。同时，还设法降低晶体管导通期间的集电极损耗。这几类放大器的原理、 分析和计算可参看有关文献。各种高效功放的原理与设计为进一步提高高频功率放大器的集电极效率提高提供了方法和思绪。当然，实践器件的导通饱和电压降不为零，实践的开关转换时间也不为零，在采取各种措施后，高效功放的集电极效率可达90%以上，但仍不能到达理想放大器的效率。3.5.2 功率合