Chapter 3-2高频功率放大器-121016

1、 音 频 放 大 高 频 振 荡 倍 频 高 频 放 大 调 制 缓 冲 声 音 音 频 放 大 高 频 振 荡 倍 频 高 频 放 大 调 制 缓 冲 声 音 1 1、放大器工作状态分类、放大器工作状态分类 ：表表3-1 不同工作状态时放大器的特点不同工作状态时放大器的特点 工作状态工作状态 半导通角半导通角 理想效率理想效率 负负 载载 应应 用用 甲类甲类 q qc=180 50% 电阻电阻 低频低频 乙类乙类 q qc=90 78.5% 推挽，回路推挽，回路 低频，高频低频，高频 甲乙类甲乙类 90q qc180 50% h h78.5% 推挽推挽 低频低频 丙类丙类 q qc90 h

2、 h78.5% 选频回路选频回路 高频高频 丁类丁类 开关状态开关状态 90%100% 选频回路选频回路 高频高频 (BJT)( FET)(IC) 3.1 概述概述3.1 概述概述3 3、如何解决非线性工作状态带来的失真？、如何解决非线性工作状态带来的失真？ ic ub t o o ic t UBZ 2 2、高频功率放大器的目的与特点、高频功率放大器的目的与特点目的：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。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：特点： 高频高频 高效率输出高效率输出 大功率输出大功率输出* *可选丙类工作状态。可选丙类工作状态。 用谐振回路作负载。

3、用谐振回路作负载。 * 放大元件晶体管选取：放大元件晶体管选取： 根据参数定元件：根据参数定元件：Pi 、 Po 、U ces 、 U cem 、 Ic 、 * 工作状态工作状态: 电路工作在丙类工作状态基极负偏置电路工作在丙类工作状态基极负偏置 * 信号通路：信号加晶体管信号通路：信号加晶体管be端，放大后经端，放大后经LC谐振回路选频，送负载。谐振回路选频，送负载。i + ub iB + VBB + VCC + ec C + uoL 输出输出 iE ceb i + ub iB + VBB + VCC + ec C + ucL 输出输出 iE ceb oCEuVuCC UBZ VBB t t

4、 t t uBE ib ic Uo Uom ubm PRtIu coscm1otUVucosbmBBBE Ic 、c 、uo iYtUVicosbmBBB Bii Cuo例：例：晶体管特性曲线一、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。icgcub0 UBZ (b) ic饱饱和和区区 临界线临界线线性放大区线性放大区 ubuce0 (c) gcribgbub0 UBZ (a) ic =gc(ubeUBZ) (ubeUBZ) ic = 0 (ubeUBZ)bbccguug b be eb be eii正向转移特性：正

5、向转移特性：输入特性：输入特性：ib =gb(ubeUBZ) (ubeUBZ) ib = 0 (ubeUBZ)bebeugbb i输出特性：输出特性：),(bceceuufi ic =gcruce ；临界工作时：临界工作时：线性放大时：线性放大时：ceceugccr i其中：其中：谐振功率放大器的根本电路谐振功率放大器的根本电路tUVutUVucoscoscmCCCEbmBBBE 转移 特性 ic UBZ o 理想化 ic max ic t o +qc qc o +qc qc Ubm Ubm uBE uBE UBB t bbmBBBZBEBZBEcos*q qUVUuUu 则则有有：时时晶晶体

6、体管管临临界界导导通通，当当)(BZBEccUugi cbmBBBZbUVUq qq qcoscos 1、晶体管的导通角：晶体管的导通角：二、集电极余弦电流脉冲二、集电极余弦电流脉冲分析分析尖顶余弦脉冲尖顶余弦脉冲 Ic M t o 2qc 常数CEbeuugcci)cos1(ccMccbmUgIiq q cctIicos1coscoscMc )(BZbeUugicc2.集电极余弦电流脉冲的表达式集电极余弦电流脉冲的表达式)cos1(1cMccbmIUgq q bmBBBZcUVU q qcos又又)(cosbmBBBZbmUVUtUgc)cos(BZBBbmUVtUgc)cos(coscbm

7、tUgqc)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1(sincos)()cos1(cossin)(210ccccccnccccccccccnnnnn 3. 余弦尖顶脉冲的余弦尖顶脉冲的各次频率分量的大小各次频率分量的大小)()cos1)(1(sincoscossin2)coscos1coscos(1)cos(1cM2cMcMcnmcnccccccccInnnnnItdtntItdtniI )()(cMcM10cM0CncmnCcmCCIIIIII 3. 曲线随曲线随变化变化观察：观察： 1.0随c单调增加 2. 当c120时，1到达最大值。在Ic max与Rp为某定值的情况下，

8、输出功率将到达最大值。但此时g1小，效率太低。综合考虑后取c70c=60时，2到达最大值。c=40时，3到达最大值。0, 1, 2, 30.50.40.30.20.10 0.051030507090110 130150 170q/1.02.01 /0 g1(q) g1(q)101032余弦脉冲分解系数与的关系曲线三、功放电路功率与效率三、功放电路功率与效率定义符号：定义符号：P= = 直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率； Po = 交流输出信号功率；交流输出信号功率； Pc = 集电极耗散功率；集电极耗散功率； c = Po / P= 根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：直流电源输

9、出功率：直流电源输出功率：交流信号输出功率：交流信号输出功率：放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：)(21=21=101=ccCCcmomocgIVIUPPCCcmVV 集电极电压利用系数集电极电压利用系数;011)(ccmcIIg q q波形系数，通角波形系数，通角q qc的函数；的函数； ic=Ico+ Icm1cos t + Icm2cos2 t + Icm3cos3 t +ubiB+VBB+VCC+ecC+uoL输出iEiceb例例1：用高频功率管：用高频功率管3DAl 做成谐振功率放大器，且工作做成谐振功率放大器，且工作在临界状态，在临界状态，Vcc=24V，P0=2W，工作频率

10、为，工作频率为1MHz，UCES1.5V，半通角，半通角c70。求求: Ucm、Rp、Ic1m、Ic0、Pc、P=、。提示：提示：170=0.436、0 解：解：)V( 5 .225 . 124 CEScccmUVUpcmRUP220 )A(178. 06 .1265 .221 pcmmcRUI)W(48. 2103. 0240 cccIVP)W(48. 000. 248. 20 PPPc%8048. 220 PP)(6 .126225 .222202 PURcmp)A(103. 0436. 0253. 0178. 0)()()(10100 ccmcccMcIIIq q q q q q )(1

11、1cmccMIIq q Ucm2Ucm1ict Q VCCuc3t0B动态特性动态特性：四、四、 高频谐振功率放大器的动态特性高频谐振功率放大器的动态特性静态持性静态持性： 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。),(bceceuufi 这是晶体管本身所固有的。 在高频功率放大器放大器的输入、输出电路条件确定后(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)，晶体管放大器放大器输出端的工作轨迹。 ic ube4 ube3ube2ube1 反映ic c与u ubebe和u ucece的关系。 由于是工作于丙类状态，它在i

12、cuce或icube坐标系统中是一条折线， Ucm2Ucm1 QVCCU030B icUb=UbrCc cc cmmb bb bc cmmc cmmb bb bc cmmb bmmq qcos:0UVUVUUVUUVUUVUUccbmBZccbmBZcc 其其中中令：令：)(0dUugiCEc 动动态态特特性性方方程程：建建立立)(cceufi 1. cmCEccUuVt cos可见：可见：ube0时，时，输出动态特曲是一条斜率为输出动态特曲是一条斜率为gd经经U0的直线。的直线。cmbmUUggc cd d 理想化动态特理想化动态特性曲线性曲线的表的表示示: 通过放大器输入/输出回路方程和转

13、移特性方程导出。tUVu coscmCCCE )(cBZBEcUugi tUVu cosbmbbBE cmCEccUuVUV bmbb)()(0dcmbbcmbmcUugUUVUUVUuUUgCEbmBZccCEcmbm )(bmbbcBZcmCEccUUuVUVg Ucm2Ucm1 QVCCU030B icUb=UbrCUcm 连接连接BC；cmbmUUggcd 2. 截距法作动态特性曲线：截距法作动态特性曲线： 在在 ic / uce 坐标中，经坐标中，经 B(U0 ，0 0 ) 点点、作作斜率为斜率为g gd d的直线、上交的直线、上交 ubemax = = Vbb+Ubm于于A A点的

14、直线，是点的直线，是动态特性曲线的动态特性曲线的AB段段。 C点坐标：点坐标：得折线得折线AB-BC 。c cc cmmc c0 0q qcos,0UVUuiccCE 时时b bmmb bb bc cMMc cUVuuIibebe max,时时c0c i作作AB线段：线段：作作BC线段：线段：)(0dUugiCEc bmBZccUVUUVbbcm cmmaxCEUVuCC 3. 虚拟电流法作动态特性曲线：虚拟电流法作动态特性曲线： 连接连接AB、BC， 折线折线 AB-BC 为输出为输出动态轨迹动态轨迹。假设假设ubeUBZ 时时 ic 0 0，满足于上式。，满足于上式。ABAB线段可向下延射

15、线段可向下延射)(,bbccccBZCEUVgiVuQ 则则点点令令Q为虚拟工作为虚拟工作 点。点。建虚拟工作点建虚拟工作点Q： uce= = ucemin时时, ,ic=gc(ubemax-UBZ ) =icm得得A点点tUVucmccCE cos 定定A A、C C点：点：cmccCEmcmccCEUVuUVu axmin; uce= = ucemax时时, , ic=0 得得C点；点； 定定B B点：点：连接连接AQ交交横轴于横轴于B， )()()(bmbbc0dcBZbeBZcmCEccCEUuUUuVUVgUugi Vbb ; Ubm;UBZ; gcPc1mcRIUgbm 影响动态特

16、性曲线的因素：影响动态特性曲线的因素：影响影响 B 点因素：点因素：cmbmUUggcd 影响影响斜率因素：斜率因素：bbccPBZc)(VUVRUgbm、影响动态特性曲线的因素：影响动态特性曲线的因素：晶体管晶体管Pc1ccc)()cos1(RUgUgbmbm q q q qPc1cMc)(RIUgbm q q Pc1c)()cos1(1R q q q qoU影响影响 A点因素：点因素：cmccccMUVUI min;Vbb ; Ubm;UBZbmBZccUVUUVbbcm Ic ; Rp 影响影响 Q 点因素：点因素：)(;BZbbccQCCUVgiV 3)3)临界工作状态：临界工作状态：

17、 是欠压和过压状态的分是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。正好落在临界线上。2)2)过压工作状态：过压工作状态： 集电极最大电流进入饱集电极最大电流进入饱和区，交流输出电压较高和区，交流输出电压较高且变化不大。且变化不大。 1)1)欠压工作状态：欠压工作状态： 集电极最大点电流在线集电极最大点电流在线性区，交流输出电压较低且性区，交流输出电压较低且变化较大。变化较大。丙类谐振放大器丙类谐振放大器三种工作状态三种工作状态化分为：化分为：三个工作区三个工作区 谐振功率放大器的工作状态是指处于丙类或乙类放大时，在输入信号鼓励谐振功率放大器的工作状态是指处

18、于丙类或乙类放大时，在输入信号鼓励的一周内，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。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；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；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：晶体管(gc、UBZ)、负载阻抗Rp、鼓励电压ub、供电电压VCC、VBB。 五、谐振功率放大器的负载特性五、谐振功率放大器的负载

19、特性1)1)动态曲线随动态曲线随 Rp 变化情况变化情况： 如果晶体管及如果晶体管及UCC、UBB、ub 参量不变，放大器的输出电流、输出电压、功率、效率参量不变，放大器的输出电流、输出电压、功率、效率等仅随等仅随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。 Rp变化变化, Q点不会改变。点不会改变。Pc1cd)()cos1(1Rg q q q q已已知知： 可见：动态曲线斜率可见：动态曲线斜率 与与Rp成反比。成反比。dg2负载特性讨论：负载特性讨论： 欠压状态：欠压状态：ic为余弦尖脉冲；为余弦尖脉冲； Rp增大增大IcM根本不变根本不变Ic1m ,Ic

20、0根本不变根本不变;Ucm线性增大线性增大 。 过压状态：过压状态： ic为带凹槽余弦脉冲；为带凹槽余弦脉冲； Rp增大增大临界临界IcM Ic1m 、Ic0 ； Ucm趋于不变趋于不变 欠欠压压 过过压压 0 临临界界 Ic 1 Ic 0 Uo m Rp 0 hc P= Po Pc 欠欠压压 过过压压 临临界界 Rp Pmaxmax负载负载特性特性曲线曲线： ic ic 3 2 1 IcM 0 180 90 半导通角 t B A C D 3 2 1 负载增大 ub=ub max VCC Q Ucmin Uom 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 Rp Uom uCE Uom Rp变化变

21、化, Ubemax不会改变。不会改变。20集电极调幅特性集电极调幅特性 0 0 ( a ) ( b ) 欠压状态 过压状态 VC C 欠压状态 过压状态 VC C Ic 0 Ic m 1 Po P= Pc V VCC变化变化特性特性曲线曲线 欠欠压压 过过压压 临临界界 ic1 ic2 ic3 ic4 ic5 ic ub uce VCC5 VCC3 VCC1 UCE1 uCE2 UCE3 UCE4 UCE5 欠欠压压 临临界界 过过压压 1. 谐振功率放大器的谐振功率放大器的VCC变化特性变化特性动态特曲动态特曲 ABC 随随VCC 变化而左右平移。变化而左右平移。 VCC变化会使变化会使Q点

22、平移。点平移。 VCC变化不会改变变化不会改变gd VCC变化不会改变变化不会改变Ubemax 1 1动态曲线变化：动态曲线变化：六、各电压变化对工作状态的影响六、各电压变化对工作状态的影响)(;:BZbbccQCCUVgiVQ 点点P Pc c1 1c cd dc co os s1 11 1Rg )()(q q q q 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VCC 而变化的特性。欠压工作状态：欠压工作状态： IcM 不随不随VCC变化变化 Ico、 Ic1m不变；不变；Ucm不随不随VCC变化。变化。 过压工作状态：过压工作状态： VCC临界临

23、界IcM 线性线性Ico、 Ic1m线性线性2 2输出随输出随VCCVCC变化：看图变化：看图2. Ubm变化，但变化，但晶体管及晶体管及VCC、VBB、Rp不变：不变： Ubm变化不会改变变化不会改变Q点。点。 欠压状态：欠压状态： Ubm Ubemax IcM Ico Ic1m 另另 ： Ubmc （1-cosc）(c ) Ucm 增长增长dg 过压状态：过压状态： Ubm Ubemax ；但进入过压后；但进入过压后 IcM 根本不变根本不变 Ico 、Ic1m 、Ucm根本不变。根本不变。 Ubm,Ucm 基本不变基本不变 IcM比临界比临界增长增长 Ico 、Ic1m 慢慢增长增长,U

24、cm增长增长dg1 1动态曲线变化：动态曲线变化：cmbmUUggc cd d 又又)(;:BZbbccQCCUVgiVQ 点点2 2UbmUbm变化特性曲线：变化特性曲线：过压状态过压状态欠压状态欠压状态UbmIc0Icm1(b)过压状态过压状态欠压状态欠压状态UbmPoOP=ip(a)3. VBB变化，但变化，但VCC 、Ubm 、Rp不变：不变： 动态特曲在虚拟动态特曲在虚拟Q 点有：点有： 在在VBB时，时，Q 点在点在u uCE CE = =V VCCCC线上上下移线上上下移；动态线动态线 AQ 随随VBB变而变而上下平移。上下平移。)(bbccccBZCEUVgiuV 时时 过压状

25、态：过压状态：Vbb 线线 AQ向向上平移上平移 临界临界IcM, ,为为凹形波凹形波 凹形波凹形波的的波形系数波形系数1 Ico 、Ic1m慢慢 、Ucm。dg c 微微（1-coscosc) 1 (c ) 微微 微微 欠压状态：欠压状态： Vbb Ubemax IcMIco Ic1m c (1-coscosc)1 1(c ) Ucm 快速增长快速增长dg1 1动态曲线变化：动态曲线变化：2 2VBBVBB变化特性：变化特性：基极基极调幅特性调幅特性过压状态过压状态欠压状态欠压状态VbbIC0Icm1(b)过压状态过压状态欠压状态欠压状态VbbPoOP=ip(a)一、直流馈电电路一、直流馈电

26、电路集电极馈电电路集电极馈电电路基极馈电电路基极馈电电路二、匹配网络二、匹配网络 级间耦合网络级间耦合网络 输出匹配网络输出匹配网络三、三、高频功率放大器应用电路高频功率放大器应用电路一、直流馈电电路一、直流馈电电路ECic1CL(b)icn(c)(a)ECIC0(a)(a)直流通路直流通路(b)(b)基波通路基波通路(c)(c)高次谐波通路高次谐波通路 集电极馈电线路组成原则说明集电极馈电线路组成原则说明 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 V

27、cc 直接接晶体管CE 两端， 如以下图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, 对其它电路局部,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。 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串联馈电和并联馈并联馈电电两种。 L C C1 LC +VCC A LC C C1 +VCC L C2 (a) 串馈 (b) 并馈 (1) 串馈电路：直流电源串馈电路：直流电源VCC、负载回路、功率管三者

28、首尾相接的一种直流馈电、负载回路、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。电路。(2) 并馈电路：指直流电源并馈电路：指直流电源VCC、负载回路负载回路( (匹配网络匹配网络) )、功率管三者为并联连、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。接的一种馈电电路。一、直流馈电电路一、直流馈电电路 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。如以下图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。 (a)直流通路直流通路 (b)基

29、波通路基波通路基极馈电线路组成原则说明基极馈电线路组成原则说明+-VbbIB0ubib1+- 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固定偏压式馈电电路 (a)串馈电路 (b)并馈电路 EBubVib1IB0(a)EBubVCB1CB2CB2LBib1IB0(b)EBubVib1IB0(a )EBubVCB1CB2CB2LBib1IB0(b )* *自给偏压式馈电电路自给偏压式馈电电路CB1VLB

30、IB0RB+-CB2iBVLBIB0CBiBVLBCBiECEIE0RE例：例： 一超短波输出放大器的实际电路 3DA21CCbVC1L1L2C222.5 V1.1.匹配网络的主要要求：匹配网络的主要要求：(1)(1)实现非线性放大电路的负载匹配。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正确作用，将负载阻值转换成高频功率放大器工作状态所需的最正确负载电阻值。负载电阻值。(2)(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，匹配网络

31、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。以保证外接负载上仅输出高频基波功率。 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型的根本网络。 (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。)*根据匹配网络在谐振功率放大器中所处位置根据匹配网络在谐振功率放大器中所处位置,可分为输入、输出和级间藕合三可分为输入、输出和级间藕合三种匹配电路。种匹配电路。 输入匹配网络用于信号源与推动级谐振功率放大器之间； 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； 输出匹配网络用于输出级与天线负载之间。 高频功率晶体管输入阻抗实数局

32、部的数值一般很小高频功率晶体管输入阻抗实数局部的数值一般很小,常只有几常只有几, 而信号源内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。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输入阻抗, 其大小会随鼓励电平和工作状态的改变而变化。为保证级间功率放其大小会随鼓励电平和工作状

33、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：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。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路的效率一般为 k = ，平均在，平均

34、在0.3上下。即中间级的输出功率应为后一级所上下。即中间级的输出功率应为后一级所需鼓励功率的需鼓励功率的310倍。倍。3.3.各级匹配网络各级匹配网络任务任务XsXpRLReRLXsReXpXsXpRLRe匹配网络XsXpRLRe 1. 以下图是工作频率为以下图是工作频率为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25W功率功率, 功率增益达功率增益达7 dB。EC经经L2向集电向集电极馈电，基极采用自给偏压；两虚线框内容实现匹配耦合功能。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。 VL2Ec13.5 VLbC1C214

35、150pF50 90400 pFL1L332250 pF32250 pFC3C450 (a)图 1 50MHz谐振功率放大电路三、三、高频功率放大器电路举例高频功率放大器电路举例2.以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 3DA21CCbVC1L1L2C222.5 V复合输出回路的末级功放末级放大电路末级放大电路 在集电极，天线在集电极，天线(负载负载)回路通过互感或其他形式与集电极调谐回回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。路相耦合。 其中：其中

36、：L1C1回路称作回路称作“中介回路中介回路； RACA分别代表天线的辐射电阻与等效电容；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，亦即使天线辐射功率到达最大。射功率到达最大。 Ln C1 CA RA Cn L1 r1 L2 高频功率放大器的主要目的是尽可能获得大输出功率与高效率。甲、乙、高频功率放大器的主要目的是尽可能获得大输出功率与高效率。甲、乙、丙类放大器是沿着不断减小电流通角丙类放大器是沿着不断

37、减小电流通角C 的途径来不断提高放大器效率的。的途径来不断提高放大器效率的。 但是，但是， C 的减小是有一定限度的。因为的减小是有一定限度的。因为C 太小时，功率下降太多，输出功太小时，功率下降太多，输出功率下降，因而失去意义。因此必须另辟路径。率下降，因而失去意义。因此必须另辟路径。 丁类、戊类等放大器就是采用固定丁类、戊类等放大器就是采用固定C ( 为为 90)，但尽量降低管子的耗散，但尽量降低管子的耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。具体说，丁类放大器的晶体管工作于功率的方法来提高功率放大器的效率。具体说，丁类放大器的晶体管工作于开关状态：导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截

38、止时电流为零，开关状态：导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时电流为零，器件内阻接近于无穷大。这就使集电极功耗大为减小，效率大大提高。在理器件内阻接近于无穷大。这就使集电极功耗大为减小，效率大大提高。在理想情况下，丁类放大器的效率可达想情况下，丁类放大器的效率可达100。 晶体管丁类放大器都是由两个晶体管组成。它们轮流通完成功率放大任晶体管丁类放大器都是由两个晶体管组成。它们轮流通完成功率放大任务。控制晶体管工作于开关状态的鼓励电压波形可以是正弦波，也可以是方务。控制晶体管工作于开关状态的鼓励电压波形可以是正弦波，也可以是方波。波。 晶体管丁类放大器有两种类型的电路：电流开关型，晶体

39、管丁类放大器有两种类型的电路：电流开关型， 电压开关型。电压开关型。1. 电流开关型电流开关型D类放大器类放大器 CALRLiC1V10T1(a)ECiC2V2T2V1导通时，导通时， uce1 = uces1， uce2 = uces1+ u0 u0V2导通时，导通时，uce2 = uces2 ，uce1 = uces2+ u0 u0ic1wt0(b)ic2wt0(d )uce2wt0(e)ucesuAwt0( f )UM-uces-3p/2 -p/2p/2 3p/2(c)uce1wt0ucesuiwt0(a)2 电压开关型电压开关型D类放大器类放大器 (a)ic2iLL0C0RLV2uce

40、2uce1V1T1ECic1iLL0C0RLEcS(b)uce2uce2 tEc02 iL t0ic1 t0ic1maxic2 t0uce2 tEc02 iL t0ic1 t0ic1maxic2 t0 1. 高频宽带功率放大电路高频宽带功率放大电路采用非调谐宽带网络采用非调谐宽带网络作为耦合匹配网作为耦合匹配网络络, 能在很宽的频带范围内获得能在很宽的频带范围内获得线性放大线性放大。 2. 常用的宽带匹配网络是常用的宽带匹配网络是传输线变压器传输线变压器, 它可使功放的最高频它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫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并能同时覆盖几个

41、倍频程的频带宽度。带宽度。 3. 由于无选频滤波性能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故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的真较小的甲类甲类状态状态或或乙类乙类状态状态, 效率较低。效率较低。一、宽带放大器的组成一、宽带放大器的组成 宽 带放大器传 输 线变 压 器二、传输线变压器二、传输线变压器 (一一) 结构结构 与等效与等效 以以1:1传输线变压器为传输线变压器为例例 它是将传输线它是将传输线(双绞线等双绞线等)绕在高导磁率绕在高导磁率的高频磁芯上构成的，如图的高频磁芯上构成的，如图(a)；是传输线；是传输线原理和变压器原理相结合而产生的一种耦原理和变压器原理相结合

42、而产生的一种耦合元件。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 1 1的反相变压器如图b。 高频时：传输线方式起主要作用如图高频时：传输线方式起主要作用如图c。U1U2C0C0C0L0L0C0L0L0C0L0L0 低频时低频时：为 11的反相变压器。 高频时：传输线方式起主要作用如图高频时：传输线方式起主要作用如图c，。，。(二二) 工作主要参数：工作主要参数：2121IIUU ljljeIIeUU212212 认为在无耗匹配情况，传输线变压器的输入输出电压或电流相等。认为在无耗匹配情况，传输线变压

43、器的输入输出电压或电流相等。 ，则则有有很很小小时时，1/2-ljel 1212IIUUCLZC 其中 L : 单位线长的分布电感; C : 单位线长的分布电容。 当ZC与负载电阻RL相等, 称为传输线终端匹配终端匹配。 (三三)传输线变压器特点传输线变压器特点(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。2121IIUU (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

44、而减小了放大器的体积。(4)可实现阻抗变换(四四) 阻抗变换特性阻抗变换特性 1、1:1传输线变压器传输线变压器: LciZIUIUZZ 2211 实际结构与等效实际结构与等效电路如图电路如图匹配时得传输线特性阻抗：2121IIUU 在无耗且传输线长度很短的情况下, 阻抗变比为阻抗变比为 1111。 阻抗：阻抗： * * 变压器工作方式时：变压器工作方式时： 阻抗变比为 11 * * 传输线传输线工作方式时：工作方式时：2 21 1IUIUZC21 2121IIUU 匹配时得传输线特性阻抗：2121,IIUU 在无耗且传输线长度很短的情况下, 阻抗变比为阻抗变比为 1414 * * 变压器工作

45、方式时：变压器工作方式时： 阻抗变比为 14 * * 传输线传输线工作方式时：工作方式时： 2、1 : 4 传输线变压器传输线变压器: 2 21 1IUIUZC21 ;22c22212ZIUIUURL LciRZIUIIUZ4 41 12 21 12 22 21 1 111 实际结构与等效实际结构与等效电路如图电路如图 阻抗：阻抗： (a) (c) (b) RSUS1234ULRLURiI1I2I22I1U匹配时得传输线特性阻抗：2121,IIUU 在无耗且传输线长度很短的情况下, 阻抗变比为阻抗变比为 4141 * * 变压器工作方式时：变压器工作方式时：阻抗变比为 41 * * 传输线传输

46、线工作方式时：工作方式时： 3、4 : 1 传输线变压器传输线变压器: 2 21 1IUIUZC21 ;c c1 11 11 12 21 12 22 2ZIUIUURi icLRZIUIIUZ4 41 12 21 12 22 21 1 222RsUsIRiII21432IRLULRSUS2143URLURiII2IIU 实际结构与等效实际结构与等效电路如图电路如图 阻抗：阻抗：L1) 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RsUs1324RL(b)RsRL1324Us(a)UUUUIIII(五五) 传输线变压器的应用传输线变压器的应用 2) 平衡和不平衡的互相变

47、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。(a)RsRsU1234URLUsUs(b)RLU2143UsRs2U2RL2U2U3) 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。 ( a)( b)RsUs1234URLURiII2 IIURsUs12342URLURiIII2 IURsUsIRiII12342 IRLULRsUsRi2 III1243UURLUL( c )( d)I(a)(b)RsUs1234URLURiII2IIURsUs12342URLURiIII2IURsUsIRiII12342IRLULRsUsRi2III12

48、43UURLUL(c)(d)I( a )( b )RsUs1234URLURiII2 IIURsUs12342URLURiIII2 IURsUsIRiII12342 IRLULRsUsRi2 III1243UURLUL( c )( d )I(a)(b)RsUs1234URLURiII2IIURsUs12342URLURiIII2IURsUsIRiII12342IRLULRsUsRi2III1243UURLUL(c)(d)I4) 功率合成与分配例例 1. 1. 两级功放电路都工作在甲类状态两级功放电路都工作在甲类状态, , 并采用本级直流负反响方式展宽频带并采用本级直流负反响方式展宽频带, ,

49、改善非线性失真。改善非线性失真。 两级宽带高频功率放大电路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个传输线变压器均为4141阻抗变换器。前两个级联后作为第一级功放的输出匹阻抗变换器。前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络配网络, , 总阻抗比为总阻抗比为161, 161, 使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输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出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高输出阻抗与5050的负载电阻实现匹的负载电阻实现匹配。配。 三、宽带高频

50、功率放大电路三、宽带高频功率放大电路举例举例例例2. 2. 以下图是一短波发射机的输出放大器，以下图是一短波发射机的输出放大器， 它采用互感耦合它采用互感耦合回路作输出电路回路作输出电路, , 多波段工作。多波段工作。 V1CbC1L1L2C2KL324 VM短波输出放大器的实际线路一、原理与要求一、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：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。 利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器, 且具有频带宽、 结构简单、插入损耗小等优点, 从而

51、组合成宽频带大功率高频功放电路。 二、功率合成器电路二、功率合成器电路 电路条件：两相同鼓励源反相接入电路条件：两相同鼓励源反相接入ABAB两点，端电压两点，端电压UAB = 2U UAB = 2U ，如下图。，如下图。 且且 源阻源阻 RARA RBRB ZC ZC R R ；RCRC ZC /2 ZC /2 R / 2 R / 2 ；RDRD 2ZC 2ZC 2R2R证证(1)(1)：正常工作状态时传输线变压器两线圈中的电流大小相等，方向相反；各电流流向如图中所示。BAII DAII AADPUIP22 DAIII+=1其其中中：1IIID B B12=0I0 CP, ,0 01 1 I

52、说明两输入功率都传送给RD， RC没消耗功率。 由于电路的对称性，CDDRRRR 21212AADDPUIUIP21=21=,1DAIII 01 IIIDB B, 0 BU 说明输入功率平均传送给说明输入功率平均传送给RD和和RC。B瑞无输出，即瑞无输出，即A、B两端互相隔离。两端互相隔离。证证(2)(2)：故障状态时：故障状态时： A A、B B 两端互相隔离。两端互相隔离。 假设：有一个鼓励源假设：有一个鼓励源( (设为设为B) B) 短路，如下图。短路，如下图。但此时电路不对称，BAII 从功率等效来看，将RD 从1、4两端折合到变压器的l、2两端，接于变压器两端，其等效电阻为：UUUC

53、DRR21=21ADIII AACPUIIUP2121221 UUDR=电路条件：两相同鼓励源反相接入电路条件：两相同鼓励源反相接入ABAB两点，端电压两点，端电压UAB = 0 UAB = 0 ，如下图。，如下图。 且且 源阻源阻 RARA RBRB ZC ZC R R ；RCRC ZC /2 ZC /2 R / 2 R / 2 ；RDRD 2ZC 2ZC 2R2RCCCRIRIP21214=)2(=0 DP 说明两鼓励源功率都传送给RC， RD没消耗功率。正常工作状态：正常工作状态： 故障状态 : A、B 两端互相隔离。(同反相鼓励合成器) ;00 DDIU、对称11IIIIDA 又IAI

54、DIBI1I1USUSRBRA 电路阻抗匹配，产生重大功率输出RIPAA2 RIRIPABB22 RIZIAC2212=2= 功率分配器应用于功率合成系统中，常见有。现以其为例。电路条件：电路条件： RA RB ZC R ； RC ZC /2 R / 2 ； RD 2ZC 2R工作原理：工作原理：Bi 故障状态 ： 可证明A、B 两端互相隔离。略 RA+ RB等效到等效到13端端 = ZC/2 = RC 2(iA - iB)RA= RDID i1 = iA + iD i1 = iB - iD 代入上式得：代入上式得： iD= 0 PD= 0 (RD +2RA)ID= 0; 均分给均分给RA、R

55、B ， RD没消耗功率。没消耗功率。 信号源输出最大功率信号源输出最大功率IAIdA+-+-Ud+-Ud+UaRcIcT1BIBIdCT2DRd+-Ud功率放大器功率放大器AI12CUd2功率放大器功率放大器BUb三、三、 应用电路：应用电路： 应用电路应用电路1-反相鼓励合成器反相鼓励合成器反相功率合成器 ARsRLBV1AV2Rd1BRdUsTr1Tr2应用电路应用电路2：反相功率合成器的实际线路应用电路应用电路3：R275 T8T7T5T6Ze18.5Zc18.5V13DA73DA736 VV2T1T2T3100 W反相功率合成器的实际线路应用电路应用电路4：章章 末末 小小 结结 1.

56、 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。 所以选择适宜的角, 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分析, 得出其随电路参数而变的根本规律，如负载特性

57、、调制特性。 4. 非线性元件的特性：元件参数随工作状态变换 频率变换 不符合叠加原理 章章 末末 小小 结结 1丙类谐振功放电路的建立原那么： 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那么；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那么，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。假设调制信号加在基极偏压上，功放应工作在欠压状态；假设调制信号加在集电报电压上，功放应工作在过压状态。 6假设对等幅信号