高频电子线路第5章

1、高频与射频电路高频与射频电路第五章第五章 高频功率放大器高频功率放大器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。 5.1 5.1 概述概述放大高频大信号获得足够大的发射功率放大高频大信号获得足够大的发射功率无线发射机无线接收机高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出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、射频相对带宽

2、相对带宽超宽带超宽带窄带窄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（谐振）功放与低频功放的区别高频（谐振）功放与低频功放的区别高频小信号放大器高频小信号放大器高频功放高频功放电路性质电路性质线性线性非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末端功率放大发射机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

3、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0 晶体管工作频率常划分为下面三个区域：晶体管工作频率常划分为下面三个区域：低频区：低频区：中频区：中频区：高频区：高频区：5.2 5.2 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区或中频区的分析和计故高频区或中频区的分析和计算是相当困难算是相当困难,本节将从低频本节将从低频区来区来说明说明晶体管的高频功放的晶体管的高频功放的工作原理。工作原理。考虑结电容考虑结电容进一步考虑引线电感进一步考虑引线电感不考虑电抗分量与渡越时间不考虑电抗分量与渡越时间近似为近似为晶体管的转移特

4、性曲线用折线近似晶体管的转移特性曲线用折线近似vBiCvBiC复习折线分析法复习折线分析法截止偏压截止偏压起始电压起始电压甲类放大器工作状态甲类放大器工作状态0 00 0Class-A Amplifier 0乙类放大器工作状态乙类放大器工作状态0Class-B Amplifier vBiCiC 00Class-C 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+高频放大器的工作状态：高频放大器的工作状态：功放基本电路功放基本电路vBiCiC 半流通角半流通角截止角截止角简称通角简称通角5.2.1 5.2.1 获得

5、高效率所需要的条件获得高效率所需要的条件功放主要技术要求：功放主要技术要求：高输出功率高输出功率和和高效率高效率功放工作于丙类的原因功放工作于丙类的原因根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：（5.2.15.2.1）集电极效率：集电极效率：（5.2.25.2.2）结论结论1：结论结论2：（5.2.35.2.3）相差相差1212倍倍晶体管发射极电压与电流晶体管发射极电压与电流+ +集电极电流应为脉冲状集电极电流应为脉冲状如何增加效率？如何增加效率？脉冲脉冲 正弦正弦相位相反？相位相反？vB 高频功率放大器基本电路高频功率放大器基本电路t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

6、量的叠加（5.2.7）（5.2.7）例题例题5.2.1 回路阻抗：各次谐波与基频相比可忽略（短路）回路阻抗：各次谐波与基频相比可忽略（短路）70左右左右 vB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流通角内：在流通角内：即：即：推得：推得：（5.3.8）（5.3.4）（5.3.6）（5.3.7）导通角导通角表达式表达式将式（将式（5.3.6）与式（）与式（5.3.7）相减：）相减：（5.3.9）（5.3.10）将上两式相除，推得：将上两式相除，推得：（5.3.11）（5.3.6）（5.3.7）电流余弦脉电流余弦脉冲表达式冲表达式丙类功放基本电路丙类功放基本电路选频网络作用：选

7、频网络作用： LC回路谐振于回路谐振于基频基频，将，将集电极电流脉冲变换为集电极电流脉冲变换为输出输出基频余弦信号基频余弦信号； 阻抗匹配作用：使负载阻抗匹配作用：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，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，即它起着功率最大，即它起着匹匹配网络的作用配网络的作用。进一步说明：进一步说明：LC回路选频回路选频/滤波滤波LC回路失谐影响回路失谐影响 LC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

8、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； LC回路严重失谐，回路严重失谐，LC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。5.2.2 5.2.2 功率关系功率关系功放基本电路功放基本电路（5.2.7）（5.2.8）集电极输出等效电路集电极输出等效电路负载负载不同频率信号作用于单口网络引不同频率信号作用于单口网络引起的平均功率等于每种频率正弦起的平均功率等于每种频率正弦信号单独引起的平均功率之和信号单独引起的平均功率之和LC回路可吸收

9、的回路可吸收的基频功率为：基频功率为：（5.2.10）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）所需所需LC回路阻抗值为：回路阻抗值为：（5.2.11）集电极输出集电极输出等效电路等效电路耗散功率耗散功率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法折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代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计算。替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算。 晶体管转移特性晶体管转移特性 晶体管输出特性晶体管输出特性图解法图解法是从晶体管的实际静态曲线入手，从图上取得若是从

10、晶体管的实际静态曲线入手，从图上取得若干点，然后求出电流直流和交流分量。干点，然后求出电流直流和交流分量。准确度高准确度高 晶体管离散性大晶体管离散性大 不常用不常用计算简单计算简单 准确度不高准确度不高 工程估算常用工程估算常用iC =gc(vBVBZ) (vB VBZ) 晶体管转移特性晶体管转移特性iC=gcrvC晶体管输晶体管输出特性出特性过过压压欠压欠压跨导跨导折线近似分析法基础折线近似分析法基础（5.2.7）（5.3.11）（5.2.7）根据傅里叶级数原理根据傅里叶级数原理（5.3.12）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同理可得同理可得

11、:其中，尖顶余弦脉冲的分解系数为：其中，尖顶余弦脉冲的分解系数为：（5.3.15）（5.3.16）（5.2.12）又又:尖顶余弦尖顶余弦脉冲分解脉冲分解系数系数尖顶余弦脉冲的分解系数与波形系数尖顶余弦脉冲的分解系数与波形系数 设计倍频器参考值设计倍频器参考值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高频功率放大器工作状态高频功率放大器工作状态电压、电流、功率、效率电压、电流、功率、效率随之变化的曲线随之变化的曲线负载特性负载特性曲线曲线(load characteristic)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：集电极电路

12、没有负载下晶体管参数的关系。 晶体管输出特性晶体管输出特性 晶体管转移晶体管转移特性特性静态和动态特性曲线静态和动态特性曲线 晶体管输出特性晶体管输出特性+功放基本电路功放基本电路+谐振时外部电路关系谐振时外部电路关系:（5.3.17）内部关系式（转移特性曲线折线化方程）内部关系式（转移特性曲线折线化方程）:（5.3.18）两式推得：两式推得：功放基本电路功放基本电路（5.3.8）又：又：动态特性曲线的斜率动态特性曲线的斜率故：故：（5.3.19）动态特性曲线的截距动态特性曲线的截距带入上式：带入上式：负值负值物理意义：物理意义：从负值来看，从负值来看，放大器相当于负放大器相当于负电阻，输出能

13、量电阻，输出能量+功放基本电路功放基本电路B点点：晶体管工作晶体管工作晶体管截止晶体管截止00第一种画法第一种画法第二种画法第二种画法90123临界线临界线（集电极饱和电压）（集电极饱和电压）临界线临界线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3210180BACD321负载增大负载增大VCCQ1.欠压状态欠压状态2.临界状态临界状态3.过压状态过压状态RpVc m三种工作状态的波形汇总三种工作状态的波形汇总cmVVcmvC00临界临界临界临界欠压欠压欠压欠压过压过压过压过压3210180BACD321负载增大负载增大VCCQ1.欠压状态欠压状态2.临界状态临界状态RpVc mcm

14、VvC3.过压状态过压状态Vcm00临界临界临界临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00临界临界临界临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00临界临界临界临界欠压欠压欠压欠压过压过压过压过压过压过压欠压欠压0临界临界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过压过压欠压欠压临界临界0斜率？斜率？过压过压欠压欠压0临界临界过压过压欠压欠压临界临界0t 斜率？斜率？各变量对功放工作状态影响的总结各变量对功放工作状态影响的总结5.3.5 5.3.5 工作状态的计算（估算）举例工作状态的计算（估算）举例例例 5.3.15.4

15、5.4 晶体管功率放大器的高频特性（自学）晶体管功率放大器的高频特性（自学）5.5 5.5 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成要使高频功放正常工作，在其输入和输出端需接有要使高频功放正常工作，在其输入和输出端需接有直流通路直流通路和和交流通路交流通路： 直流馈电线路：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置及为晶体管各级提供合适的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基本原则：基本原则：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率电路的等效电路5.5.1 5.5.1 直流

16、馈电电路直流馈电电路 根据直流电源连接方式的不同，可分为：根据直流电源连接方式的不同，可分为：串联馈电线路：串联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管直流电源、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。并联馈电线路：并联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管直流电源、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。并联馈电并联馈电直流电压直流电压交流电压交流电压总是串联总是串联串联馈电串联馈电1.集电极馈电线路集电极馈电线路 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：并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位

17、，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠；上无高压，安全可靠； 缺点：缺点：并馈电路中，并馈电路中，LC处于高频高电位上，它对地的处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性； 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集电极电路馈电集电极电路馈电 2 30LC回路阻抗特回路阻抗特性性频谱频谱以上两个电路均满足：以上两个电路均满足：串馈串馈并馈并馈2.基极馈电线路基极馈

18、电线路几种常用的产生基极偏压的方法几种常用的产生基极偏压的方法（a）（）（b）并馈）并馈（c）串馈）串馈串馈和并馈串馈和并馈5.5.2 5.5.2 输出、输入和级间耦合回路输出、输入和级间耦合回路1.输出匹配网络输出匹配网络 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大放大器传输到负载的功率最大（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）； 有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影

19、响子器件彼此隔离，互不影响（隔离）（隔离）。放大器与负载之放大器与负载之间用四端网络间用四端网络四端网络四端网络输入匹配网络（输入匹配网络（input matching circuit）输出匹配网络（输出匹配网络（output matching circuit）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回路叫做回路叫做中介回路中介回路；RACA分别代表天线的辐射电阻与分别代表天线的辐射电阻与等效电容；等效电容；Ln、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：使天线回路处于串联谐振状使天线回路处于串联谐振状态，以获得最大的天线回

20、路电流态，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。亦即使天线辐射功率达到最大。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回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。与集电极调谐回路相耦合。输出匹配网络类型很多，如输出匹配网络类型很多，如L形、形、形、形、T形等，但是都可形等，但是都可以等效成一个标准的并联谐振回路。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：高频功率放大器工作于非线性状态，

21、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。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例例 5.5.1下图是两种下图是两种 形网络可用于匹配网络设计形网络可用于匹配网络设计(T型网络也可型网络也可)。图。图中中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折合到左端的等效电折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。阻，故接线用虚线表示。R1C1C2R2L1(a)R1C1R2C2L1(b)

22、2L2112L1L1(3)11)2L(1222(2)L11(1)CXQRQRQLXQRRRCXQRCX11)2L(1221(3)11L212L1L2(2)L11(1) QRRRLXLXQRQRQCXQRCX2.输入匹配网络与级间耦合网络输入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。上多级功放电路中，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路，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。又是输入匹配网络。对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳对于中间级而言，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，而效率则降为次定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。要问题。 中间放大级工作于过压状态，此时它等效为一个理中间放大级工作于过压状态，此时它等效为一个理想电压源，其输出电压几乎不随负载变化。想电压源，其输出电压几乎不随负载变化。 降低级间耦合回路的