高频电子线路(第二版) 王卫东 第二章 2.5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 一一 直直流流馈馈电电线线路路根根据据直直流流电电源源连连接接方方式式的的不不同同，可可分分为为：串串联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成串串联联连连接接的的方方式式。并并联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成并并联联连连接接的的方方式式。两两种种馈馈电电方方式式虽虽然然电电路路结结构构不不同同，但但对对电电路路来来说说，总总应应有有：tUEucCce cos1 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：要使高频谐振功率

2、放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。2.3.5高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成1 集集电电极极馈馈电电电电路路：（1） 集集电电极极馈馈电电电电路路的的组组成成原原则则： ci的的直直流流分分量量COI除除晶晶体体 管管的的内内阻阻外外，应应予予以以短短路路， 以以保保证证CE全全部部加加在在集集电电极极 上上，避避免免管管外外电电路路消消耗耗电电源源 功功率率，即即CCODEIP ci的的 基基 波波 分分

3、量量1CI只只 应应 在在 负负 载载 回回 路路 上上 产产 生生 电电 压压 降降 ， 其其 余余 部部 分分 电电 路路 对对1CI应应 短短 路路 。 ci的的 高高 次次 谐谐 波波 分分 量量CnI 不不 应应 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此CnI对对 晶晶 体体 管管 外外 的的 电电 路路 应应 尽尽 可可 能能 短短 路路 。 IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.3.5高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成（2） 常常用用的的集集电电极极串串馈馈和和并并馈馈电电路路如如下下图图所所示示：cL高高频频扼扼流流

4、圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高频频旁旁路路电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔直直电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上两两个个电电路路匀匀满满足足： tUEucCce cos1 ICO直流通路直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路交流通路ICniC频谱频谱 2 30LC回路阻抗特性回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEB

5、EB2 基极馈电线路基极馈电线路对对基基级级馈馈电电线线路路来来说说，也也有有串串联联和和并并联联两两种种形形式式。在在实实际际应应用用中中，由由于于基基极极馈馈电电电电路路中中采采用用单单独独电电源源BBU不不方方便便，通通常常采采用用自自给给偏偏压压的的方方式式提提供供基基极极偏偏置置。 (1) 利用基极回路直流利用基极回路直流BOI产生偏压产生偏压bBOBBRIU IBOUBB(2) 利利用用BOI在在bbr上上产产生生偏偏压压bbBOBBrIU ，注注意意：一一般般bbr 很很小小，所所以以BBU很很小小且且不不稳稳定定。 IBO(3) 利利用用射射极极电电流流eoI在在eR上上产产生

6、生偏偏压压eeoBBRIU ，而而且且这这种种电电路路能能自自动动维维持持放放大大器器的的工工作作稳稳定定。 Ieo +UBB -以以上上基基极极自自给给偏偏压压电电路路中中，前前两两个个为为并并馈馈线线路路，后后一一种种为为串串馈馈线线路路。二 高频功放的耦合回路高频功放的耦合回路高高频频功功放放都都要要采采用用一一定定的的耦耦合合回回路路，以以使使输输出出功功率率能能有有效效地地传传输输到到负负载载（下下级级输输入入回回路路或或天天线线回回路路） ，一一般般说说来来，放放大大器器与与负负载载之之间间的的耦耦合合可可采采用用下下图图所所示示的的四四端端网网络络来来表表示示。这这个个四四端端网

7、网络络应应完完成成的的任任务务是是：RiRoRLRS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RLRSuS (1) 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载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。，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。有良好的滤波作用。 (3) 在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都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能有效地传送功率

8、到公共负载功率到公共负载，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二 高频功放的耦合回路高频功放的耦合回路 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回路就叫做中介并联谐回路就叫做中介并联谐振回路振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电

9、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。为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路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, ,其其中中Rp为折合到为折合到晶体管输出回路的等效负载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电路 RpRp 当天线回路调谐在串联谐振状态

10、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，则晶体管输出回路的等效负载为：体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 )(2211122APPRMrCLpRpR 改变互感系数改变互

11、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。 由于高频功率放大器工作在非线性由于高频功率放大器工作在非线性(丙类丙类)工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，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。因此输内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配(负载阻抗与电源内阻相等负载阻抗与电源内阻相等)概念也就失去了概念也就失去了意义。

12、意义。 k k ：中介回路的传输效率。中介回路的传输效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp(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)()(1122rrrrrIrIPPkkoAk 功功率率电电子子元元件件送送至至回回路路的的总总回回路路送送到到负负载载的的功功率率 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 rr1C1L1C1RpL1IKRp 要想回路的传输效率

13、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。在功率很大的放大器中，中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。 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

14、端(负载负载)电阻，电阻，R1则代表由则代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效电阻电阻，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 (2) (2) 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 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，由变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得串、并联阻抗转换公式可得L1C1R1C2R21212c12c121111RRXXQRR C12C12121C1XXRRX 2212c22c22RRXXR C12C22222C2XXRRX 网络匹配时，网络匹配

15、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) (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 1442224222o2Co2c

16、m11PEPURRp4 .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(11c21221112

17、1c2212111XQRQRQQXRRQRQ 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。分析方法实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件一个假设条件(通常都

18、是假定通常都是假定Q1值值)，即可求出电路，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只只有百分之几甚至千分之几，所以又称为有百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系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。 2.62.6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，能够在很宽

19、的波段内实现不调谐工作的宽频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带功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、电容或电感线圈作为其输出电路容或电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的甲的

20、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的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说类或甲乙类状态，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为代价来换取宽频带输出的 。 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各

21、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可以认为电感L L是开路，如图是开路，如图(c)(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和。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，可以认为电容损耗电阻很小，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

22、曲线频率响应曲线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

23、率fs，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 传输线变压器是将传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损高导磁率低损耗的磁芯上构成的。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。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，传输线变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。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

24、在一起，所以导线任意长度处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，的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。数电路。 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

25、容不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，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为传输线变压器，又叫倒相变压器。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器，最佳匹配状态应