第三章-高频功率放大电路.

1、第第3 3章章 高频调谐功率放大器高频调谐功率放大器3.1 概述概述3.2 调谐功率放大器的工作原理调谐功率放大器的工作原理3.3 功率和效率功率和效率3.4 调谐功率放大器的工作状态分析调谐功率放大器的工作状态分析3.5 调谐功率放大器的实用电路调谐功率放大器的实用电路3.6 功率晶体管的高频效应功率晶体管的高频效应3.7倍频器倍频器3.8集成高频功率放大电路及应用简介集成高频功率放大电路及应用简介3.13.1概述概述一、用途一、用途 高频功率放大器是一种高频功率放大器是一种能量转换器件能量转换器件，它是，它是将电源供给将电源供给的直流能量转换为高频交流输出的直流能量转换为高频交流输出； 作

2、用是作用是放大信号放大信号，使之达到足够功率输出，以满足天线，使之达到足够功率输出，以满足天线发射或其他负载的要求；发射或其他负载的要求； 作为载波发射机及无线电发射机输出级或输出前一级。作为载波发射机及无线电发射机输出级或输出前一级。二、特点二、特点 1.1.输入信号强输入信号强, ,电压在几百毫伏电压在几百毫伏 几伏数量级附近几伏数量级附近; ; 2. 2.为了提高放大器的工作效率，为了提高放大器的工作效率，它通常工作在它通常工作在丙类丙类，即即晶体管工作延伸到非线性区域晶体管工作延伸到非线性区域饱和区饱和区、截止区截止区; ; 3. 3.要求：要求：输出功率大、效率高。输出功率大、效率高

3、。三、分析方法三、分析方法 采用近似的分析方法采用近似的分析方法折线法折线法四、四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同 相同之处：相同之处：它们放大的信号均为它们放大的信号均为高频信号高频信号，而且放大器，而且放大器的负载均为的负载均为谐振回路谐振回路。 不同之处：不同之处：为激励信号为激励信号幅度幅度大小不同；放大器大小不同；放大器工作点工作点不不同；晶体管同；晶体管动态范围动态范围不同。不同。五、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同五、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 共同之处都要求输出功率大和效率高。共同之处都要求输出功率大和效率高。 谐

4、振功率放大器谐振功率放大器通常用来放大通常用来放大窄带窄带高频信号高频信号( (信号的通信号的通带宽度只有其中心频率的带宽度只有其中心频率的1%或更小或更小) )，其工作状态通常选为，其工作状态通常选为丙类工作状态丙类工作状态( ( 90 ) )，为了不失真的放大信号，它的，为了不失真的放大信号，它的负载负载必须是谐振回路必须是谐振回路。 非谐振放大器可分为非谐振放大器可分为低频功率放大器低频功率放大器和和宽带高频功率放宽带高频功率放大器大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。乙类工

5、作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。3.23.2调谐功率放大器的工作原理调谐功率放大器的工作原理3.2.13.2.1原理电路原理电路 Ec、Eb为集电极和基极的直流电源。为集电极和基极的直流电源。输入信号经变压器输入信号经变压器T1 耦合到晶体管基耦合到晶体管基- -射极，这个信号也叫射极，这个信号也叫激励信号。激励信号。 L、C组组成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也叫成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也叫槽路槽路。3.2.23.2.2晶体管特性的折线化晶体管特性的折线化 所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化，所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化，每每条

6、特性曲线用一组折线来代替。条特性曲线用一组折线来代替。3.2.33.2.3晶体管导通的特点、导通角晶体管导通的特点、导通角 1 1.晶体管导通的特点晶体管导通的特点 无信号：晶体管截止无信号：晶体管截止 有信号：有信号：激励信号激励信号 Eb+ +Uj 导通导通 2. 2.导通角导通角 在转移特性的放大区在转移特性的放大区 假设输入信号假设输入信号 ，则加到晶体管基，则加到晶体管基- -射极的射极的电压为电压为 ，晶体管导通范围内集电极电流，晶体管导通范围内集电极电流ic的表达式的表达式 通常把集电极电流导通时间相对应角度的一半称为集电通常把集电极电流导通时间相对应角度的一半称为集电极电流的极

7、电流的导通角导通角，用，用表示。在丙类工作状态下表示。在丙类工作状态下90。 根据导通角的定义，当根据导通角的定义，当 时，时， , ,即即tUucosbmb)()(jbejbecUuUugibbmbecosEtUu)cos(jbbmcUEtUgit0ci0)cos(bjbmEUUgbmbjcosUEU （2）（1）3.2.43.2.4集电极余弦脉冲电流分析集电极余弦脉冲电流分析 式（式（2 2）代入式）代入式（1 1）得到）得到当当 时，时， 为最大值，用为最大值，用 表示，则表示，则代入得到代入得到 若将尖顶余弦脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶余弦脉冲分解为傅里叶级数其中，其中，直流分量幅值直

8、流分量幅值(coscos )cbmigUt0tcimaxcImax(1cos )cbmIgUmax1coscbmIgUmax(coscos )1cosccIit012coscos2ccc mc miIItIt)()cos1 (cossind210cmaxcmax-cc0IItiI基波分量幅值基波分量幅值n次谐波分量幅值次谐波分量幅值)()cos1 (cossintdcos11cmaxcmax-cc1mIItiI)(tdcosn1ncmax-ccnmItiI 、 、 称作称作余弦脉冲分解系数，余弦脉冲分解系数，它们是导通角它们是导通角 的函数。的函数。 、 的特点的特点: : 1. 1. 2.

9、2.从曲线可以看出：从曲线可以看出：p谐波次数越高其振幅值越小；谐波次数越高其振幅值越小；p对某一次谐波而言，总有一对某一次谐波而言，总有一 个相应的值个相应的值可使振幅为最可使振幅为最 大值。大值。012010110,3.2.53.2.5槽路电压槽路电压 1. .波形波形基本正弦基本正弦 条件：条件：1）槽路调谐于基波）槽路调谐于基波 2）QL 足够高足够高 2. .大小大小 Rc 抽头部分谐振电阻抽头部分谐振电阻R 并联回路谐振电阻并联回路谐振电阻cmccmRIU1tUEucmccecosLQNNRNNRLc0 .210210)()(LRNNLQNN22100210)/()(3 33 3功

10、率和效率功率和效率 功率放大器输出功率大，电源供给、管子发热等问题也功率放大器输出功率大，电源供给、管子发热等问题也大。大。为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了解功率放大器的功率和效率问题。解功率放大器的功率和效率问题。 调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑：调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑： 1.1.电源供给的直流功率电源供给的直流功率PS ； 2.2.通过晶体管转换的交流功率，即通过晶体管转换的交流功率，即晶体管集电极输出的晶体管集电极输出的交流功率交流功率Po ； 3.3.通过槽路送给负载的交流功率通过槽路送给负载的交流功率

11、, ,即即RL 上得到的功率上得到的功率PL; 4. 4.晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗功率功率PC ； 5.5.槽路损耗功率槽路损耗功率 PT； 电源供给的功率电源供给的功率PS ，一部分（，一部分（PC）损耗在管子，使管）损耗在管子，使管子发热；另一部分（子发热；另一部分（Po）转换为交流功率，输出给槽路。通）转换为交流功率，输出给槽路。通过槽路一部分（过槽路一部分（PT）损耗在槽路线圈和电容中，另一部分）损耗在槽路线圈和电容中，另一部分（PL）输出给负载）输出给负载RL。 1. 1.集电极效率集电极效率p直流电源供给功率直流电

12、源供给功率p集电极交流输出功率集电极交流输出功率p放大器的能量转换效率（放大器的能量转换效率（集电极效率）集电极效率）讨论：讨论：（1 1） 集电极电压利用系数集电极电压利用系数 （2 2） 集电极电流利用系数集电极电流利用系数 ， ，但，但 ，Po，为了兼顾功率和效率，为了兼顾功率和效率，通常取通常取 。c0SccPE I1max110max001( )( )1122( )2( )cmc mocmccmcScccccUIPUIUPE IE IE c1mcmo2/1IUP cmcUE10( )( ) 10( )( ) c8060 2. 2.槽路效率槽路效率pPL 负载功率，负载功率，RL 所吸

13、收的功率；所吸收的功率；pPT 槽路损耗功率，槽路空载电阻槽路损耗功率，槽路空载电阻R0所吸收的功率。所吸收的功率。 取决于槽路的空载和有载品质因数。由于受到槽路元取决于槽路的空载和有载品质因数。由于受到槽路元件质量的限制，件质量的限制，Q0一般几十到几百。一般几十到几百。QL也不能太小，否则槽也不能太小，否则槽路滤波效果太差，输出波形不好，一般路滤波效果太差，输出波形不好，一般QL =510。220020112212mmoTLLLTmooLUUPPQLQLQQPUPPQQLT 结论：结论： 为了尽可能利用小功率容量的管子和电源，输出较大的为了尽可能利用小功率容量的管子和电源，输出较大的功率，

14、应力求功率，应力求 和和 高。高。 高要适当选取高要适当选取 ，电压利用系数，电压利用系数尽可能大；尽可能大； 高，要求槽路空载高，要求槽路空载品质因数品质因数Q0大，即应选用低大，即应选用低损耗的电感和电容元件。损耗的电感和电容元件。TccT3.4 调谐功率放大器的工作状态分析调谐功率放大器的工作状态分析3.4.13.4.1调谐功率放大器的动态特性调谐功率放大器的动态特性 晶体管的晶体管的静态特性静态特性，是指集电极电路没有负载阻抗条件，是指集电极电路没有负载阻抗条件下电压与电流的变化关系。当考虑了负载的反作用后，得到下电压与电流的变化关系。当考虑了负载的反作用后，得到的的uce、ube与与

15、ic的关系曲线称为的关系曲线称为动态特性动态特性（即（即实际放大器的工实际放大器的工作特性作特性）。）。 当放大器工作于谐振状态时，外部特性方程当放大器工作于谐振状态时，外部特性方程 在转移特性的放大区，内部特性方程在转移特性的放大区，内部特性方程 tUEutUEucmccebmbbe coscoscmcecbmbbeUuEUEu )(jbecUugi 动态特性应同时满足外部特性方程和内部特性方程。联动态特性应同时满足外部特性方程和内部特性方程。联立可得立可得 谐振功率放大器动态特性的方程，它是一条直线，只需谐振功率放大器动态特性的方程，它是一条直线，只需找出两个特殊点，就可把它绘出。找出两个

16、特殊点，就可把它绘出。 Q ( Ec， ) B ( ，0 ) 作出动态特性曲线后，由它和静态特性曲线相应交点，作出动态特性曲线后，由它和静态特性曲线相应交点，即可求出对应各种不同即可求出对应各种不同 值的值的ic值，绘出相应的值，绘出相应的ic脉冲波形。脉冲波形。 )(cmcecbmjbcUuEUUEgi )(jbUEg coscmcbmbjcmcUEUEUUE t 动态线斜率值的倒数称为谐振功率放大器的动态线斜率值的倒数称为谐振功率放大器的动态负载电动态负载电阻阻，用符号，用符号 表示表示11maxmax(1cos )(1cos )( )(1cos )cmc mcccccUIRRRII cR

17、3.4.23.4.2调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法法 1. 1.调谐功率放大器的三种工作状态调谐功率放大器的三种工作状态 根据调谐功率放大器在工作时是否进入进入饱和区，可根据调谐功率放大器在工作时是否进入进入饱和区，可将放大器的工作状态分为将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种。欠压、过压和临界三种。 1)1)欠压欠压晶体管在任何时刻都工作在放大状态；晶体管在任何时刻都工作在放大状态； 2)2)临界临界刚刚进入饱和区的边缘；刚刚进入饱和区的边缘； 3)3)过压过压晶体管工作时有部分时间进入饱和区。晶体管工作时有部分时间进入饱和区。 2.2.工

18、作状态的判别方法工作状态的判别方法 （欠压）（欠压） （临界）（临界） （过压）（过压）cmcminceUEu cesminceUu cesminceUu cesminceUu 3.4.3 Rc,Ec,Eb和和Ubm变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响 1.Rc变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响负载特性负载特性 负载特性负载特性是指谐振功率放大器当是指谐振功率放大器当Ec、Eb和和Ubm不变时，不变时，放大器中各个电流、电压、功率和效率与晶体管等效负载电放大器中各个电流、电压、功率和效率与晶体管等效负载电阻阻Rc之间的变化关系。之间的变化关系。1 1）三种工作

19、状态）三种工作状态2）电流、电压、功率、效率与）电流、电压、功率、效率与Rc的关系的关系 （1）欠压状态）欠压状态 ，Ucm 几乎随几乎随R c成正比增加成正比增加 ，输出功率输出功率Po 随随 R c 增大而增加增大而增加 ，接近常量接近常量 ，随随R c增大而增加增大而增加 ，随随Rc增大而减小增大而减小 （2）过压状态）过压状态 输出功率输出功率Po 随随 Rc 增大而减小。增大而减小。在临界状态在临界状态Po 最大。最大。)constant(1 mcIcmccmRIU1 cmcoRIP2121 SocPP ccSEIP0 oSCPPP )constant(cm UccmoRUP221

20、电流、电压、功率、效率与电流、电压、功率、效率与Rc的关系的关系放大器的负载特性曲线放大器的负载特性曲线3 3）三种工作状态的比较）三种工作状态的比较p欠压状态欠压状态：电流：电流Ic1m基本不随基本不随Rc变化，输出功率变化，输出功率Po随随Rc增增大而增加，损耗功率大而增加，损耗功率PC随随Rc增加而减小。当增加而减小。当Rc很小时，易很小时，易使使PC超过晶体管超过晶体管最大允许损耗功率最大允许损耗功率PCM ，因此在实际使用，因此在实际使用中要注意保证中要注意保证PC PCM 。p临界状态临界状态：放大器输出功率最大，效率也较高，通常称为：放大器输出功率最大，效率也较高，通常称为最佳工

21、作状态最佳工作状态。p过压状态过压状态：在弱过压状态时，输出电压基本上不随：在弱过压状态时，输出电压基本上不随Rc变化；变化；深度过压时，深度过压时，ic波形下凹严重，谐波增多，一般应用较少波形下凹严重，谐波增多，一般应用较少。 2.Ec变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响集电极集电极调制特性调制特性 集电极调制特性是指当集电极调制特性是指当Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器保持恒定，放大器的性能随集电极电压的性能随集电极电压Ec变化的特性。变化的特性。集电极调制特性集电极调制特性 由于只有在过压状态，由于只有在过压状态，Ec对对Ucm才能有较大的控制作才能有较大的控制作用，所

22、以用，所以集电极调幅工作在过压状态集电极调幅工作在过压状态。u 3.3.Eb变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响基极调制特性基极调制特性 基极调制特性是指当基极调制特性是指当Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的保持恒定，放大器的性能随基极偏置电压性能随基极偏置电压Eb变化的特性。变化的特性。 由于只有在欠压状态，由于只有在欠压状态，Eb对对Ucm才能有较大的控制作才能有较大的控制作用，所以用，所以基极调幅工作在欠压状态基极调幅工作在欠压状态。基极调制特性基极调制特性u 4. 4.Ubm变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响振幅特性振幅特性 调谐功放的振幅特性是指当

23、调谐功放的振幅特性是指当Ec、 Eb 、Rc保持恒定，放保持恒定，放大器的性能随激励振幅大器的性能随激励振幅Ubm变化的特性。变化的特性。 因为因为ubemax=EbUbm，Eb和和Ubm决定了放大器的决定了放大器的ubemax，因此，改变，因此，改变Ubm的情况和改变的情况和改变Eb的情况类似。的情况类似。图图3-13 调谐功放的振幅特性调谐功放的振幅特性35调谐功率放大器的实用电路调谐功率放大器的实用电路 调谐功率放大器由调谐功率放大器由直流馈电电路直流馈电电路和和滤波匹配网络滤波匹配网络组成，组成，其作用其作用 （1 1）保证晶体管各电极获得相应的馈电电源；）保证晶体管各电极获得相应的馈

24、电电源； （2 2）通过匹配网络将交流输出功率有效地传输到负载。）通过匹配网络将交流输出功率有效地传输到负载。3.5.1直流馈电电路直流馈电电路 串馈串馈，即直流电源，即直流电源Ec、滤波匹配网络和晶体管在电路形、滤波匹配网络和晶体管在电路形式上为串联连接。式上为串联连接。 并馈并馈，即三者在电路形式上为并联连接。，即三者在电路形式上为并联连接。比较比较: : 串馈电路串馈电路中，电源与滤波匹配网络串联，因此滤波匹配中，电源与滤波匹配网络串联，因此滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。 并馈电路并馈电路中，电源通过高频扼流圈供电，再加上

25、中，电源通过高频扼流圈供电，再加上C2隔断隔断直流，因此滤波匹配网络可以处于直流地电位上，可以直接直流，因此滤波匹配网络可以处于直流地电位上，可以直接接地。这样，在电路板上安装比串馈电路方便。但馈电支路接地。这样，在电路板上安装比串馈电路方便。但馈电支路的分布参数将直接影响网络调谐。的分布参数将直接影响网络调谐。 调谐功率放大器中，通常利用射级或基级电流在某电阻调谐功率放大器中，通常利用射级或基级电流在某电阻上产生的压降作为基极的上产生的压降作为基极的反向偏置电压反向偏置电压。这种方法叫。这种方法叫自给偏自给偏压压法。法。 1.1.射极电流自给偏压环节射极电流自给偏压环节 1 1）电路）电路

26、2）工作原理）工作原理 利用利用ie中的直流分量在中的直流分量在Re上产生的压降作为上产生的压降作为BE间的直间的直流偏置电压。流偏置电压。3.5.23.5.2基极自给偏压环节基极自给偏压环节 3 3）信号源有无直流通路）信号源有无直流通路高频扼流圈高频扼流圈 高频扼流圈的作用是将射极偏压引向基极，同时也为基高频扼流圈的作用是将射极偏压引向基极，同时也为基极直流提供通路。极直流提供通路。 4 4）应用）应用欠压欠压 射流偏压环节对射流偏压环节对Ie0的变化起负反馈作用。的变化起负反馈作用。 2. 2.基极电流自给偏压环节基极电流自给偏压环节 1 1）电路）电路 2 2）工作原理）工作原理 利用

27、利用ib中的直流分量在中的直流分量在Rb上产生的压降作为上产生的压降作为BE间的直间的直流偏置电压。流偏置电压。 3 3）应用）应用过压过压 基流偏压环节对基流偏压环节对Ib0的变化起负反馈作用。的变化起负反馈作用。 3.3.说明说明 1 1）四种偏置电路中，加到）四种偏置电路中，加到B BE E间的间的直流偏置电压均随直流偏置电压均随输入信号电压振幅的大小而变化输入信号电压振幅的大小而变化。 2 2）当未加输入信号时，电路的偏置均为零。当未加输入信号时，电路的偏置均为零。当输入信当输入信号电压由小加大时，加到号电压由小加大时，加到B BE E间的直流偏置电压均向负值方间的直流偏置电压均向负值

28、方向增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的特性称向增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的特性称为为自给偏置效应自给偏置效应。3.5.33.5.3输入、输出匹配网络输入、输出匹配网络 保证外负载与调谐功率放大器最佳工作要求相匹配的网保证外负载与调谐功率放大器最佳工作要求相匹配的网络常称为匹配网络。络常称为匹配网络。 如果负载是下级放大器输入阻抗，应采用如果负载是下级放大器输入阻抗，应采用“输入匹配网输入匹配网络络”或或“级间耦合网络级间耦合网络”；如果负载是天线或其他终端，应；如果负载是天线或其他终端，应采用采用“输出匹配网络输出匹配网络”。对输出匹配网络的主要要求：对输出匹配网络的

29、主要要求： 1 1）匹配网络应有）匹配网络应有选频作用选频作用，充分滤除不需要的直流和，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。谐波分量，以保证外接负载上仅输出高频基波功率。 2 2）匹配网络还应具有）匹配网络还应具有阻抗变换作用阻抗变换作用，以保证放大器工，以保证放大器工作在所设计的状态。作在所设计的状态。 3 3）匹配网络应能将功率管输出的信号功率高效率传送）匹配网络应能将功率管输出的信号功率高效率传送到外接负载，即要求到外接负载，即要求匹配网络的效率（槽路效率匹配网络的效率（槽路效率L）高）高。 1. 1.并联谐振回路匹配电路并联谐振回路匹配电路 1 1）电路

30、）电路 2）最佳负载电阻）最佳负载电阻Rcp的估算的估算 放大器工作在临界状态的等效电阻，就是放大器阻抗匹放大器工作在临界状态的等效电阻，就是放大器阻抗匹配所需的配所需的最佳负载电阻最佳负载电阻。 因为因为 所以所以cesccmUEU cmc1mo21UIP cescocmoc1m22UEPUPI o2cesccp2)(PUER 滤波器型匹配网络滤波器型匹配网络 在甚高频或大功率输出级，广泛利用在甚高频或大功率输出级，广泛利用L、C变换网络来实变换网络来实现调谐和阻抗匹配。从结构来看，可分为现调谐和阻抗匹配。从结构来看，可分为L型、型、T 型、型、型型三种类型。三种类型。3.63.6功率晶体管

31、的高频效应功率晶体管的高频效应p晶体管分为三个工作区：p（1)f0.5f ,低频工作区p（2）0.5ff0.2fT,高频工作区3.6.23.6.2晶体管高频工作时载流子渡越时间的影响晶体管高频工作时载流子渡越时间的影响p晶体管工作在低频时，总认为三个极的电流时同时发生的。实际上，由于基区载流子渡越时间的影响，集电极电流滞后基极和发射极电流。3.7 3.7 倍频器倍频器 倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（倍频器是一种将输入信号频率成整数倍（2 2倍、倍、3 3倍倍n n倍）增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或倍）增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其它电子设备。其它电子设备。 一、为什么采用倍频器一、为什么采用倍频器 二、倍频器的种类二、倍频器的种类 三、丙类倍频器的工作原理三、丙类倍频器的工作原理 四、使用时注意问题四、使用时注意问题一、为什么采用倍频器一、为什么采用倍频器 1. 1.降低设备的主振频率降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。一般基音体体频率不高于若干级倍频器达到所