高频电子教案(第三版)第3章课件

1、 第 3 章 谐振功率放大器任务： 高效率向负载提供足够大的信号功率工作状态： 丙类(信号的小半周期晶体管导通)特点：利用LC谐振回路滤除谐波，窄带放大用途：载波功率的放大3.1 谐振功率放大器的工作原理一、电路3.1.1 基本工作原理iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uo+ +LC(VBB可为负值)电路调谐在：二、电流、电压波形tuBEOVBBuBE(on)导通角 uCE(sat)欠压uCE对iC 有影响当 uCE = uCE(sat)临界当uCE uCE(sat)过压uCE 对 iC 影响小iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uo+ +LC2. 造成过压状

2、态下iC 凹陷的原因饱和区：uCE uBE集电结正偏, uBE 对iC 影响小uCE 对iC 影响大二、负载特性 (RP对 iC 的影响)iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uo+ +LC设VCC、VBB、Uim不变1. RP变化对 iC 波形的影响tiCORP2. RP对 电压、电流的影响RPIUOIC0Ic1mUcm欠压临界过压欠压状态过压状态3. RP对 功率、效率的影响RPP O欠压临界过压PoPomaxPDPCcRPopt3.2.2 VCC对放大器工作状态的影响tiCOVCC设VBB、Uim 、Rp不变1. iC 脉冲形状变化欠压区： iC 变化不大过压区：VCC，U

3、cm，iC 2. 集电极调制特性VCCI UO过 压临界欠压IC0Ic1mUcm3.2.3 Uim和VBB对放大器工作状态的影响设VCC 、VBB 、Rp不变1. Uim对放大器工作状态的影响 UimI UO欠压临界过压IC0Ic1mUcmtiCOUim 2. VBB对放大器工作状态的影响 VBBI UO欠压临界过压UcmIc1mIC0VBB 基极调制特性作 业3-13-33-53.3 谐振功率放大器电路一、集电极直流馈电电路3.3.1 直流馈电电路1. 串馈+uCEVCC +LCLCCC1LC 、CC1对电源滤波，避免级间反馈LC 高扼圈(对高频接近开路) CC1 旁路电容(对高频短路)特点

4、：LC 回路处于直流高电位上，谐振元件不能直接接地。2. 并馈+uCEVCC + LCLCCC2CC1CC2 隔直电容 (对高频短路)特点： LC 回路处于直流低电位上，谐振元件可以直接接地，易安装。缺点： LC 、CC1的参数影响谐振回路调谐。直流电源、负载谐振回路和功率管串联直流电源、负载谐振回路和功率管并联二、基极偏置电路1. 自给偏置电路 (利用基极脉冲的直流成分产生负VBB) RB产生自给负偏压 + VBBIB0RBCBLBVBB = IB0RBCB旁路交流iB = 0 时，VBB = 0VBB负向iB ，IB0 IB0LB由L的直流电阻获自给负偏压 并馈串馈IE0LBRECERE产

5、生自给负偏压 2. 分压式基极偏置电路 + +VCCRB1CBLBRB2VBB0 VBB RL)并联谐振：例3.3.3已知 f = 50 MHz，RL= 10 ，使RP = 200 ，决定参数。解=139 nH=146 nH2) 高阻变低阻 (适合于RL较大，需变小的情况)RPCRLLRPCRLL串联谐振： 1(II)(I)3. 型和T滤波匹配网络(适于RL和RL相差不太大的情况)RPC2RLL1C1C2RLL11C1L12目的：提高QRPRL低阻变高阻高阻变低阻步骤：1) 选取网络(II)的Q 值；2) 根据Q和RL计算RL ；3) 根据Q和RL计算C2 ；RLC2RLL124) 根据Q和C

6、2计算C2 ；5) 根据和C2计算L12 ；6) 根据RP和RL计算Q1 ；7) 根据Q1和RL计算L11 ；8) 根据L11和Q1 计算L11 ；RPC1L119) 根据L11和 计算C1 。RPC2RLL1C1例3.3.4已知 f = 50 MHz，RL= 50 ，使RP = 150 ，采用型滤波匹配网络，决定C1、C2、L1 的值。解(II)(I)C2RLL11C1L12RPRLRLC2RLL12选取网络(II)的 Q = 4RPC1L11二、滤波匹配网络应用举例LBLC+VCCL2L3L1C1C2CCC3C4C550 50 输入耦合网络输出耦合网络C4C4L4L2L3C3C4C5L4R

7、LRLRLRP高扼圈的直流电阻提供基极负偏压集电极并馈高扼圈LC和CC构成电源滤波RL 0 , V1饱和导通，V2截止+ui+ub1ub2+uoRLCALiC1iC2+VCCV1V1uA = VCC UCE(sat)ui 0 , V1饱和导通，V2截止+ui+ub1ub2+uoRLCALiC1iC2+VCCV1V1uA = VCC UCE(sat)ui 0 , V2饱和导通 ，V1截止uA = UCE(sat)tuAOVCCUCE(sat)tiC1OtiC2OtuoOio3.4.2 丙类倍频器倍频器功能: 输出信号频率是输入信号的整数倍。实现方法: 将谐振回路调谐在二次或三次谐波频率上。电路：

8、+ui+uoC1LBL1L2C2C3L3+ VCCLCCCL1 、C1构成串联谐振，fL2 、C2构成串联谐振，L3 、C3构成并联谐振，2f3f陷波器基波和二次谐波对地短路3.5 功率合成技术功率合成：理想功率合成：1. 无损失地合成各功放电路的输出功率；2. 各功放电路之间互不影响；3. 具有宽频带特性。多个功率放大器共同向负载提供大功率信号。一、传输线变压器的工作原理3.5.1 传输线变压器由传输线绕在高导磁率低损耗磁环构成。1. 传输线：两根紧靠的平行线、扭绞线、同轴线特点：无耗传输(高频)信号流过两条线的电流大小相等，相位相同无耗传输的条件：阻抗匹配 (传输线特性阻抗 Zc= Rs=

9、 RL)传输线长度 l min / 8最小工作波长2. 1:1传输线变压器的结构RLRSus4123 + 等效Rsus13 + RL24 + + u1u2i1i2i1i2Zi无耗传输：匹配条件：因磁芯中磁场抵消，故无耗相当于1:1 的变压器Rs1 + RL234us + u1 + u2变压器上限频率只几十MHz，传输线变压器达上千MHz变压器频率覆盖系数只有几百传输线变压器可达1043. 影响上、下限频率的因素fH 取决于传输线长度 l ， l 越短， fH 越高；fL 取决于激磁电流 i0 的大小，因为 i0 造成电流分配不均匀，应采用高导磁率磁环。4. 平衡和不平衡电路的转换不平衡 平衡转

10、换平衡 不平衡转换Rsus13 + 24 + + Rsus13 + RL24Rsus + + uu + ii+u+uii二、阻抗变换器1. 4:1阻抗变换器RLRSus4123 + Rsus13 + RL24 + + uuRiii2i传输线特性阻抗：2. 1:4阻抗变换器Rsus13 + RL24 + + uuii2iRiRiRL + u + u + u + u + u + uiiiiiii题310（a）3.5.2 功率合成和分配网络H1H4A1H2H3A2A2A4HHA2AAPiPoR功率合成的原理框图A 10W单元放大器H 功率合成和分配网络R 平衡电阻5 W10 W5 W5 W10 W5

11、 W5 W10 W10 W20 W20 W40 W一、功率合成网络Rd + + ududRausaA + + uaRbusb + ubBRcCDDTr1Tr2功率源A功率源BTr2 平衡-不平衡变换Tr1 混合网络itRc 平衡电阻Rd 合成器负载itiaibididicud/2+ ud/2+ ia = id + i tib = id i tic = 2i tid = (ia + i b) /2ic = ia i bit = (ia i b) /2若 ua = ub, 则ia = ibit = 0, ic = 0, id = ia = ibud = ua( ub) = 2ua = 2ub Pd

12、 = Pa+ Pb (D 端功率合成)Rc上: Pc = 0每个功率源的等效负载：实现阻抗匹配，使： Ra = Rb = Rd / 22. 若 ua = ub 则 ia = ib ,Pc = Pa+ Pb (C 端功率合成)id = 0, ic = 2ia = 2ib,同相合成实现阻抗匹配，使：Ra = Rb = 2 RcRd + + ududRsusaA + + uaRsusb + ubBRcCDDTr1Tr2功率源A功率源Bititiaibididicud/2+ ud/2+ 3. 若 ua ub若 Rc = Rd / 4，则 ua = iaRd / 2, 仅由功率源A 决定，不 受B 影响

13、。同理, ub 仅由功率源B决定, 不 受A 影响。也可在C、D 端输入功率，在A或B端获得合成功率。二、功率分配网络idRd + + ududRaA +RcucBRbCDDTr1Tr2ititiaibidicuc 输入信号Ra 、Rb 分配器负载ia = it id ib = i t + idic = 2i tud = idRd = iaRa ibRb idRd = (it id )Ra(it + id)Rb 当 Ra = Rb = R 时: id = 0, ia = ib = it = ic / 2Ra、Rb 等于并联：RL = Ra/ Rb = R / 2D端未获得功率，A、B 端各获得

14、一半功率欲获得最大功率输出，要求功率源内阻 Rc = RL= R / 21. 同相功率分配网络2. 反相功率分配网络idRd + + ududRaA +RcucBRbCDDTr1Tr2ititiaibidicRa = Rb = R当信号从D端输入时，C端未获得功率，A、B 端获得等值反相功率，同理可证明：阻抗匹配功率放大功率合成功率分配3.5.3 功率合成电路应用举例 + ui25 25 AADDBBCCTr2Tr1Tr3Tr4Tr5Tr612.5 12.5 12.5 12.5 25 25 6 10 10 6V1000 pF1500 pF + uo1H1H8 F1:1传输线变压器作用：把不平衡

15、输入变为平衡输入加到Tr2的D端和Tr2C端；A、B端获得等值反相功率，Tr2 、Tr2为4:1阻抗变换器。RiRL + u + u + u + u + u + uiiiiiii题310（a）RL/2RL/2iiii2i2i + u + u + u + uRi题310（b）3.5.2 功率合成和分配网络H1H4A1H2H3A2A2A4HHA2AAPiPoR功率合成的原理框图A 10W单元放大器H 功率合成和分配网络R 平衡电阻5 W10 W5 W5 W10 W5 W5 W10 W10 W20 W20 W40 W一、功率合成网络Rd + + ududRausaA + + uaRbusb + ub

16、BRcCDDTr1Tr2功率源A功率源BTr2 平衡-不平衡变换Tr1 混合网络itRc 平衡电阻Rd 合成器负载itiaibididicud/2+ ud/2+ ia = id + i tib = id i tic = 2i tid = (ia + i b) /2ic = ia i bit = (ia i b) /2若 ua = ub, 则ia = ibit = 0, ic = 0, id = ia = ibud = ua( ub) = 2ua = 2ub Pd = Pa+ Pb (D 端功率合成)Rc上: Pc = 0每个功率源的等效负载：实现阻抗匹配，使： Ra = Rb = Rd / 2

17、2. 若 ua = ub 则 ia = ib ,Pc = Pa+ Pb (C 端功率合成)id = 0, ic = 2ia = 2ib,同相合成实现阻抗匹配，使：Ra = Rb = 2 RcRd + + ududRsusaA + + uaRsusb + ubBRcCDDTr1Tr2功率源A功率源Bititiaibididicud/2+ ud/2+ 3. 若 ua ub若 Rc = Rd / 4，则 ua = iaRd / 2, 仅由功率源A 决定，不 受B 影响。同理, ub 仅由功率源B决定, 不 受A 影响。也可在C、D 端输入功率，在A或B端获得合成功率。二、功率分配网络idRd + +

18、 ududRaA +RcucBRbCDDTr1Tr2ititiaibidicuc 输入信号Ra 、Rb 分配器负载ia = it id ib = i t + idic = 2i tud = idRd = iaRa ibRb idRd = (it id )Ra(it + id)Rb 当 Ra = Rb = R 时: id = 0, ia = ib = it = ic / 2Ra、Rb 等于并联：RL = Ra/ Rb = R / 2D端未获得功率，A、B 端各获得一半功率欲获得最大功率输出，要求功率源内阻 Rc = RL= R / 21. 同相功率分配网络2. 反相功率分配网络idRd + +

19、ududRaA +RcucBRbCDDTr1Tr2ititiaibidicRa = Rb = R当信号从D端输入时，C端未获得功率，A、B 端获得等值反相功率，同理可证明：阻抗匹配功率放大功率合成功率分配3.5.3 功率合成电路应用举例 + ui25 25 AADDBBCCTr2Tr1Tr3Tr4Tr5Tr612.5 12.5 12.5 12.5 25 25 6 10 10 6V1000 pF1500 pF + uo1H1H8 F1:1传输线变压器作用：把不平衡输入变为平衡输入加到Tr2的D端和Tr2C端；A、B端获得等值反相功率，Tr2 、Tr2为4:1阻抗变换器。第 3 章 高频功率放大器作用：高效率地输出足够大的信号功率。谐振功率放大器宽带高频功率放大器放大固定频率信号或窄带信号。需调谐。用于放大需在很宽范围内变换频率的信号或宽带信号。不需调谐。第 3 章 高频功率放大器 谐振功率放大器的工作原理 谐振功率放大器的特性分析 谐振功率放大器电路 丁类谐振功率放大器 集成高频放大器及其应用3.1 谐振功率放大器的工作原理主要要求： 理解谐振功放的电路组成，掌握其工作原理掌握丙类谐振功放输出功率、管耗和效率的计算。一、 放大器工作状态的选择222甲类（ 180）乙类（ 90）丙类（ 90）越小，效率越高谐振功率放大器通常工作于丙类二、 谐振功放的电