高频谐振功率放大器课件

§4.1概述工作特点：高频、大信号、非线性窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称谐振功率放大器谐振功率放大器的分析方法：折线法近似分析宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线变压器或其他宽带匹配电路作用：用于对各种高频信号进行功率放大或倍频；可实现调幅。工作要求：输出功率大、效率高、波形失真小(谐波少)、散热要好谐振功率放大器丙类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器戊类谐振功率放大器第4章高频功率放大器§4.2丙类高频谐振功率放大器的工作原理特点：

组成：BJT、LC谐振回路、馈电电源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT一、基本电路构成及工作原理

1、NPN高频大功率晶体管，高fT；改变UBB可以改变放大器的工作类型；3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，iB、iC均为一系列高频脉冲；2、大信号激励：1～2V；4、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流iC中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。二、工作原理的折线分析uCE0ic输出特性uBE0ibUD输入特性转移特性uBE0icUDgm1、三极管特性曲线的折线化iCt-

0ic1Ic1mt0ucUc1mt0......2coscos2m1m0+++=tItIIiicccccww余弦脉冲展开为傅立叶级数：将

当iC流过LC谐振回路时，在回路两端产生电压uC。由于谐振回路的选频特性，uC中只有基波分量幅度最大，其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。设Re—并联回路谐振时的等效负载电阻，包括BJT的输出电导和等效的RL。从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使iC是不连续的脉冲电流，在谐振回路两端也会得到余弦电压。即能对输入信号进行不失真放大。如果振荡回路的0=n，则在回路两端可得到频率为n的电压:u0=Umcosnt；相当于实现了对输入信号的n倍倍频。还可以利用选频特性实现倍频器。3、ic余弦脉冲的分解icicmax-/2-/2tgcUimgcUim

cos其中0(θ)、1(θ)、…、n(θ)为尖顶余弦脉冲的分解系数；/1/0=g101230,1,2,32.01.00.50.40.30.20.10-0.051030507090110130150170另定义g1(θ)

=Ic1m/Ic0=1(θ)/0(θ)为波形系数，随减小而增大。5）对效率的影响电压利用系数c=Uc1m/UCC<1，c≤1，g1随而变化；乙类功放：=/2，g1=/2，max=/4=78.5%；丙类功放：</2，减小，g1提高，c提高；但是很小时，g1提高不多，输出功率却降低很多。故通常选在60o~90o之间。6）放大器的激励功率：7）功率放大倍数：三点法作图：t=0，uBE=-UBB+Uim；uCE=UCC-Uc1m得到C点t=/2，uBE=-UBB；uCE=UCC得到B点t=，uBE=-UBB-Uim<0---iC=0；uCE=UCC+Uc1m得到D点直线BC与横轴交于A点CBD一、动态特性分析

UBE=-UBB+UimUBE=-UBBUCC§4.3工作状态分析uCE0icUc1mA折线CAD即为谐振功率放大器的动态特性曲线动特性曲线：iC、uBE和uCE的关系曲线，即交流负载线二、丙类谐振功率放大器的工作状态工作状态根据uBE=uBEmax，uCE=uCEmin时，动态特性上瞬时工作点C的位置确定。欠压状态：C点在输出特性曲线的放大区临界状态：C点在输出特性曲线的放大区和饱和区的交界点过压状态：C点在输出特性曲线的饱和区三种工作状态比较：（1）临界状态：PO最大；较高；最佳工作状态(对应最佳负载RLcr)；主要用于发射机末级。（2）过压状态：

较高（弱过压状态最高)；负载阻抗变化时，UC1m基本不变；用于发射机中间级。（3）欠压状态：Po较小；较低；PC大；输出电压不够稳定；很少采用，基极调幅电路工作于此状态。三、丙类谐振功率放大器的外部特性

当激励源（Uim)、负载(RL)或直流电源(UBB、UCC)发生变化时，都会影响到功放的工作状态，改变输出功率与效率；另一方面可以通过调整这些外部参量来改变功率放大器的性能。将外部参量变化时对功率放大器工作状态及性能指标的影响称为外部特性，包括负载特性----RL的影响放大特性----Uim

的影响调制特性----UBB、UCC的影响1、负载特性UCC、UBB及Uim固定时，ic(IC0IC1)都确定；RL直接影响输出电压振幅：RL增大，UC1m增大。欠压临界过压状态RLRLcrIC1mUC1mIC0欠压过压RLRLcr欠压过压PoPEPCUC1mIc1mIc0过压临界欠压过压临界欠压UCCUCCP0PE在过压区，输出电压振幅Uc1m与UCC近似呈线性关系：用一输入信号（调制信号）代替UCC，可完成振幅调制----集电极调幅。（2）基极调制特性：UBB的影响uce0ic增大-UBB：放大器的工作状态变化:欠压临界过压-UBB增大uC1mIC1mIC0欠压0临界过压-UBBPEPO欠压0临界过压-UBB在欠压区，输出电压振幅UC1m与UBB近似呈线性关系：用一输入信号（调制信号）代替UBB，可完成振幅调制----基极调幅。uC1mIC1mIC0P0P1欠压临界过压欠压临界过压UimUim在欠压区，输出电压振幅UC1m与输入电压振幅Uim近似呈线性关系：可以实现对振幅变化信号的线性放大。在过压区，输出电压振幅UC1m近似呈现恒压特性，可以实现对振幅变化信号的限幅。§4.4高频功率放大器的电路组成馈电电源的连接方式：集电极馈电：串联馈电（三极管、负载回路和直流电源串联）并联馈电（三部分并联）基极馈电：串联馈电并联馈电基本原则：使交、直流信号有各自正常的通路，相互间的影响尽可能的小，且要减小不必要的功率损耗。组成：高频功放的实际馈电线路和各种不通用途的高频功放的输入、输出端的匹配电路。一、直流馈电电路(a)串联馈电电路UCCLcCcLCVT(b)并联馈电电路UCCLcCc1Cc2LCVT直流通路UCCLcLVT直流通路UCCLcVT分布电容影响小；但LC处于直流高电位上，网络元件安装不方便。LC处于直流地电位上，网络元件安装方便；但分布参数直接影响网络的调协。交流通路LcCcLCVT××××交流通路LcCc1LCVT1、集电极馈电uCE=UCC-Uc1mcosωt二、匹配网络输入回路RsRLRiReIs输出回路匹配网络的作用：（1）在输入端：实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗的匹配，以获得最大的激励功率；（2）在输出端：将外界的负载电阻RL变换为放大器所需的最佳负载电阻Re，以保证输出功率最大；还应具有较好的滤波能力；（3）传输效率尽可能高，损耗尽可能小。实现方法：LC变换网络实现调谐和阻抗匹配连接方式：Г型、Π型和Т型三种串、并联阻抗变换RsXsXpRp转换前后电抗值Xs和Xp相差很小，但转换前后并联电阻Rp>>串联电阻Rs。C1C245pFCcC3C410pFLb280HL1L2VT505017pF16H0.01F97H16pFUCC(28V)Lc280H三、高频谐振功率放大器电路§4.5丁类功率放大器在丙类高频功放中，提高集电极效率是靠减小集电极电流的导通角实现的，但这样同时会减小输出功率。

丁类功率放大器的晶体管工作于开关状态，管子导通时进入饱和区，器件内阻接近于0，截止时电流为0，这样可以使集电极功耗大为减小，效率大大提高，在理想情况下，效率可达100%，实际情况下也可达90%左右。但由于开关管转换频率越高，损耗越大，故其上限工作频率受限。丁类功放分为电流开关型和电压开关型两种电路。UCCVT1VT2A

LCRLuLiC1iL(a)

uAiC2CctiC1uAuLiC2(b)

ttt

两个同型的三极管VT1、VT2相串联，输入变压器为VT1、VT2提供相位相反的驱动电压，使两管交替饱和导通，A点处的电压为方波，振幅为相应的电流电压波形如图（b）所示。负载电阻RL与L、C构成高Q串联谐振回路，当它调谐于输入信号频率时，在负载上得到电压uA的基波分量，实现高频放大的目的。RL上基波电压振幅：基波电流振幅：输出功率：通过电源的平均电流分量：电源供给功率：效率：实际工作中，三极管在饱和、截止之间的转换需要一定的时间，uA不是理想方波，而是存在着上升沿和下降沿，转换期间存在一定的电压和电流，使管耗增加，效率降低，所以应选择开关时间短的高频开关三极管或无电荷存储效应的VMOS场效应管，并减小电路中的分布电容。§4.6宽带高频功率放大器由于宽带放大器没有选频作用，一般只工作于非线性失真较小的甲类或甲乙类，所以宽带放大器的效率一般不高（20%左右）。常用的宽带匹配网络：传输线变压器。主要要求：通频带要宽；失真要小；放大倍数要大。一、传输线变压器1.传输线变压器工作原理传输线模型变压器模型RLUs1

3

2

U1Rs4

U21

2

3

4

U2UsI1I2I4I3U1RsRL传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，将传输线绕制在高磁导率、低损耗的磁环上就构成传输线变压器。因此它兼有传输线和高频变压器两者的特点，相应的有两种工作方式（模式），传输线方式和变压器方式。低频工作时，传输线就是两根普通连接线。高频工作时，由于分布电感和线间分布电容的影响，能量是通过分布电容中的电场能量和分布电感中的磁场能量不断相互转换而传送到负载的。以L0、C0表示单位长度传输线的电感和电容，传输线的特性阻抗是一个与频率无关的电阻1

2

3

4

l

ZiZCI1I1I2I2普通连接线

示意图UsU1RsRLU21

2

3

4

U1I1I1I2I2传输线等效图

RLU2UsRs1

2

3

4

U1高频倒相器UsRsRLU2UL2、传输线变压器的应用

（1）高频倒相器端点2、3相连并接地，1、3端加高频电压U1，负载上得到的电压UL与U1反相。（2）不平衡、平衡变换器1

2

3

4

UsRsRL/2

RL/2

不平衡、平衡变换器U1U2/2

U2/2

U2信号源一端接地，称为“不平衡”，转换后的负载上两电压大小相等、方向相反，称为平衡输出。（3）阻抗变换1

2

3

4

1:4阻抗变换器RL/4RLU2U1UsRsULI

2I

4:1阻抗变换器1

2

3

4

2I

RLU2U1UsRsUL4RLI

+28VLbT3T2T12747047272.7k0.010.010.010.011800120027180120.0150.011000p0.015330Lb0.01输入输出VT1VT2二、宽带功率放大电路宽频带变压器耦合放大电路，工作频率在150kHz~30MHz。图中T1、T2、T3都是宽带传输线变压器，T1与T2串接是为了实现阻抗变换，将VT1的低输入阻抗变换为VT2所需要的高负载阻抗。为改善放大器性能，每级都加了电压负反馈支路；为避免寄生耦合，每级的集电极电源都加有电容滤波。未采用调谐回路，放大器应工作于甲类状态。1W

4W

11W

5W

11W

10W

5W

11W

5W

5W

11W

11W

11W

5W

19W

40W

35W

19W

10W

10W

10W

10W

5W

11W

§4.7功率合成技术一、功率合成器的组成在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率时，可以将多个电子器件的输出功率叠加起来，这就是功率合成技术。下图是一个输出功率为35W的功率合成器的组成框图，三角形代表功率放大器，菱形代表功率分配或合成网络。A

DCBRARBRCRD(a)

A

DCBRARBRDRC(b)

利用1:4传输线变压器组成的魔T混合网络，可以实现功率的合成与分配。混合网络有A、B、C、D四个端点，为了满足网络匹配的条件，取RA=RB=ZC=R，RC=ZC/2=R/2，RD=2ZC=2R，ZC为传输线变压器的特性阻抗。二、功率合成与分配网络魔T混合网络A、B端输入两大小相等、极性相反的电压时，C端无输出，输入功率在D端合成。所以C端无输出，而D点的输出功率为：RARBRCRDA

DCBII2I2I1I1I2I1US1US22U

U

U

1、反相功率合成2、同相功率合成A、B端输入两大小相等、极性相同的电压时，D端无输出，输入功率在C端合成。IdRARBRCIaIdIbIdIcADDBCUd/2

II反相功率分配电路Ud/2

RDUdIaIdADIIIcRARBBDCIbId同相功率分配电路将功率合成器输入输出位置交换，即可得到功率分配器。3、功率分配例1：在图（a）所示电路中，R1=R2=R3=R4