高频电子线路 课件 第5章 高频谐振功率放大电路

南京信息工程大学五、高频谐振功率放大电路本章内容5.6集成高频功率放大电路及应用简介5.7本章小结5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路5.1概述5.2丙类谐振功率放大电路5.4直流馈电线路与匹配网络5.3高频功率放大电路动态性能分析5.1概述学习目标掌握丙类谐振功放的原理、动态特性和电路组成了解甲类和乙类谐振功放的性能指标讨论高频宽带功率放大电路着手实践，了解集成高频功率放大电路的一些实例5.1概述

与低频功率放大电路一样,输出功率、效率和非线性失真同样是高频功率放大电路的三个最主要的技术指标。不言而喻,安全工作仍然是首先必须考虑的问题。5.2丙类谐振功率放大电路1.工作原理

图5-2是谐振功率放大电路原理图。假定输入信号是角频率正弦波,输出选频回路调谐在输入信号的相同频率上。根据基尔霍夫电压定律,可得到以下表达式:

uBE=UBB+ub=UBB+Ubmcosω0t

uCE=UCC+uc=UCC-Ic1mRΣcosω0t

=UCC-Ucmcosω0t

（5-1）（5-2）5.2丙类谐振功率放大电路谐振功率放大电路原理图

5.2丙类谐振功率放大电路

如果要提高效率，需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极平均电流，通过降低静态工作点可以实现)。

由此可以得到集电极电源提供的直流功率PD、谐振功放输出交流功率Po、集电极效率ηc和集电极功耗PC如下:5.2丙类谐振功率放大电路甲、乙、丙类三种工作状态下的转移特性分析2.放大性能分析5.2丙类谐振功率放大电路

在甲类工作状态时,为保证不失真,必须满足Ic1m≤IC0,又Ucm≤UCC(忽略晶体管饱和压降),所以最高效率为50%。在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲,可以用傅氏级数展开为:

其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度,即集电极电流最大值。5.2丙类谐振功率放大电路

由此，可求得在Ucm=UCC时的最高效率

随着基极偏置电压UBB逐渐左移,静态工作点逐渐降低,晶体管的工作状态由甲类、乙类而进入丙类。由刚才的分析可知,乙类的效率确实高于甲类5.2丙类谐振功率放大电路丙类状态转移特性分析5.2丙类谐振功率放大电路

由图可以得到集电极电流iC的分段表达式：

如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2θ来表示,则称θ为导通角。可见,0°≤θ≤180°。在放大区,可以得到:

iC=g(UBB+Ubmcosωt-Uon)5.2丙类谐振功率放大电路当ωt=θ时,iC=0

当ωt=0时,iC=ICm所以,式(5-7)可写成:5.2丙类谐振功率放大电路

从集电极电流iC的表达式可以看出,这是一个周期性的尖顶余弦脉冲函数,因此可以用傅里叶级数展开,即

iC=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt+…

其中各个系数可用积分方法求得，例如，

式中iC式（5-10）代入。由于iC是ICm和θ的函数,所以它的各次谐波的振幅也是ICm和θ的函数,若ICm固定,则只是θ的函数,通常表示为：IC0=ICmα0(θ),Ic1m=ICmα1(θ),Ic2m=ICmα2(θ),…

5.2丙类谐振功率放大电路

其中α0(θ),α1(θ),α2(θ),…被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。

下图给出了θ在0°～180°范围内的分解系数曲线和波形系数曲线。5.2丙类谐振功率放大电路

若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/UCC,可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式:5.2丙类谐振功率放大电路

尖顶余弦脉冲的分解系数α(θ)与波形系数g1(θ)5.3高频功率放大电路动态性能分析

若丙类谐振功放的输入是振幅为Ubm的单频余弦信号,那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系?Ucm的大小受哪些参数影响?5.3高频功率放大电路动态性能分析折线化转移特性和输出特性分析5.3高频功率放大电路动态性能分析

经过整理可得到动态线表达式:iC=-gd(uCE-U0)其中5.3高频功率放大电路动态性能分析

Q点位于第四象限内并非表示此时iC为负值，而是说明此时iC=0，因为集电极电流不可能反向流动。Q点是为了作图的需要而虚设的一个辅助点。输出特性中的Q点位置应该是在动态线AB的延长线与uCE=UCC的相交处5.3高频功率放大电路动态性能分析

由图可以写出斜率值gd的另一种形式:

因为

Ic1m=ICmα1(θ),RΣ=Ucm/Ic1m

可见，放大区内动态线的斜率是负的，其数值gd（动态电导）与RΣ、θ两个参数都有关系，且动态电阻Rd与回路等效总电阻RΣ不相等。5.3高频功率放大电路动态性能分析

若UBB、UCC和Ubm三个参数固定,RΣ发生变化,动态线、Ucm以及Po、ηc等性能指标会有什么变化呢?这就是谐振功放的负载特性。由图5-7可知,UBB和UCC固定意味着Q点固定,Ubm固定进一步意味着θ也固定。根据式(5-15),放大区动态线斜率1/Rd将仅随RΣ而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。5.3高频功率放大电路动态性能分析

三种不同斜率情况下的动态线及波形分析1.负载特性5.3高频功率放大电路动态性能分析

根据输出电压振幅大小的不同,这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态,而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。

注意：在过压状态时,iC波形的顶部发生凹陷,这是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。

5.3高频功率放大电路动态性能分析谐振功放的负载特性曲线5.3高频功率放大电路动态性能分析放大特性分析2.放大特性5.3高频功率放大电路动态性能分析3.调制特性

(1)基极调制特性。若UCC、RΣ和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随基极偏压UBB变化的规律被称为基极调制特性。

基极调制特性基极调制的目的是使Ucm随UBB的变化规律而变化,所以功放应工作在欠压状态,才能使UBB对Ucm有控制作用5.3高频功率放大电路动态性能分析

(2)集电极调制特性。若UBB、RΣ和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随集电极电压UCC变化的规律被称为集电极调制特性。(a)(b)集电极调制特性5.4直流馈电线路与匹配网络1.直流馈电线路1.1集电极馈电线路（a）串联馈电（b）并联馈电集电极馈电线路5.4直流馈电线路与匹配网络

由于（a）图中A在高频等效电路中处于地电位，因此是Lc和Cc处于高频地电位,它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率,这是串联馈电方式的优点，但缺点是电容器C的动片不能直接接地,安装调整不方便。5.4直流馈电线路与匹配网络

而并联馈电方式的优缺点正好相反。

由于（b）图中B点在高频等效电路中处于高电位，因此Lc和Cc1处于高频高电位,它们对地的分布电容与回路并联，故直接影响回路的谐振频率，但回路中一端处于直流地电位，L、C元件可直接接地，故安装调整方便。5.4直流馈电线路与匹配网络1.2基极馈电线路

基极馈电也有串馈与并馈两种形式,但对于丙类谐振功放,通常采用自给偏压方式。下图给出了几种基极馈电线路,均为自给偏压形式。谐振功放的基极偏置电路(a)(b)(c)5.4直流馈电线路与匹配网络2.匹配网络

为了衡量输出匹配网络上的功率损耗，可以定义回路效率为

其中，PL、Po分别是负载上得到的功率和功放的输出功率。5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路

1:1传输线变压器结构示意图及等效电路(a)结构示意图(b)传输线方式工作原理图(c)变压器方式工作原理图(d)用分布电感和分布电容表示的传输线分布参数等效电路1.传输线变压器1.1宽频带特性5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路

在以传输线方式工作时,信号从①、③端输入,②、④端输出。如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟,两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的,则传输线的特性阻抗

其中ΔL、ΔC分别是单位线长的分布电感和分布电容。若Zc与负载电阻RL相等,则称为传输线终端匹配。

5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路1.2阻抗变换特性与普通变压器一样,传输线变压器也可以实现阻抗变换,但由于受结构的限制,只能实现某些特定阻抗比的变换。下图给出了一种4∶1传输线阻抗变换器的原理图。

4:1阻抗变换器5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路

在无耗且传输线长度很短的情况下,传输线变压器输入端与输出端电压相同,均为,流过的电流均为。由此可得到特性阻抗Zc和输入端输入阻抗Zi分别为5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路

所以,当负载RL为特性阻抗Zc的1/2时,此传输线变压器可以实现4∶1的阻抗变换。故此时的终端匹配条件是RL=Zc/2。其中Zi是指1、4端之间的等效阻抗。利用传输线变压器还可以实现其它一些特定阻抗比的阻抗变换。注意：不同阻抗比时的终端匹配条件不一样。

5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路

下图给出了一个两极带宽高频功率放大电路，其匹配网络采用了三个传输线变压器。宽带高频功率放大电路5.5*宽带高频功率放大电路与功率合成电路功率合成器原理图2.功率合成5.6集成高频功率放大电路及应用简介Motorola公司MHW系列部分功放器件电特性（T=25℃）型号电源电压典型值/V输出功率/W最小功率增益/dB效率/%最大控制电压/V频率范围/MHz内部放大器级数输入/输出阻抗/ΩMHW1057.55.037407.068~88350MHW607-17.57.038.5407.0136~150350MHW7046.03.034.8386.0440~470450MHW707-17