高频电子线路第三章高频功率放大器全解课件.ppt
第3章 高频功率放大器,3.1 概述3.2 丙类谐振功率放大器 3.2.1 工作原理 3.2.2 性能分析 3.2.3 直流馈电线路与网络匹配3.3 宽带高频功率放大器与功率合成电路,思考,思考1：高频谐振功放和高频小信号放大器的异同点？,思考2：高频功放和低频功放的异同点？,相同点：1、频率较高（高频）；2、负载都是谐振回路。,不同点：1、线性（A类）和非线性（B类或C类）。2、小信号和大信号。,相同点：都是功率放大，追求的目标都是高效、大功率。,不同点：1、负载不同。2、频率（频带）不同。,3.1 概述,1.什么叫功率放大电路？(模拟电路)在实用电路中，往往要求放大电路的末级（即输出级）输出一定功率，以驱动负载。能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。功放实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量。同时必然存在一定的能量损耗。功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源（直流）电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。主要类型：甲类、乙类、甲乙类、丙类等。主要指标:输出功率Po、效率,2.高频（谐振）功率放大器 功能：放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。位置：发射机末端。,3.高频功率放大器的工作状态：功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,特点：1、负载是谐振回路；2、工作在丙类；3、输入是大信号。,高频功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路。高频功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。功率放大电路是大信号工作,而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性。为简化分析,可以将晶体管特性曲线理想化,即用一条或几条直线组成折线来代替,称为折线近似分析法。,3.2 丙类谐振功率放大电路,3.2.1 工作原理1.丙类谐振功率放大器的电路结构晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管的负载。电路工作在丙类工作状态，注意UBB的方向(负向偏置)。,(3.2.7),当t=时,iC=0，可得到导通角计算式:,当t=0时,iC=ICm，可得:,所以,式(3.2.7)可写成:,(3.2.8),(3.2.9),(3.2.10),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+Ic1mcost+Ic2mcos2t+Icnmcosnt+,结论:丙类谐振功率放大器电路结构上跟高频小信号放大器非常相似，负载也是谐振回路；不同之处在于输入回路的偏置电压UBB的方向。丙类谐振功率放大器处于丙类(非线性)工作状态，放大器输出电流是周期性的尖顶余弦脉冲，包含很多谐波分量，失真很大。由于集电极负载是并联谐振回路(或其他形式的选频网络)，如使并联谐振回路谐振于基频，最终输出仍然是一个与输入信号形状相似的单频正弦量。,2.丙类谐振功率放大器的功率和效率,集电极电源UCC提供的直流功率由于回路对于基频谐振，呈纯阻R(回路等效总电阻)状态，对于其他谐波的阻抗很小，因此只有基频电流和基频电压才能产生输出功率:,集电极效率集电极功耗结论：如果要增大输出功率,在回路等效总电阻不变的情况下,需增大Ic1m，当器件确定时,就是要增大输入信号振幅Ubm。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。,3.2.2 性能分析（外特性）,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？,图3.2.5 折线化转移特性和输出特性分析,放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求出。由式（3.2.1）和（3.2.2）可以写出：,代入式（3.2.6），经过整理可得到动态线表达式：,其中,由图（3.2.5）可以写出斜率值gd的另一种形式：,因为,所以,1、负载特性,若UBB、UCC和Ubm三个参数固定,R发生变化,动态线、Ucm以及Po、c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3.2.6可知,UBB和UCC固定意味着Q点固定,Ubm固定进一步意味着也固定。根据式(3.2.14),放大区动态线斜率1/Rd将仅随R而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。,图 3.2.6 三种不同斜率情况下的动态线及波形分析,R有小变大,斜率由大到小,R由小变大,而斜率则由大变小,小,大,图3.2.7 谐振功放负载特性曲线,2、放大特性（振幅特性）,图3.2.8 放大特性分析,(a),(b),3、调制特性,基极调制特性,集电极调制特性（如图所示）,图3.2.10 集电极调制特性,工作在过压状态,图3.2.10 集电极调制特性,4、结论 根据以上对丙类谐振功放的性能分析，可得到以下几点结论：（1）若对等幅信号进行功率放大，应使功放工作在临界状态，此时输出功率最大，效率也接近最大。比如对第七章将介绍的调频信号进行功率放大。（2）若对非等幅信号进行功率放大，应使功放工作在欠压状态，但线性较差。若采用甲类或乙类工作，则线性较好。比如对第六章将介绍的调幅信号进行功率放大。（3）丙类谐振功放在进行功率放大的同时，也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上，功放应工作在欠压状态；若调制信号加在集电极电压上，功放应工作在过压状态。（4）回路等效电阻R直接影响功放在欠压区内的动态线斜率，对功放的各项性能指标关系很大，在分析和设计功放时应重视负载特性。,例3.2 某高频功放工作在临界状态，已知 UCC=18V，gcr=0.6S，=60，R=100，求输出功率Po直流功率PD和集电极效率。,由图3.2.6可以写出以下关系式：,解：由式（3.2.14）可求得：,所以,故,所以,例3.3,3.2.3 直流馈电线路与匹配网络,构成实际的高频功放电路必须遵循的原则：1、保证回路电压关系，ub、uc不能被短路或开路。2、正确的使用阻隔元件；3、电源一端接地，交流不能通过直流电源。,(1)集电极馈电线路,思考：为什么原理图不能作为实际线路？有什么问题？,集电极馈电线路的两种基本形式:,高频扼流圈Lc和高频短路电容Cc、Cc1、Cc2的作用在于阻止高次谐波流过直流电源并为其提供短路通道,以免高次谐波影响直流电源的稳压性能。串联馈电方式的优点是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,缺点是电容器C的动片不能直接接地,安装调整不方便。并联馈电方式的优缺点正好相反。Lc和Cc1对地的分布电容直接影响回路的谐振频率,但回路处于直流地电位,L、C元件可接地,故安装调整方便。,(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。,2.匹配网络,为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率,输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求,在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换,并充分滤除无用的杂散信号实质作用是“选频匹配”。第1章已介绍了几种基本LC选频匹配网络(倒L型、T型、型),具体应用时为了产生良好的选频匹配效果,常采用多节匹配网络级联的方式。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,例3.4 分析图例3.4所示工作频率为175 MHz的两级谐振功率放大电路的组成。,电路中的四个高扼圈,其中两个作为基极直流偏置的组成元件,另外两个在集电极并馈电路中对iC中的各次谐波分量起阻挡作用,并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容C7和C9、穿心电容C8和C10使高次谐波分量短路接地。一般来说,在400MHz以下的甚高频(VHF)段,匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成,而在400MHz以上的超高频(UHF)段,则需使用分布参数的微带线组成匹配网络,或使用微带线和LC元件混合组成。,微带线又称微带传输线,是用介质材料把单根带状导体与接地金属板隔离而构成的,右图给出了结构示意图和符号。微带线的电性能,如特性阻抗、带内波长、损耗和功率容量等,与绝缘基板的介电系数、基板厚度H和带状导体宽度W有关。实际使用时,微带线是采用双面敷铜板,在上面作出各种图形,构成电感、电容等各种微带元件,从而组成谐振电路、滤波器以及阻抗变换器等的。,3.3 宽带高频功率放大电路,现代通信的发展趋势之一是在宽波段范围能采用自动调谐技术，以便于转换工作频率。为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽频带高频功率放大器，一般采用非调谐宽带网络作为其匹配网络,能在很宽的频带范围内获得线性放大。此处“非调谐宽带网络”是个什么东东？（本节课的重点）非调谐区别于“丙类谐振功放”的谐振回路负载 宽带网络？,非调谐宽带网络传输线变压器,低频功放负载经常是一个变压器，以构成匹配网络实现阻抗变换。普通变压器依靠铁芯中的公共磁通将初级线圈N1的能量传输到次级线圈N2中。对于理想变压器来说，应该对所有频率的能量都能同样传输过去，即频带应无限宽。,先认识低频变压器,但实际上其频率特性如图所示：在低频段，因为初级电感不可能无穷大（这是理想变压器的条件），因而频率响应有所下降。在高频段，由于分布电容与线圈漏电感的影响，在某一频率可能产生串联谐振，频率响应出现峰值；然后随频率的升高，其输出电压因分布电容的旁路作用而迅速下降。即普通的变压器绕组间的分布电容是限制它的工作上限频率的主要因素。因此，普通铁芯变压器不能用来构成“非调谐宽带网络”。,3.3.1传输线变压器,现代通信电路中常用的“非调谐宽带匹配网络”是传输线变压器,它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫,并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。即“非调谐宽带网络”是这么一个东东：传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的。,1.宽频带特性 利用下图所示一种简单的11传输线变压器,可以说明这种特殊变压器能同时扩展上、下限频率的原理。,在低频时,变压器模式起主要作用,初次级线圈之间的能量传输主要依靠线圈的耦合作用。磁芯的导磁率高,所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量,保证了传输线变压器的低频特性较好。在高频时传输线模式起主要作用,此时初次级线圈之间的能量传输主要依靠线圈之间分布电容的耦合作用。分布电容成为传输线特性阻抗的一个组成部分,故上限频率将不受分布电容的限制。因而这种变压器可以在很宽的频带（可达几百MHz）范围内获得良好的响应。,小结,宽频带高频功率放大器的负载是传输线变压器,它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫,并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。由于无选频滤波性能,故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态,效率较低。宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽。宽频带高频功率放大器一般用在发射机的中间各级，但是为了只输出所需的工作频率，发射机末级还要需要调谐放大器。,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41传输线阻抗变换器的原理图。,三个传输线变压器均为41阻抗变换器。前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络,总阻抗比为161,使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高输出阻抗与50的负载电阻实现匹配。电路当中每一级放大都加了电压负反馈，以改善发大器性能；为避免寄生耦合，每一级集电极电源都加了电容滤波。,3.3.2 功率合成电路,利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。,采用7个功率增益为2,最大输出功率为10 W的高频功放,利用功率合成技术,可以获得40W的功率输出。,总结,本章主要论了高频功率放大器（包括谐振功放、宽带功放）。高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下,丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类大,但效率高,节约能源,所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小,也就是晶体管导通时间短,集电极功耗减小。但导通角越小,将导致输出功率越小。所以选择合适的角,是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。,折线分析法是工程上常用的一种近似方法。利用折线分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析,得出它的负载特性、放大特性和调制特性。丙类谐振功放的输入回路常采用自给负偏压方式,输出回路有串馈和并馈两种直流馈电方式。为了实现和前后级电路的阻抗匹配,可以采用LC分立元件、微带线或传输线变压器几种不同形式的匹配网络,分别适用于不同频段和不同工作状态。谐振功放属于窄带功放，宽带高频功放采用非调谐方式,工作在甲类状态,采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配,并可利用功率合成技术增大输出功率。,
