高频电子线路第3章.ppt

,第3章 高频功率放大器,使用高频功率放大器的目的：为了获得足够大的高频输出功率。高频和低频功率放大器的共同特点：输出功率大，效率高。其区别：1）工作频率和相对频带不同：低频功率放大器：工作频率低，带宽相对较宽。高频功率放大器：工作频率高，带宽相对较窄。因而，高频放大器一般都采用选频网络作为负载回路。,2）这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（特殊情况下可在乙类）分类根据对象特点，一般采用谐振功率放大器；也可采用宽带功率放大器。,谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处,相同之处：1）放大的信号均为高频信号；2）都采用谐振回路作负载。,不同之处:,1）作用与要求不同。小信号谐振放大器主要用于高频小信号的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益。谐振功率放大器主要用于高频信号的功率放大。要求效率高，输出功率大。,不同之处（续）,2）工作状态不同。小信号谐振放大器输入信号很小，要求失真小，故工作在甲类状态；谐振功率放大器为大信号放大器，为了提高效率，工作在丙类状态。3）对谐振回路要求不同。小信号谐振放大器中谐振回路主要用来选择有用信号，抑制干扰信号，要求它有较高的选择性，故的Q值较高；谐振功率放大器的谐振回路主要是用于抑制谐波，实现阻抗匹配，输出大功率，所以回路的Q值较低。,小信号谐振放大器波形图,谐振功率放大器波形图,高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题,高效率输出,高功率输出,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。,高频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。,谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路，因此不能使用线性等效电路来分析。主要分析方法：1）图解法，利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；2）解析近似分析法，是用折线段来表示电子器件的特性曲线，称为折线法。主要技术指标：输出功率、效率、中心频率,3.1 丙类谐振功率放大器的工作原理,一、基本工作原理,1、电路组成,高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外,它由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。,工作在丙类状态,在一个信号周期内功放管导通角小于1800静态时发射结反偏,工作在截止区;输入激励大信号，一般在0.5V以上；基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号；谐振回路作负载选取有用频率分量，兼有阻抗变换作用,基极较小的激励信号Vb控制三极管得到较大的集电极电流iC，实现了电源直流能量到输出交流能量的转换。,为了获得高输出效率，放大器通常工作在丙类，只有小部分时间导通。此时集电极电流iC为一系列脉冲电流。,谐振回路LC是晶体管的负载，负载采用LC谐振回路的原因：1)滤波/选频作用：滤除iC中的谐波，选出基波；2)阻抗匹配作用：使输出负载经阻抗变换后与最佳谐振电阻相等，满足最大功率传输。,基极电源VBB应小于截止区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一般VBB略小于0。集电极电压VCC是功率放大器的能量来源。,2、电流、电压波形,当基极输入一余弦高频信号ui时,当uBE的瞬时值大于基极和发射极之间的导通电压uBE(on)时，晶体管导通，产生基极电流iB。因为管子只在小半周期内导通，因而iB为脉冲电流。基极导通后，晶体管便由截止区进入放大区，集电极将流过电流iC，放大后的iC也为脉冲电流。,iC为周期函数，可用傅立叶级数展开成包括直流、基波和高次谐波的表达式,当集电极回路调谐在输入信号频率上时，谐振回路对基波电流而言，等效为一纯电阻。对于其他各次谐波而言，回路失谐而呈现很小的电抗，并可看成短路。,直流分量只能通过回路电感线圈去路，其直流电阻较小，对直流也可看成短路。集电极电流流经谐振回路时，只有基波电流才产生压降，因而LC谐振回路两端输出不失真的高频信号电压。若回路谐振电阻为Re，则,a.三极管输入特性b.基极脉冲电流及谐波分量c.集电极脉冲电流及谐波分量d.LC谐振回路两端电压波形e.晶体管集电极和发射极之间的瞬时电压波形,二、余弦电流脉冲的分解,余弦电流脉冲的主要参量 和，如图,当 时，,利用傅立叶级数可展开为,应用傅里叶级数方法可求出各个分量，它们都是的函数。,()称为余弦脉冲电流分解系数，其大小是导通角的函数。,三、输出功率与效率,由于输出回路调谐在基波频率上，输出电路中的高次谐波处于失谐状态，相应的输出电压很小。因此，在谐振功率放大器中只需要研究直流及基波功率。,输出功率Po等于集电极基波分量在负载上的平均功率，即：,集电极直流电源供给功率PD等于集电极直流分量IC0与VCC的乘积，即：,集电极耗散功率PC等于集电极直流供给功率PD与基波输出功率Po之差，即:,集电极效率C等于输出功率Po与直流电源供给功率PD之比，即：,为集电极电压利用系数,为波形系数,甲类工作状态,乙类工作状态,丙类工作状态,3.2 谐振功率放大器的特性分析,谐振功率放大器的输出功率、效率及集电极损耗都与集电极负载负载谐振阻抗Rp、输入信号的幅度vb、基极偏置电压VCC、以及集电极电源电压VBB等的大小密切相关，其中集电极负载阻抗的影响尤为重要。,一、谐振功率放大器的工作状态与负载特性,谐振功率放大器的工作状态是由负载阻抗Re、激励电压Vim、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。,若VCC、VBB、Vim参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Re决定。此时放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Re而变化的特性，叫做放大器的负载特性（曲线）。,1、欠压、临界和过压工作状态,绿线：欠压状态未进入饱和状态的工作状态。为尖顶余弦脉冲。,蓝线：临界状态刚好不进入饱和状态的工作状态。仍为尖顶余弦脉冲，但顶端变化平缓。,棕线：过压状态进入饱和状态的工作状态。为中间凹陷的余弦脉冲。,根据集电极电流是否进入饱和区,在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般工作于此状态。,2、负载特性,指VCC、VBB、Uim不变时，谐振负载Re变化对放大器性能的影响,设初始状态为临界状态时，有,设初始状态为临界状态时，有,观察集电极余弦脉冲变化,临界状态：输出功率最大，效率较高，一般末级功率放大采用。过压状态：可分为强过压和弱过压两种。在弱过压状态下,Vcm基本不随Re变化，可视为恒压源，效率可达最高，但输出功率有所下降，一般用于中间级放大。,三种工作状态的比较欠压状态：Ic1m基本不随Re变化，可视为恒流源；输出功率与效率较低，随Re增加而增大；集电极耗散功率大，随Re增加而减小。很少工作于该状态，可用于基极调幅。,二、VCC对放大器工作状态的影响（集电极调制特性）,指VBB、Uim、Re固定，VCC变化对放大器性能的影响。,设初始状态为临界状态时，有,设初始状态为临界状态时，有,集电极余弦脉冲变化,三、Uim对放大器工作状态的影响（振幅特性，也称放大特性）,VCC、VBB、Re固定，Uim变化对放大器性能的影响。,设初始状态为临界状态时，有,欠压时用于放大，过压时用于限幅。,四、VBB对放大器工作状态的影响（基极调制特性）,只改变激励信号振幅Vbb时,放大器性能的变化特性。,特点：随着VBB增大，先后经历：欠压临界过压。,作为基极调制时,应工作于欠压区。,讨论题1：,谐振功率放大器原工作在临界状态，若集电极回路稍有失谐，放大器的Ic0，Ic1m将如何变化，Pc将如何变化？有何危险？,回路谐振时，回路等效阻抗为纯电阻，且最大，谐振功率放大器工作在临界状态。当回路失谐时，回路等效阻抗减小，谐振功率放大器将工作在欠压状态。根据负载特性，Ic0，Ic1m略增大，Po减小，Pc增大。若回路严重失谐，回路的等效阻抗很小，PC过大，有可能损坏功率管。所以谐振功率放大器调谐时，不要使回路严重失谐，调谐时动作要快，必要时可降低直流电源电压VCC或降低输入电压振幅Uim。,讨论题2：,谐振功率放大器原工作在临界状态，如图3.1.1所示，若外接电阻RL增大或减小，放大器的工作状态如何变化？Ic0，Ic1m，Po，Pc将如何变化？,由图可知，当RL增大时，回路的谐振电阻Re将减小，谐振功率放大器的工作将由临界状态变为欠压状态。根据负载特性，Ic0，Ic1m略增大，Po减小，Pc增大。,反之，当RL减小时，回路的谐振电阻Re将增大，谐振功率放大器的工作将由临界状态变为过压状态。根据负载特性，Ic0，Ic1m，Po减小，Pc减小，但减小不多。,讨论题3：,谐振功率放大器输出功率为Po，现增大VCC，发现放大器的输出功率增加，为什么？如发现输出功率增加不明显，又为什么？,现增大VCC，输出功率增大，说明谐振功率放大器原处于过压状态。在过压状态，VCC增大，Ucm、Ic1m都增大，所以输出功率增大。,现增大VCC，输出功率增加不明显，说明谐振功率放大器原处于临界或欠压状态。此时，VCC增大，iC脉冲变化不大，则Ucm、Ic1m增加也不明显，所以输出功率增加很小。,已知谐振功率放大器工作在过压状态，现将其调整到临界状态，应改变哪些参数？不同的调整方法得到的输出功率是否相同？,在条件允许的情况下，分别调节Re、VCC、VBB和Uim都可使谐振功率放大器退出过压达到临界状态。,讨论题4：,根据负载特性，其他特性不变，只调节谐振电阻Re，使其减小，放大器的工作状态将会逐渐退出过压，达到临界。,根据集电极调制特性，只调节VCC、使其增大，放大器的工作状态将会逐渐退出过压，达到临界。,根据基极调制特性和放大特性，降低VBE或Uim，也可使放大器的工作状态将会逐渐退出过压，达到临界。,实际调整中，4个参数也可同时进行调节，以便获得最理想的工作状态。,四种单独调节方法所获得的各自临界状态的参数是不相同的，所以输出功率也是不相同的。,其中，降低VBE或Uim所获得的临界状态，iC脉冲的高度比较小，导通角变小，所以输出功率比较小。增大VCC所获得的临界状态，由于Ucm幅度较大，所以输出功率较大。,3.3 谐振功率放大器电路,谐振功率放大器电路由直流馈电电路和滤波匹配网络组成。,要使放大器正常工作，晶体管各电极必须有相应的馈电电源。馈电方式应遵循以下原则：,1)直流电流IC0是产生能量的源泉，它由VCC经管外电路输至集电极，应该除了晶体管的内阻外，没有其他电阻消耗能量。因此，要求管外电路对IC0的等效电路如图所示。,2)高频基波分量IC1m应通过负载回路，以产生所需要的高频输出功率。因此，IC1m只应在负载回路上产生电压降，其余部分对于IC1m来说，都应该是短路的。因此，要求IC1m的等效电路如图所示。,3)高频谐波分量ICnm是“副产品”，不应消耗功率。管外电路对ICnm来说，应尽可能接近短路。因此，要求ICnm的等效电路如图所示。,两种形式:串联馈电电路和并联馈电电路。,串联馈电电路：是指直流电源VCC、负载谐振回路（滤波匹配网络）和功率管(晶体管)在电路形式上为串接的馈电方式。并联馈电电路：如果把上述三部分并接在一起。,一、直流馈电电路 包括集电极和基极馈电线路。1、集电极直流馈电电路 两种形式:串联馈电电路和并联馈电电路。,LC:高频扼流圈，它对直流是短路的，但对高频则呈现很大的阻抗，接近于开路，对高频信号具有“扼制”作用。CC1:旁路电容，对高频具有短路作用，提供高频通路。另外，它与LC构成电源滤波电路，用以避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。,CC2:隔直流电容，对信号频率的容抗很小，接近短路。无论是串馈还是并馈，交流电压和直流电压总是串联叠加在一起的，即,两种馈电电路的不同仅是谐振回路的接入方式。串馈电路中，谐振回路处于直流高电位上，谐振回路元件不能直接接地。并馈电路中，由于CC2隔断直流，谐振回路处于直流低电位上，谐振回路元件可以直接接地。因而，电路的安装就比串馈电路方便。,2、基极偏置电路,要使放大器工作在丙类，功率管基极应加反向偏压或小于导通电压的正向偏压。,基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源VCC分压供给。在功放级输出功率大于1W时，基极偏置常采用自给偏置电路。,基极馈电线路也有串联和并联两种形式。自给偏压：基极或发射极直流电流流过电阻产生。自给偏压只能提供反向偏压。,（a）利用基极电流iB的直流分量IB0在基极偏置电阻上产生所需的偏置电压VBB。,根据直流分量IB0的流向，可知偏压VBB是反向的。,(b)利用高频扼流圈LB中固有直流电阻来获得很小的反向偏置电压，可称为零偏压电路。VBB很小，且不够稳定。,(c)当需要提供正向基极偏置电压时，可采用如图所示的分压式偏置电路。,VCC经RB1、RB2的分压，取RB2上的压降作为正向偏置电压。为了保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。,CB：旁路电容，对高频具有短路作用。,二、滤波匹配网络1、对滤波匹配网络的要求,谐振回路实际上起到了滤波和匹配的双重作用，故又称为滤波匹配网络。除了用LC谐振回路外，还常用复杂的网络。,使实际负载电阻RL变成放大器所需要的最佳负载电阻Reopt使放大器工作在临界状态，以便高效率输出所需功率，称为阻抗匹配。抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。有效地传送功率到负载，滤波匹配网络本身的固有损耗应尽可能小。,2、LC网络的阻抗变换作用,1)串、并联电路的阻抗转换,由此，可得到串联阻抗转换为并联阻抗的关系式,反之，可得到并联阻抗转换为串联阻抗的关系式,说明Qe值取定后，RS与RP、XS与XP之间可以相互转换，转换后的电抗性质不变。,例1：已知工作频率为100MHZ，LS=100nH，RS=10，求出RP与LP。,当Qe1时，LS与LP的值相差不大，可认为电抗元件参数近似不变。但电阻值却发生了较大的变化。与电抗串联的小电阻RS可变换成与电抗并联的大电阻RP，反之亦然。,例2：已知工作频率为50MHZ，CP=50pF，RP=200，求出RS与CS。,与电抗并联的大电阻RP变换成与电抗串联的小电阻RS,2)L形滤波匹配网络的阻抗变换,低阻变高阻L形滤波匹配网络,RL为外接实际负载电阻。与电感支路相串联，可减小高次谐波的输出，对提高滤波性能有利。,在工作频率上，有,L形网络从低电阻负载变为高电阻负载，其变换倍数决定于Qe值的大小。,为了实现阻抗匹配，在已知RL和Re时，有,例3：已知工作频率为50MHZ，实际负载为RL=10，放大器处于临界时，要求谐振阻抗为200，决定L形滤波匹配网络的参数。,如果外接负载电阻RL比较大，而放大器要求的负载电阻Re较小，可采用高阻变低阻L形滤波匹配网络。,在工作频率上，有,L形网络从高电阻负载变为低电阻负载。,为了实现阻抗匹配，在已知RL和Re时，有,下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型网络作匹配之用。,3)形匹配网络,4)T形匹配网络,三、谐振功率放大器电路举例,L形匹配网络,集电极并馈,基极自给偏压,T形匹配网络,160 MHz谐振功放电路,50 MHz谐振功放电路,工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路,它向50 外接负载提供25W功率,功率增益达7 dB。,集电极串馈,基极自给偏压,形匹配网络,3.6 宽带高频功率放大器,上述谐振功率放大器的主要优点是效率高，但当需要改变工作频率时，必须改变其滤波匹配网络的谐振频率，这是十分困难的。在多频道通信系统和配对带宽较宽的宽带高频设备中，谐振功率放大器就不适用了，这时必须采用无需调节工作频率的宽带高频功率放大器。,高频功率放大器不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。当然，所付出的代价是输出功率和功率增益都降低了。所以，宽带功率放大器适用于中、小功率级。对于大功率设备来说，宽带功放可作为推动级。,一、传输线变压器,1、传输线变压器的工作原理,传输线变压器的工作方式是传输线原理与变压器原理的结合，即其能量根据激励信号频率的不同以传输线或以变压器方式传输。其主要特点是工作频带极宽。,由于传输线变压器的工作方式是传输线原理与变压器原理的结合，所以它的工作方式可分为两种：1）按照传输线方式来工作，即在它两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流。磁心中的磁场正好互相抵消，因此，磁心没有功率损耗，磁心对传输线的工作没有什么影响。这种工作方式称为传输线模式。2）按照变压器方式工作，此时线圈中有激磁电流，并产生公共磁场，有功率损耗。这种工作方式称为变压器模式。,高频率时，传输线模式起主要作用，初级之间的能量传输主要依靠线圈之间分布电容的耦合作用。低频率时，变压器模式起主要作用，初级之间的能量传输主要依靠线圈的磁耦合作用。,由传输线理论可知，只要传输线无耗且匹配，不论加在其输入端的信号是什么频率，只要输入源Us和Rs不变，信号源向传输线始端供给的功率就不变，它通过传输线全部被RL所吸收。因此，无耗和匹配传输线具有无限宽的工作频率。（理想情况下：上限频率为无穷大，下限频率为零）,可近似看成无耗且匹配的传输线。,输入信号能量可直接传输到终端。这时线圈中通过的电流大小相等，方向相反，在磁芯中产生的磁场正好相互抵消，因此，磁芯中没有功率损。这对传输线工作方式极为有利。,由于2、3两端同时接地，这样U1加在1、3端的同时，也加到线圈1、2两端。负载也接到线圈3、4两端。传输线变压器同时按变压器方式工作。,由于电磁感应，负载上也获得了与U1大小相等的感应电压U2，不过U2与U1反相。,由于载上获得了与输入电压U1大小相等、相位相反的电压，且Zi=RL，所以这种接法的传输线变压器相当于一个阻抗变比为1：1的反相变压器。,2、传输线变压器的功能,传输线变压器除了可以实现1：1倒相作用外，还可实现:1)1:1平衡和不平衡电路的转换 2)阻抗变换等功能。,1)1:1平衡和不平衡电路的转换,不平衡输入信号源，通过传输线变压器，得到两个大小相等、对地反相的电压输出。,对地平衡的双端输入信号，通过传输线变压器转换对地不平衡的电压输出。,2)阻抗变换,传输线变压器可以构成阻抗变换器，最常用的是4：1和1：4阻抗变换器。,设RL上的电压为u，则传输线终端2、4和始端1、3的电压也均为u，故1端对地输入电压等于2u。,如果信号源提供的电流为i，则流过传输线变压器上、下两个线圈的电流也为i。则通过负载RL的电流也为2i，则有,而信号源端呈现的输入阻抗为,可见，输入阻抗是负载阻抗的4倍，从而实现4：1阻抗比变换。,为了实现阻抗匹配，要求传输线的特性阻抗为,而信号源端呈现的输入阻抗为,可见，输入阻抗是负载阻抗的1/4，从而实现1：4阻抗比变换。,为了实现阻抗匹配，要求传输线的特性阻抗为,二、功率合成技术,1、功率合成与分配,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，可将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功率。这就是功率合成技术。,功率合成技术可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。其中采用了三个一分为二的功率分配器和三个二合一的功率合成器。,1）理想的功率合成器具有功率合成的功能 2）还具有良好的隔离作用。即当其中某一个功率放大器损坏时,相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响,仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。,一个理想的功率合成电路应该满足哪些条件呢?概括起来，可以归纳为如下几条：,本章小结,1、功率放大器的任务是供给负载足够大的信号功率，其主要性能指标是输出功率和效率。高频功率放大器分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。为了提高效率，谐振功放一般工作在丙类状态。,本章小结,放大器按照集电极电流流通的时间不同，可分为甲类、乙类、丙类等，其中丙类工作状态，效率最高，但这时晶体管的集电极电流波形失真严重。采用LC谐振网络作为放大器的负载，可克服工作在丙类所产生的失真，但谐振网络通频带较窄。所以丙类谐振功率放大器适用于窄带高频信号的功率放大。,本章小结,2、根据晶体管工作是否进入饱和区，谐振功率放大器有欠压、临界、过压三种状态。,本章小结,3、谐振功率放大器中，Re（负载特性）、VCC（集电极调制特性）、Uim（放大特性）、VBB（基极调制特性）改变，放大器的工作状态也跟随变化。由负载特性可知，放大器工作在临界状态，输出功率最大，效率比较高，通常将相应的Re值称为谐振功率放大器的最佳负载阻抗，也称匹配负载。,本章小结,4、谐振功率放大器电路包括集电极馈电电路、基极馈电电路和匹配网络等。集电极直流馈电电路有串馈和并馈两种形式。基极偏置常采用自给偏压电路。自给偏压电路只能产生反向偏压。,本章小结,5、滤波匹配网络的主要作用是将实际负载阻抗变换为放大器所要求的负载，其次是有效滤除不需要的高次谐波，并把有用信号功率高效率地传给负载。L形滤波匹配网络可把低阻变高阻，高阻变低阻。,本章小结,6、传输线变压器是以传输线原理和变压器原理相结合的方式工作，因此具有良好的宽频带传输特性。,