第5章高频功率放大器课件.ppt

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1、2022/12/20,1,1、熟练掌握高频谐振功率放大器的工作原理、特性分析2、正确理解馈电电路和匹配网络在高频谐振功率放大器中的应用3、了解丙类倍频器的工作原理4、了解传输线变压器的工作原理,第5章 高频功率放大器,2022/12/20,2,5.1 概述,一、高频功率放大器的分类,2022/12/20,3,二、高频功率放大器与高频小信号放大器的比较,1、前者放大的是大信号，后者放大的是小信号2、前者为非线性电路（分析方法为折线分析法）；后者为线性电路（用y参数等效电路分析法）3、前者通常工作于丙类状态，后者工作于甲类状态4、质量指标不同：前者为输出功率大、效率高以及输出中的谐波分量应尽量小，

2、以免对其他频道产生干扰；后者有增益、选择性、通频带、稳定性、噪声系数等。,2022/12/20,4,三、高频功率放大器与低频功率放大器的区别,共同点是：输出功率大和效率高不同点是：1、低频功率放大器的工作频率低，20Hz20kHz，相对频带宽。因此都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等；高频功率放大器的工作频率高，几百kHz几百MHz，相对频带窄。因此，一般都采用选频网络作为负载回路。2、低频功率放大器工作于甲类、甲乙类或乙类状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类。,2022/12/20,5,5.2 谐振功率放大器的工作原理,一、获得高效率所需要的条件,P=直流电源供给的直流功率PO=交流输出信

3、号功率PC=集电极耗散功率,1）在给定的 P=时，降低PC，则 自然会提高。这样，晶体管的交流输出功率PO就会增大。2）维持晶体管的集电极耗散不超过规定值，提高集电极效率，将使交流输出功率大为增加。,2022/12/20,6,如何减小集电极耗散？,集电极耗散的瞬时功率为：,即工作在丙类状态,2022/12/20,7,谐振功率放大器的基本工作原理,1、原理电路,B,2022/12/20,8,周期性的余弦尖脉冲,2022/12/20,9,波形分解系数,2022/12/20,10,2022/12/20,11,2、功率关系,2022/12/20,12,放大器的集电极效率为：,2022/12/20,13

4、,2022/12/20,14,增大和g1的值是提高效率的两个措施, 增大1是增大输出功率的措施。然而增大g1与增大1是互相矛盾的。导通角越小, g1越大, 效率越高, 但1却越小, 输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面, 选取合适的导通角。若取=70, 此时的集电极效率可达到85.9%, 而=120时的集电极效率仅为64%左右。因此, 一般以70作为最佳导通角, 可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。,2022/12/20,15,2022/12/20,16,5.3、晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式,折线近似分析法，是将电子器件的特性曲线理想

5、化，每一条特性曲线用一条或几条直线（组成折线）来代替。可以用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。优点是简单，缺点是准确度较低。,2022/12/20,17,输出特性的理想化,在高频功率放大器中，又常根据集电极电流是否进入饱和区，将它的工作状态分为三种：欠压工作状态：集电极电流最大点电流在直线1的右方，交流输出电压较低；过压工作状态：集电极电流最大点电流在直线1的左方饱和区，交流输出电压较高；临界工作状态：集电极电流最大点电流在直线1上。,临界线方程可写为：,2022/12/20,18,二、高频功率放大器的动态特性与负载特性,高频功率放大器的工作状态取决于负载阻抗Rp和电压VCC、VBB、

6、Vbm四个参数。,负载特性曲线：如果维持三个电压参数不变，此时各种电流、输出电压、功率和效率等随Rp而变化的曲线。,动态特性曲线：在输出特性图中, 表示输出电压vC、vB与iC的关系曲线又称为交流负载线。由于谐振功放的负载是选频网络, 故输出交流电压vc必然是一个完整的余弦信号。由图可以看到, 截止区和饱和区内的动态线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为gcr), 而放大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。 ,2022/12/20,19,2022/12/20,20,1 负载特性 由图可知, VBB和VCC固定意味着Q点固定, Vbm固定进一步意味着也固定

7、。放大区动态线斜率将仅随Rp而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。 动态线A1B1的斜率最大,即对应的负载Rp最小, 相应的输出电压振幅Vcm也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。,2022/12/20,21,过压,欠压,临界,三种不同斜率情况下的动态线及波形分析,2022/12/20,22,动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点), 相应的输出电压振幅Ucm2增大,晶体管工作在临界点、放大区和截止区。 动态线A3B3的斜率最小, 即对应的负载Rp最大, 相应的输出电压振幅Ucm3比Ucm2略为增大, 晶体管工作在饱和区、 放大区和截止区。根据

8、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。 ,2022/12/20,23,P=,2022/12/20,24,临界状态的优点是输出功率最大，效率也较高，可以说是最佳工作状态。这种工作状态主要用于发射机末极。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。它常用于需要维持输出电压比较平稳的场合。例如发射机的中间放大器。 欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散

9、功率大，输出电压又不稳定，因此一般较少采用。但在基极调幅可以使用。,三种工作状态的优缺点：,2022/12/20,25,1 放大特性 若VBB、VCC、Rp三个参数固定, 输入Vbm变化, 此时输出Vcm以及Po、等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。,三、各级电压对工作状态的影响,2022/12/20,26,利用折线化转移特性分析丙类工作时iC波形随Vbm变化的关系，并给出了Vcm、Icm1和Ic0与Vbm的关系曲线。 由于Vbm的变化将导致的变化，从而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化，所以利用输出特性分析放大特性不方便。 由图可以看到, 在欠压状态时，Vcm随Vbm增大而增大, 但

10、不成线性关系，因为也会随之增大，使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类或乙类工作状态时，固定为180或90, 不会随Vbm的变化而变化，此时Vcm与Vbm才成正比关系。在过压状态, 随着Vbm增加，Vcm几乎保持不变。,2022/12/20,27,2 调制特性,(1) 集电极调制特性。 若VBB、Rp和Vbm固定, 输出电压振幅Vcm随集电极电压VCC变化的规律被称为集电极调制特性。 由图可以看到, VCC的变化使得静态工作点左右平移, 从而使欠压区内的动态线左右平移, 动态线的斜率不变。 在欠压状态时, 当VCC改变时，Vcm几乎不变。 在过压状态时，Vcm随VCC而单调变化。所以,

11、 此时功放应工作在过压状态, 才能使VCC时对Vcm有控制作用， 即振幅调制作用。 ,2022/12/20,28,2022/12/20,29,(2) 基极调制特性 若VCC、Rp和Vbm固定, 输出电压振幅Vcm随基极偏压VBB变化的规律被称为基极调制特性。 由于VBB和vb是以串联迭加方式处于功放的输入回路, 所以VBB的变化与vb的振幅Vbm的变化对输出电流iC和输出电压振幅Vcm的影响是类似的。 基极调制的目的是使Vcm随VBB的变化规律而变化, 所以功放应工作在欠压状态, 才能使VBB对Vcm有控制作用。,2022/12/20,30,2022/12/20,31, (1) 若对等幅信号进

12、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。 (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。 (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) 回路等效总电阻Rp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。,4 小结,2022/12/20,32,5.5 高频功率放大器的电路组成 一. 直流馈电线路 在高频功放的输入

13、回路和输出回路应分别加上合适的直流偏压, 有关的直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联, 后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式, 直流偏压与交流电压总是串联迭加的, 假定交流电压是单频信号, 即满足vB=-VBB+Vbmcost, vC=VCC-Vcmcost的关系式。 ,2022/12/20,33,(1) 集电极馈电线路。 集电极馈电线路的两种基本形式:,2022/12/20,34,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

14、式的优点：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。 而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们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。 ,2022/12/20,35,(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。 在无输入信号时, 自给偏压电路的偏置为零。 随着输入信号的逐渐增大, 加在晶体管be结之间的偏置电压向负值方向

15、增大。由此可见, 乙类功放不能采用自给偏压方式。 ,2022/12/20,36,2022/12/20,37,二. 输出、输入与级间耦合回路 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。 即在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换(根据实际需要使功放工作在临界点、 过压区或欠压区), 并充分滤除无用的杂散信号。,2022/12/20,38,1）输出匹配网络,定义：用于多级高频功率放大器（例如发送设备）的末级，即连接末级功放输出与负载（天线）的网络，称为输出匹配网络。,作用：匹配、

16、滤波、隔离匹配的含义：高频功放工作于丙类，输出阻抗非定值，变化阻抗使得负载获得最大的功率，工作于临界状态。滤波的含义：选出基波分量，滤除其他频率分量隔离的含义：在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送到负载，但是同时又应尽可能地使这几个电子器件隔离，互不影响。,要求：输出功率大，效率高。,2022/12/20,39,输出匹配网络有并联谐振、耦合回路（或双调谐回路）、 型、 型、 型，以及由它们构成的复杂的网络。,倒L型网络由两个异性电抗元件组成。T型、型网络各由三个电抗元件（其中两个同性质，另一个异性质）组成。,几种常见的LC匹配(a) L型; (b) T型; (c) 型,

17、2022/12/20,40,滤波器（倒L型网络）,2022/12/20,41,最常见的输出回路形式是如图所示的复合输出回路,中介回路,天线的等效电容和辐射电阻,2022/12/20,42,当天线回路调谐到串联谐振状态时，它反映到中介回路有等效电阻为： 此时中介回路的等效电路为：,中介回路的等效电路,等效回路的谐振阻抗为：,改变M，就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。,2022/12/20,43,中介回路的一个重要指标是传输效率 ，越高越好。也就是希望：,无载品质因素：100200有载品质因数：不应小于10,2022/12/20,44,末级高频功率放大器

18、的功率关系：,2022/12/20,45,2）输入匹配网络与级间耦合网络,对中间级来说，最主要的是应该保证它的输出电压稳定，以供给下级稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。由于中间级工作于低电平，效率低一些对整机来讲，影响不大。,为了达到保证送给下级以稳定激励电压的目的，对于中间级应采取如下措施：,1）中间放大级工作于过压状态，此时它等效为一个恒压源，其输出电压几乎不随负载变化。这样，尽管后级的输入阻抗是变化的，但该级所得到的激励电压仍然是稳定的。2）降低级间耦合回路的效率 。因为回路效率降低，意味着回路本身损耗加大，这样就使下级输入电路的损耗功率相对来说显得不重要了，也就是减弱了下级对本级工

19、作状态的影响。中间级的 一般取0.1-0.5，也就是中间级的输出功率应为后级所需激励的2-10倍。,2022/12/20,46,例 分析图所示工作频率为175 MHz的两级谐振功率放大电路的组成及元器件参数。,2022/12/20,47,解： 两级功放的输入馈电方式均为自给负偏压, 输出馈电方式均为并馈。 此电路输入功率Pi=1W, 输出功率Po=12W, 信号源阻抗Rs=50 , 负载RL=50。其中第一级输出功率Po1=4W, 电源电压VCC=13.5 V。 两级功放管分别采用3DA21A和3DA22A, 均工作在临界状态, 饱和压降分别为1V和1.5V。各项指标满足安全工作条件。 可以计

20、算出各级回路等效总阻抗分别应该为:,2022/12/20,48,由于3DA21A和3DA22A的输入阻抗分别为R2=7和R4=5，故RsR2, R1R4, R2RL, 即不满足匹配条件, 所以在信号源与第一级放大器之间、第一级放大器与第二级放大器之间分别加入T型选频匹配网络(C1、C2、L1和C3、C4、L2), 在第二级放大器与负载之间加入倒L型选频匹配网络(C5、L3、C6)。 三个选频匹配网络的输入阻抗分别是R1、R3和R5。 匹配网络中各电感与电容的值可根据相应的公式计算得出。 由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响, C1C6均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的23倍。通过实验

21、调整, 最后确定匹配网络元件的精确值。,2022/12/20,49,电路中四个高扼圈的电感量为0.1H0.2 H, 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中的高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的值均为0.05F, 穿心电容C8和C10为1500pF, 它们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。 ,2022/12/20,50,5

22、.8 宽带高频功率放大电路,宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络, 能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的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MHz甚至上千MHz, 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。所以, 宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽。 ,2022/12/20,51,传输线变压器 1、宽频带特性 普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。为了扩展下限频率, 就需要增大初级线圈电感量, 使其在低频段也能取得较大的输入阻抗, 如采用高导磁率的高频磁

23、芯和增加初级线圈的匝数, 但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大, 降低了上限频率；为了扩展上限频率, 就需要减小漏感和分布电容, 减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数, 但这样做又会使下限频率提高。 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, 以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。 ,2022/12/20,52,利用图所示一种简单的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。 在以传输线方式工作时, 信号从、 端输入, 、 端输出。如果信号

24、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,2022/12/20,53,传输线方式,变压器方式,分布参数等效电路,2022/12/20,54, 当Zc与负载电阻RL相等, 则称为传输线终端匹配。 在此无耗、匹配情况下, 若传输线长度l与工作波长相比足够小(lmin8)时, 可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等, 且输入阻抗Zi=Zc=RL, 故为11变压器。 可见, 此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。 在以变压器方式工作时, 信号从、端输入, 、端输出

25、。由于输入、输出线圈长度相同, 从图(c)可见, 这是一个11的反相变压器。,2022/12/20,55,当工作在低频段时, 由于信号波长远大于传输线长度, 分布参数很小, 可以忽略, 故变压器方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 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。 当工作在高频段时，传输线方式起主要作用，在无耗匹配的情况下，上限频率将不受漏感、分布电容、高导磁率磁芯的限制。而在实际情况下, 虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的, 但上限频率仍可以达到很高。 由以上分析可以看到, 传输线变压器具有良好的宽频带特性。 ,2022/12/20,56,2 阻

26、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。 图示给出了一种41传输线阻抗变换器的原理图。 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： ,2022/12/20,57,2022/12/20,58, 所以，当负载RL为特性阻抗Zc的 时, 此传输线变压器可以实现41的阻抗变换。故此时的终端匹配条件是RL= 。 其中Zi是指、 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

27、端匹配条件不一样。 ,Zc,2022/12/20,59,由图可见, 两级功放都工作在甲类状态, 并采用本级直流负反馈方式展宽频带, 改善非线性失真。 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。,2022/12/20,60,5.9 功率合成器 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

28、几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。 理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能, 还必须在其输入端使与其相接的前级功率放大器互相隔离, 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。 ,2022/12/20,61,2022/12/20,62,由图可见，采用7个功率增益为2，最大输出功率为10W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。功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干份， 然后分别提供给后级若干个功放电路。 利用传输线变压器可以组成各种类型的功

29、率分配器和功率合成器, 且具有频带宽、结构简单、插入损耗小等优点，然后可进一步组成宽频带大功率高频功放电路。 ,2022/12/20,63,5.10 晶体管倍频器,倍频器是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路，用以提高频率。,倍频器有以下优点：1）发射机主振器的频率可以降低，这对稳频是有利的。2）在采用石英晶体稳频时，振荡频率越高，石英晶体越薄，越易振碎。20MHz以下。3）如果中间级既可工作于放大状态，也可以工作于倍频状态，那么，就可以在不扩展主振器波段的情况下，扩展发射机的波段。这对稳频是有利的，因为振荡器波段越窄，频率稳定度就越高。4）倍频器的输入与输出频率不同，因而减弱了寄生耦合，使发

30、射机的工作稳定性提高。5）如果是调频或调相发射机，则可采用倍频器加大频移或相移，即加深调制度。6）在超高频段（米波以至厘米波段）难以获得足够的功率，可采用参量倍频器将频率较低、功率较大的信号转变为频率较高、功率亦较大的输出信号。,2022/12/20,64,倍频器两种形式：一种是利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频，叫做丙类倍频器；另一种是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频，这是半导体器件所特有的性质，可叫做参量倍频器。,丙类功率放大器中的负载调谐于n次谐波上，则变成n次倍频器。如为二次倍频器，则负载回路调谐于二次谐波上；如为三次倍频器，则负载回路调谐于三次谐波上。,n越大，输

31、出功率和效率下降。同时，n越大，最佳的 值就越小。必须提高基极反向偏压-VBB。基极激励电压Vbm也必须加大。对于晶体管电路来说，增加激励电压与偏压，就可能使发射结的反向偏压超过击穿电压V（BR）EBO。由于以上这些原因，这种倍频器所选用的n值通常不超过34，一般只取23。,2022/12/20,65,章末小结,1. 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。 2. 丙类谐振功放效率高的原因在于导通角C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

32、功率越小。 所以选择合适的C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。 3. 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。,2022/12/20,66,若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时, 应该工作在临界状态；若用来放大非等幅信号(如调幅信号)时, 应该工作在欠压状态；若用来进行基极调幅, 应该工作在欠压状态； 若用来进行集电极调幅, 应该工作在过压状态。折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的作用。 4.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、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。 ,