《高频电路》高频功率放大器.ppt

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1、6 高频功率放大器,6.2 谐振功率放大器的工作原理,6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,6.4 晶体管功率放大器的高频特性,6.5 高频功率放大器的电路组成,6.1 概述,6.7 戊类(E类)功率放大器,6.8 宽带高频功率放大器,6.9 功率合成器,6.10 晶体管倍频器,6.6 丁类(D类)功率放大器,1.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较,6.1 概述,低频(音频)20Hz20kHz,高频(射频),AM广播信号:,535kHz1605kHz,1）要求输出功率大，效率高,2）激励信号幅度为大信号,非调谐如：电阻、变压器,调谐如：选频网络,甲类乙类甲乙类,丙类丁类戊类,图

2、解法,图解法折线法,低,高,2.高频、低频功放与高频、低频小信号放大电路,高频谐振功放的工作状态：大信号丙类,高频小信号谐振放大器工作状态：甲类,低频小信号放大器工作状态：甲类,3.不同工作状态的功放特点,A类：,B类：,C类：,6.2 谐振功率放大器的工作原理,6.2.1 获得高效率所需要的条件,6.2.2 功率关系,6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,5.3.2 折线分析法,低频功放与高频功放（丙类）的工作原理,1）低功放,2）高功放,1.转移特性曲线的理想化,VBZ：截止偏压、起始电压 硅=0.4V0.6V、锗=0.2V0.3V,6.3.1

3、 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,2.输出特性曲线的理想化,饱和区过压区,放大区欠压区,截止区,为了求iC和vCE，先把晶体管特性曲线理想化,选取vBE为参变量是因为晶体管的输入电压是正弦或是余弦，由于管子输入特性 的非线性，所得的输入电流iB就不是正弦或余弦了，为了避免输入特性的非线性，常以vBE作参量测出输出特性。,根据晶体管的转移特性曲线可以得到iC的波形,1）集电极电流iC（尖顶余弦脉冲）,设输入信号电压：,则加到晶体管B、E极的有效电压为：,求高频功放（丙类）的iC和vCE,iC的数学表达式1,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,iC的数学表达式2,iC的数学表达式3,ic,其中

4、：,尖顶余弦脉冲的分解系数,可见产生众多的高次谐波，故采用LC谐振回路把谐波滤除，选出基波，从而消除非线性失真。,尖顶脉冲的分解系数,尖顶余弦脉冲的分解系数还可以根据的数值查表求出各分解系数的值。,P265附录6.1余弦脉冲系数表,A,B,2)集电极与发射极电压,推导动态特性曲线方程：,上式消去coswt 得：,代入：,得：,集电极与发射极电压vCE,证明：高功放在谐振时，基波阻抗大，而直流分量和谐振的阻抗小。,1）基波时，电路发生谐振，谐振阻抗,说明回路对高次谐波呈容性阻抗,2）谐波nw时，阻抗,结论：回路阻抗对于各次谐波来说，它们的值与谐振于 基波的值相比，小到可以忽略的程度。,1）对直流

5、分量，电路等效为：,(ZP)0=0,(ZP)nw=小,2）对基波分量，电路等效为：,(ZP)w=Rp,电路发生谐振,3）对谐波分量，电路等效为：,A,B,6.2.1 获得高效率所需要的条件,1.获得高效率的条件,2.提高丙类谐振功放效率的途径,例：,1.iC 与vBE同相，与vCE反相。,2.iC 脉冲最大时，vCE最小。,6.2.2 功率关系,电路正常工作（丙类、谐振）时，,外部电路关系式：,1.直流功率,2.输出交流功率,3.集电极耗散功率,4.集电极效率,波形系数,为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,高频功率放大器的动态特性与负载特性,

6、各极电压对工作状态的影响,工作状态的计算(估算)举例,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。,集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm、VCC。,1.高频功放的动态特性,2.高频功放的负载特性,vBE,过压区,欠压区,A）欠压工作状态,B）临界工作状态,临界区,C）过压工作状态,vBEmax,1）欠压区,2）IC0、Icm1、Vcm与RP的特性曲线,3）P=、Po、Pc、c与RP

7、的特性曲线,2）过压区,结论：1）临界状态输出功率最大，效率也较高，可以说是最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态。过压状态，效率高，但输出功率较小。,2）在欠压状态IC0，Icm1几乎不变，功放相当于一个恒流源，而过压状态Vcm几乎不变，相当于一个恒压源。,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,1.改变CC对工作状态的影响（集电极调制）,一.高频功放电路的调制特性,当RP，Vbm不变，而改变CC，VBB与Icm1，IC0，P=，Po之间的关系。,当RP、Vbm、VBB不变，动态特性曲线与CC的关系。,在过压区，VCC能有效的控制cm1与o，因此，集电极调幅必须工作于过压区。,利用CCcm

8、,这一特性实现集电极调幅,2.改变BB对工作状态的影响（基极调制）,当RP、Vbm、VCC不变，动态特性曲线与VBB的关系。,iC,进入过压状态后，随着VBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Vcm增大得十分缓慢。,当Vbm固定，VBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角c增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。,基极调幅作用是通过改变BB来改变cm1与o才能实现的，因此，必须工作于欠压区。,二.高频功放电路的放大特性,改变bm对工作状态的影响,当RP、VBB、VCC不变，动态特性曲线

9、与bm的关系。,饱和区,放大区,截止区,固定VBB、增大Vbm和固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使基极输入电压vBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压。,当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Vcm反映输入信号振幅Vbm的变化，放大器必须在Vbm变化范围内工作在欠压状态。,当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在Vbm变化的范围内工作在过压状态。,6.3.5 工作状态的计算(估算)举例,例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知CC24，工作频率MHz。试求它的能量

10、关系。由晶体管手册已知其有关参数为f70MHz，Ap（功率增益）13 dB，Cmax750,CE(sat)(集电极饱和压降)1.5,CMW。,解：,）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压,2）,3）选c=70o，,4）,未超过电流安全工作范围。,5）,6）,7）,8）,9）,6.4 晶体管功率放大器的高频特性,高频效应,当低频时：信号周期，基区载流子的分布与外加瞬时电压是一一对应的。,6.5 高频功率放大器的电路组成,6.5.1 馈电线路,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,6.5.1 馈电线路,以上的高频功率放大器的电路仅仅是其原理图

11、。欲使高频功率放大器正常工作于丙类某一最佳状态，与小信号谐振放大器同样，必须有正确的直流通路和交流通路。除此之外，还要尽量减少功率传输中的损耗。这就涉及其馈电线路的实际问题。,直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置。,1.集电极馈电电路,（1）集电极馈电电路的组成原则,iC的直流分量IC0除晶体管的内阻外,应予以短路,以保证 VCC全部加在集电极上，产生直流功率。,iC的基波分量Icm1通过负载回路，产生高频输出功率。,iC的高次谐波分量Icmn不应消耗功率，因此Icmn对晶体管 外的电路应尽可能短路。,判断原理电路集电极馈电是否满足3个原则？,IC0满足第一原则。,Icm1通过负载回路，同

12、时也流过电源产生能量损耗。,Icmn流过电源产生能量损耗。,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,2 基极馈电线路,2 基极馈电线路,(1)使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到 负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。,(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。,(3)同时有几个电子器件输出功率的情况下，保证都能有效地传送功率到 公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接,输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,高频功

13、放都要采用一定的耦合回路，以使Po能有效地传输到负载（下级输入回路或天线回路），一般说来，放大器与负载之间的耦合可采用下图所示四端网络来表示。,匹配网络的电路形式,1）简单的耦合回路,a）电容耦合,b）电感耦合,c）自感耦合,2）滤波器形式：用于大功率、低阻抗宽带输出级,a）L型,b）型,c）T型,3）并联谐振回路形式：用于前级、中间级放大器,4）复合形式,一、滤波器形式的匹配网络,复习：串并转换,当QL 110时，,1、L型网络,1）定义：由两个异性电抗支路连成“L”型结构的匹配网路构成。,2）电路形式,电路形式1：能将低电阻变成高电阻。（R1R2）,电路形式2：能将高电阻变成低电阻。（R1

14、R2）,1）由于匹配网络还必须具有滤波特性，则必须满足谐振条件，即X1和X2必为异性电抗，且满足X1=X2，则,2）根据匹配条件：,电路形式1,3）结论：,电路形式2,结论：,L型网络,结论：,2、型网络,1）定义：由三个电抗支路连成“”型结构的匹配网路，其中 两个支路是同性电抗，另一支路是异性电抗。,2）电路形式,思路:将X2分成X2和X”2,分别和X1和X3组成两个“L”型网络。另AB间阻抗为RAB,1）对于左边L型网络，应有R1RAB，设其品质因数为QL1,则有：,X1与X2要互为异性电抗,若T型网络的两个串联臂电抗X1、X3是同性质的，则X2则应分割为两个同性质电抗，反之，X2应分割为

15、两个异性电抗。,2）对于右边L型网络，应有RABR2，设其品质因数为QL2,则有：,X3与X2要互为异性电抗,3）结论：,P234例,P272习题6.10,3、T 型网络,1）定义：由三个电抗支路连成“T”型结构的匹配网路，其中 两个支路是同性电抗，另一支路是异性电抗。,2）电路形式,思路:将X2分成X2和X”2,分别和X1和X3组成两个“L”型网络。,若T型网络的两个串联臂电抗X1、X3是同性质的，则X2则应分割为两个同性质电抗，反之，X2应分割为两个异性电抗。,1）对于左边L型网络，应有R1RAB，设其品质因数为QL1,则有：,X1与X2要互为异性电抗,X3,R2,R1,X1,X2,X2,

16、2）对于右边L型网络，应有RABR2，设其品质因数为QL2,则有：,X3与X2要互为异性电抗,X3,R2,R1,X1,X2,X2,3）结论：,二、复合形式的匹配网络,介于放大器与天线回路之间的L1C1回路叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；,Ln、Cn为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线幅射功率达到最大。,CN、LN、CA、RA串联谐振时，则,把RA反映到L1C1中介回路,改变互感系数M和接入系数 p就可以在不影响回路调谐的情况下。调整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp，以达到阻抗匹配的目的。,

17、为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载RA上，就希望反映电阻r 回路损耗电阻r1。,衡量回路传输能力优劣的标准，引入中介回路传输效率k,要想k高，空载Qo越大越好，有载QL越小越好，即，中介回路本身的损耗越小越好。,但从回路滤波作用良好考虑，则QL值又应足够大。兼顾两方面，QL值一般不应小于10。,对效率的理解,相关题：6.9、6.29、6.30,2.输入匹配网络与级间耦合网络,）中间放大级工作于过压状态，此时它等效为一个理想电压源，其输出电压几乎不随负载变化。,）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，也就是减弱了

18、下级对本级工作状态的影响。,6.6 丁类(D类)功率放大器,高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率。甲、乙、丙类放大器就是沿着不断减小电流通角c的途径，来不断提高放大器效率的。,c的减小是有一定限度的。因为c太小时，效率虽然很高，但因Icm1下降太多，输出功率反而下降。要想维持Icm1不变，就必须加大激励电压，这又可能因激励电压过大，而引起管子的击穿。,丁类、戊类等放大器就是采用固定c为90，但尽量降低管子的耗散功率的办法，来提高功率放大器的效率的。,丁类放大器的晶体管工作于开关状态：导通时，管子进入饱和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接近于无穷大。这样，

19、就使集电极功耗大为减小，效率大大提高。在理想情况下，丁类放大器的效率可达100%。,晶体管丁类放大器都是由两个晶体管组成的，它们轮流导电，来完成功率放大任务。控制晶体管工作于开关状态的激励电压波形可以是正弦波，也可以是方波。晶体管丁类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另一种是电压开关型。,1.D类功率放大器的原理分析,ui,ub1,ub2,uL,uA,ub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压,ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-VCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-VCES1）。,ui负半周时V

20、T2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA=VCES20,uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2VCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。,尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高。,2.输出功率及效率计算,uA为矩形方波，用傅里叶级数展开后可求得其基波分量的振幅为：,VT1管电流ic1(或VT2管电流ic2)的直流电流为：,UAm1 EC,电源供给的直流功率：PD=2 EC ID,放大器的输出功率Po为；,效率=PoPD=100,实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容、电路分布电容的影响(使管压降波形uA有一定上升沿和下降沿)，从而使D类功放的效率小于100，典型值大于90。,6.10 晶体管倍频器,+uce-,-Ec+,-uc2+,本章要点小结,高频谐功放的工作原理丙类：电压关系：电流：功率关系：高频谐功放的动态分析负载线：电路形式馈电线路：集电极电路、基极电路匹配电路：常用电路：转换效率：,