高频功率放大器高频电子线路.ppt

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1、,本章教学基本要求一、了解高频功率放大器的功能和性能指标二、掌握C类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法。三、了解传输变压器的工作原理和应用特点。掌握用传输线变压器实现阻抗变换的方 法、了解用传输变压器实现功率合成、功率分配的方法。了解D类、E类功率放 大器的特点。,本章教学主要内容第一节 概述第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理第三节 丙类（C类）功率放大器的折线分析法第四节 丙类功率放大器的电路,第三章 高频功率放大器,第五节 丁类（D类）和戊类（E类）高频功率放大器第六节 宽频带高频功率放大器第七节 功率合成,高频功率放大器用于发射机的末级，将已调信号放大到所需要的

2、功率值，送到天线发射。输入输出频谱不变。高频功率放大器与小信号放大器的区别要求输出大的功率,便携式：几毫瓦无线广播：几十千瓦无线导航：兆瓦1千瓦以上采用电子管或者功率合成器1千瓦以下采用双极晶体管和大功率场效应管,功率放大器要求高的效率 A、B、C、D、E类功率放大器的设计均围绕着提高效率展开的,第一节 概 述,一 高频功率放大器的功能,图3-1 高频功率放大器在系统中的位置,二 高频功率放大器的分类,宽带高频功率放大器,窄带高频功率放大器(谐振功率放大器),其放大信号的相对带宽一般不超过10，通常采用LC谐振回路作负载。,其放大信号的相对带宽一般可达30，通常采用宽频带的传输线变压器作负载。

3、,按工作频率分,按放大方式分,线性高频功率放大器：A、类，B类电路接成推挽形式。非线性高频功率放大器：C、D、E、F类，负载是谐振电路,按工作类型分,甲（A）类乙（B）类丙（C）类丁（D）类戊（E）类,按晶体管导通,A类B类C类,（一般6070）,按晶体管等效电路分,晶体管等效为受输入信号控制电流源：A、B、C类：输入正弦波。晶体管等效为受输入信号控制开关：D、E、F类，输入为方波，导通角为90,为半导通角,4,三 高频功率放大器的主要技术指标,1 输出功率：放大器的负载RL 上得到的最大不失真功率。,2 效率：高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值。,3 功率增益：高频输出功率与信号输入功

4、率的比值。,谐波抑制度：是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量相对于基波分量越小越好。,高频功率放大器的主要特点是：工作于大信号的非线性状态，用解析法分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其原理和工作状态。,5,三 高频功率放大器的主要技术指标,保证高的效率和大的功率是高频功放设计的核心。对于线性要求高的功率放大器，非线性失真系数则 为重要的指标。牺牲效率保证线性。,高频功率放大器的主要几项指标往往是相互矛盾的。在设计功率放大器时，总是根据放大器的待点，突出其中的一些指标，兼顾另外一些指标。例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边

5、带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。,对于要求输出功率很高的放大器关键是提高效率。通常选择在丙类或丁类，甚至戊类工作状态。在这样的工作状态下，晶体管输出电流波形失真很大，因此必须采用具有一定滤波特性的选频网络作为负载，以得到接近正弦波的输出波形。这类高频功率放大器称为谐振功率放大器，多用于推动级和末级作功率放大。缺点是谐波抑制度不可能做得很高。对于谐波抑制度要求很高的放大器通常选用甲类或甲乙类推挽工作状态，以使晶体管工作在线性放大区。缺点是效率不高，且输出功率不可能太高。若要求输出功率高，可以采用功率合成的办

6、法来提高。,三 高频功率放大器的主要技术指标,高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，还要求输出中的谐波分量还应该尽量小，以免对其他频道产生干扰。国际上对谐波幅射规定有两个标准；对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强与基波场强之比不得超过0.02；不论电台的功率有多大，在距电台1km处的谐波场强不得大于50V/m。在一般情况下，如任一谐波的辐射功率不得超过25mW，即可以满足上述要求。目前，广播与电视发射机的谐波辐射已降到-60dB以下。,三 高频功率放大器的主要技术指标,高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。这是研究这种放大器应抓住的主要矛盾，工作状态的选择就是由这主要矛盾决定

7、的。可以这样说，在给定电子器件之后，为了获得高的输出功率与效率，应采用丙类工作状态。而允许采用丙类工作的先决条件则是工作频率高、频带窄，且允许采用调谐回路做负载。那么，为什么在丙类工作时能获得高的输出功率和效率呢?这就是下面我们要讨论的问题。,三 高频功率放大器的主要技术指标,基本电路及其特点,第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理,图3-2 丙类高频功率放大电路,图3-2(a)、(b)是谐振高频功率放大器的原理电路图。它主要用于发射机中，电路形式可分为中间级和输出级。图3-2(a)是一般中间级原理电路，其负载是下一级的输入阻抗经变压器次级折合到初级与LC谐振回路组成等效负载。图 3-2(b

8、)是最简单的输出级原理电路，其负载是天线，而天线的等效阻抗可看成为天线电容CA和电阻rA串联组成。从原理图可以看出，无论是中间级还是输出级，负载均可等效为并联谐振回路。因而，在分析讨论谐振高频功率放大器时，通常是用图3-3所示的原理电路。,从原理图可以看出，谐振高频功率放大器的特点是：为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由 VBB 来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。,一 基本电路及其特点,第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理,图3-3 丙类高频功率放大器等效原理

9、图,二 工作原理,谐振高频功率放大器的发射结在V bb的作用下处于负偏压状态，当无输入信号电压时，晶体管了处于截止状态，集电极电流 i C=0。当输入信号为 时，基极与发射极之间的电压，由输入特性可得基极电流 i b 为脉冲形状。i b 可用傅氏级数展开为:,式中，Ib0为基极电流的直流分量；Ib1m为基极电流的基波电流振幅，Ib2mI b nm分别为电流的二次至n次谐波电流振幅；经晶体管放大后的 i c 也是脉冲形状，傅氏级数展开为,式中，IC0 为集电极电流的直流分量；IC1m为集电极电流的基波电流振幅；IC2mI C nm，分别为集电极电流的二次至n次谐波电流振幅。,当集电极回路调谐于高

10、频输入信号频率时，由于回路的选择性:对集电极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻RA；对各次谐波来说回路失谐，呈现很小的阻抗，回路两端可近似认为短路；而直流分量只能通过回路电感支路，其直流电阻很小，也可近似认为短路。因此，脉冲形状的集电极电流 I C 流经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，即回路两端只有基波电压。因而输出的高频电压信号的波形没有失真。回路两端的基波电压振幅 U0m 为:U0m=IC1m RP 式中，RP 为谐振回路的有载谐振电阻。,二 工作原理,第二节 丙类（C类）功率放大器的工作原理,图3-4是谐振高频功率放大器各级电压和电流的波形图。其中(a)是由晶体管 T 的正向传输

11、特性在电路输入条件一定时，得出的集电极电流的实际波形。因为正向传输特性在 u BE 很小时，呈现非线性，故波形不是一个理想的尖顶余弦脉冲，而是呈钟罩形。但是，在 u BE 很小的区域内 i C 很小，在大信号输入时，通常可以忽略其影响，故可以近似认为正向传输特性为线性，其导通电压为 UBZ。这样电路在余弦信号输入电压激励情况下，晶体管只有在 u BE 大于导通电压 UBZ(硅管0.5V-0.6V，锗管0.2V-0.3V)的时间内才有显著的集电极电流流通。因此，晶体管的基极电流和集电极电流可认为是理想的余弦脉冲。图(b)是理想条件下各极电压和电流的波形。,15,丙类高频功放工作原理小结：,设置V

12、BB UBZ，使晶体管工作于丙类。(2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。(3)将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。,谐振功放电路与小信号谐振放大器电路有何区别？,调谐功放与小信号调谐放大器的比较,第三节 丙类(C类)高频功率放大器的折线分析方法,因为高频功率放大器是工作在大信号非线性状态，晶体管的小信号等效电路的分析方法是不适用的。通常采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析，当然会存在一定的误差。但是，用它对高频功率放大器进行定性分析是一种较为简便的方法。,在没有带负载阻抗的条件下得到的 i c=f(u BE，u CE)的关系，是晶体管

13、本身固有的。,(1)静态特性的概念,(2)动态特性的概念,在谐振功率放大器的电路参数确定的条件下，也就是电源电压(VCC和VBB)、晶体管(g C、UBZ)、输入信号u b=U b m cos t 和输出电压 u c=U cm cos t（或谐振电阻RP）一定的条件下，集电极电流 i C=f(u BE,u CE)的关系称为放大器的动态特性。,一 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 在大信号工作条件下，理想化特性曲线的原理是指：在放大区，集电极电流和基极电流不受集电极电压影响，而又与基极电压成线性关系；在饱和区，集电极电流与集电极电压成线性关系，而不受基极电压的影响。下面以图3-5所示的3DA21

14、型晶体管的静态特性为例来说明理想化的方法。,1 输入特性曲线的理想化 对于晶体管的输入特性来说，当集电极电压大于一定值后，集电极电压的改变对基极电流的影响是不大的，可以近似认为输入特性与集电极电压无关，可用一条输入特性曲线表示。若将该曲线直线部分延长，并与 U BE 轴交于UBZ 点，如图3-5(a)所示的虚线。这条用虚线表示的直线就是理想化的输入特性曲线。它与横坐标轴的交点处的电压UBZ 为理想化晶体管的导通电压或称截止电压。特性的数学表示式为 i B=0 u BE UBZ i B=g b（u BE UBZ）u BE UBZ,g b 为理想化输入特性的斜率，即,一 晶体管特性曲线的理想化及其

15、解析式,理想化晶体管的电流放大系数 被认为是常数，因而将输入特性的 乘以 就可得到理想化正向传输特性。正向传输特性的斜率为:,2 正向传输特性曲线的理想化,g C 称为理想化晶体管的跨导。它表示晶体管工作于放大区时，单位基极电压变化产生的集电极电流变化。正向传输特性的数学表示式为:i C=0 u BE UBZ i C=g C（u BE UBZ）u BE UBZ,一 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。这样，理想化特性曲线对不同的u BE值，应重合为一条通过原点的斜线。由于高频功率放大器在大电流条件下工作，因而在实际应用时

16、，电流较大的线段对结果影响大，故理想化的斜线应画在电流较大的几条曲线附近的中间位置上，如图中斜蓝线所示。该斜线称为饱和临界线，斜率用g cr 表示。它表示晶体管工作于饱和区时，单位集电极电压变化引起集电极电流的变化的关系。因此，可表示为:i C=g cru CE，式中 g cr=i C/u CE,晶体管特性曲线的 理想化及其解析式,3 输出特性曲线的理想化 图3-5(b)所示的输出特性曲线要分别对饱和区和放大区采取不同的简化方法。,在放大区，根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于 u CE 轴的水平线。又因为常数，故各平行线对等差的 i B 来说，间隔应该是均

17、匀相等的。,因为在大功率运用下，电流较大的特性曲影响较大，故在画理想化特性曲线时，应以高频功率放大器实际输入电流的最大值为准进行理想化。例，则应使理想化特性曲线近于实际 的那一条。这样近似后与实际情况比较，误差要小些。,晶体管特性曲线的理想 化及其解析式,另外，为了分析方便，根据理想化输入特性，将理想化输出特性曲线中的参变量 i B 改为 u BE。图中 i B=7mA，由输入特性可知，u BE=0.68V 时，对应的 i C=180mA；而 i B=3mA,u BE=0.60V，在 0.60V-0.68V 之间，可按每间隔 0.02V 画出水平线，即得到以u BE 为参变量的理想化特性曲线。

18、这样的理想化特性正好满足g C 为常数。,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,二 集电极余弦电流脉冲的分解 在高频功率放大器所选用的晶体管、电源电压VCC、基极偏压VBB、谐振回路LC和输入信号振幅U bm 一定的条件下，采用理想化正向传输特性进行分析，可知集电极电流i C是一理想的余弦电流脉冲。而高频功率放大器的输出电压振幅是由电流脉冲中的基波振幅IC1m与谐振电阻 RP的乘积决定。要求出电流脉冲中的基波振幅，首先必须求出 i C的数学表示式，通过傅氏级数分解求出IC1m。,+u BE _,ub,ub,ic,28,波形系数,(二)集电极输出电压,ic,30,三、功率与效率,（1）直流功率：,（

19、2）输出功率：,（3）集电极损耗功率：,（4）集电极效率：,集电极电压利用系数,31,甲类：,乙类：,丙类：,在 条件下，,导通角越小，效率越高，,但导通角不能取得太小，因为,为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600800，,（5）导通角的选择：,32,例1 某谐振功率放大器，VCC=24 V，Po=5W，c=70，=0.9,求该功放的 c、P=、Pc、ICM 和回路谐振阻抗Rp。,解：,33,（一）什么是静态特性？,四、丙类高频功率放大器的动态特性,（二）什么是动态特性？,是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入信号Ubm和输出电压Ucm（或谐振电阻Rp）一定的条件下

20、，集电极电流iC=f(uBE,uCE)的关系称为放大器的动态特性。,34,（三）动态特性的表示形式,35,表示动态特性曲线的斜率,故动态特性的表示形式：,可见动态特性为折线，而不是一条直线。若已知晶体管理想化输出特性和外部电压VCC、VBB、Ubm、Ucm，如何求出动态特性和电流、电压波形呢？,36,4.动态特性的画法,(一）截距法,（1）在输出特性的 轴上取截距为,在uCE轴上找出相应的VCC点，A点在uCE轴上投影为:,(4)在uCE轴上选取 得C点，BC直线即为 段的动态特性，则AB-BC为总动态特性,37,(二）虚拟电流法,(3)连接AQ交横轴于B点（管子导通点）,(4)在UCE轴上选

21、取 得C点，,则AB-BC为总动态特性,A,B,C,Q,功率放大器通常是根据晶体管集电极电流导通角的不同，划分为甲类、乙类、丙类放大器。,5高功放的三种工作状态,谐振功率放大器的工作状态是指处于丙类或乙类放大时，在输入信号激励的一周内，是否进入晶体管特性曲线的饱和区来划分。,谐振功率放大器分为欠压、临界和过压三种状态。用动态特性能较容易区分这三种工作状态。,39,5高功放的三种工作状态,A1,A2,A3,欠压状态：,A点在 线上，但是在放大区，输出电压幅度较小，iC为尖顶脉冲。,临界状态：,A点在 线和临界饱和线的交点上，输出电压幅度较大，iC为尖顶脉冲。,过压状态：,A点在 的延长线上（实际

22、上是不存在），进入晶体管饱和区，输出电压幅度大，iC为凹顶脉冲,B2,B1,B3,以上分析可以得出如下结论：（1）在欠压工作状态的大部分范围内，输出功率和集电极效率都较低，集电极损耗功率大，而且当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅将产生较大变化。,（2）在临界工作状态，输出功率最大，且集电极效率也高，为谐振功放的最佳工作状态。常用于发射机的功率输出级，以便获得最大输入功率。,（3）在过压工作状态，当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅变化较小，多用于需要维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。,41,五、丙类高频功率放大器的负载特性,负载特性是指gc、UBZ、VCC、VBB、Ubm 不变时

23、，改变谐振回路的谐振电阻 Rp，放大器的输出电流、电压、功率和效率等RP随变化的关系。,1什么是负载特性？,2负载特性的分析,Q点,，,不随Rp变化而变化的，以Q点为参考点,不变,不变,A,42,Q,A,gd,欠压,过压,Ic0,临界状态:输出功率最大,效率也较高，是功率放大器的最佳工作状态，一般用于发射机的输出级。,欠压状态：输出功率和效率都较低，Pc较大，Rp0，Pc最大，可能烧坏管子，应避免。但输出电流几乎不随Rp变化，放大器可视为恒流源。,过压状态：在弱过压区效率最高，而输出功率下降不多，且Rp变化时，输出电压相对较平稳，常用于发射机的中间级。,临界,六、各级电压变化对工作状态的影响,

24、1 VCC 的影响,Q点,，,A,（gc、UBZ、Rp、VBB、Ubm 不变）,不变,改变,欠压,过压,临界,注意：只有工作在过压区才能有效地实现VCC对Ucm的控制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。,44,2 VBB 的影响,（gc、UBZ、Rp、Ubm、VCC 不变）,Q点向上移动,45,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和幅度也增大，但凹陷加深，结果使Ico、Icml增大得十分缓慢。,临界,过压,欠压,在欠压状态：VBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流的幅度ICM和导通角c增大，故Ico、Icml 随VBB的增大而增大。,注意：只有工作在欠压区才能有

25、效地实现VBB对Vcm的控制作用，故基极调幅电路应工作在欠压区。,Ubemax=VBB+Ubm，随Ubm增大而增大,VCC 不变 IQ=-gc（UBZ VBB),Q点不变,*过压区 与欠压区相比 随 的增大，的增大要减缓，故，随 增大 略增。,3 Ubm 的影响,（gc、VBZ、RP、VBB、Vcc 不变）,*欠压临界区 随 增大而减小，随 增大而增大，随 增大而增大，随 增大而减小。,改变 Ubm 对工作状态的影响,(a)当 时，对应的动态特性为，这时对应于欠压状态，电流为尖顶脉冲。较小(b)当 由 增大到 时，增大，将减小，对应的动态特性为，这时对应于临界状态，电流为尖顶脉冲，比欠压状态要

26、增大。(c)当 由 增大到 时，增大，进入过压区，将略增，对应的动态特性为，电流为凹顶脉冲，比临界时的 略增。,48,3 Ubm 的影响,（gc、VBZ、RP、VBB、Vcc 不变）,(1)当谐振功率放大器作为线性功率放大器，放大器必须 工作在欠压状态。,(2)当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须 工作在过压状态。,49,七、谐振功放在临界状态的计算,50,例1 已知晶体管谐振功率放大 器工作于临界状态，晶体管的饱和临界线斜率,解：由于工作于临界状态，则有,51,52,例2：某谐振功率放大器，,试求集电极电流最大值,输出电压振幅,集电极效率,并判断放大器工作于什么状态。,解：,53,5

27、4,功率放大器的管外电路组成,一、直流馈电电路,第四节 丙类高频功率放大器电路,丙类高频功率放大器的电路组成 谐振功率放大器是由输入回路、晶体管和输出回路组成。输入、输出回路在谐振功率放大器中的作用是，提供放大器所需的正常偏置；实现滤波(调谐于基波频率)；保证阻抗匹配。可认为它是由晶体管及其外电路两部分组成。,55,56,串联馈电：,并联馈电：,指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接。,指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联联接。,(a)串馈,(b)并馈,57,(a)串馈,(b)并馈,高频扼流圈：通直流阻交流,高频旁路电容：通交流隔直流,(隔直电容),c,

28、e,c,e,-Uc+,-Uc+,-Uc+,串馈：(1)a点为交流地,分布电容不影响回路的谐振频率（优点）(2)LC 回路处于直流高电位，谐振元件不能直接接地。则L,C的安装和调整不方便（缺点）,a,并馈：(1)L、C 并联于回路，其分布参数直接影响谐振回路的调谐。（缺点）（2）LC 回路处于直流低电位，谐振元件能直接接地，安装 和调整方便。（优点）,58,串馈：晶体管、VBB、输入信号三者串联联接 并馈：晶体管、VBB、输入信号三者并联联接,+Ub-,59,UBB,+UBB-,（并馈）,（并馈）,（串馈）,在自给偏置电路中，当输入信号幅度加大时，iB增大，其直流分量 Ib0 也增大，反向偏压随

29、之增大。这种偏置电压随输入信号幅度而变化的现象称为自给偏置效应。,通常采用自给偏压的方式提供基极偏置。,优点：这种电路能自动维持放大器的工作稳定,60,二、匹配网络,输入匹配网络：,输出匹配网络：,级间耦合匹配网络：,用于信号源与功率放大器之间，作用是信号源输出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以使信号源的功率有效地加到高功放的发射结上。,用于功率放大器与负载之间，作用是将负载变换为功率放大器工作状态所需的最佳负载电阻Rp。,用于两级功率放大器之间，实现本级功放的输出阻抗与下级放大器的输入阻抗之间的匹配。,61,1.L型滤波匹配网络,电路在工作频率上达到并联谐振，即,（1）低阻变高阻型,应用中，

30、根据阻抗匹配要求确定Q，即,这三种匹配网络都可采用L和C组成的L型、T型、或 型这样的网络及由它们组成的混合网络。,62,（2）高阻变低阻型,电路在工作频率上达到串联谐振，即,Q根据阻抗匹配要求确定，即,1.L型滤波匹配网络,在RL和RL相差不大时，Q只能很小，会使滤波性能很差这时可采用 型或T滤波匹配网络。,63,2.型和T滤波匹配网络,恰当选择两个L型网络的Q值，就可兼顾滤波和阻抗匹配的要求。,64,例1,已知某谐振功放的f=50 MHz，RL=10，所需的匹配负载为RP=200，试确定L型滤波匹配网络的参数。,解：,=139 nH,=146 nH,应采用低阻变高阻型L型滤波匹配网络，其参

31、数设计如下,匹配网络在电路中的作用是实现滤波与阻抗匹配。对输出匹配网络提出的主要要求如下：(1)把外接的负载阻抗(例如天线的阻抗)变换为放大管所要求的 负载阻抗，以保证放大管输出所需的功率。(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)要求匹配网络具有一定的通频带。使已调波通过网络时，不致产生失真。(4)将功率管给出的信号功率高效率地传送到外接负载上。,(一)输入匹配网络,由于高频功率晶体管的输入阻抗实数部分的数值一般很小，通常只有几，而信号源的内阻比晶体管输入电阻要高。为了使信号源的功率有效地加到高频功率晶体管的发射结上，可采用输入匹配网络来实现低输入电阻与高信号源内

32、阻的匹配。图3-20所示是常用的输入匹配网络。其中电感L的品质因数在大功率电路中取,图(a)元件计算公式为,图(b)元件计算公式为,图(c)元件计算公式为,(二)级间耦合匹配网络 对于级间耦合匹配网络来说，其负载是下一级功率放大器的输入阻抗，它的大小是随激励电平和工作状态的改变而变化的。为了保证级间功率放大器在其负载变化时，仍能向下级提供平稳的输出电压，应选取级间功率放大器工作于过压状态。图3-21所示是常用的级间耦合匹配网络。,图3-21 常用的级间耦合匹配网络,图(a)元件的计算公式为,图(b)元件的计算公式为,图(c)元件的计算公式为,(三)输出匹配网络 由于输出级功率放大器的实际负载是

33、天线，其阻抗一般为50。为了输出得到最高输出功率，功率放大器应工作于临界状态。即放大器的最佳负载电阻应是对应于临界状态。图3-22所示是常用的输出匹配网络。,图(a)元件计算公式为,图(b)元件计算公式为,图(c)元件计算公式为,应该说明的是，高频功率放大器工作于非线性状态，线性电路的阻抗匹配概念是不能适用的。高频功率放大器的阻抗匹配的概念是，在给定的电路条件下，通过匹配网络将负载电阻转换成高频功率放大器工作状态所需最佳电阻，这就是匹配。,最佳电阻Rp是根据需要决定的。对于输出级，要求输出功率最大，放大器应工作于临界状态，最佳电阻Rp应保证放大器工作于临界状态；对于中间级，要求输出电压变化小，

34、放大器应工作于过压状态，最佳电阻Rp应保证放大器工作于过压状态。,76,三、实际电路举例,50MHz功率放大器,由 C1、C2 和 L1 组成T型输入匹配网络。,由L2、L3、C3、C4构成型输出匹配网络。,基极馈电采用自给偏置方式，为并馈。,集电极馈电采用串馈。,(二)175MHz，VMOS管谐振功率放大器,上图所示是175MHz的VMOS管谐振功率放大器。它可向50负载提供10W功率，功率增益为10dB，效率大于60%。漏极为并联馈电，L2、L3、C6、C7、C8组成匹配网络。栅极为并联馈电，C1、C2、C3和L1组成T型匹配网络。,P79,第五节 丁类(D类)和戊类(E类)高频功率放大器

35、,一、丙类高频功率放大器限制效率提高的原因,从理论上讲，减小集电极电流的通角，可以提高效率。,实际上，不可能无限减小。减小，减小，基波电流 减小，输出功率会降低。若要保持一定的输出功率，就需要增加输入信号的幅度，这将增加前级的负担。所以，太小是不合适的。,要进一步提高效率，通常可采用D类或E类高频功率放大电路。他们的电流通角 固定为，而晶体管处于开关工作状态。,当晶体管两端处于高电压时，使其流过的电流很小；当流过晶体管电流很大时，使晶体管两端电压很低。这样就能降低晶体管的损耗，达到提高集电极效率的目的。,二、D类高频功率放大器,2.在高频变压器的两个次级产生极性相反的推动 电压 和，分别加到晶

36、体管的 和 的be端。,3.和，在 和 的作用下交替饱和导 通或截止。,4.在 的正半周，饱和导通，截止。则 加在谐振于 的高Q串连LC 回路，流过 和L、C、电路的电流 是由 的基波 分量产生，是频率为 的余弦电流。,（一）工作原理,1.输入激励电压 是重复角频率为 的方波，加在高频变压器的初级。,5.在 的负半周，截止，饱和导通。则。此时储存在LC的能量通过 放电，流过 的电流 也是余弦电流。,6.流过 的电流是 和 的和。由于二者流向相反，则 是一个完整的余弦电流。输出电压 为余弦波。,2.流过 的电流 是由 中的基波分量 产生。,（二）功率与效率,1.是矩形波，可用开关函数 来表示。,

37、4.直流电源 提供输入功率 由于 只在正半周提供能量，为 的平均值。,3.输出功率,5.效率,在高频工作时，由于晶体管极间电容的影响，晶体管的开关转换不可能在瞬间完成，所以波形不是方波。结果使晶体管的损耗功率增大，效率降低。因此，D类高频功率放大器应选用开关速度快，且有一定功率容量的高频开关或者无电荷存储效应的VMOS场效应管。,（二）功率与效率,第五节 丁类(D类)和戊类(E类)高频功率放大器,三、E类高频功率放大器（不讲）,（二）E类高频功能放大器的基本原理 图327(a)是E类高频功率放大器及等效电路。它是由晶体管，高频扼流圈、电容 和LC 负载网络组成。其等效电路如图323(b)所示。

38、,（一）D类放大器存在的问题 D类放大器采用两管交替导电，效率很高。但是，在工作频率较高时，由于晶体管极间电容的影响，晶体管开关转换瞬间两管交替导通与截止变得不理想，可能同时导通或同时截止。这样效率就会降低，限制了工作频率的进一步提高。,图327 类放大器电路图与等效电路,是晶体管的输出电容、电路分布电容和外接电容 的并联值。,第五节 丁类(D类)和戊类(E类)高频功率放大器,LC串联回路不谐振于输入信号的基波频率。它等效为一个谐振于输入信号基频的理想谐振回路与剩余电感或电容（jx）的串联电路。,当晶体管导通，即S闭合时，流过开关S的电流 为直流输入电流 和输出电流 之差。,高频扼流圈 保证

39、提供恒定的直流输入电流。,当晶体管截止，即S断开时，流过 C0 的充电电流 i C 是直流电流 I dc 和 i0 之差。i C 对 C0 充电建立 集电极电压 u C。,调节负载网络，选取合适的有载品质因数 QL，使u C 在晶体管截止时，延迟到晶体管“开关”断开后才开始上升。晶体管导通时，u C为零，且其对时间的导数也为零。,第五节 丁类(D类)和戊类(E类)高频功率放大器,图328是E类放大器的电流和电压波形,图3-28 E类放大器电流与电压波形,（三）电流电压波形,第六节 宽频带高频功率放大器,丙类、丁类和戊类功率放大器的优点是效率高。但它们都只适用于对相对带宽很小的信号进行功率放大。

40、电路的特点是有谐振回路作为负载，应用中必须进行准确的调谐。调谐过程相对繁琐，速度慢。,一、宽频带高频功率放大器的特点与要求,宽频带高频功率放大器要求信号源与放大器，放大器与放大器和放大器与天线负载之间的耦合必须实现宽频带的阻抗匹配。传输线变压器就能实现宽频带的阻抗匹配。,宽频带高频功率放大器的频带要求覆盖整个发射机工作频率范围，在发射机变换工作频率时，不需要进行调谐。,在现代通信系统中，要求工作于多个频道，快速换频的发射机；电子对抗系统中有快速调频技术要求的发射机；多频道频率合成器构成的发射机等都要求快速调谐跟踪的功率放大器。显然，丙类、丁类和戊类放大器不能满足要求。,第六节 宽频带高频功率放

41、大器,二、高频传输线变压器的特性及原理,传输线变压器是在传输线和变压器理论基础上发展起来的新元件。它用高频性能良好的、高导磁率的铁氧体材料作为磁芯，用相互绝缘的双导线均匀地在矩形截面的环形磁芯上绕制而成，如图3-29所示。磁环的直径根据传输的功率和所需电感的大小决定，一般10-30mm。磁芯材料分为：锰锌、镍锌两种，频率较高时，以镍锌为宜。带宽：几百kHz几百MHz。,图3-29传输线变压器的结构与电路,图3-3011 传输线变压器,第六节 宽频带高频功率放大器,传输线变压器传送能量的方式有两种，在高频时，主要通过电磁能交替变换的传输线方式传送，如图330(b)所示。在低频时，将同时通过传输线

42、方式和普通变压器磁耦合方式进行传送。图330(c)是磁耦合传送方式。,第六节 宽频带高频功率放大器,图3-31传输线等效电路,传输线可以看成是由许多电感、电容组成的耦合链，如图331所示。电感为导线每一段L 的电感量，电容为两导线间的分布电容。线间的分布电容不是影响高频能量传输的不利因素，而是电磁能转换的必不可少的元件。信号源加入1、3端时，电磁波主要是在导线间介质中传播。传播过程：1、3端对分布电容充电，电容储存电场能；分布电容对附近的电感放电，电感存储磁场能；电感有对附近分布电容充电，使得磁场能转变为电场能；如此往复，周而复始，电场和磁场能量的相互转换，完成电磁波的传播。,三、宽频带传输线

43、变压器电路,式中，=2/为传输线的相移常数，单位为rad/m。为工作波长，l为传输线的长度。如果传输线的长度取得很短时，满足l1，则 1,可得，即传输线输入端电压与输出端电压幅值相等，相位相同。同理，即输入电流与输出电流幅值相等，相位相同。,在2端与3端接地的条件下，则负载 上电压与输入电压幅度相等、相位相反实现变压器与负载匹配的条件是实现信号源与传输线变压器匹配的条件是11传输线最佳匹配条件是负载 上获得的功率为,（一）1：1传输线变压器,1.电路结构,图330是1：1传输线变压器。它是将两根等长的导线紧靠在一起，双线并绕在磁环上。其接线方式如图(a)所示，图(b)是传输线传送方式，图(c)

44、是普通变压器传送方式。,2.传输线特性,根据传输线理论，当传输线为无损耗传输线，且负载阻抗 等于传输线特性阻抗 时，则传输 线终端电压 与始端电压 的关系为,3.传输线电路分析,(二)14 阻抗变换传输线变压器,图332 1：4传输线变压器,图332是1：4传输线变压器，它能实现由于无损耗传输线在匹配条件下，和，得,最佳匹配条件，相当于1：4阻抗变压器。,(三)4：1阻抗变换传输线变压器,图3-3341阻抗变换器,无损耗传输线在匹配条件下，则最佳匹配条件,三、宽频带传输线变压器电路,图3-34宽带变压器耦合高频功率放大器,和 传输线变压器串接组成16：1阻抗变压器 使 的高输出阻抗与 的低输入

45、阻抗匹配。放大器从输出端通过 1.8 和47 实现电压负 反馈。放大器从输出端通过1.2 和12 实现电 压负反馈，以改善放大器性能。3.放大器工作于甲类。4.电源和放大器级间采用了去耦滤波电路。5.电路工作频率（230）MHz,输出功率为60W，负 载为50。的集电极负载是由50 负载经传输线变压器 的4：1阻抗变换为200。工作于大功率状态，其输入电阻为12 左右，且会随输入信号大小变化。为了减小输入电阻 变化对前级放大器的影响，在 的输入端并接了一个12 的电阻，使总输入电阻变为6。经 的16：1阻抗变换，集电极的负载为96。,四、宽频带高频功率放大器,第六节 宽频带高频功率放大器,图3

46、-35 功率合成原理方框图,第七节 功率合成,一、高频功率合成的一般概念,1、2、3、4、5、6、7为宽频功率放大大器，I、II、III为功率分配网络，IV、V、VI 为功率合成网络,（一）功率合成的原理方框图,功率合成的原理：用N 个相同的功率放大器，通过混合电路将输出功率在公共负载上叠加起来，使总输出功率PL=NP1,如图3-35输出功率为60W的功率合成器的组成原理图，由：功率放大器、功率分配网络、功率合成网络组成,如果每个放大器的输出幅度相等，供给匹配负载的额定功率均为P1，那么，N个放大器在负载上的总功率应为NP1。合成器的输入端应彼此相互隔离，其中任何一个功率放大器损坏或出现故障时

47、，对其它放大器的工作状态不发生影响。当一个或数个放大器损坏时，要求负载上的功率下降要尽可能的小。满足宽频带工作要求。在一定通带范围内，功率输出要平稳，幅度及相位变化不能太大，同时保证阻抗匹配要求。,二、功率合成网络,（一）反相激励合成网络,图3-36反相激励合成网络,（二）对功率合成器的要求,反向激励同相激励,图3-37只有A端激励的合成网络,(二)同相激励合成网络,图3-38同相激励合成网络,1.电路条件：,3.当其中一个信号源为零时，单一输入的激励功率将在 和 上平均分配。非激励端则无输出。,三、功率分配网络,图3-39功率二分配器,(一）功率分配是功率合成的相反过程，因此可以用功率合成网

48、络相同的传输线变压器来实现，只是输入与输出的位置不同。,2.两个负载、分别接在A端、B端和地之间。,3.A、B端之间接入平衡电阻。,1.在41传输线变压器的C端与地之间接入内阻为 的信号源。,5.在传输线为理想无损耗，且匹配时，流过两线圈电流相等，且输入电压与输出电压相等。激励信号加到C端，电路为对称的，则 和 获得功率相等。没有获得功率。,（二）C 端输入的功率二分配器,4.电路满足,三、功率分配网络,图3-40等效电路,6.由于，传输线变压器输入电压与输出电压相等的条件是。则电路可等效为图336 所示。由于，信号源可输出最大功率 与 上获得功率为,7.在实际电路中，、通常是两个放大器的输入

49、电 阻，它们从信号源获得均等的功率，然后再经放大器 放大。,8.如果、两个电阻之一出了故障，例如 开路 这时电路的对称性被破坏。可以证明，上获得功 率不变，而另一半功率在 上获 得，不影响电路正常工作。,图3-42反相功率合成器典型电路,B1将一端接地的不平衡输入信号功率转换成平衡输入，提供给B2 组成的功率分配器的D端平衡输入，RD=25，A端和B端得到反相激励功率。,经晶体管放大后，两晶体管的输出是反相的。对于B5组成的功率合成网络，在D 端获得合成功率，再经B6平衡不平衡转换，在25负载上获得合成功率。,传输线变压器B2是功率分配网络，B5是功率合成网络。,输出功率为75W，带宽(3075)MHz。,B3、B4是4:1阻抗变换器，它们的作用是完成阻抗匹 配。,Bl、B6是 1:1 传输线变压器，作平衡不平衡转换。,四、功率合成电路,完全匹配时，分配和合成网络的C 端没有功率损耗。匹配不完善和不完全对称时，C 端是有功率损耗的。C 端连接的电阻 6 即为吸收这不平衡功率之用，称为假负载电阻。,每个晶体管基极到地的10电阻是用来稳定放大器，防止寄生振荡用的。,