高频电子线路第三章高频功率放大器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,PPT,文档演模板,Office,PPT,09 十一月 2026,高频电子线路第三章高频功率放大器,倍频,高频放大,调制,话筒,声音,发射 天线,图 调幅发射机方框图,音频放大,高频振荡,缓冲,3.1 概述,3.1 概述,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。,电压增益：,电流增益：,+1,三种组态的基本放大电路,CE,CC,CB,1.,谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较,相同:要求输出功率大，效率高,非线性(大信号),不同:,低频（音频）:20Hz20kHz,高频（射频）:,（以调幅为例）,已调信号,low,high,AM广播信号:,535kHz1605kHz，,BW,=10kHz,谐振与非谐振(工作状态),高频窄带信号,工作频率与相对频宽不同,3.1 概述,中心频率越高，则相对频宽越小。因此高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路,功率放大电路的主要特点,输入为大信号,要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状态,效率要高,非线性失真要小,BJT的散热问题,(管子的保护),E,(a)甲类 class-A amplifier,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,2.分类,3.1 概述,流通角:一个周期内,有电流流通的相角.,3.1 概述,3.要解决的问题,减小失真（线性度）,管子的保护,提高输出功率,提高效率,丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。,4.效率与失真矛盾的解决,low,high,3,n,2,0,3.1 概述,4.效率与失真矛盾的解决,有源器件,谐振回路,窄带谐振放大器,丙类,通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。,3,2,1,5,4,Tr,1,T,r,2,C,L,y,L,T,输入回路,输出回路,晶体管,3.1 概述,3.1 概述,功能：将直流功率转换为交流信号功率。,主要指标：输出功率与效率,工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）,分析方法：,折线近似分析法。,(大信号),高频谐振功率放大器,3.2 谐振功率放大器的工作原理,3.2.1,获得高效率所需要的条件,3.2.2,功率关系,3.2.1 获得高效率所需要的条件,V,bm,v,be,w,t,小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：,工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类,。,因此，采用负电源作基极偏置。,w,t,i,C,0,-,q,c,+,q,c,V,BB,0,-,q,c,+,q,c,v,be,转移,特性,i,C,V,BZ,o,理想化,图 高频功率放大器的,基本电路,失真,E,3.2.1 获得高效率所需要的条件,(,b),t,w,或电压,电流,0,V,BZ,V,CC,V,BB,V,bm,V,cm,v,bE,max,q,i,C,i,c,max,c,i,C,v,CE,v,BE,v,CE,min,1.,i,C,与,v,BE,同相，与,v,CE,反相；,2.,i,C,脉冲最大时，,v,CE,最小；,3.导通角和,v,CEmin,越小，,P,c,越小；,3.2.1 获得高效率所需要的条件,3.2.2 功率关系,电路正常工作,（丙类、,谐振,）,时，,外部电路关系式：,谐振回路,E,直流功率：,输出交流功率：,集电极效率：,集电极电压利用系数,波形系数,3.2.2 功率关系,3.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,3.3.2,集电极余弦电流脉冲的分解,3.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,3.3.4,各极电压对工作状态的影响,3.3.5,工作状态的计算,(估算)举例,3.3.1,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,3.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,3.3.2,集电极余弦电流脉冲的分解,3.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,3.3.4,各极电压对工作状态的影响,3.3.1,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,为了对高频功率放大器进行,定量分析,与计算，关键在于求出,电流的直流分量,I,c0,与基频分量,I,c1m,。,最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角,c,的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。,考虑到,谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态,，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：,折线近似分析法。,3.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,3.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,晶体管静态特性曲线折线法,输出特性曲线,转移特性曲线,（基极电压或电流一定时，,i,c,与u,ce,的关系）,（集电极电压一定时，,i,c,与u,be,的关系）,3.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,图 3.3.1 晶体管的输出特性及其理想化,i,C,=,g,cr,v,CE,欠压,临界,过压,End,图 3.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化,i,C,=,g,c,(,v,BE,V,BZ,)(,v,BE,V,BZ,),3.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,V,bm,v,be,w,t,w,t,i,C,0,-,q,c,+,q,c,V,BB,o,-,q,c,+,q,c,v,be,转移,特性,i,C,V,BZ,0,理想化,以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解,集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量,。首先，写出其表达式。,i,C,=,g,c,(,v,BE,V,BZ,)(,v,BE,V,BZ,),=,g,c,(,V,bm,cos,t,V,BZ,V,BB,),=,g,c,V,bm,(cos,t,cos,c,),=,g,c,V,bm,(1cos,c,),当,t,=0时，,i,C,=,i,C max,取决于脉冲高度,i,C max,与通角,c,当,t,=,c,时，,i,C,=,0,3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,图3.3.3 尖顶余弦脉冲,由傅里叶级数求系数，得,其中：,尖顶余弦脉冲的,分解系数,波形系数,下面分析基波分量,I,c1m,、,集电极效率,c,和输出功率,P,o,随通角,c,变化的情况，从而选择合适的工作状态。,尖顶脉冲的分解系数,当,c,120,时，,I,cm1,/,i,Cmax,最大。,在,i,Cmax,与负载阻抗,R,p,为某定值的情况下,，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。,3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,图6-9 尖顶脉冲的分解系数,由曲线可知：极端情况,c,=0时，,如果此时,=1，,c,可达100%。,为了兼顾功率与效率，,最佳通角取70,左右。,End,3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,下面分析基波分量,I,c1m,、,集电极效率,c,和输出功率,P,o,随通角,c,变化的情况，从而选择合适的工作状态。,3.3.3 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,R,p,和电压,V,CC,、,V,BB,、,V,bm,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,P,o,是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数,R,p,和电压,V,BB,、,V,bm,、,V,CC,。,3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,1.,高频功放的动态特性-,为一折线,下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由,R,p,和,V,CC,、,V,BB,、,V,bm,所表示的输出动态负载曲线。,v,ce,i,c,V,o,A,V,CC,Q,V,cm1,v,cmin,g,d,2.,高频功放的负载特性,v,BE,i,C,-V,BB,V,BZ,v,be,i,C,g,C,V,bm,v,bemax,i,Cmax,v,ce,i,C,V,CC,Q,v,cemin,V,ces,g,d,v,bemax,g,cr,过压区,临界区,欠压区,3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,v,bemax,2.,高频功放的负载特性,v,BE,i,C,-V,BB,V,BZ,v,be,i,C,g,C,V,bm,v,bemax,i,Cmax,v,ce,i,C,V,CC,Q,v,cemin,V,ces,g,d,v,bemax,g,cr,过压区,临界区,欠压区,3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,v,bemax,2.,高频功放的负载特性,i,C,v,ce,v,bemax,过压区,临界区,欠压区,欠压,过压,0,临,界,R,p,欠压,过压,0,临,界,R,p,3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,End,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,结论：,欠压：恒流，,V,cm,变化，,P,o,较小，,c,低，,P,c,较大；,过压：恒压，,I,cm1,变化，,P,o,较小，,c,可达最高；,临界：,P,o,最大，,c,较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,2.,高频功放的负载特性,3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,图3.3.7 负载特性曲线,欠压,过压,0,临,界,R,p,欠压,过压,0,临,界,R,p,3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,例：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，已知Vcc=24V，Po=2W,工作频率1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为：,分析：由前面的讨论可知，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,3.4 谐振功率放大器,一、直流馈电电路,要想使高频功率放大器正常工作，晶体管各电极必须有相应的馈电电源。无论是集电极电路还是基极电路，它们的馈电方式都分为,串联,馈电和,并联,馈电。但无论哪种馈电方式，都应该遵循下列几条基本组成原则：,3.4 谐振功率放大器,（1）直流电流I,C0,是生产能量的源泉，它由V,CC,经管外电路输至集电极，应该是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直流来说等效电路如图（a）所示。,3.4 谐振功率放大器,（2）高频基波分量I,c1m,应通过负载回路，以产生所需要的高频输出功率。因此，I,c1m,只应在负载回路上产生电压降，其余的部分对于I,c1m,来说，都应该是短路的。所以，对于I,c1m,的等效电路应如图（b）所示。,3.4 谐振功率放大器,（3）高频谐波分量I,cnm,是“副产品”，不应消耗功率（倍频器除外）。因此管外电路对I,cnm,来说，应该尽可能接近于短路，如图（c）所示。,要满足以上三条原则，可以采用串联馈电与并联馈电两种电路，简称,串馈,和,并馈,。,3.4 谐振功率放大器,所谓串馈，就是说电子器件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的。并联串馈，就是将这三部分并联起来。,3.4 谐振功率放大器,对于基极电路来说，同样也有串馈和并馈两种形式。,3.4 谐振功率放大器,在以上的电路中，偏置电压V,BB,都用电池的形式来表示。实际上，V,BB,单独用电池供给是不方便的，因而常采用一下的方法来产生V,BB,:,（1）利用基极电流的直流分量I,B0,在基极偏置电阻R,b,上产生所需要的偏置电压V,BB,。如图(a)所示。,3.4 谐振功率放大器,（2）利用基极电流在基极扩散电阻 上产生所需要的V,BB,。如图(b)所示。由于 很小，因此所得到的V,BB,也小，且不够稳定。因而一般只在需要小的V,BB,（接近乙类工作）时，才采用这种电路。,3.4 谐振功率放大器,（3）利用发射极电流的直流分量I,E0,在发射极偏置电阻R,e,上产生所需要的V,BB,。如图(c)所示。这种自给偏置的有点是能能够自动维持放大器的工作稳定。,（a）、（b）是并馈，（c）是串馈。,3.4 谐振功率放大器,二、匹配网络,高频功率放大器的级与级之间或放大级与负载之间，都要采用一定形式的回路，这个回路一般是四端网络。如果四端网络是用来与下级放大器的输入端相连接，则叫做级间耦合网络；如果是用以输出功率至负载，则叫做输出匹配网络。,1、输入匹配网络与级间耦合网络,末级以前的各级（主振级除外）都叫做中间级。虽然这些中间级的用途不尽相同，例如可作为缓冲、倍频、功率放大等，但它们的,集电极回路都是用来馈给下一级所需要的激励功率的。,这些回路就叫做级间耦合回路。而对于下级被推动级来说，这些回路就是输入匹配网络。因此，以下的讨论不再区分级间耦合回路与输入匹配网络。,3.4 谐振功率放大器,3.4 谐振功率放大器,由于末级和中间级的电平和负载状态不同，因而对它们的要求也就有差别。对于,输出回路,，应力求输出功率大，效率高。对于天线阻抗（R,A,、C,A,）在正常情况下是不变的，故可以使它与集电极回路匹配，使末级工作于临界状态，以获得最大的输出功率。这时，回路的传输效率 也很高。但对于,级间耦合回路,来说，情形就不同了。级间耦合回路的负载是下一级的基极输入阻抗，它的值随机理电压的大小和电子器件本身工作状态的变化而改变，反映到前级回路（级间耦合回路），就使这个回路的等效阻抗变化，从而引起前级工作状态的变化。如果前级工作于欠压状态，那么它的输出将不稳定，这是我们所不希望的。,3.4 谐振功率放大器,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，此时它等效为一个理想电压源，其输出电压几乎不随负载变化。,（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作状态的影响。中间级的 一般取为0.1-0.5。,3.4 谐振功率放大器,2、输出匹配网络,放大器与负载之间所用的回路，可用下图的四端网络来表示。这个四端网络应完成的任务是：,（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，即它应有良好的,滤波,作用。,（3）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,传输功率,到负载，但同时又应尽可能地使这几个,电子器件,彼此,隔离,，互不影响。,3.4 谐振功率放大器,本节完成前两个任务，第三个任务，留在功率合成器一节中解决。,3.4 谐振功率放大器,最常见的输出回路形式是复合输出回路，如下图所示。这种电路是将天线（负载）回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。,中介回路,天线回路调谐元件,天线辐射电阻和等效电容,3.4 谐振功率放大器,除了复合输出外，还可以用其他形式的四端网络，例如 形、T形网络等。但不论是哪种选频网络，从集电极向右方看去，它们都应当等效于一个并联谐振回路。如图所示。,3.4 谐振功率放大器,下图所示两种 形网络是其中的形式之一（也可以用T形网络）。,3.5 丙类倍频器,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。,为什么要采用倍频器呢？采用倍频器有以下优点：,（1）发射极主振器的频率可以降低，有利于,稳频,。,（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。,2-4MHz,3.5 丙类倍频器,（3）如果中间级既可以工作于放大状态，也可工作于倍频状态，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,是有力的，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，使发射机的稳定性提高。,（5）如果是调频或调相发射机，则可采用倍频器来加大频移或相移，亦即加深调制度。,（6）在超高频段（米波或厘米波段）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。,3.5 丙类倍频器,我们知道，丙类放大器的电流是脉冲状，所包含的谐波很丰富。如果使集电极回路不是谐振于基频，而是谐振于n次谐波，那么，回路对基频和其他谐波的阻抗很小，而对n次谐波的阻抗则达到最大，且呈电阻性。于是回路的电压和功率就是n次谐波。这就起到了倍频的作用。,3.5 丙类倍频器,倍频器的输入、输出电压瞬时值可写为：,而晶体管极间顺势电压可写成为：,式中，为回路两端的n次谐波电压振幅。,3.5 丙类倍频器,利用高频功率放大器的分析结果，n次倍频器输出的功率和效率为：,由余弦脉冲分解系数可知，无论通角 为何值，,均小于 ，也就是在同样条件下，丙类倍频器的输出功率和效率都低于丙类放大器的输出功率和效率。,3.5 丙类倍频器,为了提高输出功率和效率，,丙类倍频器在通角 的选取上，必须满足,：,在n=2时，应取60,0,左右；在n=3时，应取40,0,左右。这时与 时的放大器输出功率相比较有:,3.6 宽带高频功率放大器,现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用,自动调谐技术,，以便于迅速转换工作频率。为了满足上述要求，可以在,发射极的中间各级采用,宽带,高频功率放大器,，他不需要调谐回路，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。因此，一般来说宽带功率放大器适用于,中、小功率级,。对于大功率设备来说，可以采用宽带功放作为推动级，同样也能节约调谐时间。,3.6 宽带高频功率放大器,1、高频传输线变压器的特性及原理,最常见的宽带高频功率放大器是,利用宽带变压器做耦合电路的放大器,。宽带变压器有两种形式：一种是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁心，可工作到短波波段；另一种是利用传输线原理与变压器原理二者结合所谓传输线变压器，这是最常用的一种宽带变压器。,3.6 宽带高频功率放大器,图 低频变压器及其频率特性示例,普通铁心变压器不能用于高频，只能采用高磁导率磁心,3.6 宽带高频功率放大器,为了使,变压器工作于高频，并展宽工作频带,，人们把传输线的原理应用于变压器。这种变压器是用传输线绕在高磁导率的铁心磁环上构成，下图是一个1：1的传输线变压器的构造示意图。,图 1：1传输线变压器,3.6 宽带高频功率放大器,应该指出，传输线变压器的工作原理既然是传输线原理与变压器原理的结合，那么它的工作也可分为两种方式：一种是按照查传输线方式来工作，即在它两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁心中的磁场正好相互抵消。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,。另一种是按照变压器方式工作，此时线圈中有激磁电流，并在磁心中产生公共磁场，有铁心功率损耗。这种工作方式称为,变压器模式,。传输线变压器通常同时存在着这两种模式，或者说，传输线变压器正是利用这两种模式来适应不同的功用的。,3.6 宽带高频功率放大器,1：1传输线变压器的最佳匹配条件是：,（2）1：4传输变压器,4：1传输线变压器，可以起一个阻抗变换作用，即使,（3）4：1传输变压器,图 1：4 阻抗变换器,3.7 功率合成器,1、功率合成与分配网络应满足的条件,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，可以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。,3.7 功率合成器,2、功率合成网络原理,（1）反相激励合成网络,由电路的对称性，有：,通过电阻R/2的总电流为0。亦即C端无输出功率。因此A、B两端所输出的功率全部数送到D端的电阻2R中。此时，D端的电阻2R正好与,A、B两端电阻R,A,+R,B,=2R相匹配。,3.7 功率合成器,（2）同相激励合成网络,根据同样的方法可以证明，如果在A、B两端馈以同相激励电压，则在R/2上获得合成功率，而在R,D,上无输出功率。R,C,=R/2正好与等效激励信号内阻相匹配。,3、功率合成网络举例,3.7 功率合成器,反相功率合成器典型电路举例,