高频电子技术6.ppt

第第6章章高频功率放大电路高频功率放大电路v在高频电子技术中，需要对高频信号进行功率放大，如在无线电信号发射过程中，发射机里的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大，如缓冲级、中级放大级、末级功率放大级等，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上发射出去。高频功率放大电路是所有无线电信号发射装置的重要组成部分。6.1 高频功率放大概述因为工作频率很高，相对频带却很窄，因此一般都采用选频网络作为负载回路，工作状态选用丙类、丁类。对于需要在很宽的范围内变换工作频率的情况，还可采用宽带高频功率放大电路，它不采用选频网络作负载，而是以频率响应很宽的传输线变压器作负载。由于受功放管的限制，单个功率放大电路输出功率是有限的，在大功率无线电信号发射装置中，采用功率合成技术来增大输出功率。高频功放高频功放：将高频信号进行功率放大的电路，实质是在输入：将高频信号进行功率放大的电路，实质是在输入高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。主要功用主要功用:放大高频信号放大高频信号,以高效率输出大功率，并且尽量以高效率输出大功率，并且尽量保证非线性失真小。保证非线性失真小。分类分类：低频功放：甲类（：低频功放：甲类（3600导通，效率导通，效率50%）乙类（乙类（1800导通，效率导通，效率78.5%）甲乙类（大于甲乙类（大于1800导通，效率导通，效率75%）高频功放：高频功放：丙类（丙类（小于小于1800导通，效率导通，效率92%）丁类、戊类（开关型，理论上效率丁类、戊类（开关型，理论上效率100）特点特点：工作频率高，相对带宽小，大信号非线性状态，采用：工作频率高，相对带宽小，大信号非线性状态，采用选频网络作为负载（故称选频网络作为负载（故称谐振功率放大器谐振功率放大器）。）。技术指标技术指标：输出功率、效率、功率增益、带宽、谐波抑制度。：输出功率、效率、功率增益、带宽、谐波抑制度。6.1丙类谐振功率放大电路的工作原理丙类谐振功率放大电路的工作原理一、丙类谐振功率放大电路的结构一、丙类谐振功率放大电路的结构图图所示的是高频谐振功率放大器的原理线路图。所示的是高频谐振功率放大器的原理线路图。构成：构成：电源、偏置电路、晶体管、谐振回路和输入回路。电源、偏置电路、晶体管、谐振回路和输入回路。谐振回路：谐振回路：1、减小失真，丙、丁、戊类的电流失真大、减小失真，丙、丁、戊类的电流失真大；2、实现阻抗匹配。、实现阻抗匹配。3、对窄带系统，实现滤波；、对窄带系统，实现滤波；谐振功率放大器的原理线路谐振功率放大器的原理线路 二、工作原理二、工作原理1.工作条件工作条件工作在丙类状态工作在丙类状态E Eb b倒置，使倒置，使T T在截止区；在截止区；LCLC回路为集电极负载，调谐回路为集电极负载，调谐在输入信号中心频率上；在输入信号中心频率上；R Rp p为考虑实际负载与抽头等为考虑实际负载与抽头等效后的并联谐振电阻效后的并联谐振电阻。谐振功率放大器的原理线路谐振功率放大器的原理线路 2.工作过程：工作过程：无输入无输入 T T截至；截至；u ui i+E+Eb b V Vthth T T导通导通i ib b(周期性周期性)i ic c(周期性周期性)i ic c的基波分量通过谐的基波分量通过谐振电阻产生振电阻产生u uo o输出，回路失谐输出，回路失谐时，电抗小，时，电抗小，i ic c的谐波分量直的谐波分量直接通过接通过，直流分量通过电感，直流分量通过电感，均无电压。均无电压。结论结论：只有基波可通过，无失：只有基波可通过，无失真。真。v3.电流、电压波形v 设输入信号为v则由图4-2得基极回路电压为i ib b、i ic c 周期性脉冲，可以分解成直流、周期性脉冲，可以分解成直流、基波基波(信号频率分量信号频率分量)和各次谐波分量和各次谐波分量,即即余弦电流脉冲的分解：余弦电流脉冲的分解：(4-2)余弦脉冲的分解：余弦脉冲的分解：2为导通角，为导通角，=1800，甲类，甲类,900，甲乙类，甲乙类,=900，乙类，乙类,900，丙类。，丙类。i（）:各次波的分解系数。各次波的分解系数。v输出回路：放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率0等于激励信号频率时，回路对频率呈现一大的谐振阻抗，因此集电极电流基波分量在回路上产生电压；对远离的直流和谐波分量2、3、等呈现很小的阻抗，因而输出很小，几乎为零。v因此有：结论：结论：1 1、i icmaxcmax、u ubemaxbemax 、u ucemincemin 出现在同一时刻；出现在同一时刻；2 2、集电极功耗、集电极功耗=i ic c u ucece 很低，很低，效率高；效率高；丙类谐振功率放大器的电压、电丙类谐振功率放大器的电压、电流波形流波形v4.高频功放的能量关系 电源功率（直流功率）=输出功率（基波功率）+集电极耗散功率 电源功率Pd为：输出功率P0为：集电极损耗功率Pc为：(4-9)v集电极效率为：v v其中：v集电极电流波形系数vv集电极电压利用系数v结论：提高效率的两种途径：提高电压利用系数，通过提高谐振电阻实现，同时尽量使放大管工作在尽限运用状态；提高波形系数g1()，降低导通角，一般取65-75度，使放大器工作在丙类工作状态。图6-5 尖顶余弦脉冲的分解系数与波形系数v根据图中所示，当=0时，g1（）=2达到最大值。如果值接近1，那么效率几乎可达100%。虽然这时效率最高，但=0，输出功率等于零，显然并非理想工作状态。从1（）曲线看，当120。时，成分达到最大值，意味着输出功率最大，但g1（）1.3，65%，变换效率较低，因此兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。v从图6-5还可以看出，当=60时，2达到最大值；当=40时，3达到最大值，这些数值是后面设计倍频器的参考值。6.2.2丙类谐振功率放大器的特性分析丙类谐振功率放大器的特性分析高频功放的工作状态高频功放的工作状态高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为可以分为欠压欠压、临界临界和和过压过压三种状态三种状态。欠压状态。欠压状态。电压利用率低但可变，电压利用率低但可变，临界状态。临界状态。A点在临界饱和线上点在临界饱和线上；临界状态时的负载电阻临界状态时的负载电阻记为：记为：ROPT。过压状态过压状态 A点在饱和区点在饱和区；谐振放大器的工作状态由欠压临界谐振放大器的工作状态由欠压临界过压过压逐步过渡。逐步过渡。结论：结论：随着负载的增大，电路的工作状态经历了从欠压状随着负载的增大，电路的工作状态经历了从欠压状态到临界状态又到过压状态的变化态到临界状态又到过压状态的变化；临界状态：临界状态：效率与输出功率最佳，是谐振放大器的效率与输出功率最佳，是谐振放大器的最佳工作状态；最佳工作状态；欠压状态：欠压状态：效率低，恒流源；效率低，恒流源；过压状态：过压状态：效率高，损耗小，恒压源。效率高，损耗小，恒压源。图6-12 谐振功率放大电路的测试电路例6.1某高频谐振功率放大电路工作于临界状态，输出功率为15W，且UCC=24V，导通角=70，=0.91。试问：(1)直流电源提供的功率Pd、功率放大管的集电极损耗功率Pc、效率c和临界负载电阻RL各是多少(0(70)=0.253，1(70)=0.436)？(2)若输入信号振幅增加一倍，功率放大电路的工作状态如何改变？此时的输出功率大致为多少？(3)若负载电阻增加一倍，则功率放大电路的工作状态如何改变？(4)若回路失谐，则会有何危险？v（2）若输入信号振幅增加一倍，则根据功放的振幅特性，放大器将工作到过压状态，此时输出功率基本不变。v （3）若负载电阻增加一倍，则根据功放的负载特性，放大器工作到过压状态，此时输出功率约为原来的一半。v（4）若回路失谐，则功率放大器将工作到欠压状态，此时集电极损耗将增加，有可能烧坏晶体晶体管。6.2.3谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络线路构成线路构成:直流馈电线路直流馈电线路:提供放大器正常工作所必需的电压偏提供放大器正常工作所必需的电压偏置置;提供集电极电流的直流和基波分量的正常通路。提供集电极电流的直流和基波分量的正常通路。匹配网络匹配网络:阻抗匹配阻抗匹配,使信号高效传送。使信号高效传送。连接原则连接原则:直流有通路直流有通路:直流支路加直流支路加扼流扼流电感电感,并旁路电容。并旁路电容。交流有通路交流有通路:交流支路前端加隔直电容。交流支路前端加隔直电容。直流电源直流电源:不流过高频电流。不流过高频电流。一、一、直流馈电线路直流馈电线路1、集电极馈电线路、集电极馈电线路串联馈电线路串联馈电线路晶体管、晶体管、电源、电源、谐振回路三者串联谐振回路三者串联并联馈电线路并联馈电线路晶体管、晶体管、电源、电源、谐振回路三者并联谐振回路三者并联图6-15 集电极馈电电路的两种形式v经扼流圈LBL的作用:阻止高频电流流过电源，因为电源总有内阻，所以高频电流流过电源会损耗功率.旁路电容CB的作用:提供交流通路，CB的值应使它的阻抗远小于回路高频阻抗。串馈的特点：串馈的特点：a、与、与“地地”间的散杂电容较大，但对回路的影响较小。间的散杂电容较大，但对回路的影响较小。b、馈电支路分布参数对回路影响小。、馈电支路分布参数对回路影响小。c、回路处在直流高点位上，安装不便。、回路处在直流高点位上，安装不便。所以，这种电路适合于频率较高的场合。所以，这种电路适合于频率较高的场合。并馈的特点：并馈的特点：a、馈电支路分布参数直接影响信号回路的谐振频率。、馈电支路分布参数直接影响信号回路的谐振频率。b、信号回路处于直流低电位上，安装调整方便。、信号回路处于直流低电位上，安装调整方便。c、C、E间分布参数影响较大。间分布参数影响较大。所以，适合于频率较低的场合。所以，适合于频率较低的场合。自给偏压自给偏压:由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。其优点是偏压能随激励大小而变化，工作较稳定。其优点是偏压能随激励大小而变化，工作较稳定。2基极馈电电路基极馈电电路二、二、匹配网络匹配网络输入匹配网络的作用输入匹配网络的作用：自前级放大器或信号源区获取：自前级放大器或信号源区获取最大的激励功率。最大的激励功率。输出匹配网络的作用输出匹配网络的作用：保证放大器的输出功率有效的：保证放大器的输出功率有效的加到负载（天线）上。加到负载（天线）上。放大器与负载之间所用的匹配网络可用下图所示的四放大器与负载之间所用的匹配网络可用下图所示的四端网络来表示。端网络来表示。该双端口网络应具有这样的几个特点该双端口网络应具有这样的几个特点:(1)以保证放大器传输到负载的功率最大以保证放大器传输到负载的功率最大,即起到阻即起到阻抗匹配的作用抗匹配的作用;(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率抑制工作频率范围以外的不需要频率,即有良好即有良好的滤波作用的滤波作用;(3)大多数发射机为波段工作大多数发射机为波段工作,便于调谐便于调谐,互不影响互不影响。1.LC匹配网络匹配网络下图是几种常用的下图是几种常用的LC匹配网络。匹配网络。几种常见的几种常见的LC匹配匹配(a)L型型;(b)T型型;(c)型型图6-18 L型匹配网络 图6-21 互感耦合输出回路图中，介于电子器件与天图中，介于电子器件与天线回路之间的线回路之间的L1C1回路回路就叫做中介回路；就叫做中介回路；RACA分别代表天线的辐射电阻分别代表天线的辐射电阻与等效电容；与等效电容；Ln、cn为天为天线回路的调谐元件，它们线回路的调谐元件，它们的作用是使天线回路处于的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以获得最串联谐振状态，以获得最大的天线回路电流大的天线回路电流iA，亦，亦即使天线辐射功率达到最即使天线辐射功率达到最大。大。v6.3丁类高频功率放大电路丁类高频功率放大电路v丁类放大电路中，v晶体管处于开关状态。v理想情况下，晶体管丁类高频功放电路的效率可达100%。v晶体管丁类放大电路都是由两个晶体管组成，它们轮流导通来完成功率放大任务。v输入信号可以是正弦信号，也可以是方波信号。v丁类放大电路有电流开关型和电压开关型两种电路。v6.3.1电流开关型功率放大电路电流开关型功率放大电路v在电流开关型电路中，电源通过一个大电感L，供给一个恒定电流IC0。两个晶体管轮流饱和导通，因而回路中的电流方向也随之轮流变换，如图6-23所示。每管的电流波形都是矩形脉冲。图图6-23电流开关型功率放大电路原理图电流开关型功率放大电路原理图 v6.3.2电压开关型功率放大电路电压开关型功率放大电路v在图6-25所示的电压开关型电路中，两晶体管是与电源电压UCC串联的。当上面的晶体管导通时，下面的晶体管截止，A点对地电压UA=UCC-UCES；当上面的晶体管截止时，下面的晶体管导通，UA=UCES。因而A点的电压为矩形波，其幅值等于UCC-2UCES，它的基波电压振幅等于2（UCC-2UCES）/。图6-25 电压开关型功率放大电路原理图v6.4宽带高频功率放大电路宽带高频功率放大电路一、窄带高频功率放大器，它适用于固定频率或者频率变化较小的信号处理。二、在多频道通信系统及频段通信系统中，一般采用宽频带功率放大电路，它不需要调谐回路，以非调谐宽带网络作为输出匹配网络，能在很宽的波段范围内对载波或已调波信号进行线性放大。但是此类放大电路工作效率较低（20%左右）。实际上此类放大电路是以低效率换取宽频带的。三、宽带功率放大电路适用于中、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。四、常用的宽带匹配网络是宽带变压器，宽带变压器有两种形式：高频变压器。常用的传输线变压器（transmission line transformer）。五、现在也有采用共射-共基级联电路来实现宽带功率放大的。v6.4.2传输线变压器的性能和匹配电路传输线变压器的性能和匹配电路v传输线变压器是用传输线（双导线或同轴电缆）在高磁导率、低损耗的磁心上绕制的变压器。图6-27表示1:1倒相传输线变压器的结构及相应的传输线和变压器两种工作方式。图6-27 11倒相传输线变压器图6-28传输线及其等效电路图6-2941 14的传输线变压器电路要求传输线的特征阻抗：Ri=U/2I=2U/I=4RL 要求传输线的特征阻抗：Zc=U/I=1/2 2U/I=1/2RL图图6-30宽频带传输线变压器耦合放大电路宽频带传输线变压器耦合放大电路 v6.4.3共射共射-共基级联宽频带高频功率放大器共基级联宽频带高频功率放大器v晶体管的共射共基级联电路在第3章已有介绍，晶体管共射共基级联电路作为小信号放大器时，具有工作稳定性好、增益高和高频特性好的特点，这些特点也是宽频带高频功率放大器所需要的，因此中小功率的宽频带高频功率放大器也常采用共射-共基级联电路。v如多频彩色显示器的视频输出电路既有采用分立元件共射-共基级联电路的，也有采用集成电路（内部是共射-共基级联电路）的。多频彩色显示器的视频输出电路要推动彩色显像管工作，输出功率较大，视频信号的带宽达到几十兆赫兹，属于宽频带高频功率放大器。图图6-33功率合成框图示例功率合成框图示例v从图中可以看出，在功率合成技术中，除了功率放大环节以外，尚有功率分配和功率合成环节。用传输线变压器构成的T形混合网络，既可以实现功率合成和分配的功能，又可以克服推挽和并联电路的缺陷，是一种较为理想的功率合成电路。v6.5.1T形混合网络的工作原理形混合网络的工作原理v利用1:4传输线变压器组成的T形混合网络的基本电路如图6-34a所示，图6-34b为变压器形式的等效电路。v混合网络有A、B、C、D四个端点，为了满足网络匹配条件，取RA=RB=ZC=R、RC=ZC/2=R/2、RD=2ZC=2R、ZC=R为传输线变压器的特性阻抗，在此基础上，利用A、B、C、D四个端点，可以实现功率合成和功率分配，具体情况如下所述。v1.反相功率合成反相功率合成v 若A、B两个端点分别接入两个功率放大器输出端，且这两个功率放大器的输出电压幅值相同，极性相反，如图6-35，则可在D端获得它们的合成功率，C端无输出。图6-35A、B点反相输入，D点输出2 同相功率合成图6-36A、B点同相输入，C点输出v 3.反相功率分配反相功率分配v若从D端馈入要被分配的信号，A端和B端就能得到等值反相的功率。如图6-37所示，图中Tr2为传输线变压器，完成平衡和不平衡的变换。图6-37 D端输入，A、B端反相等值输出v 4.同相功率分配同相功率分配v若从C端馈入要被分配的信号，A端和B端就能得到等值同相的功率，如图6-38所示。图6-38 C端输入，A、B端同相等值输出v6.5.2功率合成电路实例功率合成电路实例v图6-39是一个反相功率合成器的典型电路，它是一个输出功率为75W、带宽为3075MHZ的放大电路的一部分。图中Tr2为反相功率分配网络，Tr5为反相功率合成网络。Tr1与Tr6为起平衡-不平衡变换作用的1:1传输线变压器。Tr3与Tr4为4:1阻抗变换器。图6-39 反相功率合成电路v反相功率合成器的优点是：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边工作时高，因而引线电感的影响减小。v图6-40是一个典型的同相功率合成电路。图中，Tr1为同相功率分配网络，Tr6为同相功率合成网络，Tr2、Tr3与Tr4、Tr5分别为4:1与1:4阻抗变换器，各处的阻抗均已在图中注明。晶体管发射极接入1.1的电阻，用以产生负反馈，以提高晶体管的输入阻抗。各基极串联的22电阻，作为提高输入电阻与防止寄生振荡之用。D端所接的200与400电阻是Tr1与Tr6的假负载电阻。图6-40 同相功率合成电路6.6晶体管倍频器晶体管倍频器v 在前面所讲的丙类谐振功率放大电路，集电极脉冲电流含有输入信号的各次谐波，输出电压的建立是依靠谐振回路的选频输出。若谐振回路调谐于输入信号频率，则输出电压的频率等于输入信号的频率，同样，若调谐回路谐振于输入信号频率的2倍，则输出电压信号便为2倍频信号。所以当放大器所用负载回路谐振于输入信号的整数倍信号频率时，就可构成倍频器。图6-41 二倍频器的电压、电流波形二、由于an 小于a1,n次倍频器的输出功率和效率都低于基波放大器，通常只使用二倍频器，三倍频器，若需更高的倍频，可将倍频器级联使用。一、丙类倍频器电路简单，输出端用一个选频电路就 可以实现。三、为进一频提高输出的滤波能力，常采用带有陷波电路的输出滤波电路图6-42 三倍频器实用电路v6.7高频功率放大电路应用举例高频功率放大电路应用举例v前面已介绍宽频带高频功率放大器在彩色显示器的应用实例，本节介绍高频功率放大器在移动通信的应用实例。v6.7.1分立元器件高频功放电路分立元器件高频功放电路v现在移动通信已广泛使用，我国的移动通信通常使用900MHz频段。移动电话（手机）内部有高频功率放大器对信号进行功率放大，如图6-43所示。图6-43 分立元器件高频功率放大电路v图6-43为某手机发射电路中的功放电路，VT1为功放驱动管，VT2为功放输出级。两个放大管都采用砷化镓场效应晶体管器件，其栅极为负偏置，都受系统控制，该器件的特点是变换效率高。VT2的功率增益约为20 dBm，其负载为形匹配调谐网络。手机的发射电路中一般均接有功率检测电路，根据检测结果对功放级（前级）进行功率控制，使发射功率维持在一定值。v 在全球通（GSM）手机中，功率级别控制过程如下：手机中的数据存储器存放有功率级别数据（称为功率表）。当手机收到基站发出的功率级别要求后，在微处理器的控制下，从功率表中调出相应的功率级别数据，经D/A（数/模）转换成标准功率控制电平。而GSM手机的实际发射功率经取样后也变换成一个对应的电平值，两个电平比较产生功率误差控制电压，去控制激励放大电路、预放大电路和功率放大电路的放大量，从而使GSM手机的发射功率调整到要求的功率级上。图6-44 GSM手机功率放大及控制电路原理图v 图6-44是一种GSM手机功率放大及控制电路原理图。打电话时，来自基站的功率级别信号，经接受、解调和微处理器判断后从功率表中调出对应的级别数据，再经U500调制解调芯片的14、39脚输出，送U390功率放大控制芯片，经处理后从7脚输出控制电压加到Q350功率放大激励管和Q362、Q368功率放大管，控制发射电路的输出功率。同时，通过R380检测的发射输出信号，经C394送入U390芯片的2脚，经U390处理后自动调节7脚输出的控制电压，使发射输出功率和基站要求的功率等级一致。v本章小结本章小结v 1.高频功率放大电路的主要作用是对高频信号进行功率放大，其本质是将直流电源所提供的功率变换为交流功率输出。为使变换过程有较高的效率，放大电路工作于丙类状态，为了减小信号失真，采用谐振网络作负载，实现选频滤波输出，所以也称为丙类谐振功率放大电路。v2.导通角越小，丙类谐振功率放大电路的效率越高，但过小，就会导致输出功率减小，综合考虑效率和输出功率两个指标，取值为70左右为宜。3.丙类谐振功率放大电路有欠压、过压和临界三种工作状态，集电极电压、基极偏置电压、输入信号和负载电阻等发生变化时，都将引起放大电路工作状态发生变化。在不同的应用场合，应选用不同的工作状态，放大等幅信号（如调频信号）时，应该工作在临界状态；放大非等幅信号（如调幅信号）时，应该工作在欠压状态；进行基极调幅时，应该工作在欠压状态；若用来进行集电极调幅，则应该工作在过压状态。4.丙类谐振功率放大电路的输入和输出端均由直流馈电电路和匹配网络两部分组成，直流馈电电路有串馈和并馈两种形式，匹配网络可以采用LC分立元件组成的L形、T形、形网络或互感耦合输出回路等形式。v5.丁类高频功率放大电路能够进一步提高效率和输出功率，放大管工作于开关状态，有电流开关型和电压开关型两种电路，同样采用谐振网络作负载。两管工作，谐波输出小，效率高，适于功率放大。但缺点是工作频率上限受开关器件的限制。v6.丙类、丁类功放均为窄带放大，当要求能在很宽的波段范围内对信号进行功率放大时，需采用宽带功率放大。宽带高频功放采用非调谐方式，工作在甲类状态，常用有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配，也有采用共射-共基级联电路来实现宽带功率放大的。7.利用功率合成技术可以增大输出功率，利用传输线变压器组成的T形混合网络，可以实现功率分配与功率合成。8.丙类谐振功率放大电路中，若负载网络谐振于2倍频，则可实现二倍频器的功能，取值为60，但效率低于基波放大器。