高频功率放大器 (2).ppt

第六章 高频功率放大器知识结构：6.1 概述6.2 高频功率放大器的工作原理6.3 高频功率放大器的折线近似分析法6.5 高频功率放大器的电路组成6.9 功率合成器6.10 晶体管倍频器学习目标：1.掌握高频功率放大器的工作原理2.掌握高频功率放大器的折线近似分析法3.熟悉高频功率放大器的电路组成原则4.掌握功率合成器的工作原理5.了解倍频器的工作原理本章重点：1.谐振功率放大器的工作原理2.高频功率放大器的动态特性和负载特性3.高频功率放大器的电路组成4.功率合成器的工作原理本章难点：1.高频功率放大器的动态特性和负载特性的分析2.功率合成器的工作原理6.1 概述6.1.1 功放的分类6.1.2 高频功放的分类和特点6.1.3 高频功放的技术指标和分析方法6.1.4 高频功放与其他放大器的比较6.1.1 功放的分类按工作状态分：按工作频率分：低频功率放大器高频功率放大器 甲类放大器适用于小信号低功率放大；乙类和丙类适用于大功率放大；甲乙类放大器当小信号时工作在甲类，当大信号时工作在乙类。高频功放分类：1）窄带型：以谐振回路作为负载，选频范围 很窄。主要用于放大等幅信号，例如载波信号、调频信号；2）宽带型：采用工作频带很宽的传输线变压器或者其他宽带匹配网络作为负载。主要用于实现功率合成。高频功放特点：1)放大高频大信号；2)工作在丙类状态会伴随严重的失真问题;3)重点解决失真与效率问题；4)采用谐振负载解决失真。6.1.2 高频功放的分类和特点 放大器处于非线性工作状态，高频小信号谐振放大器的一套线性模型在这里已完全不能用，只能用图解法或折线近似分析法来分析功率放大器。技术指标：功率与效率分析方法：6.1.3 高频功放的技术指标和分析方法分析方法 优点 缺点图解法 利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算从客观实际出发，计算结果比较准确对工作状态的分析不方便，手续较复杂折线近似分析法将电子器件的特征曲线用折线段来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计算物理概念清楚，分析工作状态方便计算准确度较低6.1.4 高频功放与其他放大器的比较与低频功放的比较：高 选频网络丙类 窄 百分之零点几到百分之几高（一个工作中心频率）高频功放低 无调谐负载甲类、甲乙类、推挽乙类宽 低（20Hz-30KHz）低频功放效率 负载 工作状态 相对带宽 工作频率 共同点：输出功率大、效率高不同点：与高频小信号调谐放大器比较：放大对象谐振网络的作用 工作状态分析方法质量指标高频功率放大器高频大信号从失真的集电极电流脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到不失真的信号输出丙类 图解法或者解析近似分析法功率和效率高频小信号放大器高频小信号抑制干扰信号 甲类 线性等效电路增益、通频带、选择性、稳定性和噪声系数共同点：放大的都是高频信号，且负载均为谐振网络不同点：6.2 高频功率放大器的工作原理6.2.1 基本电路结构6.2.2 工作原理分析6.2.3 功率关系 晶体管的工作情况与频率有极其密切的关系，把其工作频率范围划分为三个区域：低频区：中频区：高频区：中频区要考虑晶体管各个结电容的作用高频区需进一步考虑引线电感的作用 分析和计算相当困难。低频区可以不考虑其等效电路中的电抗分量等影响，可以用与分析电子管高频功率放大器类似的方法来分析。6.2.1 基本电路结构 大功率晶体管，能承受高电压，大电流。1.功率放大器的作用原理：利用输入到基级的信号，来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出出去。假设：P=直流电源供给的直流功率 Po=交流输出信号功率 Pc=集电极耗散功率 则，由能量守恒定律可得：P=Po+Pc为了说明放大器的转换能力，采用集电极效率c，其定义为：两点结论：1）降低Pc则c提高，P=一定时，Po增大 2）若Pc不超过规定值，则c提高，将使Po大为增加，P=也相应提高。6.2.2 工作原理分析VBEic-VBBVBZVbiciCVbmgC+VBE _2.集电极电流iciC+VBE _VBEic-VBB-VBZVbicVbmgCicmax2.集电极电流iciCiC1iC2ICO2.集电极电流ic例题：试求高频功率放大器的基本电路中并联谐振回路各次谐波与基频的阻抗值之比。已知回路Q10，回路谐振于基频。解：并联谐振回路的谐振阻抗为：对于谐波n的阻抗为：可知，回路对高次谐波呈电容性阻抗。且各次谐波的阻抗与基频阻抗之比很小，可认为是短路的。iC+VBE _结论：iC呈脉冲状，且包含很多谐波，失真很大。集电极电路内采用并联谐振回路，如使其谐振于基频，那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻抗，而对谐波的阻抗则很小，可视为短路。并联谐振回路由于iC所产生的电压降vC也几乎只包含基频。能得到正弦波形的输出。3.集电极输出电压iC+VBE _4.集电极电压、电流和基级电压的波形晶体管集电极电压：晶体管基级电压：晶体管集电极的电流：iC+VBE _6.2.3.高频功放的功率关系 00.20.30.40.10.520o40o60o80o100o120o140o160o180o当晶体管允许的耗散功率一定时，(3)Pc1PoPc PoPoccc-=+=6.3 晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法n 6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式n 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解n 6.3.3 高频功率放大器的动态特性n 6.3.4 高频功率放大器的负载特性n 6.3.5 各极电压对工作状态的影响6.3.1 晶体管特性曲线的理想化 及其解析式n 1、折线法 所谓折线法，是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管特性曲线后进行分析和计算的方法。实质：用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。n 2、工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。关键在于求出电流的直流分量和基频分量。n 3、晶体管静态特性曲线折线化 两种曲线：输出特性曲线、转移特性曲线。输出特性曲线：基极电流（电压）恒定，集电极电流与集电极电压的关系曲线。转移特性曲线：集电极电压恒定，集电极电流与基极电压的关系曲线。n 4、折线分析法的主要步骤：测出晶体管的输出特性曲线与转移特性曲线，并将这两组曲线作理想化折线处理 作出动态特性曲线 根据激励电压的大小在已知理想特性曲线上作出对应电流脉冲iC和输出电压vC的波形 求出iC的各次谐波分量，结合给定的负载谐振阻抗的大小，求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。5、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n 1、余弦电流脉冲的表达式n 2、余弦电流脉冲的分解系数6.3.3 高频功率放大器的动态特性n 1、动态特性和静态特性1）晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。例如vC不变，iCvB的关系曲线就是静态特性曲线转移特性曲线。2）动态特性：如果集电极电路有负载阻抗，则当改变vB使iC变化时，由于负载上有电压降，就必然引起vC的变化。即在考虑了负载的反作用后，所获得的vC、vB与iC的关系曲线就是动态特性曲线。最常用的是当vC、vB同时变化时，iCvC关系的动态特性曲线。n 2、当晶体管静态特性曲线理想化为折线而且放大器工作于负载回路谐振状态（即负载为纯电阻性）时，动态特性曲线也是一条直线。证明：放大器负载谐振时外部电路关系为整理可得：将其代入内部关系式iC+VBE _其中：表示斜率（放大器相当于一个负电阻/一个交流电能发生器，输出电能至负载）表示截距vcicVoAB OVCCQVcmvcmingd在静态特征曲线的vc轴上取B点，使OB=V0，由B点作斜率为gd的直线BA，即得动态特征曲线。3、动态特性曲线动态特性曲线的画法：取Q（t=900，vc=VCC，vb=VBB）、A（t=00，vc=VCCVcm，vb=VBB Vbm）两点，连成直线vBmax=-VBB+Vbm4.同理，可求出iC-vB平面内的动态特性曲线。在实际工作中，晶体管工作于放大区和截止区时，iC几乎不受集电极电压变化的影响，因而在iC-vB平面上的动态特性曲线几乎和静态特性曲线重合。因此在iC-vB平面上可以用静态特性来表示动态特性。vcicVoAB OVCCQVcmvcmingdvBmax=-VBB+Vbm5、关于动态特性曲线的几点讨论1）动态特性曲线是直线还是直线段？答：直线段2）随着集电极电压的变化，集电极电流如何变？答：随着集电极电压的减小，集电极电流增大。3）A点的横坐标和纵坐标分别对应着什么？答：横坐标对应着集电极电压的最小值，纵坐标对应着集电极电流的最大值。4）Q点和A点横坐标的差代表什么？答：交流输出电压的振幅。5）随着动态特性曲线斜率的变化，集电极电流的最大值和集电极电压的最小值以及交流输出电压的振幅将发生什么样的变化？答：|gd|动态特性曲线远离横轴，iCmax，vCmin，Vcm。6、对应于不同负载阻抗值Rp的动态特性曲线动态特性曲线的斜率和Rp 有关，Rp越大，Vcm越大，则 越小，故放大器的工作状态会随着Rp的变化而变化。Rp和斜率、iCmax、Vcm、vcmin以及晶体管工作状态的关系。1定义2特性 n高频功率放大器的负载特性 指 VBB、Vbm和 VCC一定，放大器性能随Rp的变化特性。Rp 的增加势必将引起 Vcm 增大(Vcm=RpIcm)Rp Vcm vCEmin iCmax ICm1和 IC0 功放欠压 过压 iC 波形出现凹陷。Rp欠压区 过压区临界区Icm1IcoVcm据此可以画出 Ic0 和 Icm1 和Vcm随 Rp 变化的特性。3 Po、P=、PC、C 随 Rp 变化的曲线 Vcm=RpIcm1，Po=VcmIcm1/2 P=VCCIC0，PC=PPo C=Po/PPoRp欠压区 过压区临界区P=PcRp欠压区 过压区临界区Icm1IcoVcm4讨论(1)欠压区Rp，iC 脉 冲 高 度 略 有 减 小，相 应 的 IC0、Ic1m 也 略 有 减 小，因 而 Vcm(=RpIcm1)和 Po()近 似 线 性 增 大，而 P=(=VCCIC0略有减小，C 增大，PC 减小。(2)过压区Rp，电流脉冲高度迅速减小，凹陷加深，相应的 IC0、Ic1m 迅速减小，结果使 Vcm 略有增加，Po、P=减小，且 Po 比 P=减小的慢，从而 C 略有增加，PC 略有减小。Rp欠压区 过压区临界区Icm1IcoVcmPoRp欠压区 过压区临界区P=Pc5.结论：1)、欠压时Icm1几乎不变，过压时Vcm几乎不变。因而可以把欠压状态的放大器当作一个恒流源，把过压状态的放大器当作一个恒压源。2)、三种工作状态的优缺点：临界状态优点：输出功率最大，效率较高，是最佳工作状态。主要用于发射机末级。过压状态优点：Rp变化时，输出电压比较平稳，弱过压时，效率最高。但输出功率有所下降。常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，发射机的中间放大级。欠压状态优点：输出功率和效率都很低，而且集电极耗损功率大，一般很少采用。Rp欠压区 过压区临界区Icm1IcoVcmPoRp欠压区 过压区临界区P=Pc6.3.5 各极电压对工作状态的影响1.VCC对工作状态的影响 Rp、VBB、Vbm保持不变，当VCC发生变化时，对晶体管工作状态的影响。因为Rp、VBB、Vbm保持不变，所以动态特性曲线的斜率保持不变，vBmax保持不变。VCC变化时，Q点的位置产生变化，对晶体管的工作状态产生影响。假如晶体管工作在临界状态，VCC变大时，动态特性曲线右移，晶体管由临界状态变为欠压状态，iCmax基本不变稍有增大；变小时，左移，变为过压状态，iCmax迅速减小。Q1Q2QvCiCvBmax=-vBB+vbmVCCVCC1VCC2 过压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲的高度迅速降低，凹陷加深，因而 IC0、Icm1、Vcm 将迅速减小。VCC对工作状态的影响 欠压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲高度略有减小，因而 IC0 和 Icm1 也将略有减小，Vcm(=RpIcm1)也略有减小。故，集电极调幅应工作在过压状态。2.VBB或Vbm对工作状态的影响 Rp、Vbm、VCC保持不变，当VBB 发生变化时，对晶体管工作状态的影响。因为Rp、Vbm、VCC保持不变，所以动态特性曲线暂时不会发生变化。若晶体管工作在临界状态，-VBB或vBmax变大，所对应的iCvC静态特性曲线上移，晶体管由临界状态变为过压状态，iCmax稍微变大；当变小时，下移，变为欠压状态，iCmax迅速下降。QvCiCvBmax=-vBB+vbmVCCvBmax2=-vBB2+vbmvBmax1=-vBB1+vbm故，基极调幅应工作在欠压状态。过压状态：随 Vbm 变大，IC0 和 Icm1、Vcm 均增加缓慢，可认为近似不变。欠压状态：随 Vbm 变大，集电极电流脉冲高度变化显著，从而IC0 和 Icm1、Vcm增加幅度大。-VBB或Vbm对工作状态的影响-VBB或Vbm-VBB或Vbm增大6.5 高频功率放大器的电路组成6.5.1 馈电线路 1.馈电方式的分类 2.馈电线路的组成三原则 3.集电极馈电 4.基级馈电6.5.2 耦合回路 要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。并联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管三者形成并联连接的方式。串联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体 管三者形成串联连接的方式。6.5.1 馈电线路1.馈电方式的分类根据直流电源连接方式的不同，可分为：集电极电流的直流分量IC0是能量的来源，除了晶体管的内阻外，应予以短路，以保证VCC全部加在集电极上，避免管外电路消耗电源功率，即 P=IC0 VCC集电极电流的基波分量Icm1通过负载回路，以产生所需的高频输出功率，只应在负载回路上产生电压降，其余部分电路都应短路。集电极电流的的高次谐波分量Icmn不应消耗功率，因此对晶体管外的电路应尽可能短路。IcoVCCIcm1CLIcmn2.馈电线路的组成三原则LCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICO直流通路ICOVCCLCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICm1交流通路Icm1LCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICmn交流通路ICmnLCCCCC1VCCLCvcm1VTLCCCVCCLCVcm1VT3.集电极馈电常用的集电极串馈和并馈电路如下图所示：LC：高频扼流圈：通直流阻交流CC：高频旁路电容：通交流隔直流CC1：隔直电容：通交流隔直流 CBLBLBLBCERbReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTVBBVBB4 基极馈电IBOVBBIBOIEO+VBB-(3)利用射极电流的直流分量EOI在eR 上产生偏压eEOBBR I V-=，而且此电路能自动维持放大器的工作稳定。功 率放大器输入匹配网络输出匹配网络RLRSvS(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)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 高频功放都要采用一定的耦合回路，以使输出功率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的四端网络来表示。这个四端网络应完成的任务是：6.5.2 输出、输入与级间耦合回路分类：6.9 功率合成器功率合成技术：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几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。功率合成器的原理方框图由图可知：功率合成器的关键部分是功率分配与合成网络。相互无关条件：合成器各放大电路互相隔离,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。功率合成电路的条件：功率相加条件：N个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，每个放大器供给匹配负载以额定功率PSO，则N个放大器输至负载总功率为N PSO。要满足上述条件，关键在于选择合适的混合网络传输线变压器。6.10 晶体管倍频器1概念倍频器(Frequency Multiplier)：将输入信号的频率倍增 n 倍的电路。3原理 在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入信号频率的 n 次谐波上，则输出谐振回路上仅有 iC 中的 n 次谐波分量产生的高频电压，而其他分量产生的电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号频率 n 倍的输出信号功率。2分类丙类倍频器：利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频；参量倍频器：利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频。谢谢大家！