第三章 高频功率放大器精选文档.ppt

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1、第三章 高频功率放大器本讲稿第一页，共六十九页高频电子线路 3.1 概概 述述 在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器按工作频带的宽窄可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器通常以LC并联谐振回路作负载，因此又称为谐振功率放大器。本讲稿第二页，共六十九页高频电子线路本讲稿第三页，共六十九页高频电子线路 功率放大器的效率与其放大器件的工作状态有直接关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，提高功率放大器效率的主要途径是改变放大器件的工作状态。如:工作在丙类。甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形甲、乙、丙三

2、种状态时的晶体管集电极电流波形本讲稿第四页，共六十九页高频电子线路本讲稿第五页，共六十九页高频电子线路 在丙类工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小(窄带)，可以采用谐振回路作负载，通过谐振回路的选频作用，滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。本讲稿第六页，共六十九页高频电子线路 高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。为了提高高频功率放大器的效率，应采用丙类工作状态。本章主要讨论两个问题：1.为什么在丙类工作时能获得高的输出功率和效率呢?2.高频功率放大器的工作状态如何确定。本讲稿第七页，共六十九页

3、高频电子线路3.2 非线性电路的特性及分析方法非线性电路的特性及分析方法 电路元件可分为：线性元件、非线性元件和时变参量元件三类。全部由线性元件组成的电路称线性电路。包含一个以上非线性元件的电路称为非线性电路。包含一个以上时变参量元件的电路称为时变参量电路。描述线性电路可采用常系数线性微分方程组。描述非线性电路可采用非线性微分方程组。描述时变参量电路可采用变系数线性微分方程组。描述非线性时变参量电路可采用变系数非线性微分方程组。本讲稿第八页，共六十九页高频电子线路 在电子技术中一些非常重要的现象和过程都属于非线性现象和参量现象，工程上为了简化计算，较多的场合不用求解微分方程，而采用一些近似分析

4、方法。3.2.1非线性元件的特性(1)、非线性电阻器直流电阻线性电阻器特性本讲稿第九页，共六十九页高频电子线路非线性电阻器特性动态电阻静态电阻本讲稿第十页，共六十九页高频电子线路外加直流电压Vo所确定的点称为静态工作点静态电阻和动态电阻均与工作点有关。例：隧道二极管特性隧道二极管特性中AB段动态电阻为负。本讲稿第十一页，共六十九页高频电子线路(2)、非线性元件的频率变换作用设一正弦电压若把它加到线性元件上，则：输出电流中仅含、两个频率。本讲稿第十二页，共六十九页高频电子线路若把它加到非线性元件上，则：可见，输电流中出现新频率：直流、本讲稿第十三页，共六十九页高频电子线路(3)、非线性电路不满足

5、叠加原理 对于非线性元件，若单独作用，则有若单独作用，则有若同时作用时有：本讲稿第十四页，共六十九页高频电子线路显然，非线性电路不满足叠加原理。3.2.2 3.2.2 非性线电路分析法非性线电路分析法如何获得非线性元件的特性?(1)、幂级数分析法 由于幂级数简单，各种函数可用幂级数表示，因而非线性元件特性可用幂级数表示。设非线性元件的特性可用函数 表示，且的各价导数存在，则 在静态工作点Vo上展开式为可展开成：本讲稿第十五页，共六十九页高频电子线路其中：如果Vo=0,则本讲稿第十六页，共六十九页高频电子线路例：已知2AP12二 极管的特性曲线如图示。试计算其特性方程。解：由于元件工作于特性曲线

6、弯曲部分，故可用幂级数前三项来近似：（1）2AP12二极管的特性曲线本讲稿第十七页，共六十九页高频电子线路把b0、b1代入（）得从特性曲线可知，点B(0.6,18)是曲线上的一点，把点坐标代入（）式得（）解得因而2AP12的特性方程为本讲稿第十八页，共六十九页高频电子线路()、指数函数分析法 由于指数函数也比较简单，因而非线性元件特性可用指数函数表示。如PN结电流与电压的关系。由于所以：PN结电流与电压的关系q-电荷电量k-玻尔兹曼常数T-绝对温度本讲稿第十九页，共六十九页高频电子线路(3)、折线分析法 在输入信号很大时，非线性元件的特性可用折线近似，如三极管的转移特性可用折线近似：三极管的转

7、移特性可用折线近似本讲稿第二十页，共六十九页高频电子线路本讲稿第二十一页，共六十九页 3.3 谐振高频功率放大器原理谐振高频功率放大器原理 3.3.1.基本电路基本电路3.3.2.工作状态工作状态b高频功率放大器的原理电路图高频电子线路管子仅在 时导通。因而管子仅在一小段时间内导通。本讲稿第二十二页，共六十九页高频电子线路本讲稿第二十三页，共六十九页高频电子线路。设管子仅在 至之间导通，则：管子集电极电流为余弦脉冲串,半通角为 ，称为丙类工作状态。集电极电流包含很多谐波，失真很大。本讲稿第二十四页，共六十九页高频电子线路集电极电流波形基波电流波形二次谐波电流波形三次谐波电流波形四次谐波电流波形

8、本讲稿第二十五页，共六十九页高频电子线路 由于集电极回路中的并联谐振回路谐振于基频，它对基频呈现出很大的纯电阻性阻抗，而对其它谐波则呈现出很小阻抗，因而在并联谐振回路两端的电压几乎只含有基频。尽管子集电极电流为余弦脉冲串，但在并联谐振回路两端仍输出正弦波。VC本讲稿第二十六页，共六十九页高频电子线路1.转移特性用折线近似：其中常数三极管的转移特性3.4.1 晶体管特性3.4 谐振高频功率放大器的折线分析谐振高频功率放大器的折线分析本讲稿第二十七页，共六十九页高频电子线路2.输出特性饱和区放大区 在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。在放大区，集电极电流只受集电极电流的控制

9、，与集电极电压无关。三极管的输出特性或本讲稿第二十八页，共六十九页高频电子线路3.4.2 余弦电流脉冲分解由于又因当 时，得(1)(2)由(1)式减(2)式得：(3)本讲稿第二十九页，共六十九页高频电子线路当 时，则有：(4)由(3)式除以(4)式得：或可见，是 的函数，故可将其分解成富里叶级数：本讲稿第三十页，共六十九页高频电子线路其中：本讲稿第三十一页，共六十九页高频电子线路以上各式可简写成：式中 等均是 的函数，称为尖顶余弦脉冲的分解系数。本讲稿第三十二页，共六十九页高频电子线路余弦脉冲分解系数与余弦脉冲分解系数与 的关系的关系I本讲稿第三十三页，共六十九页高频电子线路 由于集电极回路中

10、的并联谐振回路谐振于基频，它对基频呈现出很大的纯电阻性阻抗，而对其它谐波则呈现出很小阻抗，因而在并联谐振回路两端的电压几乎只含有基频。vC3.4.3 功率与效率本讲稿第三十四页，共六十九页高频电子线路管子集电极电流脉冲可分解成富里叶级数：直流电源供给功率：设集电极谐振电阻为 ，则回路吸收的功率为：给定了PO，则所需的回路阻抗为：本讲稿第三十五页，共六十九页高频电子线路放大器效率：称作电压利用系数，一般接近于。称为波形系数，它是c的函数，c 越小，越大。本讲稿第三十六页，共六十九页高频电子线路从尖顶脉冲的分解系数来看，的最大值为0.536，对应的 。这时，输出功率 为最大。但此时 较小，效率 不

11、高。效率最高是 ，但输出功率却为。在实际应用中，兼顾输出功率和效率，一般选取 左右为佳。从尖顶脉冲的分解系数可知，在 时，最大。在 时，最大。本讲稿第三十七页，共六十九页高频电子线路 3.5 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的动态特性 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得到的 关系，这是晶体管本身所固有的。在高频功率放大器的电路和输入、输出条件确定后，也就是在晶体管、电源电压 和 、输入信号振幅 和输出信号振幅 一定的条件下，称为放大器的动态特性。本讲稿第三十八页，共六十九页高频电子线路 3.5.1.动态特性 从以上分析可知：又因：从晶体管特性得：本讲稿第三十九页，共六

12、十九页高频电子线路现已找到 的关系式，斜率为本讲稿第四十页，共六十九页高频电子线路点：当 时，点：当 时，动态特性曲线动态特性曲线本讲稿第四十一页，共六十九页本讲稿第四十二页，共六十九页高频电子线路 谐振功率放大器的工作状态是指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。它分为欠压、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。本讲稿第四十三页，共六十九页高频电子线路 功率放大器的三种工作状态功率放大器的三种工作状态本讲稿第四十四页，共六十九页高频电子线路 负载特性指在晶体管及 、，一定时，改变 ，高频功率放大器的工作状态发生改变,回路谐振电阻 电流、电压、功率和

13、效率随 变化的关系。3.5.2 高频功率放大器的负载特性本讲稿第四十五页，共六十九页高频电子线路 各极电压变化对工作状态的影响各极电压变化对工作状态的影响(一)改变集电极电源电压对工作状态的影响 当集电极电源电压由大变小时，高频功率放大器的工作状态是由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。改变改变 对工作状态的影响对工作状态的影响本讲稿第四十六页，共六十九页高频电子线路 改变改变对电流和功率的影响对电流和功率的影响本讲稿第四十七页，共六十九页高频电子线路 改变改变 对工作状态的影响对工作状态的影响 改变 对工作状态的影响本讲稿第四十八页，共六十九页高频电子线路 改变改变 对电流和功率的影响对

14、电流和功率的影响本讲稿第四十九页，共六十九页高频电子线路 改变改变Vbb对工作状态的影响对工作状态的影响 变化引起的工作状态变化变化引起的工作状态变化本讲稿第五十页，共六十九页高频电子线路动态特性的三种状态的运用：1.欠压状态，集电极电流为正弦，输出功率与效率都较低，输出电压不稳。一般不用。2.过压状态，集电极电流为下凹正弦，输出功率有所下降，效率较高，输出电压较稳。一般用于中间级。3.临界状态，集电极电流为正弦，输出功率最大，效率较高，一般用于未级功放。本讲稿第五十一页，共六十九页高频电子线路 3.6谐振高频功率放大器的电路组成谐振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

15、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。可认为它是由直流馈电电路和匹配网络两部分组成。一、直流馈电电路一、直流馈电电路 晶体管高频功率放大器的直流馈电电路分为集电极馈电电路和基极馈电电路两类。本讲稿第五十二页，共六十九页高频电子线路(一)集电极馈电电路 集电极直流馈电电路有串联馈电和并联馈电两种形式。这些原则：(1).直流电源是产生功率的源泉；(2).高频基波分量应通过负载回路，以产生所需要的高频输出功率。(3).高频谐波分量是不需要的成分，它不应该消耗功率。因此管外电路对来说，应该尽可能接近短路，使谐波高频

16、能量不会发射出去。本讲稿第五十三页，共六十九页高频电子线路 要满足以上三个要求，必须要加一些馈电元件来实现，如高频扼流圈、旁路或隔直电容等。晶体管、负载回路和直流电源组成串联联接形式称为串联馈电；晶体管、负载回路和直流电源组成并联联接形式称为并联馈电。本讲稿第五十四页，共六十九页高频电子线路(二)基极馈电电路 基极馈电电路的组成也有串联馈电和并联馈电两种形式，如图所示。基极的反向偏压既可以是外加的，也可以是由基极电流的直流分量或发射极电流的直流分量产生。后者称为自给偏压。自给反向偏置电路自给反向偏置电路本讲稿第五十五页，共六十九页高频电子线路二、匹配网络二、匹配网络 根据谐振功率放大器在发射机

17、中所处位置的不同，常将谐振功率放大器所采用的匹配网络分为输入、输出和级间耦合三种电路。输入匹配网络用于信号源与谐振功率放大器之间；输出匹配网络用于输出级与天线负载之间；级间耦合匹配网络用于高频功率放大器的推动级与输出级之间。这三种匹配网络都可以使用由L和C组成的L型、型或T型这样的基本网络。本讲稿第五十六页，共六十九页高频电子线路160MHz、13W谐振功率放大器 本讲稿第五十七页，共六十九页高频电子线路 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

18、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。本讲稿第五十八页，共六十九页高频电子线路 3.7 3.7 丙类倍频器丙类倍频器 在无线电发射机、频率合成器等电子设备中，广泛地运用了倍频器。采用倍频器的优点是：1能降低电子设备的主振频率，对提高设备的频率稳定度有利。2在通信机的主振器工作波段不扩展的条件下，可利用倍频器扩展发射机输出级的工作波段。3在调频和调相发射机中，采用倍频器可加大频移或相移，即可加深调制深度。本讲稿第五十九页，共六十九页高频电子线路iciC1i

19、C2ic频谱频谱0ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性谐振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC2本讲稿第六十页，共六十九页高频电子线路 晶体管倍频器原理电路般工作在欠压和临界状态，而很少工作在过压状态。其原因是，在过压状态下，集电极电流脉冲出现顶部凹陷，它所含有的谐波分量不会明显增加，反而需要很大的激励电压(或功率)，致使功率增益明显下降。二倍频器的交流等效电路二倍频器的交流等效电路本讲稿第六十一页，共六十九页高频电子线路D D类功放原理类功放原理 D类功放采用两只极间电容很小的高速开关功率晶体管构成，电路结构如图所示。为便于分析，我们首先假设图中的晶体管只起短路(导通)和开路(截止)

20、的作用。在导通时管子C、E间的压降为零，截止、时C、E端无漏电电流流过。本讲稿第六十二页，共六十九页高频电子线路本讲稿第六十三页，共六十九页高频电子线路E类功放原理类功放原理 在C类放大器中，管子ic从零到最大值或从最大值回到零的过程中，不能完全做到为零或等于管子饱和压降。为此，可做如下改进。第一，使L、C、R支路约显感性。第二，在管子c、e间并上一个适当的电容，以保证ic向载止过渡期间时Vce较小。本讲稿第六十四页，共六十九页高频电子线路第三，为防止三极管反转工作(C变E、E变C的工作)，应在管子C、E间接一个反向高速二极管。第四，为加速导通与截止的转换时间，输入信号应采用开关激励。经上述改

21、进后的电路。图中的Lo、Co谐振于信号频率，L是输出支路显感生的电感。这一电路就是E类放大器的原理电路。本讲稿第六十五页，共六十九页高频电子线路本讲稿第六十六页，共六十九页高频电子线路 思考题与习题思考题与习题3-1 为什么低频功率放大器不能工作在丙类？而高频功率放大器则可以工作在丙类？3-2丙类放大器为什么要用调谐回路作为集电极负载？回路为什么要调到谐振状态？回路失谐将如何变化？3-3 当谐振功率放大器的激励信号为正弦波时，集电极电流通常为余弦脉冲，而为什么能得到正弦电压输出？3-4 晶体管集电极效率是怎样确定的？若提高集电极效率应从何处下手？本讲稿第六十七页，共六十九页高频电子线路3-5已知某一谐振功放工作在过压状态，现欲将它调整到临界状态，应改变哪些参数？不同调整方法所得到的输出功率是否相同？为什么？3-6 什么丙类放大器的最佳负载？怎样确定最佳负载？3-7实际信道输入阻抗是变化的，在设计功率调谐放大器时，应怎样考虑负载值。3-8 导通角怎样确定？它与那些因素有关？导通角变化对丙类放大器输出功率有何影响？本讲稿第六十八页，共六十九页高频电子线路本讲稿第六十九页，共六十九页