高频功率放大器正式版.ppt

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1、 高频电子线路第第4 4章章 高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器4.4.1 1 概述概述4.4.2 2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理4.4.3 3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法4.4.4 4 晶体管功率放大器的高频特性晶体管功率放大器的高频特性4.4.5 5 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成4.6 4.6 丁类高频功率放大器丁类高频功率放大器 4.7 4.7 4.7 4.7 宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器 4.8 4.8 4.8 4.8 功率合

2、成器功率合成器功率合成器功率合成器4.9 4.9 4.9 4.9 晶体管倍频器晶体管倍频器晶体管倍频器晶体管倍频器1 高频电子线路4.1 概述1、使用高频功率放大器的目的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。联想对比：联想对比：2 高频电子线路3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器

3、波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图4.1 概述3 高频电子线路小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 4.1 概述4 高频电子线路谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图4.1 概述5 高频电子线路4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处:都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振放大器可分为

4、低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。4.1 概述6 高频电子线路工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率4.1 概述7 高频电子线路5.高频功放在发射机中的位置4.1 概述8 高频电子线路4.2 谐振功率放大器的工作原理1、原理电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电源的直

5、流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：晶体管的内部特性：9 高频电子线路故晶体管的转移特性曲线表达式：谐振功率放大器转移特性曲线故得：必须强调指出，集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下图所示4.2 谐振功率放大器的工作原理10 高频电子线路高频功率放大器中各分电压与电流的关系（a）4.2 谐振功率放大器的工作原理11 高频电子线路高频功率放大器中各部分电压与电流的关系4.2 谐振功率放大器的工作原理12 高频电子线路LC回路能量转换过

6、程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由回路是由L、C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止。由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。4.2 谐振功率放大器的工作原理13 高频电子线路2、谐振功率放大器

7、的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极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去。由前述所知：由前述所知：有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。P=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：14 高频电子线路由上式可以得出以下两点结论：1)设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率c自 然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功 率Po就会

8、增大；2）由式由式可知可知 如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，那么提高集电极效率c，将使交流输出功率Po大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。15 高频电子线路如何减小集电极耗散功率Pc 可见使ic在vc最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180，处于丙类工作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c90，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：16 高频电子线路直流功率：输出交流功率：Vcm 回路两端的基频电压 Icm1 基频电流

9、Rp 回路的谐振阻抗放大器的集电极效率：17 高频电子线路集电极电压利用系数波形系数，通角c的函数；c越小g1(c)越大越大(即Vcm越大或vmin越小)c越小效率c越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率c的途径即为减小c角；使LC回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应vc的最小值。基极偏置为负值；半通角c90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：18 高频电子线路4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0和基频分量Icm1。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

10、器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。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静态特性曲线后进行分析和计算的方法。19 高频电子线路折线化的前提要求：工作在低频区低频区:f工作0.5f (可忽略内部电抗)中频区:0.5ff工作0.2fT(考虑内部电抗)高频区:0.2fTf工作回路损耗电阻回路损耗电阻r r1 1 衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率k，简称中介回路效率。4.5 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成68 高频电子线路 从回路传输效率高的观点来看，应使QL尽可能

11、地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。故有故有:4.5 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成69 高频电子线路6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 一、一、概述概述 n甲、乙、丙类甲、乙、丙类 放大器的比较放大器的比较70 高频电子线路n甲到乙到丙类是通过不断减小导通角，通过减少ic的流通时间(Pc)，使。n 太小时,虽高,但Icm,Po反而下降。为提高Icm，必须加

12、大激励电压(太大会击穿管子)。n丁(D)类，戊(E)类采用固定=90o(Icm固定)，而尽量减小Pc的方法，提高,即：管子工作于开关状态n导通时进入饱和区：vc=Vces,ic=icesn截止时进入截止区：vc=Vces,ic=0n 使Pc=VcIc大大减小,使,理想时接近100%。6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 71 高频电子线路丁类放大器的iC与vce6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高

13、频功率放大器 72 高频电子线路电压开关型丁类放大器二、电压开关型电路二、电压开关型电路 6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 73 高频电子线路n V VT T1 1和和V VT T2 2轮流导通、截止。轮流导通、截止。L L、C C、R R串联串联(电流电流)谐振，谐振于基波频率谐振，谐振于基波频率(选频选频)。n工作波形工作波形6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 74 高频电子

14、线路nV VT1T1导通：导通：A A点电位点电位=V Vcccc-V VcescesnV VT2T2导通：导通：A A点电位点电位=V Vcescesnv vA A（方波）经付氏级数分解，选出基波方波）经付氏级数分解，选出基波V V1 1基波电压峰值：基波电压峰值：V Vo o=V=V1 1=(2/)(=(2/)(V Vcccc-2V-2Vcesces )基波电流峰值：基波电流峰值：I I1 1=V=Vo o/R=(2/R)(/R=(2/R)(V Vcccc-2V-2Vcesces )平均分量：平均分量：(直流直流)I Icoco=I=I1 1/=(2/=(2/2 2R)(R)(V Vccc

15、c-2V-2Vcesces )6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 75 高频电子线路n则输出功率：则输出功率：nPo=(V1I1)/2=(2/2R)(Vcc-2Vces)2n直流供电功率：直流供电功率：nPdc=VccIco=(2Vcc/2R)(Vcc-2Vces)nn集电极效率：集电极效率：nc=Po/Pdc=1-(2Vces/Vcc)n当当Vces很小时，很小时，c接近接近100%注意：注意：选用开关时间短的器件，以提高选用开关时间短的器件，以提高 c c。6.6 6.6 6.6 6

16、.6 丁类（丁类（丁类（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 76 高频电子线路n另外：另外：n(1)(1)电流开关型电路：电流开关型电路：c c更高更高n c c=P Po o/P Pdcdc=1-(=1-(V Vcesces/V Vcccc)n(2)(2)戊戊(E E)类：类：n 单管开关工作，开关时间下降，只有器件的电流单管开关工作，开关时间下降，只有器件的电流变为零时管子才能导通或截止，减少了开关转换期变为零时管子才能导通或截止，减少了开关转换期间的器件功耗。间的器件功耗。第六节结束6.6 6.6 6.6 6.6 丁类（丁类（丁类

17、（丁类（D D D D类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器类）高频功率放大器 77 高频电子线路6.7 6.7 6.7 6.7 宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器n一、低频变压器的特性一、低频变压器的特性78 高频电子线路n为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施：为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施：n尽量减小线圈的漏感与分布电容；尽量减小线圈的漏感与分布电容；n采取使用铁氧体磁心，匝数少，匝间距大采取使用铁氧体磁心，匝数少，匝间距大n减小磁心的功率损耗；减小磁心的功率损耗；n采用高频铁氧体磁心采用高频铁氧体磁心n为展宽

18、低频相应，初级线圈电感大。为展宽低频相应，初级线圈电感大。n采用高导磁率磁心，加大环形磁心截面积采用高导磁率磁心，加大环形磁心截面积79 高频电子线路二、传输线变压器二、传输线变压器n解决普通变压器不能满足工作频率高、频解决普通变压器不能满足工作频率高、频带宽的矛盾。带宽的矛盾。1.1.传输线变压器结构传输线变压器结构 用两根平行线绕在用两根平行线绕在高导磁率的磁环上。高导磁率的磁环上。80 高频电子线路2.2.传输线变压器电路表示形式传输线变压器电路表示形式 低频端采用变压器的工作模式，高频端采用传输低频端采用变压器的工作模式，高频端采用传输线模式，利用分布电容传输高频信号。线模式，利用分布

19、电容传输高频信号。81 高频电子线路1:4 1:4 传输线变压器传输线变压器82 高频电子线路1:4 1:4 传输线变压器电路表示形式传输线变压器电路表示形式自读：P330-P35383 高频电子线路本章小结：本章小结：n一、谐振功率放大器的特点一、谐振功率放大器的特点n二、谐振功率放大器的工作原理二、谐振功率放大器的工作原理n1.1.谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理n2.2.谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率84 高频电子线路n三、谐振功率放大器的折线近似分析法n1.折线化的适用范围和分析步骤n2.集电极余弦电流脉冲的分解n三种工作状态：欠压、临界、过压状态nRP、Vcc、Vbm、VBB变化谐振放大器工作状态的切换临界线方程 iC=gcrvCiC=gc(vBVBZ)(vBVBZ)85 高频电子线路n四、晶体管功率放大器的高频效应n基区渡越时间、rbb、Vces、引线电感影响n五、高频功率放大器的电路组成n六、丁类（D类）高频功率放大器 n n七、宽带高频功率放大器本章结束，谢谢各位朋友的合作！本章结束，谢谢各位朋友的合作！86