第3章高频功率放大器(精品).ppt

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1、第第3章高频功率放大器章高频功率放大器 3.1概述概述 3.2高频功率放大器的工作原理及特性分析高频功率放大器的工作原理及特性分析 3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 3.4宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 3.5高频功率放大器的制作、调试与检测高频功率放大器的制作、调试与检测 3.1概述概述3.1.1高频功率放大器的功能高频功率放大器的功能 功率放大器的任务是供给负载足够大的信号功率。高频功率放功率放大器的任务是供给负载足够大的信号功率。高频功率放大器的工作频率为大器的工作频率为105 109 Hz.对以某一频率为中心的一定频带范围内对以某一频率为中心的一定频带范围内的信号有放大

2、功能的信号有放大功能.龙广泛用于无线电通信系统和各种电子仪器设备龙广泛用于无线电通信系统和各种电子仪器设备中。根据被放大信号相对频带的宽窄中。根据被放大信号相对频带的宽窄.可分为窄带、宽带高频功放。可分为窄带、宽带高频功放。窄带高频功率放大器由于工作频率高窄带高频功率放大器由于工作频率高.相对频带宽度很窄相对频带宽度很窄(例如例如.中波中波广播电台广播电台(5351605kHz频段频段)的频带宽度为的频带宽度为9kHz,如中心频率为如中心频率为1000kHz.则它的相对频宽只相当于中心频率的百分之一则它的相对频宽只相当于中心频率的百分之一).因此因此.允大允大器输出电路一般都采用较低器输出电路

3、一般都采用较低Q值的值的LC谐振回路作为它的负载。通常把谐振回路作为它的负载。通常把这种养频带的高频功率放大器称为谐振功率放大器这种养频带的高频功率放大器称为谐振功率放大器.它适用于固定频它适用于固定频率或频率变化范匡较小的通信设备中率或频率变化范匡较小的通信设备中.是发射机的重要组成部分是发射机的重要组成部分.常在常在调幅、调频广播发射系统引用作输出级。对于那些频率变化范围较大调幅、调频广播发射系统引用作输出级。对于那些频率变化范围较大的通信的通信下一页返回3.1概述概述 设备设备.由于难以迅速变换窄带毛率放大器负载回路的频率由于难以迅速变换窄带毛率放大器负载回路的频率.为保证信号为保证信号

4、不失真不失真.一般工作在线性放大状态一般工作在线性放大状态.其豁出电路常采用宽频带的传输线其豁出电路常采用宽频带的传输线变压器作为负载变压器作为负载.构成宽频带高频功率放大器。宽带功放常用在中心构成宽频带高频功率放大器。宽带功放常用在中心频率多变化的某些通信电台中作为发射机的中间级频率多变化的某些通信电台中作为发射机的中间级.以提高打干扰能以提高打干扰能力。力。3.1.2高频功率放大器的分类高频功率放大器的分类 和低频功放类似和低频功放类似.高频功放的工作状态取决于其偏置情况、输入高频功放的工作状态取决于其偏置情况、输入信号电平的高低。根据放大管集电极电流在输入信号周期内的导通时信号电平的高低

5、。根据放大管集电极电流在输入信号周期内的导通时间间.高频功率放大器分为高频功率放大器分为A(甲甲)类、类、B(乙乙)类、类、C(丙丙)类、类、D(丁丁)类、类、AB类和类和E类等。在输入信号的整个周期内类等。在输入信号的整个周期内.集电极都有电流流通的为集电极都有电流流通的为A类类功率放大器功率放大器;只在输入信号的半个周期内有电流流通的为只在输入信号的半个周期内有电流流通的为H类类;在小于在小于输入信号半个周期内有电流流通的为输入信号半个周期内有电流流通的为C类放大器。类放大器。下一页上一页返回3.1概述概述3.1.3高频功率放大器的主要技术指标高频功率放大器的主要技术指标 高频功率放大器的

6、主要性能指标是输出功率和效率。高频功率放大器的主要性能指标是输出功率和效率。A类及推挽类及推挽电路形式的电路形式的B类高频功放类高频功放.其输出信号基本没有非线性失真其输出信号基本没有非线性失真(或失真较或失真较小小).为线性功率放大器为线性功率放大器.适合于放大调幅信号。单管组成的适合于放大调幅信号。单管组成的B类、类、C类类或或D类、类、E类等高频功放类等高频功放.其输出信号在波形上相对输入信号产生非线其输出信号在波形上相对输入信号产生非线性失真性失真.在频率成分中除了含有输入信号的频率分量外在频率成分中除了含有输入信号的频率分量外.还有许多其他还有许多其他频率分量。为滤除不需要的频率分量

7、频率分量。为滤除不需要的频率分量.功放的输出端应接入功放的输出端应接入LC谐振回谐振回路路.构成谐振功率放大器。谐振功放适合放大单频信号构成谐振功率放大器。谐振功放适合放大单频信号(如高频振荡信如高频振荡信号、载波信号号、载波信号)和调频等幅信号等。和调频等幅信号等。C类谐振功率放大器由于晶体管工类谐振功率放大器由于晶体管工作在非线性状态作在非线性状态.所以它属于非线性电子线路所以它属于非线性电子线路.因而不能用线性等效电因而不能用线性等效电路来分析路来分析.通常采用工程近似解析法进行分析和估算。通常采用工程近似解析法进行分析和估算。上一页返回3.2高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作

8、原理及特性分析及特性分析3.2.1工作原理工作原理 高频功率放大器的原理电路如高频功率放大器的原理电路如图图3-1所示所示 它由晶体管、谐振回路、电源及基极偏置电路等组成。为了保证它由晶体管、谐振回路、电源及基极偏置电路等组成。为了保证晶体管工作在丙类状态晶体管工作在丙类状态.基极偏压应使晶体管工作在截止区基极偏压应使晶体管工作在截止区.一般为负一般为负值值.即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号.一般在一般在0.5v以上以上.可达可达12v,甚至更大。也就是说甚至更大。也就是说.晶体管工作在截止和导通晶体管工作在截止和导通(线性放大线

9、性放大)两种状态下两种状态下.基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。与低频功放不同的是与低频功放不同的是.高频功放选用谐振回路作负载高频功放选用谐振回路作负载.既保证输出电压既保证输出电压相对于输入电压不失真相对于输入电压不失真.还具有阻抗变换的作用。这是因为集电极电还具有阻抗变换的作用。这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲流是周期性的高频脉冲.其频率分量除了有用分量其频率分量除了有用分量(基波分量基波分量)外外.还有还有谐波分量和其他频率成分谐波分量和其他频率成分.用谐振回路选出有用分量用谐振回路选出有用分量.将其他无用分量将其他无用分量滤除滤除;通过谐

10、振回路阻抗的调节通过谐振回路阻抗的调节.从而使谐振回路呈现高频功放所要求从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗的最佳负载阻抗.即匹配即匹配.使高频功放高效输出大功率。使高频功放高效输出大功率。下一页返回3.2高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理及特性分析及特性分析3.2.2特性分析特性分析1.高频功放的工作状态高频功放的工作状态 在放大器中在放大器中.根据晶体管工作是否进入截止区和进入截止区时间根据晶体管工作是否进入截止区和进入截止区时间的相对长短的相对长短.即根据晶体管的导通角即根据晶体管的导通角0的大小的大小.将放大器分为将放大器分为:甲类、乙甲类、乙类、甲乙类、丙类等

11、工作状态。而在丙类放大器中类、甲乙类、丙类等工作状态。而在丙类放大器中.还可根据晶体管还可根据晶体管工作状态是否进入饱和区工作状态是否进入饱和区.将其分为欠压、临界和过压工作状态。将将其分为欠压、临界和过压工作状态。将不进入饱和区的工作状态称为欠压状态不进入饱和区的工作状态称为欠压状态.其集电极电流脉冲形状如其集电极电流脉冲形状如图图3-4中曲线中曲线所示所示.为尖顶余弦脉冲。将进入饱和区的工作状态称为过为尖顶余弦脉冲。将进入饱和区的工作状态称为过压状态压状态.其集电极电流脉冲形状如其集电极电流脉冲形状如图图3-4中曲线中曲线所示所示.为中间凹陷的余为中间凹陷的余弦脉冲。如果晶体管刚好不进入饱

12、和区弦脉冲。如果晶体管刚好不进入饱和区.则称为临界工作状态则称为临界工作状态.其集电其集电极电流脉冲形状如极电流脉冲形状如图图3-4中曲线中曲线所示所示.虽然仍为尖顶余弦脉冲虽然仍为尖顶余弦脉冲.但顶端但顶端变化平缓。变化平缓。下一页上一页返回3.2高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理及特性分析及特性分析 2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性 负载特性是指只改变回路谐振电阻尺负载特性是指只改变回路谐振电阻尺.直流电源电压直流电源电压Vcc VBB及输及输入电压入电压uim振幅维持不变时振幅维持不变时.高频功放电流、电压、功率及效率变化的高频功放电流、电压、功率及效率变化的特性。

13、特性。3.高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Uim时时.放大器电流、放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在放大某些振幅变化的高频信号时电压、功率及效率的变化特性。在放大某些振幅变化的高频信号时.必须了解它的振幅特性。必须了解它的振幅特性。下一页上一页返回3.2高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理及特性分析及特性分析 4.高频功放的调制特性高频功放的调制特性 在高频功放中在高频功放中.有时希望用改变某一电极直流电压来改变高频信有时希望用改变某一电极直流电压来改变高频信号的振幅号的振幅.从而实现振幅

14、调制的目的。高频功放的调制特性分为基极从而实现振幅调制的目的。高频功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。调制特性和集电极调制特性。1)基极调制特性基极调制特性 图图3-8给出了高频功放的基极调制特性。给出了高频功放的基极调制特性。2)集电极调制特性集电极调制特性 集电极调制特性指仅改变集电极调制特性指仅改变VCC放大器电流、电压、功率及效率的放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。在变化特性。在VBB,Uim及及Re不变时不变时.当当VCC由大到小变化时由大到小变化时.功放的工功放的工作状态由欠压工作状态到临界作状态由欠压工作状态到临界.再进入到过压工作状态再进入到过压工作状态.集电

15、极电流从集电极电流从一完整的余弦脉冲变化到凹顶脉冲。一完整的余弦脉冲变化到凹顶脉冲。图图3-9给出了高频功放的集电极调给出了高频功放的集电极调制特性。制特性。上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路3.3.1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图图3-10是集电极馈电线路的两种形式是集电极馈电线路的两种形式:串联馈电线路、并联馈电线路。串联馈电线路、并联馈电线路。2.基极馈电线路基极馈电线路常见的基极馈电线路形式如常见的基极馈电线路形式如图图3-11所示所示3.3.2输出匹配网络输出匹配网络 1.LC网络的阻抗变换作用网络的阻抗变换作用 1)串、并联电路的阻抗变

16、换串、并联电路的阻抗变换 电抗、电阻的串联和并联电路如电抗、电阻的串联和并联电路如图图3-12(a),(b)所示所示.它们之间可以它们之间可以互相等效转换。令两者的端导纳相等互相等效转换。令两者的端导纳相等.就可以得到它们之间的等效转就可以得到它们之间的等效转换关系。由换关系。由图图3-12(a)可得：可得：下一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路由由图图3-12(b)可得可得下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路由此可得串联阻抗转换为并联阻抗的关系式为由此可得串联阻抗转换为并联阻抗的关系式为下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路反之反之.可

17、得并联阻抗转换为串联阻抗的关系式为可得并联阻抗转换为串联阻抗的关系式为下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 2)L形匹配网络的阻抗变换形匹配网络的阻抗变换 这是由两个异性电抗元件接成这是由两个异性电抗元件接成L形结构的阻抗变换网络形结构的阻抗变换网络.它是最它是最简单的阻抗变换电路。简单的阻抗变换电路。图图3-15(a)所示为低阻抗变高阻抗的匹配网络。实际上所示为低阻抗变高阻抗的匹配网络。实际上.这种阻这种阻抗变换电路就是前面介绍原理电路时采用的并联谐振回路。抗变换电路就是前面介绍原理电路时采用的并联谐振回路。RL为外接为外接实际负载电阻实际负载电阻.它与电感支路相串联它

18、与电感支路相串联.可减小高次谐波的输出可减小高次谐波的输出.对提高对提高滤波性能有利。为了提高网络的传输效率滤波性能有利。为了提高网络的传输效率.C应采用高频损耗很小的电应采用高频损耗很小的电容容.L应用应用Q值高的电感线圈。值高的电感线圈。下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 将将图图3-15(a)中中L和和RL串联电路用并联电路来等效串联电路用并联电路来等效.则得则得图图3-15(b 所示电路。由串并联电路阻抗变换关系可得所示电路。由串并联电路阻抗变换关系可得下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 3)形和形和T形匹配网络形匹配网络 由于由于L形网

19、络阻抗变换前后的电阻相差形网络阻抗变换前后的电阻相差1+Qe2倍倍.如果实际情况下如果实际情况下要求变换的倍数并不高要求变换的倍数并不高.这样回路的这样回路的Qe只能很小只能很小.其结果滤波性能很差。其结果滤波性能很差。为了克服这一矛盾为了克服这一矛盾.可采用可采用形和形和T形匹配网络形匹配网络.如如图图3-17所示。所示。2.高频功放的实际线路举例高频功放的实际线路举例 图图3-19是工作频率为是工作频率为50MHz的晶体管谐振功率放大电路的晶体管谐振功率放大电路.它向它向50,外接负载提供外接负载提供25W功率功率.功率增益达功率增益达7 dB。这个放大电路基极采。这个放大电路基极采用零偏

20、用零偏.集电极采用串馈集电极采用串馈.并由并由L2 L3 C3 C4组成二形网络组成二形网络下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路3.丁类丁类(D类类)谐振功率放大器和丙类倍频器谐振功率放大器和丙类倍频器 在丙类高频功放中在丙类高频功放中.提高放大器集电极的效率是靠减小集电极电提高放大器集电极的效率是靠减小集电极电流的导通角流的导通角来实现的。为了让输出功率既符合要求又不使输入激励来实现的。为了让输出功率既符合要求又不使输入激励电压太大电压太大.就不能太小就不能太小.因而因而.放大器效率的提高就受到了限制。放大器效率的提高就受到了限制。由于晶体管放大器集电极效率为由于晶体管

21、放大器集电极效率为 要提高放大器效率要提高放大器效率.应尽可能减小集电极耗散功率应尽可能减小集电极耗散功率PC,而而下一页上一页返回3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 可见可见.要减小要减小PC:一种方法是减小一种方法是减小PC的积分区间的积分区间,另一种方法是减另一种方法是减小小ic与与uce的乘积的乘积.上一页返回3.4宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器3.4.1传输线变压器传输线变压器1.工作原理工作原理 传输线变压器就是将传输线绕在高磁导率、低损耗的磁环上构成传输线变压器就是将传输线绕在高磁导率、低损耗的磁环上构成的高频变压器。的高频变压器。图图3-2 0为其典型的结构和电路

22、图。为其典型的结构和电路图。2.传输线变压器的功能传输线变压器的功能1)平衡和不平衡电路的转换平衡和不平衡电路的转换2)阻抗变换阻抗变换3.4.2功率合成器功率合成器1.功率合成与分配功率合成与分配下一页返回3.4宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 在高频功率放大器中在高频功率放大器中.当需要的输出功率超过单个电子元器件所当需要的输出功率超过单个电子元器件所能输出的功率时能输出的功率时.可以将几个电子器件的输出功率叠加起来可以将几个电子器件的输出功率叠加起来.以获得足以获得足够大的输出功率够大的输出功率.这就是功率合成技术。所谓功率合成器这就是功率合成技术。所谓功率合成器.就是采用多就是采用

23、多个高频晶体管个高频晶体管.使它们产生的功率在一个公共负载上相加。使它们产生的功率在一个公共负载上相加。图图3-24为常为常用的一种功率合成器组成方框图。用的一种功率合成器组成方框图。2.功率合成功率合成(或分配或分配)网络原理网络原理 利用利用1：4传输线变压器组成的功率合成传输线变压器组成的功率合成(或分配或分配)网络的基本电网络的基本电路如路如图图3-25所示。为了便于分析所示。为了便于分析.可以将它改画成可以将它改画成图图3-25(b)所示的等所示的等效电路。效电路。上一页返回3.5高频功率放大器的制作、调试与检测高频功率放大器的制作、调试与检测 1.高频功率放大器的制作高频功率放大器

24、的制作 按设计要求完成高频功率放大器的实际电路如按设计要求完成高频功率放大器的实际电路如图图3-32所示。根据所示。根据此电路图此电路图.可设计出印制电路板可设计出印制电路板.如如图图3-33所示。然后按所示。然后按图图3-32所示选所示选好各元器件好各元器件.并装配好。虽然电路简单并装配好。虽然电路简单.但其性能是由所选择的元器件但其性能是由所选择的元器件决定的决定的.也即是要灵活应用晶体管、线圈和电容等。也即是要灵活应用晶体管、线圈和电容等。2.高频功率放大器的调试与检侧高频功率放大器的调试与检侧 1)准备工作准备工作 检查各元器件安装、焊接检查各元器件安装、焊接.确定无误后通电测试确定无

25、误后通电测试;调节基极侧的调节基极侧的VR1K.先设定为最大值先设定为最大值.接入电源电压接入电源电压12V.在此状态下在此状态下.将将VR值往小方值往小方向调整向调整.使集电极电流为使集电极电流为5070mA。2)输入功率一输出功率特性输入功率一输出功率特性 3)频率、功率增益频率、功率增益返回图图3-1高频功率放大器的原理电路高频功率放大器的原理电路返回图图3-4欠压、临界、过压状态下集电极电流脉欠压、临界、过压状态下集电极电流脉冲形状冲形状返回图图3-8高频功放的基极调制特性高频功放的基极调制特性返回图图3-9高频功放的集电极调制特性高频功放的集电极调制特性返回图图3-10集电极馈电线路

26、的两种形式集电极馈电线路的两种形式返回图图3-1 1基极馈电线路两种形式基极馈电线路两种形式返回图图3-12串并联电路阻抗转换串并联电路阻抗转换返回图图3-12串并联电路阻抗转换串并联电路阻抗转换返回图图3-15低阻变高阻低阻变高阻L形滤波匹配网络形滤波匹配网络返回图图3-15低阻变高阻低阻变高阻L形滤波匹配网络形滤波匹配网络返回图图3-17形和形和T形匹配网络形匹配网络返回图图3-19 50MHz 谐振功放电路谐振功放电路返回图图3-2 0传输线变压器的典型结构传输线变压器的典型结构和工作原理和工作原理返回图图3-24功率合成器方框图功率合成器方框图返回图图3-25传输线变压器组成的网络传输线变压器组成的网络返回图图3-3 2宽带功率放大器电路图宽带功率放大器电路图返回图图3-33宽带功率放大器电路宽带功率放大器电路印制电路板图印制电路板图返回