高频电子线路第三章.ppt

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1、3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性难难 点：点：谐振功率放大器的工作原理分析谐振功率放大器的工作原理分析。折线分析方法；折线分析方法；本章重点：本章重点：功率放大器的工作原理；负载特性；功率放大器的工作原理；负载特性；调制特性；放大特性。调制特性；放大特性。高频功率放大器的主要功用是放大高频信号,并且以高效输出大功率为目的,它主要应用于各种无线电发射机中。在输入信号在输入信号 的控制下，将直流电源提供的的控制下，将直流电源提供的直流功率的一部分变换成按输入信号规律直流功率的一部分变换成按输入信号规律变化的交流功率，提供给负载。变化的交流功率，提供给负载。对高频已调波信

2、号进行线性功率放大，对高频已调波信号进行线性功率放大，然后经过天线将其辐射到空间。然后经过天线将其辐射到空间。3.1 概述概述 功率放大器的概念：功率放大器的概念：高频功率放大器的作用：高频功率放大器的作用：1分类分类 3.1 按照负载分：按照负载分：按工作状态分按工作状态分（工作状态的划分动画）2用途用途 提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率；提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率；放大窄带已调信号或实现倍频，工作在乙、丙类。放大窄带已调信号或实现倍频，工作在乙、丙类。窄带功放：窄带功放：宽带高功放：宽带高功放：用于对某些载波信号频率要求变化范围大得用于对某些载波信号频率要求变化范围大得短

3、波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同同 的繁琐调谐。工作与甲类。的繁琐调谐。工作与甲类。3.2.1高频功率放大器的高频功率放大器的工作原理工作原理图312是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外,它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。图312晶体管高频功率放大器的原理线路按按工作状态分为分为电路是以谐振系统作匹配网络（负载）。电路是以谐振系统作匹配网络（负载）。1电路的基本组成电路的基本组成 电路中各元件作用：电路中各元件作用：输入信号（又称为激励信号）经变压器耦合输入信号（又称为激励信号）经变压器耦合到晶体管的输入

4、端得到到晶体管的输入端得到；是集电极直流电源电压，是集电极直流电源电压，是基极偏置电压；是基极偏置电压；为旁路电容，为旁路电容，为电源滤波电容；为电源滤波电容；L、C组成并联谐振回路，作为集电极负载回路（或组成并联谐振回路，作为集电极负载回路（或匹配网络），该回路又称为槽路，负载回路既可以实现匹配网络），该回路又称为槽路，负载回路既可以实现选频滤波的功能，又实现阻抗匹配；选频滤波的功能，又实现阻抗匹配；3.2.1 放大后的信号通放大后的信号通过变压器耦合到负载过变压器耦合到负载 上上(图图(a)(a)或通过天线或通过天线(图（图（b)b)向空间辐射。向空间辐射。回路的谐振总电阻。回路的谐振总电

5、阻。图（图（c）中的）中的 为为L L、C C 当当 时时 为甲类状态；为甲类状态；当当 时时 为乙类状态；为乙类状态；当当 时时 为丙类状态。为丙类状态。称为晶体管的导通电压。称为晶体管的导通电压。3.2.1放大器的工作状态由偏置电压放大器的工作状态由偏置电压 的大小决定的大小决定 2 2电路特点：电路特点：电路工作在丙类状态。电路工作在丙类状态。高，流过晶体管的电流为高，流过晶体管的电流为余弦脉冲；余弦脉冲；谐振回路做负载。其作用是：阻抗匹配，选谐振回路做负载。其作用是：阻抗匹配，选出余弦脉冲中的基波分量出余弦脉冲中的基波分量 1电流、电流、电压波形电压波形设输入信号为则由图312得基极回

6、路电压为(317)周期性脉冲可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即(318)其中其中 式中，式中，、分别为集电极电流的直流分分别为集电极电流的直流分量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。3.2.1 的傅立叶级数展开式为的傅立叶级数展开式为 其中，其中，(319b)(319a)(319c)0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数,数值见附录。图3.2.3 余弦脉冲分解系数曲线 （余弦脉冲分解系数曲线动画）显然，只要知道电流脉冲的最大值显然，只要知道电流脉冲的最大值 和导通角和导通角、就可以计算就可以计算、。输

7、出，即：输出，即：当当 回路谐振于回路谐振于 时，在时，在 回路两端得到回路两端得到 的最大的最大3.2.1为回路等效总电阻，为回路等效总电阻，（负载等效值）负载等效值）式中 2 高频功放的能量关系高频功放的能量关系在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为(322)集电极电源供给的直流输入功率P0为(323)直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc,即(324)Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率为(325)由式(324)、(325)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为(326)设其基波电流振幅为I b1,且与

8、ub同相(忽略实际存在的容性电流),则激励功率为(327)高频功放的功率放大倍数为(328)用dB表示为(329)3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态高频谐振功率放大器的工作状态 1 高频功放的动特性高频功放的动特性动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶体管集电极电流ic与电极电压(ube或uce)的关系曲线,它在icuce或icube坐标系统中是一条曲线。2 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可以分为欠压、临界和过压三种状态3.2.3 高频功放的外部特性高频功放的外部特性由谐振功率放大器的原理分析知：由谐振功率放大器的原理分析知：所

9、以，当晶体管确定后，放大器的工作状态及所以，当晶体管确定后，放大器的工作状态及，与与，四个参量有关，同时也影响四个参量有关，同时也影响，也就唯一地确定了。也就唯一地确定了。7.2.3，当当，这四个参量一定时，工作状态这四个参量一定时，工作状态一负载特性一负载特性 对工作状态的影响：对工作状态的影响：同时电路的工作状态经历了从欠同时电路的工作状态经历了从欠压压状态到临界状态又到状态到临界状态又到过压状态的变化。过压状态的变化。定义：定义：不变时，不变时，变化时对放大器工作变化时对放大器工作，状态及状态及，的影响。的影响。升高的时候，可以得到升高的时候，可以得到 同样升高，同样升高，图7.2.7负

10、载变化对放大器工作状态的影响对对 的影响：的影响：欠压状态到临界状态：欠压状态到临界状态：略微减小，略微减小，却几乎不变，却几乎不变，和和 也几乎不变。也几乎不变。临界状态到过压状态：临界状态到过压状态：迅速下降，曲线出现凹迅速下降，曲线出现凹陷，陷，和和 也迅速下降。也迅速下降。如图如图7.2.8所示。所示。图7.2.8 负载变化对电流脉冲的影响 7.2.3（Re变化时变化时ic波形波形动画）波形波形动画）图7.2.9 负载特性 结论：在临界状态：结论：在临界状态：最大，最大，较高，最较高，最佳状态；发射机末级。佳状态；发射机末级。弱过压状态：弱过压状态：最大，最大，接近最大，随着接近最大，

11、随着，平稳，中间放大级；平稳，中间放大级；7.2.3负载特性曲线（对功率、效率的影响）负载特性曲线（对功率、效率的影响）（放大器的负载特性动画）（放大器的负载特性动画）欠压状态：欠压状态：比较低，比较低，比较小，且比较小，且 随着随着 的增大而的增大而增大。所以，一般不用，但基极调幅电路工作于欠压状态。增大。所以，一般不用，但基极调幅电路工作于欠压状态。二二高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性 定义：定义：振幅特性是指保持振幅特性是指保持，一定时，一定时，放大器性能随输入激励电压的振幅放大器性能随输入激励电压的振幅变化的特性。变化的特性。7.2.3 对工作状态的影响对工作状态的影响由零开始增加

12、时，由零开始增加时，随着随着 的增大的增大而增大，放大器的而增大，放大器的工作状态经历从欠压区、临界状态、工作状态经历从欠压区、临界状态、最后到过压区的变化过程，导致集电极电流导通角最后到过压区的变化过程，导致集电极电流导通角 均随着均随着 以及电流脉冲最大值以及电流脉冲最大值 的增大而增大。的增大而增大。对对 的影响的影响 和高度都随之增大。如图和高度都随之增大。如图7.2.10所示。所示。也会随也会随 增大，所以增大，所以 脉冲的宽度脉冲的宽度图7.2.10 对集电极电流 的影响 （Vbm变化对工作状态的影响动画）变化对工作状态的影响动画）放大特性曲线放大特性曲线：在欠压状态时，在欠压状态

13、时，随随 的增大而增大，但不成线性关的增大而增大，但不成线性关系。仅当处于甲类或乙类工作状态时系。仅当处于甲类或乙类工作状态时 固定为固定为，此时此时 和和 成线形关系。成线形关系。如图如图7.2.11所示。所示。图7.2.11 放大特性曲线 7.2.3（放大特性动画）（放大特性动画）应用：应用：作为线性放大器和振幅限幅器。如图作为线性放大器和振幅限幅器。如图7.2.12所示。所示。图7.2.12 放大特性的应用 7.2.3（线性放大器和振幅限幅器的作用动画）三调制特性三调制特性 调制特性是指谐振功率放大器，在保持调制特性是指谐振功率放大器，在保持、不变时，放大器的性能（不变时，放大器的性能（

14、、）跟随集电极电源电压）跟随集电极电源电压 或基极偏置电压或基极偏置电压 变化的特性，前者称为集电极调制变化的特性，前者称为集电极调制特性，后者称为基极调制特性。特性，后者称为基极调制特性。7.2.3 集电极调制特性集电极调制特性、A定义：定义：若若 和和 固定，输出电压振幅固定，输出电压振幅 随集电极电压随集电极电压 变化的规律即集电极调制特性变化的规律即集电极调制特性 B 对工作状态的影响：对工作状态的影响：的变化使静态工作点左右平移，从而使欠压的变化使静态工作点左右平移，从而使欠压区内的动态线左右平移，动态线的斜率不变，于是工作区内的动态线左右平移，动态线的斜率不变，于是工作状态在欠压，

15、临界，过压中转换。状态在欠压，临界，过压中转换。（改变对工作状态的影响动画）（改变对工作状态的影响动画）图7.2.13 集电极调制特性 C 对对 的影响：的影响：D调制特性：调制特性：在过压状态时，在过压状态时，随随 而单调变化，而单调变化，此时，此时，起到了控制作用，即振幅调制作用起到了控制作用，即振幅调制作用 7.2.3（集电极调制特性（集电极调制特性动画）动画）E应用：应用：使电路工作在过压状态，就可以使电路工作在过压状态，就可以起到振幅调制作用。起到振幅调制作用。集电极调幅电路及其工作波形 7.2.3（集电极调幅电路动画）B 对工作状态的影响：对工作状态的影响：当当 由零开始增加时，由

16、零开始增加时，随着随着 的增大而增大，放大器的工作的增大而增大，放大器的工作状态经历从欠压区、临界状态、最后到过压区的变化过状态经历从欠压区、临界状态、最后到过压区的变化过程，导致集电极电流导通角程，导致集电极电流导通角 以及电流脉冲最大值以及电流脉冲最大值 均随着均随着 的增大而增大。的增大而增大。7.2.3 基极调制特性：基极调制特性：，A定义：定义：若若 和和 固定，输出电压振幅固定，输出电压振幅 随基极偏压随基极偏压 变化的规律成为基极调制特性变化的规律成为基极调制特性（VBB变化对工作状态的影响动画）变化对工作状态的影响动画）图7.2.14 基极调制特性 C 对对 的影响：的影响：在

17、欠压区在欠压区 随随 的增大基本呈的增大基本呈线性增大，在过压区，线性增大，在过压区，基本不再增大。基本不再增大。（基极调制特性动画）（基极调制特性动画）D调制特性：调制特性：跟跟的变化对输出电流的变化对输出电流 和输出电压振幅和输出电压振幅 的影响是的影响是类似的。调制特性曲线如图类似的。调制特性曲线如图7.2.14(b)7.2.14(b)所示，显然，在过所示，显然，在过压区无法完善调制，在欠压区可以实现调制。压区无法完善调制，在欠压区可以实现调制。E应用：应用：可以实现可以实现 对对 的控制，即调幅功能。的控制，即调幅功能。（基极调幅电路动画）（基极调幅电路动画）(2)若对非等幅信号进行功

18、率放大若对非等幅信号进行功率放大,应使功放工作应使功放工作在欠压状态在欠压状态,但线性较差。若采用甲类或乙类工作但线性较差。若采用甲类或乙类工作,则则线性较好。线性较好。7.2.3 (1)(1)若对等幅信号进行功率放大若对等幅信号进行功率放大,应使功放工作应使功放工作在临界状态在临界状态,此时输出功率最大此时输出功率最大,效率也接近最大。效率也接近最大。根据以上对丙类谐振功放的性能分析根据以上对丙类谐振功放的性能分析,可得可得以下几点结论以下几点结论:(4)回路等效总电阻回路等效总电阻 直接影响功放在欠压区内的直接影响功放在欠压区内的动态线斜率动态线斜率,对功放的各项性能指标关系很大对功放的各

19、项性能指标关系很大,在分在分析和设计功放时应重视负载特性。析和设计功放时应重视负载特性。的变化范围内工作在欠压状态；的变化范围内工作在欠压状态；若调制信号加在集若调制信号加在集电极电压上电极电压上,功放应工作在过压状态，且应保持放功放应工作在过压状态，且应保持放大器必须在大器必须在的变化范围内工作在过压状态。的变化范围内工作在过压状态。(3)(3)丙类谐振功放在进行功率放大的同时丙类谐振功放在进行功率放大的同时,也也可进行振幅调制。可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上若调制信号加在基极偏压上,功功放应工作在欠压状态，且应保持放大器必须在放应工作在欠压状态，且应保持放大器必须在 3.2.3

20、高频功放的外部特性高频功放的外部特性高频功放是工作于非线性状态的放大器,同时也可以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)。1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负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率变化的特性。图318(b)是根据图318(a)而得到的功率、效率曲线。2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Ub时,放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。3.高频功放的调制特性高频功放的调制特性1)基极调制特性2)集电极调制特性 4.高频功放的调谐特性高频功放的调谐特性3.3 高频功率放大器的高频效应高频功率放大器的高频效应1

21、.少数载流子的渡越时间效应少数载流子的渡越时间效应晶体管本质上是电荷控制器件。2.非线性电抗效应非线性电抗效应功放管中存在集电结电容,这个电容是随集电结电压Ube变化的非线性势垒电容。(330)3.发射极引线电感的影响发射极引线电感的影响(331)4.饱和压降的影响饱和压降的影响晶体管工作于高频时,实验发现其饱和压降随频率提高而加大。3.4 高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路3.4.1 直流馈电线路直流馈电线路直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、Lb的应用方法。图325是集电极馈电线路的两种形式:串联馈电线路和并联馈电线路。图325

22、(b)中晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的,故称为并联馈电线路。图325集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电 2基极馈电线路基极馈电线路基极馈电线路也有串联和并联两种形式。图326示出了几种基极馈电形式,基极的负偏压既可以是外加的,也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。图326基极馈电线路的几种形式3.4.2 输出匹配网络输出匹配网络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,即起到阻抗匹配的作用;(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率,即有良好的滤波作用;(3)大多数发射机为波段工作。1.LC匹配网络匹配网络图327是几种常用的L

23、C匹配网络。图327几种常见的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)型对于LI型网络有(332a)(332b)(332c)对于L-型网络有(333a)(333b)(333c)图328L型匹配网络(a)L-I型网络;(b)L-型网络图329是一超短波输出放大器的实际电路,它工作于固定频率。图329一超短波输出放大器的实际电路2 耦合回路耦合回路图330是一短波发射机的输出放大器，它采用互感耦合回路作输出电路,多波段工作。图330短波输出放大器的实际线路 3.4.3 高频功放的实际线路举例高频功放的实际线路举例 图331(a)是工作频率为50MHz的晶体管谐振功率放大电路,它向50外接负载提供25

24、W功率,功率增益达7dB。图331高频功放实际线路(a)50MHz谐振功放电路;(b)175MHz谐振功放电路3.5 高频功放、功率合成与射频高频功放、功率合成与射频模块放大器模块放大器3.5.1 D类高频功率放大器类高频功率放大器 1.电流开关型电流开关型D类放大器类放大器图332是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图，线路通过高频变压器T1,使晶体管V1、V2获得反向的方波激励电压。由此可得集电极回路两端的高频电压有效值为集电极回路两端的高频电压峰值为图332电流开关型D类放大器的线路和波形V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形,它的基频分量振幅等于(2/)Ic0。V1、V2的i

25、c1、ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗RL(考虑了负载RL的反射电阻)两端产生的基频电压振幅为将式(335)代入式(337),得输出功率为输入功率为(339)(338)(337)集电极损耗功率为(342)(341)(340)2 电压开关型电压开关型D类放大器类放大器图333为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。两个同型(NPN)管串联,集电极加有恒定的直流电压Ec。图333电压开关型D类功放的线路及波形由 图 可 见,因 ic1、ic2都 是 半 波 余 弦 脉 冲(=90),所以两管的直流电压和负载电流分别为两管的直流输入功率为负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波电压分量。对uce2分解可得负载上的功率为可见此时匹配的负载电阻为