高频电子线路第三章精选文档.ppt

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1、高频电子线路第三章本讲稿第一页，共三十九页根据被放大信号的相对频带的宽窄：根据被放大信号的相对频带的宽窄：1 1、窄带高频功放：、窄带高频功放：；丙类，；丙类，LCLC谐振回路为选频网谐振回路为选频网络；络；2 2、宽带高频功放：、宽带高频功放：；甲类，传输线变压器为匹；甲类，传输线变压器为匹配网络。配网络。本讲稿第二页，共三十九页第二节第二节 线性高频功率放大器线性高频功率放大器 A A类和推挽电路形式的类和推挽电路形式的B B类高频功放工作在线性放大状态，其输类高频功放工作在线性放大状态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或相位。出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或相位。A

2、 A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真；类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真；B B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。一、一、A A类线性高频功率放大器类线性高频功率放大器本讲稿第三页，共三十九页第三节第三节 丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大电路一、一、工作原理工作原理假定输入信号是单频假定输入信号是单频正弦波正弦波,输出回路调输出回路调谐在输入信号的相同谐在输入信号的相同频率上。频率上。uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcos0tuCE=VCC+uc=VCC-Ic1mRcos0t=VCC-Ucmcos0tPD=VC

3、CIC0本讲稿第四页，共三十九页PC=PD-Po 增大输入信号振幅增大输入信号振幅和和降低静态工作点降低静态工作点是实现大功率高效率的两是实现大功率高效率的两条重要途径。条重要途径。PD=VCCIC0本讲稿第五页，共三十九页本讲稿第六页，共三十九页在Ucm=VCC时效率最高：在乙类工作状态时在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的集电极电流是在半个周期内导通的尖顶尖顶余弦脉冲余弦脉冲,可以用傅氏级数展开为可以用傅氏级数展开为:功率放大电路是大信号工作功率放大电路是大信号工作,而在大信号工作时必须考虑晶而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性体管的非线性特性,这样将使分析比较复杂。为简

4、化分析这样将使分析比较复杂。为简化分析,可以将可以将晶体管特性曲线理想化晶体管特性曲线理想化,即用一条或几条直线组成折线来代替即用一条或几条直线组成折线来代替,称为称为折线近似分析法折线近似分析法。本讲稿第七页，共三十九页集电极电流集电极电流i iC C的分段表达式：的分段表达式：iC=g(uBE-Uon)uBEUon 0 uBEUon如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度22来表示来表示,则称则称 为导通角。可见为导通角。可见,0180,0180。本讲稿第八页，共三十九页在放大区,iC=g(VBB+Ubmcoswt-Uon)当

5、t=时,iC=0，可求得:当t=0时,iC=ICm,可求得:IC0=ICm0(),Ic1m=ICm1(),Ic2m=ICm2(),其中0(),1(),2(),被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。本讲稿第九页，共三十九页波形系数若定义集电极电压利用系数若定义集电极电压利用系数=U=Ucm/cm/V VCCCC,可以得到集电极效率和输可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式出功率的另一种表达式:本讲稿第十页，共三十九页 增大和g1的值是提高效率的两个措施,增大1是增大输出功率的措施。然而,增大g1与增大1是互相矛盾的。导通角越小,g1越大,效率越高,但1却越小,输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功

6、率两个方面,选取合适的导通角。若取=70,此时的集电极效率可达到85.9%,而=120时的集电极效率仅为64%左右。因此,一般以70作为最佳导通角,可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。本讲稿第十一页，共三十九页例例3.13.1在图在图3.2.33.2.3中中,若若U Uonon=0.6 V,g=10mA=0.6 V,g=10mAV,IV,ICmCm=20mA,=20mA,又又V VCCCC=12V,=12V,求当求当分别为分别为180,90180,90和和6060时的输出功率和相应的时的输出功率和相应的基极偏压基极偏压V VBBBB,以及以及为为6060时的集电极效率。时的集电极效率。(忽略集

7、电极饱和压降忽略集电极饱和压降)解：由图3.2.4可知:0(60)=0.22,1(180)=1(90)=0.5,1(60)=0.38因为 Ucm=VCC=12V所以,当甲类工作时(=180),本讲稿第十二页，共三十九页当乙类工作时(=90),当丙类工作时(=60),本讲稿第十三页，共三十九页二、性能分析二、性能分析 若丙类谐振功放的输入是振幅为若丙类谐振功放的输入是振幅为U Ubmbm的单频余弦信号的单频余弦信号,那么输出那么输出单频余弦信号的振幅单频余弦信号的振幅U Ucmcm与与U Ubmbm有什么关系有什么关系?U?Ucmcm的大小受哪些参数影的大小受哪些参数影响响?本讲稿第十四页，共三

8、十九页iC=-gd(uCE-U0)本讲稿第十五页，共三十九页因为 Ic1m=ICm1()，1 1 负载特性负载特性 若若V VBBBB、V VCCCC和和U Ubmbm三个参数固定三个参数固定,R,R发生变化发生变化,动态线、动态线、UcmUcm以及以及PoPo、等性能指标会有什么变化呢等性能指标会有什么变化呢?这就是谐振功放的负载特性。这就是谐振功放的负载特性。本讲稿第十六页，共三十九页晶体管工作在饱和区、晶体管工作在饱和区、放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同不同,这三种工作状态分别称为这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态欠压状态、

9、临界状态和过压状态,而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。本讲稿第十七页，共三十九页 随着随着R R的逐渐增大的逐渐增大,动态线的斜率逐渐减小动态线的斜率逐渐减小,由欠压状态进入由欠压状态进入临界状态临界状态,再进入过压状态。在再进入过压状态。在临界状态临界状态时时,输出功率输出功率P Po o最大最大,集电极效率集电极效率接近最大接近最大,所以是最佳工作状态。所以是最佳工作状态。本讲稿第十八页，共三十九页2 2 放大特性放大特性 若若V VBBBB、V VCCCC、R R三个参数固定三个参数固定,输入输入U Ubmbm变化变化,此时输出此时输

10、出U Ucmcm以及以及P Po o、等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。本讲稿第十九页，共三十九页3 3 调制特性调制特性(1)1)基极调制特性基极调制特性 若若V VCCCC、R R和和U Ubmbm固固定定,输出电压振幅输出电压振幅U Ucmcm随基极偏压随基极偏压V VBBBB变变化的规律被称为基化的规律被称为基极调制特性。极调制特性。基极调制的目的是使基极调制的目的是使U Ucmcm随随V VBBBB的变化规律而变化的变化规律而变化,所以功放所以功放应工作在应工作在欠压状态欠压状态,才能使才能使V VBBBB对对U Ucmcm有控制作用。有

11、控制作用。本讲稿第二十页，共三十九页(2)(2)集电极调制特性集电极调制特性 若若V VBBBB、R R和和U Ubmbm固定固定,输出电输出电压振幅压振幅U Ucmcm随集电极电压随集电极电压V VCCCC变化变化的规律被称为集电极调制特性。的规律被称为集电极调制特性。在欠压状态时在欠压状态时,当当V VCCCC改变时改变时,U Ucmcm几乎不变。几乎不变。在过压状态时在过压状态时,U Ucmcm随随V VCCCC而单调变化。所以而单调变化。所以,此此时功放应工作在时功放应工作在过压状态过压状态,才才能使能使V VCCCC时对时对U Ucmcm有控制作用有控制作用,即即振幅调制作用。振幅调

12、制作用。本讲稿第二十一页，共三十九页4 4 小结小结(1)(1)若对若对等幅等幅信号进行信号进行功率放大功率放大,应使功放工作在应使功放工作在临界临界状态状态,此此时输出功率最大时输出功率最大,效率也接近最大。比如对第效率也接近最大。比如对第7 7章将介绍的调频章将介绍的调频信号进行功率放大。信号进行功率放大。(2)2)若对若对非等幅非等幅信号进行信号进行功率放大功率放大,应使功放工作在应使功放工作在欠压欠压状态状态,但但线性较差。若采用甲类或乙类工作线性较差。若采用甲类或乙类工作,则线性较好。比如对第则线性较好。比如对第6 6章将章将介绍的调幅信号进行功率放大。介绍的调幅信号进行功率放大。(

13、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,也可进行振幅调制。若调也可进行振幅调制。若调制信号加在制信号加在基极基极偏压上偏压上,功放应工作在功放应工作在欠压欠压状态；状态；若调制信号加若调制信号加在在集电极集电极电压上电压上,功放应工作在功放应工作在过压过压状态。状态。(4)(4)回路等效总电阻回路等效总电阻R R直接影响功放在欠压区内的动态线斜率直接影响功放在欠压区内的动态线斜率,对功放的各项性能指标关系很大对功放的各项性能指标关系很大,在分析和设计功放时应重视负载在分析和设计功放时应重视负载特性。特性。本讲稿第二十二页，共三十九页例例3.23.2某高频功放

14、工作在临界状态某高频功放工作在临界状态,已知已知V VCCCC=18V,g=18V,gcrcr=0.6 A=0.6 AV,V,=60,R=60,R=100,=100,求输出功率求输出功率PoPo、直流功率、直流功率P PD D和集电极效率和集电极效率。解：由式(3.2.14)可求得:Rd=1(60)(1-cos 60)100=19 由图3.2.6可以写出以下关系式:ICm=gcr(VCC-Ucm)=gdUcm(1-cos)本讲稿第二十三页，共三十九页三、直流馈电线路与匹配网络三、直流馈电线路与匹配网络1.1.直流馈电线路直流馈电线路 直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路形式。直流馈

15、电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联,后者是指这后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式三部分并联。但无论哪种电路形式,直流偏压与交流电压总直流偏压与交流电压总是串联迭加的是串联迭加的,假定交流电压是单频信号假定交流电压是单频信号,即满足即满足u uBEBE=V=VBBBB+U+Ubmbmcoswt,ucoswt,uCECE=V=VCCCC-U-Ucmcmcoswtcoswt的关系式。的关系式。(1)(1)集电极馈电线路集电极馈电线路本讲稿第二十四页，共三十九页串联馈电方式的优点是串联馈电方式的优点是L

16、 Lc c和和C Cc c处于高频地电位处于高频地电位,它们对地的分布电它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率容不会影响回路的谐振频率,缺点是电容器缺点是电容器C C的动片不能直接接地的动片不能直接接地,安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于L Lc c和和C Cc1c1不处不处于高频地电位于高频地电位,它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率,但但回路处于直流地电位回路处于直流地电位,L,L、C C元件可接地元件可接地,故安装调整方便。故安装调整方便。本讲稿第二十五页，共三十九页(2)

17、(2)基极馈电线路基极馈电线路 在无输入信号时在无输入信号时,自给偏压电路的偏置为零。自给偏压电路的偏置为零。随着输入信号随着输入信号的逐渐增大的逐渐增大,加在晶体管加在晶体管bebe结之间的偏置电压向负值方向增结之间的偏置电压向负值方向增大。由此可见大。由此可见,乙类功放不能采用自给偏压方式。乙类功放不能采用自给偏压方式。本讲稿第二十六页，共三十九页2 2 匹配网络匹配网络 匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换(根根据实际需要使功放工作在临界点、据实际需要使功放工作在临界点、过压区或欠压区过压区或欠压区),),并充分滤并

18、充分滤除无用的杂散信号。除无用的杂散信号。一般来说一般来说,在在400MHz400MHz以下的甚高频以下的甚高频(VHF)(VHF)段段,匹配网络通常采用匹配网络通常采用第第1 1章介绍的集总参数章介绍的集总参数LCLC元件组成元件组成,而在而在400 MHz400 MHz以上的超高频以上的超高频(UHF)(UHF)段段,则需使用分布参数的微带线组成匹配网络则需使用分布参数的微带线组成匹配网络,或使用微带线或使用微带线和和LCLC元件混合组成元件混合组成。本讲稿第二十七页，共三十九页第四节第四节 宽带高频功率放大电路与功率合成电路宽带高频功率放大电路与功率合成电路一、传输线变压器的特性及其应用

19、一、传输线变压器的特性及其应用1 1 宽频带特性宽频带特性 传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线生的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等双绞线、带状线或同轴线等)绕绕在高导磁率的高频磁芯上构成的在高导磁率的高频磁芯上构成的,以传输线方式与变压器方式同时以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。进行能量传输。传输线变压器与普通变压器的传输线变压器与普通变压器的传递能量方式传递能量方式不同，前不同，前者是在两导线间介质中传播，而后者是通过磁力线感应的者是在两导线间介质中传播，而后者

20、是通过磁力线感应的能量传递给负载。能量传递给负载。本讲稿第二十八页，共三十九页如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟,两根导线固有的分布电两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的线是无损耗的,则传输线的特性阻抗则传输线的特性阻抗本讲稿第二十九页，共三十九页其中其中LL、CC分别是单位线长的分布电感和分布电容分别是单位线长的分布电感和分布电容当当ZcZc与负载电阻与负载电阻R RL L相等相等,则称为传输线终端匹配。则称为传输线终端匹配。在此无耗、

21、在此无耗、匹配情况下匹配情况下,若传输线长度若传输线长度l l与工作波长与工作波长相比相比足够小足够小(l(lminmin8)8)时时,可以认为传输线上任何位置处的电压或电可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等流的振幅均相等,且输入阻抗且输入阻抗Z Zi i=Z=Zc c=R=RL L,故为故为1111变压器。变压器。可见可见,此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。传输线输入阻抗传输线输入阻抗当当低频低频工作时工作时,表明信号直接加到负载上，表明信号直接加到负载上，即传输功率与频率无关即传输功率与频率无关

22、,下限频率为零下限频率为零.本讲稿第三十页，共三十九页2 2 阻抗变换特性阻抗变换特性当高频工作时当高频工作时,R,RL L上得到的功率也是频率的函数上得到的功率也是频率的函数,即传输线有一定上限频率即传输线有一定上限频率,要扩展上限频率要扩展上限频率,途径如下途径如下:使使Z Zi i与频率无关与频率无关,带宽趋于无穷大带宽趋于无穷大.结论：结论：传输线变压器依靠传输线传递能量，其传输线变压器依靠传输线传递能量，其上限条件上限条件 取决于传输线、终端的匹配程度和传输线长度，取决于传输线、终端的匹配程度和传输线长度，下限条件下限条件取决于初级绕阻线圈电感量。取决于初级绕阻线圈电感量。本讲稿第三

23、十一页，共三十九页在无耗且传输线长度很短的情况下在无耗且传输线长度很短的情况下,传输线变压器输入端与输出端传输线变压器输入端与输出端电压相同电压相同,均为均为 U,U,流过的电流均为流过的电流均为I I。由此可得到特性阻抗。由此可得到特性阻抗Z Zc c和输入端输入阻抗和输入端输入阻抗Z Zi i分别为：分别为：本讲稿第三十二页，共三十九页两级功放都工作在甲类状态两级功放都工作在甲类状态,并采用本级直流负反馈方式展宽频并采用本级直流负反馈方式展宽频带带,改善非线性失真。改善非线性失真。三个传输线变压器均为三个传输线变压器均为4141阻抗变换阻抗变换器。器。前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网

24、络前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络,总阻抗比总阻抗比为为161,161,使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高输出阻抗与抗实现匹配。第三个使第二级功放的高输出阻抗与5050的负载电的负载电阻实现匹配阻实现匹配。本讲稿第三十三页，共三十九页二、功率合成二、功率合成 利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各然后设法将各个功放的输出信号相加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，

25、这就是功率合成技术。单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。要求：要求：1 1、各功放互相隔离，某一功放损坏，不影响其它功放工作；、各功放互相隔离，某一功放损坏，不影响其它功放工作；2 2、合成功率是各功放输出之和，在负载匹配时，各功放输出功率为、合成功率是各功放输出之和，在负载匹配时，各功放输出功率为最大。最大。本讲稿第三十四页，共三十九页 功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干份份,然后分别提供给后级若干个功放电路。然后分别提供给后级若干个功放电路。本讲稿第三十五页，共三十九页小结小结1 1、分类：窄带和宽带；、分类：窄带和

26、宽带；A A、B B和和C C类类2 2、主要技术指标：输出功率、效率和非线性失真、主要技术指标：输出功率、效率和非线性失真分析方法：折线近似法分析方法：折线近似法3 3、C C类功放：类功放：（1 1）主要技术参数的计算）主要技术参数的计算 （P50P505353）（2 2）性能分析：负载特性、放大特性和调制特性（）性能分析：负载特性、放大特性和调制特性（P54P545959）本讲稿第三十六页，共三十九页高频功放电路，已知功放管的输出特性曲线如图所示，高频功放电路，已知功放管的输出特性曲线如图所示，U UBBBB=0.8V,U=0.8V,UCCCC=12V,u=12V,ub b=0.3COS

27、W=0.3COSWC CtV,utV,uc c=10COSW=10COSWC CtV;tV;(1)(1)画出动态特性曲线画出动态特性曲线,并说明电路的工作状态及其特点并说明电路的工作状态及其特点;(2)(2)画出画出i i0 0和和u uCECE的波形的波形;(3)(3)计算输出功率计算输出功率P P0 0和效率和效率.本讲稿第三十七页，共三十九页某高频功放的动态特性曲线如图中的折线某高频功放的动态特性曲线如图中的折线ABCABC所示所示.(1)(1)画出画出i ic c和和u uCECE的波形的波形;(2)(2)试求偏置电压试求偏置电压U UBBBB和激励电压和激励电压u ub b的振幅的振

28、幅U Ubmbm;(3)(3)求输出功率求输出功率P P0 0和效率和效率.本讲稿第三十八页，共三十九页一谐振放大器一谐振放大器,若选择若选择A A、B B、C C三种不同的工作状态，其集电三种不同的工作状态，其集电极功率转换效率分别为极功率转换效率分别为40%40%、70%70%和和80%80%。试求：。试求：（1 1）当输出功率）当输出功率P P0 0=5W=5W时，三种不同工作状态下的集电极损耗；时，三种不同工作状态下的集电极损耗；（2 2）若采用的晶体管的集电极最大容许损耗）若采用的晶体管的集电极最大容许损耗PcmPcm为为1W1W，分别求，分别求三种不同工作状态下的最大可能输出功率。三种不同工作状态下的最大可能输出功率。本讲稿第三十九页，共三十九页