高频功率放大器.doc

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Amplifier)。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。1.2 高频功率放大器的分类根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大类。1. 窄带型高频功率放大器通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态，近年来出现了工作在开关状态的丁类状态的谐振功率放大器。2. 宽带型高频功率放大器采用传输线变压器作负载。传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。本项目主要研究谐振功率放大器。1.3 谐振功率放大器的特点1.采用谐振网络作负载。2.一般工作在丙类或乙类状态。3.工作频率和相对通频带相差很大。4.技术指标要求输出功率大、效率高。1.4 谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处1、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。2、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。图2-1 小信号谐振放大器波形图 图2-2 谐振功率放大器波形图1.5 高频功率放大器的技术指标1.输出功率:PO2.效率:3.功率增益:Ap2 模块介绍本项目主要介绍谐振功率放大器的工作原理，涉及的模块包括丙类谐振功率放大器、丁类谐振功率放大器、倍频器和宽带功率放大器。2.1 丙类谐振功率放大器2.1.1丙类谐振功率放大器原理电路原理电路图如2-1所示图2-3 丙类谐振功率放大器LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。作用：滤波、匹配。:基极直流电压作用:保证三极管工作在丙类状态。的值应小于放大管的导通电压，通常取。：集电极直流电压作用：给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。2.1.2 丙类谐振功率放大器的工作原理为余弦电压， 可表示为则：根据三极管的转移特性可得到集电极电流，为余弦脉冲波，如图2-4所示： 图2-4 波形根据傅立叶级数的理论，可分解为：式中：为直流电流分量 为基波分量，为二次谐波分量，为n次谐波分量，其中，它们的大小分别为： 是波形的脉冲幅度，、和分别为直流分解系数、基波分量分解系数和n次谐波分量分解系数，的大小可根据余弦脉冲分解系数表查。信号的导电角可以用下面的公式进行计算当信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，可得其谐振网络压降为：各信号的波形如图2-5所示：图2-5 波形图功率关系：直流功率：PV=VCCICO输出功率：PO= Icm1Ucm放大管功耗：PT=PV-PO效率：= PO/PV2.1.3丙类谐振功率放大器的性能分析一、丙类谐振功率放大器的工作状态欠压状态：管子导通时均处于放大区；临界状态：管子导通时从放大区进入临界饱和；过压状态：管子导通时将从放大区进入饱和区；在实际工作中，丙类放大器的工作状态不但与有关，还与、和R有关。在丙类谐振功放中，工作状态不同，放大器的输出功率和管耗就大不相同，因此必须分析各种工作状态的特点，以及、和R的变化对工作状态的影响，即对丙类谐振功放的特性进行分析。二、丙类谐振功率放大器的动态线1.基本概念：大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析，为此就要在输出特性曲线上作出交流负载线。由于谐振功放的集电极负载是谐振回路，且共集电极电压与集电极电流的波形截然不同，因此其交流负载线已不是直线了，是一条曲线，又称为动态线。2.动态线的作法：三极管的输出特性曲线转上的参变量换成，在、和保持不变的情况下，假设取不同的值，根据式和可得以相对应的和值，从而确定输出特性曲线上的各个“动态点”，然后依次连接各个“动态点”就可以得到动态线。其图形如2-6所示。图2-6 动态线3.不同工作状态的动态线如图2-7所示图2-7 不同状态的动态线4.根据动态线分析放大器的特性（1）放大器工作在过压状态时，波形会出现下凹。（2）动态线、放大器的工作状态与、和的大小有关系。三、丙类谐振功率放大器的特性负载特性 基极调制特性调制特性集电极调制特性放大特性1.负载特性负载特性是指、和保持不变时，放大器的性能随R变化的特性。(1)工作状态的变化随着R从小变大，放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化(2)波形的变化随着R增大，的变化如图2-8所示图2-8 随R变化的特性(3)、的变化特性如图2-9所示图2-9 、随R的变化(4)、的变化特性如图2-10所示图2-10 、的变化特性2.基极调制特性基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，随VBB变化的特性(1)工作状态的变化随着VBB从小变大，放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化(2)ic波形的变化如图2-11所示图2-11 ic随VBB的变化特性(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-12所示图2-12 Ucm、Ico、Icm1的变化特性3.集电极调制特性集电极调制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不变时，随VCC变化的特性(1)工作状态的变化随着VCC从小变大，放大器将由过压状态临界状态欠压状态变化(2)ic波形的变化如图2-13所示图2-13 ic随VCC变化的特性(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-14所示图2-14 Ucm、Ico、Icm1的变化特性4.放大特性放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不变时，随Ubm变化的特性(1)工作状态的变化随着Ubm从小变大，放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化(2)ic波形的变化如图2-15所示图2-15 ic随Ubm的变化特性(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-16所示图2-16 Ucm、Ico、Icm1的变化特性2.1.4丙类谐振功率放大器的电路一、丙类谐振功率放大器电路的构成原则谐振功放的集电极馈电电路，应保证集电极电流ic中的直流分量Ic0只流过集电极直流电源VCC(即：对直流而言，VCC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；还应保证谐振回路两端仅有基波分量压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c ,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；另外也应保证外电路对高次谐波分量icn呈现短路，以免产生附加损耗。 以图2-17示意说明图2-17 集电极馈电电路的构成原则a 直流通路 b 基波通路 c 高次谐波通路谐振功放的基极馈电电路的组成原则与集电极馈电电路相仿。第一，基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源(即VBB直接加到晶体管b ,e两端)。第二，基极电流中的基波分量ib1只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。以图2-18示意说明图2-18 基极馈电电路的构成原则a 直流通路 b 基波通路二、丙类谐振功率放大器电路的类型：输入端的直流馈电电路和匹配网络丙类谐振功率放大器的电路包含 输出端的直流馈电电路和匹配网络三、丙类谐振功率放大器的直流馈电电路直流馈电电路是指把直流电源馈送到晶体管各极的电路。它包括： 串联馈电电路集电极馈电电路 并联馈电电路串联馈电电路基极馈电电路并联馈电电路1.集电极馈电电路图2-19 集电极馈电电路a 串馈电路 b 并馈电路2.基极馈电电路图2-20 基极馈电电路a 串馈电路 b 并馈电路3.基极自给偏置电路图2-21 基极自给偏置电路四、丙类谐振功率放大器的匹配网络在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络。输入和输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图2-22所示。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载上只有基波电压；将外接负载RL 变换成谐振功放所要求的负载电阻R，以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。图2-22 匹配网络2.2 丁类谐振功率放大器高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率。丙类谐振放大器就是依靠减小管子的导通时间（或半导通）来提高放大器效率。但是的减小是有一定限度的，因为太小时，效率虽然很高，但因下降太多，导致输出功率反而下降。要想维持不变，就必须加大激励电压，这又可能因激励电压过大，而引起管子的反向击穿。解决上述矛盾的方法就是采用丁类谐振功率放大器。在丁类谐振功放中，功率管工作于开关状态，由于饱和导通时管子的管压降很小(虽然其电流很大)，而截止时管子的电流接近于0(虽然其管压降很大)，因此管耗很小，效率大大提高(理想状态下为100%,一般可达到90%)。显然，丁类谐振功放的。丁类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另一种是电压开关型。下面仅对电压开关型丁类谐振功放做一个简单介绍。电压开关型丁类谐振功放的原理电路如图2-23 (a)所示。图中，高频变压器使加到两管发射结的激烈电压与大小相等、极性相反；与是特性相同的同类型高频功率管。若输入电压是频率为的余弦波，且其振幅足够大，则当为正半周期时，饱和导通而截止；为负正半周期时，饱和导通而截止。显然，图中的A点对地电压在正半周时为，在正半周时为，则为幅度等于的方波电压，如图2-23(b)所示。该电压加到由、组成的串联谐振回路上，若谐振回路谐振在上，且其Q值足够高(即选频作用好)，则回路对基波分量呈现很小的纯电阻性阻抗(约等于)，而对其它频率分量呈现的阻抗很大，可近似看成开路。因此，中只有基波分量才能顺利通过、，称为输出电压，即是频率为的不失真的余弦波。显然，通过回路的电流也是频率为的余弦波。 图2-23 丁类谐振功率放大器（电压开关型） 由图2-23(a)知，。当为正半周期时，；当为负半周期时，。根据上述分析，可画出有关电压和电流的波形，如图2-23(b)所示。2.3 倍频器倍频器是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路，用以提高频率。在发射系统中常采用晶体管倍频器来获得所需要的发射信号频率。一、采用倍频器的原因： (1)降低主振器的频率，对频率稳定指标是有利的。 (2) 为了提高发射信号频率的稳定程度，主振器常采用石英晶体振荡器，但限于工艺，石英谐振器的频率目前只能达到几十MHz，为了获得频率更高的信号，主振后需要倍频。 (3) 加大调频发射机信号的频移或相移，即加深调制度。 (4) 倍频器的输入信号与输出信号的频率是不相同的，因而可削弱前后级寄生耦合，对发射机的稳定工作是有利的。 (5)展宽通频带二、倍频器常见形式：晶体管倍频器有两种主要形式：一种是利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频，叫做丙类倍频器；另一种是参量倍频器，它利用晶体管的结电容与外加电压的非线性关系对输入信号进行非线性变换，再由谐振回路从中选取所需要的n次谐波分量，从而实现n倍频，其工作频率可达100MHz以上。本项目只介绍丙类倍频器。三、丙类倍频器的原理框图某系统发射信号频率为49MHz，该频率由16.333MHz三倍频而来。16.333MHz振荡器输出接激励级，若将输出负载回路调谐在三次谐波频率上即可得到49MHz的发射频率。其如图2-24所示。 图2-24 丙类倍频器的原理框图四、丙类倍频电路与工作原理 图2-25 丙类倍频器的基本电路丙类倍频器的基本电路如图2-25所示。 Rb为自偏电阻，也可用高频扼流圈代之，C2导通角L、C是调谐回路，调谐在输入信号的某次谐波频率上。丙类倍频器工作在丙类，因为丙类放大器的集电极电流ic是一脉冲波形，电流含有输入信号的基频和高次谐频。输出回路调谐于某次谐波即可实现某次谐波的放大。 导通角大小的选取根据倍频器的倍频次数来决定，由余弦脉冲分解系数可见，二次谐波系数的最大值对应在导通角c =60附近，三次谐波系数的最大值所对应的导通角约为40，谐波次数更高时，导通角更小。倍频器一般工作在欠压和临界状态。 2.4 宽带高频功率放大器一、传输线变压器的工作原理传输线变压器是由绕在高导磁环上的传输线构成的，其中，传输线可以用同轴电费，也可以用双绞电线或带状线，它们都可看成两根等长的、相距很近的平行线，而且匝数很少，而磁环一般由镍锌铁氧体制成，作为举例，图2-26示出了最简单的传输线变压器1：1倒传输线变压器结构，其中1、3为始端，2、4为终端，而12端和34端分别构成了变压器的两个线圈。图2-26 传输变压器的结构示意图及等效电路传输线变压器既具有传输特点，又具有变压器的特点，是二者的结合统一。传输线圈变压器确实具有极高的上限截止频率和极宽的工作频带。实现平衡和不平衡的转换传输线变压器的功能作为阻抗变换器当工作在低频段时, 由于信号波长远大于传输线长度, 分布参数很小, 可以忽略, 故变压器方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量, 保证了传输线变压器的低频特性较好。当工作在高频段时, 传输线方式起主要作用, 在无耗匹配的情况下, 上限频率将不受漏感、 分布电容、 高导磁率磁芯的限制。 而在实际情况下, 虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的, 但上限频率仍可以达到很高。由以上分析可以看到, 传输线变压器具有良好的宽频带特性。二、传输线变压器的应用极性变换 平衡和不平衡的互相变换阻抗变换三、宽带功率合成与分配网络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单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。 利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能, 还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离, 即当其中某一个功率放大器损坏时, 相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响, 仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。利用传输线变压器组成的反相功率合成原理电路如图2-27所示。图2-27 功率合成原理电路四、宽带高频功率放大器的电路实例图2-28 宽带高频功率放大器的电路实例本章小结：1、 高频功率放大器有窄带型和宽带型两种，它们各自应用于不同的场合。2、 为了提高效率，谐振功放一般工作在丙类状态，其集电极电流是失真严重的脉冲波形，而调谐在信号频率的集电极谐振回路将滤波，得到不失真的输出电压。3、 丙类谐振功放有欠压、临界和过压三种状态，其性能可用负载特性、调制特性和放大特性来描述。4、 为了使丙类谐振功放正常工作，必须正确设计直流馈电电路和匹配网络。5、 由于传输线变压器具有宽带特性，所以可用它构成宽带功率合成与分配网络，从而得到宽带高频功率放大器。6、 倍频器是一种非线性电路，常用的倍频器电路有丙类倍频器和参量倍频器。3、项目训练项目训练三 高频功率放大器(丙类)一、实验目的 1.了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类放大器的计算与设计方法。 2.了解电源电压VC与集电极负载对功率放大器功率和效率的影响。二、预习要求 1.复习功率谐振放大器原理及特点。2.分析图2-1所示的实验电路，说明各元器件作用。三、实验仪器设备 1.双踪示波器 2.扫频仪3.高频信号发生器4.万用表5.实验板G2四、实验内容及步骤1. 实验电路见图2-1 按图接好实验板所需电源，将A、B两点短接，利用扫频仪调回路谐振频率，使其谐振在6.5MHz的频率上。图2-1 功率放大器(丙类)原理图 2.加负载51,测I0电流。在输入端接f=6.5MHz、Vi=120mV信号，测量各工作电压，同时用示波器测量输入、输出峰值电压，将测量值填入表2.1内。 表2.1f=6.5MHz实 测实 测 计 算VBVEVCEViV0I0ICPiP0PaVC=12VVi=120mVRL=50RL=75RL=120Vi=84mVRL=50RL=75RL=120VC=5VVi=120mVRL=50RL=75RL=120Vi=84mVRL=50RL=75RL=120 其中: Vi: 输入电压峰-峰值 V0: 输出电压峰-峰值 I0: 电源给出总电流 Pi：电源给出总功率（Pi=VCI0） (VC:为电源电压) P0：输出功率 Pa：为管子损耗功率（Pa=Pi-P0）3.加75负载电阻，同2测试并填入表2.1内。 4.加120负载电阻，同2测试并填入表2.1内。 5.改变输入端电压Vi=84mV，同2、3、4测试并填入表2.1测量。 6.改变电源电压VC=5V，同2、3、4、5测试并填入表2.1内。五、实验报告要求 1.根据实验测量结果，计算各种情况下IC、P0、Pi、。1. 说明电源电压、输出电压、输出功率的相互关系。2. 总结在功