哈工大高频课件第3章高频调谐功率放大器

1、第3章 高频调谐功率放大器,补充知识：功率放大电路基础知识 第1节 概述 第2节 谐振式（C类）高频功放的工作原理 第3节 谐振功率放大器的折线分析法 第4节 谐振功率放大实用电路 *第6节 宽频带高频功率放大器 *第7节 功率合成,基本要求 1. 了解高频功率放大器的功能和性能指标； 2. 掌握C类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法； （） 3. 了解传输线变压器的工作原理和应用特点。掌握传输线变压器实现宽带阻抗变换的方法。了解传输线变压器实现功率合成、功率分配的方法； 4. 了解D类、E类功率放大电路的特点。（*）,3.0 功率放大电路,1. 功率放大电路的特点 a）根

2、据负载要求，提供尽可能大的输出功率功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。 当输入正弦信号时，在输出波形不超过规定的非线性失真范围的情况下，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积称为最大输出功率Pom，即,Pom=UoIo,b） 具有较高的效率 从前面的分析可知，所有的放大电路实质上都是能量变换器。负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来的。当供给功率放大电路的直流电源功率一定时，为了向负载提供尽可能大的功率，就必须减小损耗，因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题。 功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比，用表示，即 式中, PV

3、为直流电源所提供的功率。,3） 尽量减小非线性失真 在功率放大电路中，为了使输出功率尽可能大，三极管一般都工作在极限状态，瞬时工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区， 输出信号不可避免地会有非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真越严重。因此必须注意功放管的正确选择， 要保证管子的最大耗散功率PCM、最大集电极电流ICM、最大管压降U(BR)CEO不超过限定范围，使管子工作在安全工作区。 由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态， 因此在进行分析时，一般不采用小信号等效电路法，而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析。,2. 功率放大电路提高效率的主要途径 功率放大电路的形式很多，

4、按放大电路不同的工作状态， 可分为甲类放大、 乙类放大、甲乙类放大。 在前面所讨论的电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式称为甲类放大， 其工作状态如图3-1（a）所示，由图可见iC0。 在甲类放大电路中，直流电源所提供的功率在没有信号输入时，全部消耗在管子和电阻上；当有信号输入时，一部分转化为有用的输出功率，另一部分消耗在器件上。可以证明, 即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。,图 3-1 Q点下移对工作状态的影响 (a) 甲类放大,怎样才能使电源所提供的功率尽可能多地转化为有用的信号输出功率呢？ 要想提高放大电路的效率，只有减小损耗。从

5、甲类放大电路可知，静态电流是造成管耗的主要因素。 如果把静态工作点向下移动，使信号等于零时，电源的输出功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源所提供的功率和管耗都会随着输出功率的大小而变化。 利用图3-1（b）和（c）所示工作情况，可以实现上述设想。 图3-1（b）中，有半个周期以上iC0，称为甲乙类放大； 图3-1（c）中，一个周期内只有半个周期iC0，称为乙类放大。,图 3-1 Q点下移对工作状态的影响 (b) 甲乙类放大,图 3-1 Q点下移对工作状态的影响 (c) 乙类放大,甲乙类和乙类放大虽然减小了静态功耗，提高了效率， 但是由于工作点偏下，会出现严重的波

6、形失真， 因此：既要保持静态时管耗小，又要使波形不产生严重失真， 就必须改进电路结构。,3.1 概述,1.高频功率放大器功能 是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。 2.高频功率放大器分类 高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分： 窄带高频功率放大器：通常以选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器； 宽带高频功率放大器：输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。,3. 调谐功率放大器的主要技术指标 输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。,4. 调谐功率放大器的分析方法,工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其工

7、作原理和工作状态。,1、输出功率: 放大器的负载得到的功率。 2、效 率: 高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转换的效率。 3、功 率 增 益: 高频输出功率和信号输入功率的比值。 5、谐波抑制度: 是对非线性高频功率放大器而提出的，也就是谐波分量相对于基波分量越小越好。,3.2 丙（C）类高频功率放大器的工作原理,无论中间级还是输出级电路都可以等效为：输入回路、非线性器件和带通滤波器。,谐振于输入 信号的频率,谐振功率放大器等效原理图,特点： 为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；（由Vbb保证发射结负偏置，工作在丙类）,2 工作原理分析,ub,i

8、c,(2)集电极输出电压,ic,3.3 丙（C）类高频功率放大器的折线分析法,丙类高频功率放大器工作在大信号非线性状态下，晶体管的小信号分析方法不再适用。采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析会存在一定误差，但很简洁。,1. 晶体管特性曲线的理想化及解析式,大信号工作条件下，理想化的特性曲线的原理指：（1） 在放大区：集电极电流ic和基极电流ib不受集电极电压uce的影响，而于基极电压ube成线性关系；（2） 在饱和区：集电极电流ic与集电极电压uce成线性关系，而不受基极电压ube的影响。,输出特性曲线,分别对饱和区和放大区采用不同的简化方法。,理想化的输出特性可分为饱和区、放大区

9、和截至区。 饱和区：近似认为 只受 的控制，而与 无关。理想的饱和临界线为一条通过原点的斜线。斜率：,放大区：近似认为 与 无关。各条曲线为平行于 的水平线。对于等差的 间隔应该是相等的。,表征临界饱和线的方程：,ub,2. 集电极余弦电流脉冲的分解,vb,ic,直流分量分解系数,基波分量分解系数,n次谐波分量分解系数,3. 高频功放的功率与效率,在 的条件下 甲类工作状态： 乙类工作状态： 丙类工作状态：,导通角的选择,（1）Rp一定的条件下，c=120o时输出功率最大，但效率只有66%。 （2）c=1o15o时，效率最高，但输出功率很小。 （3）在实际运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电

10、极效率，谐振功率放大器导通角常取c=60o80o。,4、 高频功率放大器的动态特性,指电路条件确定，即晶体管的gc、 VCC、Vbb、Ubz 、uc、ub一定时，ic=f (ube、uce) 的关系，称为动态特性。,ubemax,输出电压波形,欠 压:动态特性A1B1-B1C1在输入信号一周内，A点没有进入晶体管的饱和区，这种工作状态称为欠压工作状态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。,临界：动态特性A2B2-B2C2，A点正好在晶体管的临界饱和线上，这种工作状态称为临界工作状态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。,过压：动态特性MA3-A3B3-B3C3在输入信号一周内，A点已进入晶体管的饱和区，这种工

11、作状态称为过压工作状态。对应的集电极电流为凹顶脉冲。,5.高频功率放大器的负载特性,指晶体管的Vcc、Vbb、Ubm一定时，改变回路谐振电阻Rp，功放的工作状态、电流、电压、功率、效率随Rp变化的关系。,不变,变化,变化,|gd|和Rp成反比 随着Rp的增大，工作状态从欠压-临界-过压,ub,6. 各级电压变化对工作状态的影响,A3,A3,固定Vbb、增大Ubm和固定Ubm、增大Vbb的情况类似，它们都使基极输入电压uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压 。,当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映输入信号振幅U

12、bm的变化，放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。,当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在Ubm变化的范围内工作在过压状态。(Ucm变化比较平缓),3.4 高频功率放大器的实用电路,一、丙类高频功放的基本组成 谐振功率放大器是由输入谐振回路、非线性器件（晶体管、场效应管）、输出谐振回路组成。,输入、输出回路在谐振功率放大器中的作用是： 提供放大器所需的正常偏置； 实现滤波选取基波分量； 实现阻抗匹配。,管外电路,将直流电源加到各电极上去的线路 叫 馈电电路,集电极馈电电路,基极馈电电路,直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置； 交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。,二、直流

13、馈电电路,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,2. 基极馈电线路,UBB,+ UBB -,（1） （2） （3）,三 高频功放的耦合回路,(1) 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。,(2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。,(3) 在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,级间耦合网络:放大器输出 至 放大器输入端,输出匹配网络:放大器输出端 至 天线或其他负载,输入匹配网络:信号源内阻 至 放大器输入端,教

14、材上有关三种匹配网络的计算公式在设计放大电路时可以参考应用。 但是在实际应用中尚需认真调整。,图3-2350MHz功率放大器,50MHz，25W谐振功率放大器,四 实际电路举例,C1、C2和L1 构成T型匹配网络 L2、L3和C3、C4 构成型网络,补充：丙类倍频器,+ uce -,- Vcc +,- uc2 +,以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/ fo只有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。,3.6 宽带高频功率放大器,近年来一种新颖的，能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功率放大器得到了

15、迅速的推广，即宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路 。,宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的 。,普通变压器采用铁芯，高频特性差。 高频变压器采用高频磁芯，上限频率可以提高，适用于短波。,3.6.1 传输线变压器 1. 宽频带特性 普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。 为扩展下限频率, 需增大初级线圈电感量, 使其

16、在低频段也能取得较大的输入阻抗, 如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数, 但这将使变压器的漏感和分布电容增大, 降低了上限频率； 为扩展上限频率, 需减小漏感和分布电容, 减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数, 但这又会使下限频率提高。 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(双绞线、带状线或同轴线等)绕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进行能量传输。 ,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

17、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。 ,2. 宽频带传输线变压器的工作原理,传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。,传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终

18、端电压。,两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。,在传输线变压器中：线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。,(1) 1：1传输线变压器,3. 常用传输线变压器电路分析,1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。 当传输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。,u1,u2,如果传输线的特性阻抗：,输出端(2-4端)的等效阻抗为：,输入端(1-3端)的等效阻抗为 ：,传输线变压器 与 负载 的匹配，要求：,信号源 与 传输

19、线变压器 的匹配，要求：, 1:1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足：,满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：,1:1传输线变压器具有最大功率输出，但实际RL正好等于Rs的情况很少。 So：1：1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换。,(2) 1：4和4：1传输线变压器,1：4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下（即RL=4Rs），有 u1=u2=u 和 i1=i2=i,分析： 由于变压器的1端与4端相连，输入端1端与3端的电压为u，负载RL上的电压为u1+u2=2u，输入端1的电流为i1+i

20、2=2i，且,u1,u1,u2,u2,2u,+ 2u -,传输线变压器的输入阻抗为 ：,传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。,如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1传输线变压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有4：1的阻抗变换作用。,3.6.2 宽频带高频功放典型电路,3.7 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, 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。 理想的功率合成器要求： (1) 应具有功率合成的功能；PALL=NP1 (2) 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。 ,利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器, 且具有频带宽、结构简单、插入损耗小等优点, 然后可进一步组成宽频带大功率高频功放电路。 ,图中： 17为宽频功率放大器， I、II、III为功率分配网络， IV、V、VI 为功率合成网络,由于：IA=IB,等效到34端的RD为,本章