高频电子电路2.4-2.6课件

1、2.4 高频功率放大器的实用电路 根根据据直直流流电电源源连连接接方方式式的的不不同同，可可分分为为：串串联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成串串联联连连接接的的方方式式。并并联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成并并联联连连接接的的方方式式。两两种种馈馈电电方方式式虽虽然然电电路路结结构构不不同同，但但对对电电路路来来说说，总总应应有有：tUEucCce cos1 交流匹配网络：有效地传输交流功率信号。交流匹配网络：有效地传输交流功率信号。直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；直流馈电线

2、路：为晶体管各级提供合适的偏置； 电路组成：输入回路、晶体管、输出回路。也可认为电路组成：输入回路、晶体管、输出回路。也可认为是由是由直流馈电电路直流馈电电路和和匹配网络匹配网络组成。组成。2.4.1 直流馈电电路 （1） 集集电电极极馈馈电电电电路路的的组组成成原原则则： ci的的直直流流分分量量COI除除晶晶体体 管管的的内内阻阻外外，应应予予以以短短路路， 以以保保证证CE全全部部加加在在集集电电极极 上上，避避免免管管外外电电路路消消耗耗电电源源 功功率率，即即CCODEIP ci的的基基波波分分量量1CI只只应应在在 负负载载回回路路上上产产生生电电压压降降， 其其 余余部部分分电电

3、路路对对1CI应应短短路路。 ci的的 高高 次次 谐谐 波波 分分 量量CnI 不不 应应 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此CnI对对 晶晶 体体 管管 外外 的的 电电 路路 应应 尽尽 可可 能能 短短 路路 。 IcoECIc1CLIcn 1、集电极馈电电路、集电极馈电电路 LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT（2） 常常用用的的集集电电极极串串馈馈和和并并馈馈电电路路如如下下图图所所示示：cL高高频频扼扼流流圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高频频旁旁路路电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔直直电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上

4、两两个个电电路路匀匀满满足足： tUEucCce cos1 ICO直流通路直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路交流通路ICniC频谱频谱 2 30LC回路阻抗特性回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2 基极馈电线路基极馈电线路对对基基级级馈馈电电线线路路来来说说，也也有有串串联联和和并并联联两两种种形形式式。在在实实际际应应用用中中，由由于于

5、基基极极馈馈电电电电路路中中采采用用单单独独电电源源BBU不不方方便便，通通常常采采用用自自给给偏偏压压的的方方式式提提供供基基极极偏偏置置。 (1) 利用基极回路直流利用基极回路直流BOI产生偏压产生偏压bBOBBRIU IBOUBB(2) 利利用用BOI在在bbr上上产产生生偏偏压压bbBOBBrIU ，注注意意：一一般般bbr 很很小小，所所以以BBU很很小小且且不不稳稳定定。 IBO(3) 利利用用射射极极电电流流eoI在在eR上上产产生生偏偏压压eeoBBRIU ，而而且且这这种种电电路路能能自自动动维维持持放放大大器器的的工工作作稳稳定定。 Ieo +UBB -2.4.2 高频功放

6、的耦合回路-滤波匹配网络RiRoRLRS功功 率率放大器放大器输入输入匹配匹配网络网络输出输出匹配匹配网络网络RLRSuS (1) 匹配匹配-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。传输到负载的功率最大。 (2) 滤波滤波-抑制工作频率范围以外的不需要的频率分量。抑制工作频率范围以外的不需要的频率分量。 (3) 功率合成与分配功率合成与分配-保证多路保证多路输出功率输出功率都能有效地传送功率到公共负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。载，同时又尽可能地使这几

7、个电子器件彼此隔离，互不影响。 输入匹配网络或级间耦合网络：输入匹配网络或级间耦合网络：用以与下级放大器的输入端相连接。用以与下级放大器的输入端相连接。输出匹配网络：输出匹配网络：用以输出功率至天线或其他负载。用以输出功率至天线或其他负载。 耦合回路可使输出功率有效地传输到负载（下级输入回耦合回路可使输出功率有效地传输到负载（下级输入回路或天线回路）。路或天线回路）。耦合回路的任务：耦合回路的任务：L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK L1C1回路为中介并联谐振回路，回路为中介并联谐振回路，RA、CA分别代表天线的分别代表天线的幅射电阻与等效电容；幅射电阻与等效电容

8、； L2、C2为天线回路的调谐元件，使天线回路处于串联谐为天线回路的调谐元件，使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，天线幅射功率达到最大值，天线幅射功率达到最大。达到最大。 1. 输出匹配网络输出匹配网络 （1）并联谐振回路型输出匹配网络并联谐振回路型输出匹配网络RpRp 当天线回路调谐在串联谐振状态当天线回路调谐在串联谐振状态时，它反映到时，它反映到L1C1中介回路的等效电中介回路的等效电阻为阻为 设初级回路的接入系数为设初级回路的接入系数为p，则晶体管输出回路的等效负载为：则晶体管输出回路的等效负载为： rr1C1L1C1RpL1IKRpL

9、1C1C2L2CARAr1IAMRpARMr22 L1C1中介回路的等效谐振阻抗为中介回路的等效谐振阻抗为 )(22111111APRMrCLrrCLR )(2211122APPRMrCLpRpR 可见：可见：改变改变M和和p，可以在不影响回路调谐的情况下，调整可以在不影响回路调谐的情况下，调整晶体管输出回路的等效负载电阻晶体管输出回路的等效负载电阻Rp，达到阻抗匹配的目的。，达到阻抗匹配的目的。 中介回路传输效率中介回路传输效率k-衡量回路传输能力的优劣。衡量回路传输能力的优劣。)()(1122rrrrrIrIPPkkoAk 功功率率电电子子元元件件送送至至回回路路的的总总回回路路送送到到负

10、负载载的的功功率率 111porCLR 空空载载回回路路谐谐振振阻阻抗抗)(1111rrCLRP 有有载载回回路路谐谐振振阻阻抗抗11rLQQo 值值空空载载回回路路111rrLQQL 值值有有载载回回路路OLPPkQQRRrrrrrro 11)(1)(111 rr1C1L1C1RpL1IKRp 若要提高若要提高k，则要求：，则要求： （1 1）空载）空载Qo越大越好。即中介回越大越好。即中介回路本身的损耗越小越好。路本身的损耗越小越好。 （2 2）有载有载QL越小越好。越小越好。 但从要求但从要求回路滤波作用良好来考虑，则回路滤波作用良好来考虑，则QL值又值又应该足够大。应该足够大。 兼顾两

11、方面，兼顾两方面，QL值一般不应小于值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，。在功率很大的放大器中，QL也可也可能低到能低到10以下。以下。 图中，图中，R2代表终端（负载）电阻，代表终端（负载）电阻，R1则代表由则代表由R2折合到左端的等效电折合到左端的等效电阻阻，以，以 (a)为例，转换为右图：为例，转换为右图： (2) (2) 滤波器型匹配网络滤波器型匹配网络 两种两种型匹配网络型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2L1C1R1C2R21212c12c121111RRXXQRR C12C12121C1XXRRX 2212c22c22RRXXR C12C22222

12、C2XXRRX 网络匹配时，网络匹配时，R1= R2 ，即，即22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 由谐振条件得由谐振条件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX (2) (2) 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 2222222121212122CCCCCXXRRRXRXXR121212122c12c12121RXRXXRXXRRCCC111QRXC由图可知，由图可知，22c2222c212c1212c1RXRXRXRX由由22221211111RXRRQC得得1)1 (122122RRQRXC则有则有两边同乘两边同乘22CXRc22c2

13、2222c12c12121c2c11XXRRXXRRXXXL则则22122111111CLXQRQRQX有有1211RRQ条件：条件：111212212111QXRRQRQC例例 有一个输出功率为有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求，试求型匹配网络的元件值。型匹配网络的元件值。 解解 :L1R1C1R2= RLC2 R1应该是功率放大器所要求的匹配电应该是功率放大器所要求的匹配电阻阻 Rp ,即即L1C1R1C2R2 1442224222o2Co2cm11PEPURRp4 .141014411c1 Q

14、RXpF2214 .1410502116c11 XC代公式得：代公式得： 57. 8114450)101 (501)1 (212212C2 RRQRXpF37157. 810502116c22 XC )1 (1c21221111XQRQRQXL6 .22)75. 810501(110144102 nH72105026 .226L11 XL 各种形式的匹配网络分析方法都很类似，即各种形式的匹配网络分析方法都很类似，即从匹配与谐振从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件两个条件出发，再加上一个假设条件（通常都是假定已知通常都是假定已知Q1值值），即可求出电路元件的数值。即可求出电路元件的数值。

15、 注意：考虑到晶体管的输出电容注意：考虑到晶体管的输出电容Co后，后，C1应减去应减去Co之值，才是所需外加的调谐电之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，容值。一般，当当L1确定之后，用确定之后，用C2主要调主要调匹配，用匹配，用C1主要调谐振。主要调谐振。 2.6.1 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 以以LC谐振回路为输出电路的功率放大器谐振回路为输出电路的功率放大器称为窄带高频功称为窄带高频功率放大器率放大器，其相对通频带其相对通频带B/ fo只有百分之几甚至千分之几。只有百分之几甚至千分之几。由于调谐系统复杂，其应用受到很大的限制由于调谐系统复杂，其应用受到很大的限制 。 宽带功率

16、放大器是一种以非调谐单元作为输出匹配电路宽带功率放大器是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器。的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替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。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，谐波的抑制成为重宽频带功率放大器没有选频作用，谐波的抑制成为重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸要的问题。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。变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低。宽带放大器是宽带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的以

17、牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的 。 1. 普通变压器工作频带窄的原因普通变压器工作频带窄的原因 图图 (b)中，中，L、Ls1、r1：初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；：初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；Ls2、r2： -次级绕组次级绕组折合到初级后的漏感和损耗电阻；折合到初级后的漏感和损耗电阻；C ：变压器各分布电容折合到初：变压器各分布电容折合到初级后的总和；级后的总和；RL：折合到初级后的等效负载电阻：折合到初级后的等效负载电阻。(a)原理电路原理电路(b)等效电路等效电路(c)高频端等效电路高频端等效电路(d)低频端等效电路低频端等效电路(e) 频率响应曲线频率响应曲线usRsRLuo

18、RsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CRLrLsLCRLRLfsfuo 在高频端，在高频端，在在Ls和和C组成的串联谐振回路的串联谐振频率组成的串联谐振回路的串联谐振频率fs的附近，负载的附近，负载两端的电压急剧增加，并在两端的电压急剧增加，并在fs上达到最大值。偏离谐振频率上达到最大值。偏离谐振频率fs，电压将急剧减，电压将急剧减小。小。 在低频端，在低频端，工作频率越低，电感工作频率越低，电感L的旁路作用就越大，于是输出电压将随的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将；着工作频率的降低而下将；2. 2. 宽频带传输线变压器的工作原理宽频带传输线变压器的工作原理 因

19、双线并绕，所以导线线间电容在整因双线并绕，所以导线线间电容在整个线上均匀分布，且任意长度处的分布电个线上均匀分布，且任意长度处的分布电容较大。其次，两根等长导线同时绕在高容较大。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。很大，这种电路通常又叫分布参数电路。 usususRLRLRLRsRsRs(a) 结构示意图结构示意图(c) 普通变压器的原理电路普通变压器的原理电路(b) 原理电路图原理电路图u1u2u1u2u1u2 在传输线变压器中，电磁波以电、磁能交换的形式在导线在传输线变压器中，电磁波以电、磁

20、能交换的形式在导线间介质中传播的。间介质中传播的。负载两端的电压是传输线的终端电压。负载两端的电压是传输线的终端电压。 传输线变压器是将传输线变压器是将两根两根等长等长的导线的导线并绕并绕在在高导磁率低损耗高导磁率低损耗的的矩形截面矩形截面的的环形铁氧体环形铁氧体材料材料磁芯上构成的。磁芯上构成的。最高工作频率可扩展最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。到几百兆赫甚至上千兆赫。 （1）1: :1传输线变压器传输线变压器-倒相变压器。倒相变压器。3. 常用传输线变压器分析常用传输线变压器分析usRLRsu1u2i1i22224iuZ 输入端的等效阻抗为输入端的等效阻抗为 ： ；输出端的等效阻抗为：；输出端的等效阻抗为： 1113iuZ 为了实现输入、输出端匹配，要求：为了实现输入、输出端匹配，要求： ，LRZ 24SRZ13则则最佳匹配状态应该满足最佳匹配状态应该满足 ：SLRRZZZ24130满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：LSRRZ o 此时此时1: :1传输线变压器有最大功率输出。但实际应用中传输线变压器有最大功率输出。但实际应用中RL正好等于信号正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，源内阻的情况是很少的。因此，1: :1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，传