功率放大器原理及电路图（专业应用）

1、第6章 高频调谐功率放大器6.1 概述： 6.2 高频功率放大器的工作原理 6.3 高频功率放大器的动态分析 6.4 高频功放的高频特性 6.5 高频功率放大器的电路组成 6.6 宽带功率放大器与功率合成电路1课堂上课6. 1 概述：2课堂上课3课堂上课ECICEO uCE iCOQQ截止区饱和区4课堂上课6.2 高频功率放大器的工作原理 +ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b) 等效电路+uc1-UBBCECL+uS-+ub-(a) 原理电路5课堂上课6课堂上课+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic常数=DD=ceuBEccuig2 工作原理分析uBEic-UBBUBZ

2、ubicUbmgC有 ()BZbmBBccUtUUgi-+-=wcos +uBE _7课堂上课()BZbmBBccUtUUgi-+-=wcos又Q当0t=w时，()cbmccUgIqcos1max-= 8课堂上课ictccic1ic2ic3IcoIcmax9课堂上课3. 高频功放的功率关系 co13g11.02.0210课堂上课VT1VT2T1LCRLECCC4 D类和E类功率放大器简介 1. D类功率放大器的原理分析 D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路 uiub1ub2ic1ic2uLuA ub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的

3、两个极性相反的输入激励电压 ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1） 。 ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA= UCES20 uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。ECUCESEC-2UCESuAtic1tic2tuLt 尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的

4、管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高 11课堂上课 丙类倍频器 12课堂上课丙类倍频器13课堂上课14课堂上课 丙类倍频器iC+uce- Ec +-uc2+iciC1iC2ic频谱0ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC215课堂上课6.3 高频功率放大器的动态分析o0.5ff0.2fTfT16课堂上课uBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE _1 高频功率放大器的动态特性 17课堂上课uceicUoABOECQUcmucmingdubemax18课堂上课19课堂上课2 高频功率放大器的负载特性

5、uceicUogduBEic-UBBUBZubicgCUbmubemaxicmaxuceicECQuceminUcesgdubemaxuceminubemaxgcr20课堂上课icuce2 高频功率放大器的负载特性PoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPcubemaxUc121课堂上课3 高频功率放大器的调制特性 uceicubemaxQECQECQECic22课堂上课3 高频功率放大器的调制特性 uceicubemaxQECQECQECicEC欠压区过压区临界区EC欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPOPC23课堂上课 进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电

6、极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢 UcmIcoIcml临界UBB过压欠压O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict饱和区放大区截止区 当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角c增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。 24课堂上课4 高频功率放大器的放大特性uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict饱和区放大区截止区UcmIcmlIcoUbm过压临界欠压OOticOticUbm

7、增大OtictOic 固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB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Ubm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。25课堂上课5 高频功率放大器的调谐特性 实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C时，功放的外部电流Ico、Icml和相应的Ucm等随C的变

8、化特性称为调谐特性。 设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将下降 。 应该指出，回路失谐时直流输入功率PD=IcoEC随Ico的增加而增加，而输出功率Po=UcmIcmlcos将主要因cos因子而下降，因此失谐后集电极功耗PC将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。 UcmIcmlIco26课堂上课6.4 高频功放的高频效应 ubet-UBBUBZ27课堂上课6.4高频功放的高频特性ucef1f2f2f128课堂上课6.4 高频功率放大器的实用电路 要使高频谐振

9、功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：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。29课堂上课6.5高频功率放大器的电路组成IcoECIc1CLIcn30课堂上课LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT6.5高频功率放大器的电路组成以上两个电路匀满足： tUEucCcewcos1-= ICO直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC频谱LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECL

10、Cuc1VT31课堂上课CBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2 基极馈电线路IBOUBBIBOIeo +UBB -32课堂上课二 高频功放的耦合回路RiRoRLRS功 率放大器输入匹配网络输出匹配网络RLRSuS (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。 输入匹配网络或级间耦合网络:

11、是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载33课堂上课L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK二 高频功放的耦合回路 介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容； L2、C2为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线幅射功率达到最大。 从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中Rp为折合到晶体管输出回路的等效负载 。 1. 输出匹配电路 (1) 并联谐振回路型的匹配电路 RpRp34课堂上课 当天线回路调

12、谐在串联谐振状态时，它反映到L1C1中介回路的等效电阻为 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： rr1C1L1C1RpL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp(1) 并联谐振回路型的匹配电路L1C1中介回路的等效谐振阻抗为 QL为有载品质因素 ， 改变互感系数M和接入系数 p就可以在不影响回路调谐的情况下。调整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp，以达到阻抗匹配的目的。 35课堂上课 由于高频功率放大器工作在非线性(丙类)工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配(负载阻抗与电源内阻相等)概念

13、也就失去了意义。 k ：中介回路的传输效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp(1) 并联谐振回路型的匹配电路如果设 ： rr1C1L1C1RpL1IKRp 要想回路的传输效率高，则空载Qo越大越好，有载QL越小越好，也就是说，中介回路本身的损耗越小越好 但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。 36课堂上课在大功率输出级，T型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。 图中的R2一般代表终端(负载)电阻，R1则代表由R2折合到左端的等效电阻，现以 (a)为例进行计算公式的推导 (2)

14、滤波器型的匹配网络 两种型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2 将并联回路R1C1与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得L1C1R1C2R2网络匹配时，R1= R2 由谐振条件得 :37课堂上课例 有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求型匹配网络的元件值。 解 :(2) 滤波器型的匹配网络 L1R1C1R2= RLC2 R1应该是功率放大器所要求的匹配电阻 Rp ,即L1C1R1C2R2网络匹配时，R1= R2 改写为： 解之得： 由谐振条件得 :注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，C1应减

15、去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当L1确定之后，用C2主要调匹配，用C1主要调谐振。 实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件(通常都是假定Q1值)，即可求出电路元件的数值。 38课堂上课1 宽带高频功率放大器 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 。 6.6宽带高频功率放大器与功率合成 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迅速的推广。 宽带功率放大器

16、，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 。 39课堂上课1. 普通变压器不能在较宽频内工作的原因 图 (b)中L、Ls1、r1是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；Ls2、r2 是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；C是变压器各分布电容折合到初级后的总和；RL是折合到初级后的等效负载电阻。 在

17、高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感L是开路，如图(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和损耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容C开路，如图 (d)；(a)原理电路(b)等效电路(c)高频端等效电路(d)低频端等效电路(e) 频率响应曲线usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CRLrLsLCRLRLfsfuo一般变压器的等效电路 可见工作频率越低，电感L的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将。在高频端负载RL接在Ls和C组成的串联谐振回路容抗元件的两端，在串联谐振频率fs的附近，负载两端的电压急剧增加，并在fs上达到最

18、大值。但是，偏离谐振频率fs，电压将急剧减小 40课堂上课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。 usususRLRLRLRsRsRs(a) 结构示意图(c) 普通变压器的原理电路(

19、b) 原理电路图u1u2u1u2u1u2 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。 41课堂上课(1) 1：1传输线变压器 3. 常用传输线变压器分析 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。usRLRsu1u2i1i2如果传输线的特性阻抗： 传输线输出端的等效阻抗为：输入端（1、3端）的等效阻抗为 ：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求： 为了实现信号源与传输线变压器的匹配，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

20、有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中RL正好等于信号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，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。 42课堂上课usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+ i2(2) 1：4和4：1传输线变压器3. 常用传输线变压器分析 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，有 u1=u2=u和，i1=i2=i 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+i2=2i，

21、且u1u1u2u2i22ui1i1+ i2+2u-i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。 i43课堂上课 3.3.2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。 理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能,

22、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。 图3.3.4给出了一个功率合成器原理方框图。 44课堂上课45课堂上课 由图可见, 采用7个功率增益为2, 最大输出功率为10 W的高频功放, 利用功率合成技术, 可以获得40W的功率输出。 其中采用了三个一分为二的功率分配器和三个二合一的功率合成器。 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, 然后分别提供给后级若干个功放电路。 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、

23、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。 46课堂上课4 集成高频功率放大电路及应用简 在VHF和UHF频段, 已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件体积小, 可靠性高, 外接元件少, 输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列便是其中的代表产品。 表3.4.1列出了Motorola公司集成高频功率放大器MHW系列中部分型号的电特性参数。图3.4.1给出了其中一种型号的外形图。 47课堂上课48课堂上课49课堂上课 MHW系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的, 可用于移动通信系统中的功率放大, 也可

24、用于工商业便携式射频仪器。使用前, 需调整控制电压, 使输出功率达到规定值。在使用时, 需在外电路中加入功率自动控制电路, 使输出功率保持恒定, 同时也可保证集成电路安全工作, 避免损坏。 控制电压与效率、 工作频率也有一定的关系。 三菱公司的M57704系列高频功放是一种厚膜混合集成电路, 同样也包括多个型号, 频率范围为335 MHz512 MHz(其中M57704H为450 MHz470 MHz), 可用于频率调制移动通信系统。它的电特性参数为：当VCC=12.5V, Pin=0.2 W, Zo=ZL=50时, 输出功率Po=13 W, 功率增益Gp=18.1dB, 效率35%40%。

25、50课堂上课 图3.4.2是M57704系列功放的等效电路图。由图可见, 它包括三级放大电路, 匹配网络由微带线和LC元件混合组成。 图3.4.3是TW-42超短波电台中发信机高频功放部分电路图。 此电路采用了日本三菱公司的高频集成功放电路M57704H。 TW-42电台是采用频率调制, 工作频率为4577MHz458 MHz, 发射功率为5W。由图3.4.3可见, 输入等幅调频信号经M57704H功率放大后, 一路经微带线匹配滤波后, 再经过V115送多节LC的型网络, 然后由天线发射出去；另一路经V113、 V114检波, V104、V105直流放大后, 送给V103调整管, 然后作为控制电压从M57704H的