高频与射频电路 第二章

第二章高频功率放大器一、概述按照电流导通角分类按选用的功率器件低频区：中频区：高频区：对等效电路可以不考虑电抗分量和载流子渡越的时间要考虑各个结电容作用，可以不考虑引线电感和载流子渡越时间需进一步考虑电极引线电感作用以及载流子渡越时间按工作频率与和关系：中频区和高频区的严格计算很困难。本章讨论：处于晶体管低频区的丙类功放。二、基本原理特点：发射结反偏外部特性方程：三极管转移特性导通电压（硅为0.6伏，锗为0.2伏）导通角集电极电流最大值按傅立叶级数展开：集电极电流令p为初级接入系数，则当LC谐振于基波时，有注意：此时是将谐振回路接入到晶体管的输出端！此时，对于高次谐波的阻抗为：由于所以：若：注意：A、回路阻抗对于各次谐波来说，与谐振于基波之值相比较，小到可以忽略的程度（百分之几），可以认为回路对高次谐波是短路的；

B、由于电感的直流损耗很小，对于直流电流也可以认为是短路的；

C、余弦周期脉冲电流引起的LC回路电压仍然是基频的正弦波。外部特性方程：总功率（直流功率）：输出功率：集电极耗散功率：集电极效率：结论：A、当集电极耗散功率一定时，提高集电极效率，可增大输出功率。

B、当总功率一定时，尽量减小集电极耗散功率，则可提高集电极效率，同时输出功率也增加。

C、减小导通角，可以减小集电极耗散功率，提高集电极效率。但导通角过小，集电极电流脉冲太窄，则平均直流分量小，使总功率减小，反而会使输出功率减小。兼顾效率与输出功率常取三、近似折线分析法1）将晶体管的特性曲线理想化，每一条特性曲线用一条或几条直线（组成折线）来代替；2）用简单数学解析式来代替特性曲线；3）将晶体管参数代入解析式，进行计算。优点：计算简单，可以进行概括性理论分析；缺点：准确度较低（但可以定性估算）。总功率（直流功率）：输出功率：集电极耗散功率：集电极效率：由有：和是计算和的关键。集电极余弦电流脉冲的分解思路：求解然后求解最后获得和由时和可以确定当由（1）-（2）有：当时由（3）/（4）有：而求傅立叶级数的系数，有：称为尖顶余弦脉冲分解系数。讨论：A、虽然时最大，但此时属甲乙类工作状态，集电极效率低。因此兼顾功率与效率，最佳导通角取B、当时最大，此时可用于2倍频器当时最大，此时可用于3倍频器波形系数四、高频功放的负载特性与动态特性动态特性是指考虑负载的作用后和的关系曲线。外部特性方程：转移特性方程：找出与关系。代入（2）式，有：方程组（1）消去有：令则称为工作线（虚拟电流）Q点：B点：A点：1、负载变化时（保持不变）放大器的性能的变化由于Q点：与无关，而变化Q点不变！因此①工作线1的A点在上是尖顶余弦脉冲②工作线2的A点在与饱和线的交点仍是尖顶余弦脉冲③工作线3的A点在饱和线上是凹顶余弦脉冲欠压状态临界状态过压状态

从小到大的变化过程中，放大器的状态从欠压临界过压在欠压和临界状态，由于可以将当作是和坐标轴平行的直线，尖顶余弦脉冲的最大值近似不变。在过压状态，为凹顶余弦脉冲随增大而减小。近似不变。也随之减小。讨论：①欠压状态可以作为高频恒流源；②过压状态可以作为高频恒压源；③输出功率最大出现于临界状态；④集电极效率最高出现于微过压状态；⑤负载短路，输入功率全为耗散功率。2、各电极电压变化对工作状态的影响1）变化（保持不变）假设放大器处于临界状态由于Q点：A点：工作线右移欠压状态工作线左移过压状态讨论：①过压状态②临界状态时，③临界状态时，④过压状态时，此时可作为集电极调幅因此变化不大2）变化（保持不变）假设放大器处于临界状态由于因此新约束下的过压状态新约束下的欠压状态讨论：①欠压状态②临界状态时，③临界状态时，④欠压状态时，此时可作为调幅信号线性放大器因此变化不大变化不大3）变化（保持不变）这时与变化相反。由于讨论：欠压状态此时可作为基极调幅因此3、工作状态估算用3DA1构成谐振功率放大器。已知：工作频率，求各能量关系。查手册，有3DA1的参数解：设处于临界状态，且则：而五、晶体管功率放大器的高频特性1、晶体管高频等效Le、Lc、Lb—引线电感；—集电结结电容；—发射结结电容；—集电区有效分布电阻；—发射结有效分布电阻；—基区有效分布电阻；—发射极内匀流电阻。这只是一个定性的模型。有一个附加相差2、载流子渡越时间①出现负脉冲，而且主脉冲高度也有所减小③基极电流直流分量减小，甚至可能出现反向直流电流②脉冲滞后于六、高频功率放大器的馈电线路馈电原则：①对于基波有等效负载；②对于谐波相当于短路；③对于直流相当于短路。1、串馈与并馈1)集电极回路（串馈和并馈）2)基极回路（串馈和并馈）无论串馈还是并馈，由于电源与“地”之间有一定的杂散电容，而且比较大，扼流圈与隔直电容也有一定体积，对“地”（机壳）也有一定的分布电容（杂散电容），因此，只要有可能，就不要把这些元件接在高频高电位处，而应该接在高频“地”电位处。同理，电路中若要接上测量电流的电表等，也要接在高频“地”电位处。直流电源的一端必须接“地”，这是电子线路馈电的一条基本原则。无论串馈还是并馈，外部特性的基本关系式都是适用的。串馈优点：C’、L’都接在高频“地”电位处，分布电容不会影响电路工作；缺点：C、L上有直流高压，对电子管电路而言，调整时有危险（对晶体管则不影响）；并馈优点：C、L上没有直流高压；缺点：C’、L’处在高频高电位上，分布电容对电路有影响。2、基极回路偏置VBB利用自偏产生由于单独给VBB供电，使电路复杂，且不方便，故基极偏置常采用自偏的方式。

前面两种偏置电路属于并馈电路，后一种偏置电路属于串馈电路。七、功率放大器的输出回路与级间耦合回路1、集电极输出耦合回路的作用③隔离，即在多路输出时，各路之间相互不影响。这里主要讨论前两个作用，即“匹配”与“滤波”。①阻抗匹配，即最大功率传输（耦合电感、接入系数等）②滤波，即抑制谐波及不需要的其它频率分量；2、输出匹配网络简单输出回路：负载直接接入集电极回路，成为并联谐振回路的一部份。优点：电路简单。缺点：不易调整阻抗匹配，滤波不好。复合输出回路电感耦合电容耦合Π型耦合T型耦合以互感耦合为例去耦合等效若接入系数则初级谐振阻抗定义中介回路传输效率有载品质因数不是越高越好！则则兼顾中介回路效率与滤波，负载功率最大出现于微欠压状态3、Π输出匹配网络目的：1）令R1与R2匹配；2）谐振于工作频率。假设有载品质因数根据并串联关系全串联等效匹配条件：谐振条件：三个方程可以确定有载品质因数假设：应用条件：其它Π型结构的分析方法都是一样的。4、输入匹配网络与级间耦合网络对于中间级来说，最主要的是应该保证它的输出电压稳定，以供给下级稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。因此，可采取以下措施来设计中间级：1）中间级工作于过压状态；2）降低级间耦合回路效率一般取5、T型输入匹配网络匹配条件：谐振条件：三个方程可以确定有载品质因数假设：其它T型网络分析方法也一样！假设：则应用条件：最后：匹配网络在高频功率放大器中占有很重要的地位，匹配网络设计和调整良好，能保证放大器工作于最佳状态。八、宽带高频功率放大器匹配普通变压器的高频等效电路r1为初级铜损；Ls1为初级漏感；L1为初级电感；r’2为次级铜损折算到初级的值；L’s2为次级漏感折算到初级的值；C为各部分分布电容折合到初级后的总和；R’L为RL折算到初级的值。频率下降，由于L1电感量不足，使低端衰减加剧。结论：普通变压器结构不能适用于宽带功放的阻抗匹配和隔离。采用传输线变压器，可以把带宽展宽到几百兆赫。频率升高，Ls1、L’s2、C的作用加强，限制频率的上升；1、传输线变压器的工作原理根据电报方程这里R0—分布电阻L0—分布电感G0—分布电导C0—分布电容求解电报方程，且考虑在无损耗媒质中，有当很小可近似认为：这是在一个宽带范围内的阻抗表达式。1)传输线变压器的实现在一个高μ磁环上，用传输线（如绞合双线、平行双线或同轴电缆等）绕上几匝。2)传输线变压器的特点①单边电感量大，总电感为0②频率上限经验公式③频率下限经验公式④两个绕组的电压处处相等，两个绕组中的电流处处等值反向⑤阻抗变换只能是某些固定比值⑥端口关系2、1：4（4：1）阻抗变换器将负载和信号源交换位置，可得4：1阻抗变换器。最大传输功率阻抗：最高耐压阻抗：最小衰减阻抗：常用用于传输信号兼顾耐压、功率及衰减以传输线变压器为核心，构成功率合成与分配网络。3、功率合成与分配功率合成与分配网络应满足的条件：功率相加条件彼此隔离1）如从C端馈入信号（D端隔离）由电路对称形式，可知有因此RA、RB上获得同相等功率的信号，即这是一个同相功率分配网络。2）信号从D端送入有：及因此，RA、RB上获得同等反相功率。这是一个反相功率分配器。3）A、B端反相激励时的工作情况

由因此，有这是个反相功率合成网络（在D端合成）4）A、B端同相激励时的工作情况由有因此这是一个同相功率合成网络（在C端合成）。九、倍频器输出频率等于输入频率整数倍的电路。倍频器用于：提高频率稳定度（主振越窄越稳定）；提高工作稳定性（减小寄生耦合）；加深调角信号的调制度；频率变换（低频—高频）。主要形式：丙类倍频器：丙类放大器；参量倍频器，利用变容管等。丙类倍频器工作原理与丙类放大器类似，只需将负载谐振回路调谐到n次谐波上即可。其外部特性方程为：对于二次倍频：对于三次倍频：由于：要使需要可能导致晶体管被击