高频电子线路第三章高频功率放大器(上课)

3高频功率放大器3.2谐振功率放大器的任务原理3.1概述倍频高频放大调制话筒声音发射天线图调幅发射机方框图音频放大高频振荡缓冲3.1概述3.1概述功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。电压增益：电流增益：ββ+1

三种组态的根本放大电路CECCCB1.谐振〔高频〕功放与非谐振〔低频〕功放的比较一样:要求输出功率大，效率高非线性(大信号)不同:低频〔音频〕:20Hz～20kHz高频〔射频〕:〔以调幅为例〕已调信号lowhighωAM广播信号:535kHz～1605kHz，BW=10kHz谐振与非谐振(任务形状)高频窄带信号任务频率与相对频宽不同,3.1概述中心频率越高，那么相对频宽越小。因此高频功率放大器普通都采用选频网络作为负载回路功率放大电路的主要特点输入为大信号要求输出功率尽能够大,管子任务在接近极限形状效率要高非线性失真要小BJT的散热问题(管子的维护)E(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier2.分类3.1概述流通角:一个周期内有电流流通的相角.3.1概述3.要处理的问题减小失真〔线性度〕管子的维护提高输出功率提高效率丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。4.效率与失真矛盾的处理ωlowhigh3ωnω2ω03.1概述4.效率与失真矛盾的处理有源器件谐振回路窄带谐振放大器丙类经过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完好周期信号。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输出回路晶体管3.1概述3.1概述功能：将直流功率转换为交流信号功率。主要目的：输出功率与效率任务形状：丙类大信号的非线性形状〔非线性失真〕分析方法：折线近似分析法。(大信号)高频谐振功率放大器3.2谐振功率放大器的任务原理3.2.1获得高效率所需求的条件3.2.2功率关系 3.2.1获得高效率所需求的条件Vbmvbewt小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：任务形状分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源作基极偏置。wtiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe转移特性iCVBZo理想化图高频功率放大器的根本电路失真E3.2.1获得高效率所需求的条件(b)tw或电压电流0VBZVCCV－BBVbmVcmvbEmaxqiCicmaxciCvCEvBEvCEmin1.iC与vBE同相，与vCE反相；2.iC脉冲最大时，vCE最小；3.导通角和vCEmin越小，Pc越小；3.2.1获得高效率所需求的条件3.2.2功率关系电路正常任务〔丙类、谐振〕时，外部电路关系式：谐振回路E直流功率：输出交流功率：集电极效率：集电极电压利用系数波形系数3.2.2功率关系3.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解 3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性3.3.4各极电压对任务形状的影响 3.3.5任务形状的计算(估算)举例3.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式3.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解 3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性3.3.4各极电压对任务形状的影响 3.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式 为了对高频功率放大器进展定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Ic1m。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器任务形状的选择指明方向。 思索到谐振功率放大器任务于丙类〔非线性、大信号〕形状，采取图解法与数学解析分析相折中的方法：折线近似分析法。3.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法3.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管静态特性曲线折线法输出特性曲线转移特性曲线〔基极电压或电流一定时，ic与uce的关系〕〔集电极电压一定时，ic与ube的关系〕3.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式图3.3.1晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE欠压临界过压End图3.3.2晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)3.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe转移特性iCVBZ0理想化以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)=gcVbm(cosωt–cosc)=gcVbm(1–cosc)当t=0时，iC=iCmax取决于脉冲高度iCmax与通角c当t=c时，iC=03.3.2集电极余弦电流脉冲的分解3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解图3.3.3尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得其中：尖顶余弦脉冲的分解系数波形系数下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择适宜的任务形状。尖顶脉冲的分解系数当c≈120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将到达最大值。但此时放大器处于甲乙类形状，效率太低。3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解图6-9尖顶脉冲的分解系数由曲线可知：极端情况c=0时，假设此时=1，c可达100%。为了兼顾功率与效率，最正确通角取70左右。End3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择适宜的任务形状。3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对任务形状的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种任务形状的特点，为任务形状的调整提供参考。集电极效率ηc和输出功率Po能否能最正确实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压VBB、Vbm、VCC。3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性1.高频功放的动态特性-为一折线下面经过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC、VBB、Vbm所表示的输出动态负载曲线。vceicVo•AVCC•QVcm1vcmingd2.高频功放的负载特性vBEiC•-VBB•VBZvbeiCgCVbm•vbemaxiCmaxvceiCVCC•QvceminVcesgd•vbemax•••gcr•过压区临界区欠压区3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性vbemax2.高频功放的负载特性vBEiC•-VBB•VBZvbeiCgCVbm•vbemaxiCmaxvceiCVCC•QvceminVcesgd•vbemax•••gcr•过压区临界区欠压区3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性vbemax2.高频功放的负载特性iCvcevbemax过压区临界区欠压区欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性End欠压、过压、临界三种任务形状的特点：结论：欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大；过压：恒压，Icm1变化，Po较小，ηc可达最高；临界：Po最大，ηc较高；最正确任务形状发射机末级中间放大级2.高频功放的负载特性3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性图3.3.7负载特性曲线欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性例：有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，知Vcc=24V，Po=2W,任务频率1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册知其有关参数为：分析：由前面的讨论可知，任务形状最好选用临界形状。作为工程近似估算，可以以为此时集电极最小瞬时电压3.4谐振功率放大器一、直流馈电电路要想使高频功率放大器正常任务，晶体管各电极必需有相应的馈电电源。无论是集电极电路还是基极电路，它们的馈电方式都分为串联馈电和并联馈电。但无论哪种馈电方式，都应该遵照以下几条根本组成原那么：3.4谐振功率放大器〔1〕直流电流IC0是消费能量的源泉，它由VCC经管外电路输至集电极，应该是除了晶体管的内阻外，没有其他电阻耗费能量。因此要求管外电路对直流来说等效电路如图〔a〕所示。3.4谐振功率放大器〔2〕高频基波分量Ic1m应经过负载回路，以产生所需求的高频输出功率。因此，Ic1m只应在负载回路上产生电压降，其他的部分对于Ic1m来说，都应该是短路的。所以，对于Ic1m的等效电路应如图〔b〕所示。3.4谐振功率放大器〔3〕高频谐波分量Icnm是“副产品〞，不应耗费功率〔倍频器除外〕。因此管外电路对Icnm来说，应该尽能够接近于短路，如图〔c〕所示。要满足以上三条原那么，可以采用串联馈电与并联馈电两种电路，简称串馈和并馈。3.4谐振功率放大器所谓串馈，就是说电子器件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的。并联串馈，就是将这三部分并联起来。3.4谐振功率放大器对于基极电路来说，同样也有串馈和并馈两种方式。3.4谐振功率放大器在以上的电路中，偏置电压VBB都用电池的方式来表示。实践上，VBB单独用电池供应是不方便的，因此常采用一下的方法来产生VBB:〔1〕利用基极电流的直流分量IB0在基极偏置电阻Rb上产生所需求的偏置电压VBB。如图(a)所示。3.4谐振功率放大器〔2〕利用基极电流在基极分散电阻上产生所需求的VBB。如图(b)所示。由于很小，因此所得到的VBB也小，且不够稳定。因此普通只在需求小的VBB〔接近乙类任务〕时，才采用这种电路。3.4谐振功率放大器〔3〕利用发射极电流的直流分量IE0在发射极偏置电阻Re上产生所需求的VBB。如图(c)所示。这种自给偏置的有点是能可以自动维持放大器的任务稳定。〔a〕、〔b〕是并馈，〔c〕是串馈。3.4谐振功率放大器二、匹配网络高频功率放大器的级与级之间或放大级与负载之间，都要采用一定方式的回路，这个回路普通是四端网络。假设四端网络是用来与下级放大器的输入端相衔接，那么叫做级间耦合网络；假设是用以输出功率至负载，那么叫做输出匹配网络。

1、输入匹配网络与级间耦合网络末级以前的各级〔主振级除外〕都叫做中间级。虽然这些中间级的用途不尽一样，例如可作为缓冲、倍频、功率放大等，但它们的集电极回路都是用来馈给下一级所需求的鼓励功率的。这些回路就叫做级间耦合回路。而对于下级被推进级来说，这些回路就是输入匹配网络。因此，以下的讨论不再区分级间耦合回路与输入匹配网络。3.4谐振功率放大器3.4谐振功率放大器由于末级和中间级的电平和负载形状不同，因此对它们的要求也就有差别。对于输出回路，应力求输出功率大，效率高。对于天线阻抗〔RA、CA〕在正常情况下是不变的，故可以使它与集电极回路匹配，使末级任务于临界形状，以获得最大的输出功率。这时，回路的传输效率也很高。但对于级间耦合回路来说，情形就不同了。级间耦合回路的负载是下一级的基极输入阻抗，它的值随机理电压的大小和电子器件本身任务形状的变化而改动，反映到前级回路〔级间耦合回路〕，就使这个回路的等效阻抗变化，从而引起前级任务形状的变化。假设前级任务于欠压形状，那么它的输出将不稳定，这是我们所不希望的。3.4谐振功率放大器为了到达保证送给下级以稳定鼓励电压的目的，对于中间级应采取如下措施：〔1〕中间放大级任务于过压形状，此时它等效为一个理想电压源，其输出电压几乎不随负载变化。〔2〕降低级间耦合回路的效率。由于回路效率降低，意味着回路本身损耗加大，这样就使下级输入电路的损耗功率相对来说显得不重要了，也就是减弱了下级对本级任务形状的影响。中间级的普通取为0.1-0.5。3.4谐振功率放大器2、输出匹配网络放大器与负载之间所用的回路，可用以下图的四端网络来表示。这个四端网络应完成的义务是：〔1〕使负载阻抗与放大器所需求的最正确阻抗相匹配，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〕抑制任务频率范围以外的不需求频率，即它应有良好的滤波作用。〔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输功率到负载，但同时又应尽能够地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。3.4谐振功率放大器本节完成前两个义务，第三个义务，留在功率合成器一节中处理。3.4谐振功率放大器最常见的输出回路方式是复合输出回路，如以下图所示。这种电路是将天线〔负载〕回路经过互感或其他方式与集电极调谐回路相耦合。中介回路天线回路调谐元件天线辐射电阻和等效电容3.4谐振功率放大器除了复合输出外，还可以用其他方式的四端网络，例如形、T形网络等。但不论是哪种选频网络，从集电极向右方看去，它们都该当等效于一个并联谐振回路。如下图。3.4谐振功率放大器以下图所示两种形网络是其中的方式之一〔也可以用T形网络〕。3.5丙类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。为什么要采用倍频器呢？采用倍频器有以下优点：〔1〕发射极主振器的频率可以降低，有利于稳频。〔2〕在采用石英晶体稳频时，振荡频率越高，石英晶体越薄，越易振碎。2-4MHz3.5丙类倍频器〔3〕假设中间级既可以任务于放大形状，也可任务于倍频形状，那么，就可以在不扩展主振器波段的情况下，扩展发射机的波段。这对稳频是有力的，由于振荡器波段越窄，频率稳定度就越高。(4)倍频器的输入与输出频率不同，因此减弱了寄生耦合，使发射机的稳定性提高。〔5〕假设是调频或调相发射机，那么可采用倍频器来加大频移或相移，亦即加深调制度。〔6〕在超高频段〔米波或厘米波段〕难以获得足够的功率，可采用参量倍频器将频率较低，功率较大的信号转变为频率较高，功率亦较大的输出信号。3.5丙类倍频器我们知道，丙类放大器的电流是脉冲状，所包含的谐波很丰富。假设使集电极回路不是谐振于基频，而是谐振于n次谐波，那么，回路对基频和其他谐波的阻抗很小，而对n次谐波的阻抗那么到达最大，且呈电阻性。于是回路的电压和功率就是n次谐波。这就起到了倍频的作用。3.5丙类倍频器倍频器的输入、输出电压瞬时值可写为：而晶体管极间顺势电压可写成为：式中，为回路两端的n次谐波电压振幅。3.5丙类倍频器利用高频功率放大器的分析结果，n次倍频器输出的功率和效率为：由余弦脉冲分解系数可知，无论通角为何值，均小于，也就是在同样条件下，丙类倍频器的输出功率和效率都低于丙类放大器的输出功率和效率。3.5丙类倍频器为了提高输出功率和效率，丙类倍频器在通角的选取上，必需满足：在n=2时，应取600左右；在n=3时，应取400左右。这时与时的放大器输出功率相比较有:3.6宽带高频功率放大器现代通讯的开展趋势之一是在宽波段任务范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换任务频率。为了满足上述要求，可以在发射极的中间各级采用宽带高频功率放大器，他不需求调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。当然，所付出的代价是输出功率和功率增益都降低了。因此，普通来说宽带功率放大器适用于中、小功率级。对于大功率设备来说，可以采用宽带功放作为推进级，同样也能节约调谐时间。3.6宽带高频功率放大器1、高频传输线变压器的特性及原理最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器。宽带变压器有两种方式：一种是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁心，可任务到短波波段；另一种是利用传输线原理与变压器原理二者结合所谓传输线变压器，这是最常用的一种宽带变压器。3.6宽带高频功率放大器图低频变压器及其频率特性例如普通铁心变压器不能用于高频，只能采用高磁导率磁心3.6宽带高频功率放大器为了使变压器任务于高频，并展宽任务频带，人们把传输线的原理运用于变压器。这种变压器是