第3章-高频功率放大器课件

高频功率放大器高频功率放大器 第三章第三章 高频功率放大器高频功率放大器3.1 高频调谐功放工作原理高频调谐功放工作原理 3.2 丙类谐振功放工作状态分析丙类谐振功放工作状态分析3.3 调谐功放的电路组成调谐功放的电路组成3.4 倍频器倍频器3.5 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器3.1 高频调谐功放工作原理高频调谐功放工作原理1、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高功率输出 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。联想对比：一、一、高频功率放大器简介高频功率放大器简介高频功率放大器高频功率放大器3、高频谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图图图3.1.1 两类放大器波形图两类放大器波形图 高频功率放大器高频功率放大器工作状态工作状态 根据电流导通角的不同，功率放大器一般分为以下几类：谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。高频功率放大器高频功率放大器二、基本原理电路二、基本原理电路 上图中，UCC是直流电源电压，UBB是基极偏置电源电压。图图3.1.2 高频调谐功放基本电路高频调谐功放基本电路 RL高频功率放大器高频功率放大器三、晶体管的导通特点三、晶体管的导通特点图图3.1.3 谐振功率放大器输入、输出谐振功率放大器输入、输出 电压、电流波形电压、电流波形 高频功率放大器高频功率放大器四、集电极电流分析四、集电极电流分析 晶体管工作情况与频率关系很大，通常将其工作频率分为三个区域：若非特别说明，晶体管高频功率放大器的工作原理分析将在低频区进行。高频功率放大器高频功率放大器将 代入(式3.1.1)，得：高频功率放大器高频功率放大器图图3.1.3 谐振功率放大器输入、输出谐振功率放大器输入、输出 电压、电流波形电压、电流波形 高频功率放大器高频功率放大器集电极余弦电流分析高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器将几个常用分解系数 与 的关系绘制成上图，由已知的 可查出相应的 值。高频功率放大器高频功率放大器ictccic1ic2ic3IcoIcmax图图3.1.4 集电极电流各次谐波分量波形集电极电流各次谐波分量波形高频功率放大器高频功率放大器iC频谱频谱LC回回路阻路阻抗抗Rp+ui-RpCL+uCE-UCCUBB-uc1+ic+uBE _ictccic1ic2ic3IcoIcmaxuiUj-UBBIcmaxuBEtibtictuCEuc1tUCCUcmUbmuBEic-UBBUjuiUbmg高频功率放大器高频功率放大器五、槽路电压分析五、槽路电压分析 根据已学过的并联谐振回路知识，可知集电极谐振回路即槽路的阻抗可以表示为：RL高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器LC回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。高频功率放大器高频功率放大器六、谐振功率放大器的功率关系和效率六、谐振功率放大器的功率关系和效率1、几种功率及其联系 调谐功率放大器有如下五种功率需要考虑：电源供给的直流功率电源供给的直流功率Pdc；晶体管集电极输出功率晶体管集电极输出功率PO；负载的交流功率负载的交流功率PL；晶体管损耗功率晶体管损耗功率PC；槽路损耗功率槽路损耗功率PT。高频功率放大器高频功率放大器2、集电极效率 高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器3、槽路效率 可见，要提高槽路效率，就要求空载品质因数大，故应选择低损耗的L、C元件。高频功率放大器高频功率放大器小结：小结：高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器思考题：Q1:为何低频功放不可工作与丙类工作状态，而高频功放可以？Q2:提高放大器的功率和效率该如何做？高频功率放大器高频功率放大器3.2 丙类谐振功放工作状态分析丙类谐振功放工作状态分析 本节主要讨论调谐功放的负载特性，具体内容如下：本节主要讨论调谐功放的负载特性，具体内容如下：3.2.1 晶体管的集电极动态特性晶体管的集电极动态特性3.2.2 高频功放的负载特性高频功放的负载特性3.2.3 各极电压对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响3.2.4 晶体管功放的高频特性晶体管功放的高频特性高频功率放大器高频功率放大器3.2.1 晶体管的集电极动态特性晶体管的集电极动态特性 晶体管的转移特性和输出特性是在其集电极没有外接负载的情况下获得的，也称为静态特性。在考虑了负载的反作用后，所获得的在考虑了负载的反作用后，所获得的uCE、uBE与与ic的关系曲的关系曲线就叫线就叫动态特性曲线动态特性曲线。最常用的是当uCE、uBE同时变化时，表示ic-uCE关系的动态特性曲线，也可称为负载线负载线。高频功率放大器高频功率放大器一、放大区动态特性方程一、放大区动态特性方程 动态特性方程负斜率的物理意义为：从负载方面看放大器相当于一负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。下面依据动态特性方程绘制出动态特性曲线，表示ic-uCE关系的动态特性曲线，也称为负载线负载线。高频功率放大器高频功率放大器二、动态特性曲线 图图3.2.1 丙类放大器的动态特性丙类放大器的动态特性高频功率放大器高频功率放大器放大区动态特性斜率值的倒数为：高频功率放大器高频功率放大器3.2.2 高频功放的负载特性高频功放的负载特性 在其他条件不变,只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性负载特性。一、谐振电阻一、谐振电阻RP对集电极电流的影响对集电极电流的影响 当RP改变时，动态线斜率会改变，但动态线上的Q点位置不变，这时，动态线会以Q点为轴发生偏转。高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.2 电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形 当当RP过大时，动态特性曲线过大时，动态特性曲线实际变为了实际变为了BA4A5所示折线。所示折线。高频功率放大器高频功率放大器 可见，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大；不同的负载，放大器的工作状态不同。二、调谐功放的三种状态二、调谐功放的三种状态 根据调谐功放工作时是否进入饱和区，可将放大器分为：根据调谐功放工作时是否进入饱和区，可将放大器分为：欠压、过压、临界三种工作状态欠压、过压、临界三种工作状态。欠压状态欠压状态 若在整个周期内，晶体管工作不进入饱和区，即在任何时刻都工作在放大状态，称放大器工作在欠压状态欠压状态，上图中A2点以右的区域。高频功率放大器高频功率放大器 临界状态临界状态 若刚进入饱和区的边缘，称放大器工作在临界状态临界状态。此时放大器输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。过压状态过压状态 若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，称放大器工作在过压状态过压状态。此时放大器的负载较大，放大器的输出功率和效率也要减小。三、工作状态的判别方法三、工作状态的判别方法 高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.2 电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.3 RP变化时的变化时的iC波形波形结论：当负载电阻RP从小到大变化时，放大器的工作状态将从欠压状态进入临界状态，再进入过压状态。在欠压区，电流IC0和IC1m略有下降；进入过压后，电流IC0和IC1m急剧下降并出现顶部凹陷，而且凹陷程度随RP增大而加深。高频功率放大器高频功率放大器四、负载特性四、负载特性 在其他条件不变,只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性负载特性。图图3.2.4 负载特性曲线负载特性曲线高频功率放大器高频功率放大器小结：小结：1欠压状态欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率则较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基但晶体管基极调幅，需采用这种欠压状态。极调幅，需采用这种欠压状态。2过压状态过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用过压状态发射机的中间级、集电极调幅级常采用过压状态。3临界状态临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，是最佳工作状态，发射机的末级常设计成临界状态发射机的末级常设计成临界状态。高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.3 负载特性曲线负载特性曲线高频功率放大器高频功率放大器一、集电极调制特性 若UBB、RP和Uim固定,输出电压振幅Ucm随集电极电压UCC变化的规律被称为集电极调制特性集电极调制特性。实实际际上上，只只有有在在过过压压状状态态UCC对对Ucm才才能能有有较较大大控控制制作作用，所以集电极调幅应用在过压状态。用，所以集电极调幅应用在过压状态。3.2.3 各极电压对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响图图3.2.5 集电极调制特性集电极调制特性高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.5 集电极调制特性集电极调制特性高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.6 UCC变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化高频功率放大器高频功率放大器二、振幅特性 Uim变化，但UCC、UBB、RP不变化，放大器性能随激励振幅Uim变化的特性称为调谐功放的振幅特性振幅特性。由于 uBE=Uimcost-UBB ，故有 uBE max=Uim-UBB高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.7 Uim变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化 可见，在欠压区，Ucm随Uim的变化规律近似线性。高频功率放大器高频功率放大器三、三、基极调制特性 若UCC、RP和Uim固定,输出电压振幅Ucm随基极偏压UBB变化的规律被称为基极调制特性基极调制特性。基极调制的目的是使Ucm随UBB的变化规律而变化,功放应工作在欠压状态,才能使UBB对Ucm有控制作用。高频功率放大器高频功率放大器图图3.2.8 UBB变化对工作状态的影响变化对工作状态的影响 uBE max=Uim-UBB高频功率放大器高频功率放大器3.3 调谐功放的电路组成调谐功放的电路组成 调谐功放的电路一般由馈电线路、偏置电路、输入、输出调谐功放的电路一般由馈电线路、偏置电路、输入、输出匹配电路几部分组成匹配电路几部分组成，本节将对各部分展开讨论，具体内容如下：3.3.1 调谐调谐功放的馈电线路功放的馈电线路3.3.2 输出、输入与级间耦合回路输出、输入与级间耦合回路高频功率放大器高频功率放大器3.3.1 调谐功放的调谐功放的馈电线路馈电线路一、直流馈电电路 无论何种馈电电路都可以分为以下两种电路形式：串联馈电和并联馈电两种基本馈电方式串联馈电和并联馈电两种基本馈电方式；串联馈电串联馈电是指晶体管、直流电源和负载回路三部分串联,并联馈电并联馈电是指晶体管、直流电源和负载回路三部分并联。高频功率放大器高频功率放大器1.集电极馈电电路集电极馈电电路 根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。图图3.3.1 集电极电路的两种馈电形式集电极电路的两种馈电形式 高频功率放大器高频功率放大器(1)串馈电路 指直流电源UCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。C1、LC的选取原则为:1/(LC)回路阻抗1/10 LC1/(C)10(2)并馈电路 指直流电源UCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。LC、C1、C2的选取原则与串馈电路基本相同。高频功率放大器高频功率放大器(3)串、并馈直流供电路的优缺点 并馈电路优点：安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠；并馈电路缺点：缺点：是在并馈电路中，LC处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特点正好与并馈电路相反。高频功率放大器高频功率放大器2.基极馈电电路基极馈电电路 基极馈电电路也分串馈和并馈两种。图图3.3.2 基极电路的馈电形式基极电路的馈电形式 高频功率放大器高频功率放大器一、输出匹配网络 输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络间的网络，输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。高效率。图图3.3.3 放大器与负载通过四端网络耦合放大器与负载通过四端网络耦合3.3.2 输出输出、输入与级间耦合回路、输入与级间耦合回路高频功率放大器高频功率放大器1、输出网络的作用1使负载阻抗与放大器所需最佳阻抗相匹配，以保证放大器传到负载的功率最大，以起匹配网络作用；2滤波作用（它可抑制工作频率范围外无用频率）；3在有几个电子器件同时输出功率时，保证它们都能有效地传送功率到负载，同时又能尽量使它们彼此隔离。2、输出网络的形式1复合输出回路 复合输出回路是最常见的输出回路形式；这种电路是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。高频功率放大器高频功率放大器图中，介于电子器件与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介回中介回路路；RA、CA分别代表天线的辐射电阻与等效电容；Ln、Cn为天线回路的调谐元件。图图3.3.4 复合输出回路复合输出回路高频功率放大器高频功率放大器分析：上图从集电极向右看，可以将该网络等效为一个并联谐振回路，等效图如下：显然，改变M(耦合系数)，可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的等效阻抗RC，以达到阻抗匹配的目的。注意：高频功放的阻抗匹配概念指：在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，使电子器件送出额定输出功率至负载。高频功率放大器高频功率放大器中介回路传输效率中介回路传输效率 衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表，该值即为中介回路传输效率，简称中介回路效率。高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器 2T型或型网络 高频功率放大器高频功率放大器 下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器等效电路由耦合电路的理论可知，当天线回路调谐到串联谐振状态时，它反映到L1C1中介回路的等效电阻为因而等效回路的谐振阻抗为高频功率放大器高频功率放大器二、输入匹配网络和 级间耦合网络 对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，效率则降为次要问题。多级功放中间级存在的问题：后级放大器的输入阻抗是变化的，这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。输出回路是用于多级高频功放的末级的，至于末级之前的各级都叫中间级，其集电极回路都用来馈给下一级所需的激励功率，这些回路就叫做级间耦合回路级间耦合回路。高频功率放大器高频功率放大器对于中间级应采取如下措施：1)使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒压源。2)降低级间耦合回路的效率。3)回路效率降低后，其本身的损耗加大。这样下级输入阻抗的4)变化相对于回路本身的损耗而言就不显得重要了。高频功率放大器高频功率放大器3.4 倍频器倍频器一、概念 倍频器是一种将输入信号频率成整数倍增加的电路。它主要用于甚高频无线电发射机或其他电子设备。二、作用1、降低设备的主振频率。2、对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。3、可以提高发射机的工作频率稳定性。因为采用了倍频器，输入频率与输出频率不同，从而减弱了寄生耦合。高频功率放大器高频功率放大器三、丙类倍频器的原理电路及波形高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器高频功率放大器四、丙类倍频器的工作原理 高频功率放大器高频功率放大器