高频功率放大电路-课件

第第3 3章章 高频调谐功率放大器高频调谐功率放大器3.1 概述概述3.2 调谐功率放大器的工作原理功率放大器的工作原理3.3 功率和效率功率和效率3.4 调谐功率放大器的工作状功率放大器的工作状态分析分析3.5 调谐功率放大器的功率放大器的实用用电路路3.6 功率晶体管的高功率晶体管的高频效效应3.7倍倍频器器3.8集成高集成高频功率放大功率放大电路及路及应用用简介介1ppt课件3.13.1概述概述一、用途一、用途 高高频功率放大器是一种功率放大器是一种能量能量转换器件器件，它是，它是将将电源供源供给的直流能量的直流能量转换为高高频交流交流输出出；作用是作用是放大信号放大信号，使之达到足，使之达到足够功率功率输出，以出，以满足天足天线发射或其他射或其他负载的要求；的要求；作作为载波波发射机及无射机及无线电发射机射机输出出级或或输出前一出前一级。二、特点二、特点 1.1.输入信号入信号强,电压在几百毫伏在几百毫伏 几伏数量几伏数量级附近附近;2.2.为了提高放大器的工作效率，了提高放大器的工作效率，它通常工作在它通常工作在丙丙类，即即晶体管工作延伸到非晶体管工作延伸到非线性区域性区域饱和区和区、截止区截止区;3.3.要求：要求：输出功率大、效率高。出功率大、效率高。2ppt课件三、分析方法三、分析方法 采采用用近近似似的的分分析析方方法法折折线法法四四、谐振振功功率率放放大大器器与与小小信信号号谐振振放放大大器器的的异异同同 相相同同之之处：它它们放放大大的的信信号号均均为高高频信信号号，而而且且放放大大器器的的负载均均为谐振振回回路路。不不同同之之处：为激激励励信信号号幅幅度度大大小小不不同同；放放大大器器工工作作点点不不同同；晶晶体体管管动态范范围不不同同。3ppt课件五、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同五、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 共共同同之之处都都要要求求输出出功功率率大大和和效效率率高高。谐振振功功率率放放大大器器通通常常用用来来放放大大窄窄带高高频信信号号(信信号号的的通通带宽度度只只有有其其中中心心频率率的的1%或或更更小小)，其其工工作作状状态通通常常选为丙丙类工工作作状状态(90)，为了了不不失失真真的的放放大大信信号号，它它的的负载必必须是是谐振振回回路路。非非谐振振放放大大器器可可分分为低低频功功率率放放大大器器和和宽带高高频功功率率放放大大器器。低低频功功率率放放大大器器的的负载为无无调谐负载，工工作作在在甲甲类或或乙乙类工工作作状状态；宽带高高频功功率率放放大大器器以以宽带传输线为负载。4ppt课件3.23.2调谐功率放大器的工作原理调谐功率放大器的工作原理3.2.13.2.1原理原理电路路 Ec、Eb为集集电极和基极的直流极和基极的直流电源。源。输入信号入信号经变压器器T1 耦合到晶体管基耦合到晶体管基-射极，射极，这个信号也叫个信号也叫激励信号。激励信号。L、C组成并成并联谐振回路，作振回路，作为集集电极极负载，这个回路也叫个回路也叫槽路槽路。5ppt课件3.2.23.2.2晶体管特性的折线化晶体管特性的折线化 所所谓折折线近似分析法，是将近似分析法，是将电子器件的特性理想化，子器件的特性理想化，每每条特性曲条特性曲线用一用一组折折线来代替。来代替。6ppt课件3.2.33.2.3晶体管导通的特点、导通角晶体管导通的特点、导通角 1 1.晶体管晶体管导通的特点通的特点 无信号：晶体管截止无信号：晶体管截止 有信号：有信号：激励信号激励信号 Eb+Uj 导通通7ppt课件 2.2.导通角导通角 在在转移特性的放大区移特性的放大区 假假设输入信号入信号 ，则加到晶体管基加到晶体管基-射极的射极的电压为 ，晶体管，晶体管导通范通范围内集内集电极极电流流ic的表达式的表达式 通常把集通常把集电极极电流流导通通时间相相对应角度的一半称角度的一半称为集集电极极电流的流的导通角通角，用，用表示。在丙表示。在丙类工作状工作状态下下90。根据根据导通角的定通角的定义，当，当 时，,即即（2）（1）8ppt课件3.2.43.2.4集电极余弦脉冲电流分析集电极余弦脉冲电流分析 式（式（2 2）代入式）代入式（1 1）得到）得到当当 时，为最大最大值，用，用 表示，表示，则代入得到代入得到 若将尖若将尖顶余弦脉冲分解余弦脉冲分解为傅里叶傅里叶级数数其中，其中，直流分量幅直流分量幅值9ppt课件基波分量幅值基波分量幅值n次次谐波分量幅波分量幅值10ppt课件 、称作称作余弦脉冲分解系数，余弦脉冲分解系数，它它们是是导通角通角 的函数。的函数。、的特点的特点:1.1.2.2.从曲从曲线可以看出：可以看出：p谐波次数越高其振幅波次数越高其振幅值越小；越小；p对某一次某一次谐波而言，波而言，总有一有一 个相个相应的的值可使振幅可使振幅为最最 大大值。11ppt课件3.2.53.2.5槽路电压槽路电压 1.波形波形基本正弦基本正弦 条件：条件：1）槽路）槽路调谐于基波于基波 2）QL 足足够高高 2.大小大小 Rc 抽抽头部分部分谐振振电阻阻R 并并联回路回路谐振振电阻阻12ppt课件3 33 3功率和效率功率和效率 功率放大器功率放大器输出功率大，出功率大，电源供源供给、管子、管子发热等等问题也也大。大。为了尽量减小了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和耗，合理地利用晶体管和电源，必源，必须了了解功率放大器的功率和效率解功率放大器的功率和效率问题。调谐功率放大器有如下几种功率需要考功率放大器有如下几种功率需要考虑：1.1.电源供源供给的直流功率的直流功率PS；2.2.通通过晶体管晶体管转换的交流功率，即的交流功率，即晶体管集晶体管集电极极输出的出的交流功率交流功率Po；3.3.通通过槽路送槽路送给负载的交流功率的交流功率,即即RL 上得到的功率上得到的功率PL;4.4.晶体管在能量晶体管在能量转换过程中的程中的损耗功率，即晶体管耗功率，即晶体管损耗耗功率功率PC；5.5.槽路槽路损耗功率耗功率 PT；13ppt课件 电源供源供给的功率的功率PS ，一部分（，一部分（PC）损耗在管子，使管耗在管子，使管子子发热；另一部分（；另一部分（Po）转换为交流功率，交流功率，输出出给槽路。通槽路。通过槽路一部分（槽路一部分（PT）损耗在槽路耗在槽路线圈和圈和电容中，另一部分容中，另一部分（PL）输出出给负载RL。14ppt课件 1.1.集电极效率集电极效率p直流直流电源供源供给功率功率p集集电极交流极交流输出功率出功率p放大器的能量放大器的能量转换效率（效率（集集电极效率）极效率）讨论：（1 1）集集电极极电压利用系数利用系数 （2 2）集集电极极电流利用系数流利用系数 ，但，但 ，Po，为了兼了兼顾功率和效率，功率和效率，通常取通常取 。15ppt课件 2.2.槽路效率槽路效率pPL 负载功率，功率，RL 所吸收的功率；所吸收的功率；pPT 槽路槽路损耗功率，槽路空耗功率，槽路空载电阻阻R0所吸收的功率。所吸收的功率。取决于槽路的空取决于槽路的空载和有和有载品品质因数。由于受到槽路元因数。由于受到槽路元件件质量的限制，量的限制，Q0一般几十到几百。一般几十到几百。QL也不能太小，否也不能太小，否则槽槽路路滤波效果太差，波效果太差，输出波形不好，一般出波形不好，一般QL=510。16ppt课件 结论：结论：为了尽可能利用小功率容量的管子和了尽可能利用小功率容量的管子和电源，源，输出出较大的大的功率，功率，应力求力求 和和 高。高。高要适当高要适当选取取，电压利用系数利用系数尽可能大；尽可能大；高，要求槽路空高，要求槽路空载品品质因数因数Q0大，即大，即应选用低用低损耗的耗的电感和感和电容元件。容元件。17ppt课件3.4 调谐功率放大器的工作状态分析调谐功率放大器的工作状态分析3.4.13.4.1调谐功率放大器的功率放大器的动态特性特性 晶体管的晶体管的静静态特性特性，是指集，是指集电极极电路没有路没有负载阻抗条件阻抗条件下下电压与与电流的流的变化关系。当考化关系。当考虑了了负载的反作用后，得到的反作用后，得到的的uce、ube与与ic的关系曲的关系曲线称称为动态特性特性（即（即实际放大器的工放大器的工作特性作特性）。）。当放大器工作于当放大器工作于谐振状振状态时，外部特性方程，外部特性方程 在在转移特性的放大区，内部特性方程移特性的放大区，内部特性方程 18ppt课件 动态特性特性应同同时满足外部特性方程和内部特性方程。足外部特性方程和内部特性方程。联立可得立可得 谐振功率放大器振功率放大器动态特性的方程，它是一条直特性的方程，它是一条直线，只需，只需找出两个特殊点，就可把它找出两个特殊点，就可把它绘出。出。Q (Ec，)B (，0)作出作出动态特性曲特性曲线后，由它和静后，由它和静态特性曲特性曲线相相应交点，交点，即可求出即可求出对应各种不同各种不同 值的的ic值，绘出相出相应的的ic脉冲波形。脉冲波形。19ppt课件 动态线斜率斜率值的倒数称的倒数称为谐振功率放大器的振功率放大器的动态负载电阻阻，用符号，用符号 表示表示20ppt课件3.4.23.4.2调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法 1.1.调谐功率放大器的三种工作状功率放大器的三种工作状态 根据根据调谐功率放大器在工作功率放大器在工作时是否是否进入入进入入饱和区，可和区，可将放大器的工作状将放大器的工作状态分分为欠欠压、过压和和临界三种。界三种。1)1)欠欠压晶体管在任何晶体管在任何时刻都工作在放大状刻都工作在放大状态；2)2)临界界刚刚进入入饱和区的和区的边缘；3)3)过压晶体管工作晶体管工作时有部分有部分时间进入入饱和区。和区。2.2.工作状工作状态的判的判别方法方法 （欠（欠压）（临界）界）（过压）21ppt课件3.4.3 Rc,Ec,Eb和和Ubm变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响 1.Rc变化化对放大器工作状放大器工作状态的影响的影响负载特性特性 负载特性特性是指是指谐振功率放大器当振功率放大器当Ec、Eb和和Ubm不不变时，放大器中各个放大器中各个电流、流、电压、功率和效率与晶体管等效、功率和效率与晶体管等效负载电阻阻Rc之之间的的变化关系。化关系。22ppt课件1 1）三种工作状态）三种工作状态23ppt课件2）电流、电压、功率、效率与）电流、电压、功率、效率与Rc的关系的关系 （1）欠）欠压状状态 ，Ucm 几乎随几乎随R c成正比增加成正比增加 ，输出功率出功率Po 随随 R c 增大而增加增大而增加 ，接近常量接近常量 ，随随R c增大而增加增大而增加 ，随随Rc增大而减小增大而减小 （2）过压状状态 输出功率出功率Po 随随 Rc 增大而减小。增大而减小。在在临界状界状态Po 最大。最大。24ppt课件电流、电压、功率、效率与电流、电压、功率、效率与Rc的关系的关系放大器的放大器的负载特性曲特性曲线25ppt课件3 3）三种工作状态的比较）三种工作状态的比较p欠欠压状状态：电流流Ic1m基本不随基本不随Rc变化，化，输出功率出功率Po随随Rc增增大而增加，大而增加，损耗功率耗功率PC随随Rc增加而减小。当增加而减小。当Rc很小很小时，易，易使使PC超超过晶体管晶体管最大允最大允许损耗功率耗功率PCM，因此在，因此在实际使用使用中要注意保中要注意保证PC PCM。p临界状界状态：放大器：放大器输出功率最大，效率也出功率最大，效率也较高，通常称高，通常称为最佳工作状最佳工作状态。p过压状状态：在弱：在弱过压状状态时，输出出电压基本上不随基本上不随Rc变化；化；深度深度过压时，ic波形下凹波形下凹严重，重，谐波增多，一般波增多，一般应用用较少少。26ppt课件 2.Ec变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响集电极集电极调制特性调制特性 集集电极极调制特性是指当制特性是指当Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器保持恒定，放大器的性能随集的性能随集电极极电压Ec变化的特性。化的特性。27ppt课件集电极调制特性集电极调制特性 由于只有在由于只有在过压状状态，Ec对Ucm才能有才能有较大的控制作大的控制作用，所以用，所以集集电极极调幅工作在幅工作在过压状状态。u28ppt课件 3.3.Eb变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响基极调制特性基极调制特性 基极基极调制特性是指当制特性是指当Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的保持恒定，放大器的性能随基极偏置性能随基极偏置电压Eb变化的特性。化的特性。29ppt课件 由于只有在欠由于只有在欠压状状态，Eb对Ucm才能有才能有较大的控制作大的控制作用，所以用，所以基极基极调幅工作在欠幅工作在欠压状状态。基极调制特性基极调制特性u30ppt课件 4.4.Ubm变化对放大器工作状态的影响变化对放大器工作状态的影响振幅特性振幅特性 调谐功放的振幅特性是指当功放的振幅特性是指当Ec、Eb、Rc保持恒定，放保持恒定，放大器的性能随激励振幅大器的性能随激励振幅Ubm变化的特性。化的特性。因因为ubemax=EbUbm，Eb和和Ubm决定了放大器的决定了放大器的ubemax，因此，改，因此，改变Ubm的情况和改的情况和改变Eb的情况的情况类似。似。图3-13 调谐功放的振幅特性功放的振幅特性31ppt课件35调谐功率放大器的实用电路调谐功率放大器的实用电路 调谐功率放大器由功率放大器由直流直流馈电电路路和和滤波匹配网波匹配网络组成，成，其作用其作用 （1 1）保）保证晶体管各晶体管各电极极获得相得相应的的馈电电源；源；（2 2）通）通过匹配网匹配网络将交流将交流输出功率有效地出功率有效地传输到到负载。32ppt课件3.5.1直流馈电电路直流馈电电路 串串馈，即直流，即直流电源源Ec、滤波匹配网波匹配网络和晶体管在和晶体管在电路形路形式上式上为串串联连接。接。并并馈，即三者在，即三者在电路形式上路形式上为并并联连接。接。33ppt课件比较比较:串串馈电路路中，中，电源与源与滤波匹配网波匹配网络串串联，因此，因此滤波匹配波匹配网网络处于直流高于直流高电位上，网位上，网络元件不能直接接地。元件不能直接接地。并并馈电路路中，中，电源通源通过高高频扼流圈供扼流圈供电，再加上，再加上C2隔断隔断直流，因此直流，因此滤波匹配网波匹配网络可以可以处于直流地于直流地电位上，可以直接位上，可以直接接地。接地。这样，在，在电路板上安装比串路板上安装比串馈电路方便。但路方便。但馈电支路支路的分布参数将直接影响网的分布参数将直接影响网络调谐。34ppt课件 调谐功率放大器中，通常利用射功率放大器中，通常利用射级或基或基级电流在某流在某电阻阻上上产生的生的压降作降作为基极的基极的反向偏置反向偏置电压。这种方法叫种方法叫自自给偏偏压法。法。1.1.射极射极电流自流自给偏偏压环节 1 1）电路路 2）工作原理）工作原理 利用利用ie中的直流分量在中的直流分量在Re上上产生的生的压降作降作为BE间的直的直流偏置流偏置电压。3.5.23.5.2基极自给偏压环节基极自给偏压环节35ppt课件 3 3）信号源有无直流通路）信号源有无直流通路高频扼流圈高频扼流圈 高高频扼流圈的作用是将射极偏扼流圈的作用是将射极偏压引向基极，同引向基极，同时也也为基基极直流提供通路。极直流提供通路。4 4）应用用欠欠压 射流偏射流偏压环节对Ie0的的变化起化起负反反馈作用。作用。36ppt课件 2.2.基极电流自给偏压环节基极电流自给偏压环节 1 1）电路路 2 2）工作原理）工作原理 利用利用ib中的直流分量在中的直流分量在Rb上上产生的生的压降作降作为BE间的直的直流偏置流偏置电压。3 3）应用用过压 基流偏基流偏压环节对Ib0的的变化起化起负反反馈作用。作用。37ppt课件 3.3.说明说明 1 1）四种偏置）四种偏置电路中，加到路中，加到B BE E间的的直流偏置直流偏置电压均随均随输入信号入信号电压振幅的大小而振幅的大小而变化化。2 2）当未加当未加输入信号入信号时，电路的偏置均路的偏置均为零。零。当当输入信入信号号电压由小加大由小加大时，加到，加到B BE E间的直流偏置的直流偏置电压均向均向负值方方向增大。向增大。这种偏置种偏置电压随随输入信号入信号电压振幅而振幅而变化的特性称化的特性称为自自给偏置效偏置效应。38ppt课件3.5.33.5.3输入、输出匹配网络输入、输出匹配网络 保保证外外负载与与调谐功率放大器最佳工作要求相匹配的网功率放大器最佳工作要求相匹配的网络常称常称为匹配网匹配网络。如果如果负载是下是下级放大器放大器输入阻抗，入阻抗，应采用采用“输入匹配网入匹配网络”或或“级间耦合网耦合网络”；如果；如果负载是天是天线或其他或其他终端，端，应采用采用“输出匹配网出匹配网络”。39ppt课件对输出匹配网络的主要要求：对输出匹配网络的主要要求：1 1）匹配网）匹配网络应有有选频作用作用，充分，充分滤除不需要的直流和除不需要的直流和谐波分量，以保波分量，以保证外接外接负载上上仅输出高出高频基波功率。基波功率。2 2）匹配网）匹配网络还应具有具有阻抗阻抗变换作用作用，以保，以保证放大器工放大器工作在所作在所设计的状的状态。3 3）匹配网）匹配网络应能将功率管能将功率管输出的信号功率高效率出的信号功率高效率传送送到外接到外接负载，即要求，即要求匹配网匹配网络的效率（槽路效率的效率（槽路效率L）高）高。40ppt课件 1.1.并联谐振回路匹配电路并联谐振回路匹配电路 1 1）电路路 2）最佳）最佳负载电阻阻Rcp的估算的估算 放大器工作在放大器工作在临界状界状态的等效的等效电阻，就是放大器阻抗匹阻，就是放大器阻抗匹配所需的配所需的最佳最佳负载电阻阻。因因为 所以所以41ppt课件 滤波器型匹配网络滤波器型匹配网络 在甚高在甚高频或大功率或大功率输出出级，广泛利用，广泛利用L、C变换网网络来来实现调谐和阻抗匹配。从和阻抗匹配。从结构来看，可分构来看，可分为L型、型、T 型、型、型型三种三种类型。型。42ppt课件3.63.6功率晶体管的高频效应功率晶体管的高频效应p晶体管分为三个工作区：p（1)f0.5f,低频工作区p（2）0.5ff0.2fT,高频工作区43ppt课件3.6.23.6.2晶体管高频工作时载流子渡越时间的影响晶体管高频工作时载流子渡越时间的影响p晶体管工作在低频时，总认为三个极的电流时同时发生的。实际上，由于基区载流子渡越时间的影响，集电极电流滞后基极和发射极电流。44ppt课件3.7 3.7 倍频器倍频器 倍倍频器是一种将器是一种将输入信号入信号频率成整数倍（率成整数倍（2 2倍、倍、3 3倍倍n n倍）增加的倍）增加的电路。它主要用于甚高路。它主要用于甚高频无无线电发射机或射机或其它其它电子子设备。一、一、为什么采用倍什么采用倍频器器 二、倍二、倍频器的种器的种类 三、丙三、丙类倍倍频器的工作原理器的工作原理 四、使用四、使用时注意注意问题45ppt课件一、为什么采用倍频器一、为什么采用倍频器 1.1.降低降低设备的主振的主振频率率。由于振。由于振荡器器频率愈高率愈高稳定性愈定性愈差，一般采用差，一般采用频率率较低而低而稳定度定度较高的晶体振高的晶体振荡器，以后加器，以后加若干若干级倍倍频器达到所需器达到所需频率。一般基音体体率。一般基音体体频率不高于率不高于20MHz，具有高具有高稳定性的晶体定性的晶体频率通常不超率通常不超过5 MHz。所以所以工作工作频率高，要求率高，要求稳定性又定性又严格的通信格的通信设备和和电子子仪器就需器就需要倍要倍频。2.2.对于于调相或相或调频发射机，利用倍射机，利用倍频器可以器可以加大相移或加大相移或频移移，即可增加，即可增加调制度。制度。3.3.可以可以提高提高发射机的工作射机的工作频率率稳定性定性。46ppt课件二、倍频器的种类二、倍频器的种类 1.1.丙丙类倍倍频器器 2.2.参参变量倍量倍频器器 本本节主要介主要介绍用丙用丙类放大器构成的倍放大器构成的倍频器，即所器，即所谓“丙丙类倍倍频器器”。47ppt课件三、丙类倍频器的工作原理三、丙类倍频器的工作原理 丙丙类放大器晶体管集放大器晶体管集电级电流脉冲中含有丰富的流脉冲中含有丰富的谐波分波分量。量。如果集如果集电极极调谐回路回路谐振在二次或三次振在二次或三次谐波波频率上，放率上，放大器就主要有二次或三次大器就主要有二次或三次谐波波电压输出。出。这样丙丙类放大器就放大器就成了二倍成了二倍频器或三倍器或三倍频器。器。丙丙类倍倍频器的原理器的原理电路路48ppt课件 设倍倍频器器输入入电压为 输出出电压为 式中式中 是是谐振回路两端振回路两端 n 次次谐波波电压幅幅值。倍倍频器器输出的功率和效率出的功率和效率为 丙丙类倍倍频器的器的输出功率和效率将出功率和效率将远低于丙低于丙类放大器，且放大器，且随着次数的增大而迅速降低。随着次数的增大而迅速降低。最佳最佳导通角通角 与倍与倍频次数的关系次数的关系为49ppt课件