Chapter6高频功率放大器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.1 概述,6,.2 谐振功率放大器的工作原理,6.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,6.4 晶体管高频放大器的高频效应,6.5 高频功率放大器的电路组成,Chapter6,谐振功率放大器,1,1、使用谐振功率放大器的目的,放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。,2、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,联想对比：,谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；,谐振功率放大器与低频功率放大器；,6.1概述,2,3、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：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,3,共同之处:都要求输出功率大和效率高。,不同之处：工作频率与相对频宽不同；,放大器的负载不同；,放大器的工作状态不同。,功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处,4,5、工作状态：,功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,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,5,谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(,c,90,)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。,非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。,谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法,6,1、原理电路,谐振功率放大器的基本电路,(1)晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。,(2)谐振回路LC是晶体管的负载,(3)电路工作在丙类工作状态,外部电路关系式：,晶体管的内部特性：,6.2谐振功率放大器的工作原理,7,故晶体管的转移特性曲线表达式：,谐振功率放大器转移特性曲线,故得：,必须强调指出：,集电极电流,i,c,虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。,谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示,2、电流与电压波形：,8,高频功率放大器中各部分,电压与电流的关系,（a）,9,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,10,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。,回路是由L、C二个储能元件组成。,当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源V,CC,给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。,由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。,3、LC回路的能量转换过程,11,4、谐振功率放大器的功率关系和效率,功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。,由前述所知：,有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率c,P,=,=直流电源供给的直流功率；,P,o,=交流输出信号功率；,P,c,=集电极耗散功率；,根据能量守衡定理：,故集电极效率：,12,由上式可以得出以下两点结论：,2） 由式,可知,如果维持晶体管的集电极耗散功率P,c,不超过规定值，那么提高集电极效率,c,，将使交流输出功率P,o,大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。,1) 设法尽量降低集电极耗散功率P,c,，则集电极效率,c,自然会提高。这样，在给定P,=,时，晶体管的交流输出功率P,o,就会增大；,13,如何减小集电极耗散功率P,c,可见使,i,c,在e,c,最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。,晶体管集电极平均耗散功率：,故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180,，处于丙类工作,状,态。,谐振功率放大器工作在丙类工作状态时,c,90,，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：,14,直流功率：,输出交流功率：,V,cm -,回路两端的基频电压,I,cm1 -,基频电流,R,p -,回路的谐振阻抗,放大器的集电极效率：,集电极电压利用系数,波形系数，通角,c,的函数；,c,越小g,1,(,c,)越大,15,越大(即V,cm,越大或e,cmin,越小),c,越小效率,c,越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率,c,的途径为：,1、减小,c,角；,2、使LC回路谐振在信号的基频上，,即,i,c,的最大值应对应e,c,的最小值。,放大高频大信号,属于非线性工作状态；,基极偏置为负值,半通角,c,90,，,即丙类工作状态；,电流脉冲是尖顶余弦脉冲；,负载为LC谐振回路。,故谐振功率放大器的工作特点：,16,6.3.1折线法,所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。,工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。,对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量I,c0,和基频分量I,cm1。,6.3谐振功率放大器的折线近似分析法,17,折线分析法的主要步骤：,1、测出晶体管的转移特性曲线,i,c, e,b,及输出特性曲线,i,c, e,c,， 并将这两组曲线作理想折线化处理。,2、作出动态特性曲线。,3、根据激励电压,v,b,的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲,i,c,和输出电压,v,c,的波形。,4、求出,i,c,的各次谐波分量I,c0,、I,c1,、I,c2,由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。,18,晶体管实际特性和理想折线,根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于V,BZ,的一条直线来表示(V,BZ,为截止偏压)。,由上图可见，根据理想化原理，在放大区,集电极电流只受基极电压的控制,与集电极电压无关; 在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。,6.3.2晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线,19,则临界线方程可写为,i,c,=g,cr,e,c,(2),g,cr,为临界线的斜率,则转移特性方程可写为,i,c,=g,c,(e,b,V,BZ,) (e,b,V,BZ,),(1),gc-转移特性方程的斜率,式(1)和(2)是折线近似法的基础，应很好地掌握。,20,在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：,1)欠压工作状态：,集电极最大点电流在临界线的右方，,交流输出电压较低且变化较大。,2)过压工作状态：,集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，,交流输出电压较高且变化不大。,3)临界工作状态：,是欠压和过压状态的分界点，,集电极最大点电流正好落在临界线上。,21,当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。,尖顶余弦脉冲,晶体管的内部特性为：,它的外部电路关系式,i,c,=g,c,(e,b,V,BZ,) (1),e,b,= V,BB,+V,bm,cos,t (2),e,c,= V,CC,V,cm,cos,t (3),将式(2)代入式(1)，得,i,c,= g,c,(V,BB,+V,bm,cos,tV,BZ,)(4),当,t=,c,时，,i,c,=0，代入上式得,0 = g,c,(V,BB,+V,bm,cos,c,V,BZ,) (5),即,6.3.3集电极余弦电流脉冲的分解,22,因此，知道了V,bm,、V,BB,与V,BZ,各值，,c,的值便完全确定。,将式(4)与式(5)相减，即得,i,c,= g,c,V,bm,(cos,tcos,c,) (7),当,t=0,时，,i,c,=,i,c max,，因此,i,c max,= g,c,V,bm,(1cos ,c,) (8),( 6 ),将式(7)与式(8)相除，即得,或,式(9)即为尖顶余弦脉冲的解析式，,它完全取决于脉冲高度,i,c max,与通角,c,。,(9),23,若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,尖顶脉冲的分解系数,24,尖顶脉冲的分解系数,当,c,120,时，I,cm1,/,i,cmax,达到最大值。在I,c max,与,负载阻抗R,p,为某定值的,情况下，输出功率将达,到最大值。这样看来，,取,c,=120,应该是最佳通,角了。但此时放大器处,于甲类工作状态效率太,低。,右图可见：,25,尖顶脉冲的分解系数,：,波形系数,由曲线可知：,极端情况,c,=0,时，,此时,=1，,c,可达,100%,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70,左右。,由于,26,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。,以临界状态为例：,1),首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量,i,c max,和,c,导通角,c,集电极电流脉冲幅值,I,cm,谐振功率放大器的计算,27,2),电流余弦脉冲的各谐波分量系数,0,(,c,)、,1,(,c,)、,n,(,c,),可查表求得，并求得个分量的实际值。,3),谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,P,=,=I,c0,V,CC,交流输出功率：,集电极效率：,28,4),根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，,接近于1，作为工作估算，可设定,=1。,“最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。,可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角,c,改变而变化的。,c,小，R,p,大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。,在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载(如天线等)相匹配。,29,2) 根据,求得V,b,3) 根据,i,c max,=g,c,V,b,(1cos,c,),求得,i,c max,、,I,c1,、,I,c0,c,=70,，,cos70,=0.342,，,I,c1=,i,c max,1,(70,)=2,0.436=,0.872A,I,c0=,i,c max,0,(70,)=2,0.253=,0.506A,1,) 根据图可求得转移特性的斜率gc,例6-1 某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的参数为：f,T,150MHz，功率增益A,p,13dB，管子允许通过的最大电流I,cM,=3A，最大集电极功耗为P,c max,=5W。管子的V,BZ,=0.6V，放大器的负偏置,V,BB,=1.4V,，,c,=70,，,V,CC,=24V，,= 0.9,，试计算放大器的各参数。,30,4) 求交流电压振幅、对应功率、效率,P,c,=P,=,P,o,=2.6W回路损耗电阻,r,1,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。这比值叫做中介回路的传输效率,k,，简称中介回路效率。,66,从回路传输效率高的观点来看，应使Q,L,尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则Q,L,值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，Q,L,值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，Q,L,也有低到10以下的。,故有:,67,M变化对工作状态的影响,负载特性曲线,68,PA-天线功率,Po集电极,输出功率,功率,P=-电源供给功率,k,-中介回路效率,c,-集电极效率,总效率,69,1. 160MHz，13W谐振功率放大电路,放大器的功率增益达9dB，可向50,负载供出,13W功率，电路如图所示。,基极采用自给偏置电路,，I,b0,在,L,b,的直流电阻上产生很小的负向偏置电压，,C,1,、,C,2,、,L,1,构成T型匹配网络，调节C,1,和C,2,，,使本级的输入阻抗等于前级放大器所要求的50,匹配电阻,，,以传输最大的功率。,集电极采用并馈电路。,L,C,为高频扼流圈，,C,C,为高频旁路电容。对于交流信号，放大器的输出端采用L型匹配网络，调节C,3,、,C,4,可使50,的负载阻抗变换为功率放大管所要求的最佳匹配阻抗,R,p,。,6.5 谐振功率放大器实例,70,2. 50MHz，25W调谐功率放大电路,放大器的功率增益为7dB，可给50,负载输出,25W功率，,电路如图所示。,本电路基极部分与上图相同，集电极的馈电是串馈形式，L,2,不是高频扼流圈，而是网络元件，,L,2,、,L,3,、,C,3,、,C,4,构成,型匹配网络。,71,在发射系统中常采用晶体管丙类倍频器来获得所需要的发射信号频率。,采用倍频器的原因：,(1)降低主振器的频率，对频率稳定指标是有利的。,(2) 为了提高发射信号频率的稳定程度，主振器常采用石英晶体振荡器，但限于工艺，石英谐振器的频率目前只能达到几十MHz，为了获得频率更高的信号，主振后需要倍频。,(3) 加大调频发射机信号的频移或相移，即加深调制度。,(4) 倍频器的输入信号与输出信号的频率是不相同的，因而可削弱前后级寄生耦合，对发射机的稳定工作是有利的。,(5)展宽通频带,倍频器常有三种形式：,1、乘法器实现倍频；2、丙类放大器倍频，3、参量倍频器，是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来实现倍频。,5.6 晶体管倍频器,72,丙类倍频器,5.6.1原理框图,某系统发射信号频率为49MHz，该频率由16.333MHz三倍频而来。16.333MHz振荡器输出接激励级，若将输出负载回路调谐在三次谐波频率上即可得到49MHz的发射频率。其如图所示。,73,5.6.2晶体管丙类倍频电路与工作原理,丙类倍频器的基本电路如图所示。,Rb_自偏电阻，也可用高频扼流圈代之，,C2导通角L、C是调谐回路，调谐在输入信号的某次谐波频率上。,74,丙类倍频器工作在丙类，因为丙类放大器的集电极电流ic是一脉冲波形，电流含有输入信号的基频和高次谐频。输出回路调谐于某次谐波即可实现某次谐波的放大。,导通角的大小又该如何选取呢？这要根据倍频器的倍频次数来决定，由余弦脉冲分解系数可见，二次谐波系数的最大值对应在导通角c =60 附近，三次谐波系数的最大值所对应的导通角约为40，谐波次数更高时，导通角更小。,倍频器应该工作在欠压、临界还是过压状态呢？,一般工作在欠压和临界状态。,75,5.6.3负载回路的滤波作用,丙类放大管集电极电流ic的基波分量的振幅最大，二阶谐波次之，谐波次数愈高，其幅值也愈小。作为基波放大时，负载回路要滤除高次谐波分量还是比较容易的。但是，作为倍频器，要滤除的是幅值较大的低次谐波分量，这会有不少困难。,76,负载回路中的吸收电路,(1) 提高回路的品质因数Qo，设倍频次数为n，则输出调谐回路的Q约需 Qo10n，若n=3，则Qo95。,(2) 在输出回路旁并接吸收回路 吸收回路可调谐在信号基频上或其他特别要滤除的频率上，如图所示。,(3) 采用选择性好的带通滤波器作负载回路。,(4) 用推挽倍频电路。,怎样提高输出回路的滤波作用呢？,77,1. 谐振功率放大器主要用来放大高频大信号，其目的是为了获得高功率和高效率输出的有用信号。,2. 谐振功率放大器的特点是晶体管基极为负偏压，即工作在丙类工作状态，其集电极电流为余弦脉冲状，由于负载为LC回路，则输出电压为完整正弦波。,3. 丙类谐振功率放大器工作在非线性区，采用折线近似法进行分析，根据晶体管是否工作在饱和状态而分为欠压、临界和过压三种工作状态。当负载电阻Rp变化时，其工作状态发生变化，由此引起放大器输出电压、功率、效率的变化特性称为负载特性。各极电压的变化也会引起工作状态的变化。其中临界工作时输出功率最大，效率也较高，欠压、过压工作状态主要用于调幅电路。过压工作状态也用于中间级放大。,本 章 小 结,78,4. 功率放大器的主要指标是功率和效率，丙类谐振功放利用折线化后的转换特性和输出特性进行分析计算。为了提高效率，常采用减小管子导通角和保证负载回路谐振。,5. 一个完整的功率放大器由功放管、馈电电路和阻抗匹配电路等组成。阻抗匹配电路是保证功放管集电极调谐、负载阻抗和输入阻抗符合要求的电路。在给定功放管后，放大器的设计主要就是馈电电路和阻抗匹配电路的设计。,6. 功放管在高频工作时很多效应都会表现出来，因此，理论分析与实际参数有一定误差，分布电阻、电感和电容等效应不可忽略，功放管的实际工作状态要由实验来调整,。,79,