高频功率放大器(10)课件

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,*,第三章 高频功率放大器,高频功率放大器的工作原理,丙类谐振功率放大器工作状态的分析,调谐功率放大器的电路组成,倍频器,丁类（,D,类）功率放大器,宽带高频功率放大器,主要内容：,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。,不同点：工作频率和带宽、负载、工作状态,联想对比：,3.1,高频功率放大器的工作原理,3.1.1,高频功率放大器的特点,2,3,3,、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：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,4,小信号谐振放大器,波形图,5,谐振功率放大器,波形图,6,4,、谐振功率放大器的工作状态,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,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,工程上普遍采用近似的分析方法,折线法来分析其工作原理和工作状态,7,5,、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同,共同之处,:,都要求输出功率大和效率高。,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。,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。,8,谐振功率放大器的基本电路,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。,谐振回路,LC,是晶体管的负载,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：,3.1.2,谐振功率放大器的基本工作原理,一、获得高效率所需要的条件,9,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图所示,10,高频功率放大器中各分电压与电流的关系,（,a,）,11,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,12,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。,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。表示转换能力，引入集电极效率的概念。,P,dc,=,直流电源供给的直流功率；,P,o,=,集电极交流输出基波信号功率；,P,c,=,集电极耗散功率；,根据能量守衡定理：,故集电极效率：,二、输出功率和效率计算,dc,13,由上式可以得出以下两点结论：,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,dc,时，晶体管的交流输出功率,P,o,就会增大；,2,）,由式,得,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。,dc,dc,14,如何减小集电极耗散功率,P,c,可见使,i,c,在,v,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：,15,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：,dc,16,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,越大,(,即,V,cm,越大或,v,min,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,的途径即为,减小,c,角,；使,LC,回路谐振在信号的,基频,上，即,i,c,的最大值应对应,v,c,的最小值。,放大高频信号；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；负载为,LC,谐振回路。,故谐振功率放大器的工作特点：,17,尖顶脉冲的分解系数,其中,i,c max,= g,c,V,bm,(1cos,c,),18,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,于甲乙类工作状态效率太低。,右图可见：,19,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，,此时若,=1,，,c,可达,100%,输出功率为,0,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取,70,左右。,dc,20,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,。,这个要用前面讲的折线分析法。,3.2,丙类谐振功率放大器工作状态的分析,折线化的前提要求：工作在低频区,低频区,:f,工作,0.5f,(,可忽略内部电抗,),中频区,:0.5f,f,工作,0.2f,T,(,考虑内部电抗,),高频区,:0.2f,T,f,工作,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。,例,故有,:,67,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,R,2,代表终端,(,负载,),电阻，,R,1,代表由,R,2,折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,68,69,图中的,R,2,一般代表终端,(,负载,),电阻，,R,1,则代表由,R,2,折合到左端的等效电阻，现以,(a),为例进行计算公式的推导,两种,型匹配网络,(a),(b),L,1,R,1,C,1,C,1,R,1,L,1,C,2,R,2,R,2,C,2,将并联回路,R,1,C,1,与,R,2,C,2,变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得,L,1,C,1,R,1,C,2,R,2,网络匹配时，,R,1,=,R,2,由谐振条件得,:,例,有一个输出功率为,2W,的高频功率放大器、负载电阻,R,L,=50,，,E,C,=24V,，,f,=50MHz,，,Q,1,=10,，试求,型匹配网络的元件值。,解,:,L,1,R,1,C,1,R,2,=,R,L,C,2,R,1,应该是功率放大器所要求的匹配电阻,R,p,即,L,1,C,1,R,1,C,2,R,2,网络匹配时，,R,1,=,R,2,改写为：,解之得：,由谐振条件得,:,注意，考虑到晶体管的输出电容,C,o,后，,C,1,应减去,C,o,之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当,L,1,确定之后，用,C,2,主要调匹配，用,C,1,主要调谐振。,实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件,(,通常都是假定,Q,1,值,),，即可求出电路元件的数值。,2.,级间耦合网络,多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。,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。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。,对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。,72,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。回路效率降低后，其本身,的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本,身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效,率一般为,k,=0.1-0.5,，平均在,0.3,上下。也就是说，中,间级的输出功率应为后一级所需激励功率的,2-10,倍。,73,倍频器（,Frequency Doubler,）是一种输出信号频率等于,输入信号频率整数倍的电路，用以提高频率,.,.,晶体管倍频器,74,丙类放大器的电流是脉冲状，所包含的谐波很丰富。如果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,次谐波的阻抗则达到最大，且呈电阻性。于是回路的输出电压和功率就是,n,次谐波。这就起到了倍频作用。,晶体管倍频器有两种主要形式：一种是利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得借频，叫做丙类倍频器；另一种是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频，这是半导体器件所特有的性质，可叫做参量倍频器。本节只对丙类倍频器进行研究。,75,工作于二次谐波的倍频器各极电压与电流关系见图,76,瞬时集电极电压与瞬时基极电压的表示式可分别写成,n,次谐波倍频器的输出功率正比于,n,次谐波的分解系数,。由余弦电流分解系数可知：,77,因此为了使倍频器的输出功率最大，在,n,2,时，,应取,左右；在,n,3,时，,应取,左右。这时与,时的放大器输出功率相比较有,这种倍频器所选用的,n,值通常不超过,3,4,，,一般只取,2,3,。,78,甲、乙、丙类 放大器的比较,.,丁类,(D,类,),功率放大器,79,甲到乙到丙类是通过不断减小导通角,c,，通过减少,i,c,的流通时间,(,P,c),，使,。,c,太小时,虽高,但,I,cm1,P,o,反而下降。为提高,I,cm1,，必须加大激励电压,(,太大会击穿管子,),。,丁,(D),类，戊,(E),类采用固定,c,=90,o,(Icm1,固定,),，而尽量减小,Pc,的方法，提高,即：管子工作于开关状态,导通时进入饱和区：,v,c,=V,ces,截止时进入截止区：,i,c,=0,使,Pc,大大减小,使,理想时,接近,100%,。,80,晶体管丁类放大器都是由两个晶体管组成的，它们轮流导电，来完成功率放大任务。控制晶体管工作于开关状态的激励电压波形可以是正弦波，也可以是方波。晶体管丁类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另一种是电压开关型。,81,一、电流开关型电路,工作原理：,主要波形,82,在 中心点处的电压平均值等于电源电压,集电极回路两端交流电压的峰值为,它的均方根值为,由此可见，晶体管的饱和压降,越小，,就越高。若,0,，则,100,。这是丁类放大器的主要优点。,功率与效率,84,电压开关型丁类放大器,二、电压开关型电路,85,V,T,1,和,V,T,2,轮流导通、截止。,L,、,C,、,R,串联,(,电流,),谐振，谐振于基波频率,(,选频,),。,工作波形,86,输出电压峰值为,电源供给的电流为半波正弦，因此集电极平均电流为,输出到谐振回路的交流功率为,直流输入功率,因此集电极效率为,集电极功率耗散为,以,LC,谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。,近年来一种新颖的，能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功率放大器得到了迅速的推广。,宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路 。,宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的 。,.,宽带高频功率放大器,90,1.,普通变压器不能在较宽频内工作的原因,图,(b),中,L,、,L,s1,、,r,1,是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；,L,s2,、,r,2,是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；,C,是变压器各分布电容折合到初级后的总和；,R,L,是折合到初级后的等效负载电阻。,在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感,L,是开路，如图,(c),。在低频端，由于频率较低，各漏感和损耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容,C,开路，如图,(d),；,(a),原理电路,(b),等效电路,(c),高频端等效电路,(d),低频端等效电路,(e),频率响应曲线,u,s,R,s,R,L,u,o,R,s,R,s,R,s,u,s,u,s,u,s,r,1,L,s1,L,L,s2,r,2,C,R,L,r,L,s,L,C,R,L,R,L,f,s,f,u,o,一般变压器的等效电路,可见工作频率越低，电感,L,的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将。在高频端,负载,R,L,接在,L,s,和,C,组成的串联谐振回路容抗元件的两端,，在串联谐振频率,f,s,的附近，负载两端的电压急剧增加，并在,f,s,上达到最大值。但是，偏离谐振频率,f,s,，电压将急剧减小,.,.,传输线变压器,91,为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施：,尽量减小线圈的漏感与分布电容；,采取使用铁氧体磁心，匝数少，匝间距大,减小磁心的功率损耗；,采用高频铁氧体磁心,为展宽低频响应，初级线圈电感大。,采用高导磁率磁心，加大环形磁心截面积、适当增加匝数。,92,传输线变压器,解决普通变压器不能满足工作频率高、频带宽的矛盾。,1.,传输线变压器结构,用两根平行线绕在高导磁率的磁环上。,93,2.,传输线变压器电路表示形式,低频端采用变压器的工作模式，高频端采用传输线模式，利用分布电容传输高频信号。,94,3.,宽频带传输线变压器的工作原理,传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。,两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高磁导率磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。,u,s,u,s,u,s,R,L,R,L,R,L,R,s,R,s,R,s,(a),结构示意图,(c),普通变压器的原理电路,(b),原理电路图,u,1,u,2,u,1,u,2,u,1,u,2,在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。,95,(1) 1,：,1,传输线变压器,4.,常用传输线变压器分析,1,：,1,传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为,u,1,=,u,2,和,i,1,=,i,2,。,u,s,R,L,R,s,u,1,u,2,i,1,i,2,如果传输线的特性阻抗：,传输线输出端的等效阻抗为：,输入端（,1,、,3,端）的等效阻抗为 ：,为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：,为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：,1,：,1,传输线变压器，最佳匹配状态应该满足 ：,满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：,1,：,1,传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中,R,L,正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，,1,：,1,传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡,-,平衡以及平衡,-,不平衡转换。,96,u,s,R,s,u,s,u,s,u,s,R,s,R,s,R,L,R,L,R,L,R,L,R,s,u,1,u,1,u,2,u,2,i,2,i,1,i,1,+,i,2,(2) 1,：,4,和,4,：,1,传输线变压器,1,：,4,传输线变压器是把负载阻抗降为,1/4,倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有,u,1,=,u,2,=,u,和，,i,1,=,i,2,=,i,由于变压器的,1,端与,4,端相连，输入端,1,端与,3,端的电压为,u,，负载,R,L,上的电压为,u,1,+,u,2,=2,u,，输入端,1,的电流为,i,1,+,i,2,=2,i,，且,u,1,u,1,u,2,u,2,i,2,2,u,i,1,i,1,+,i,2,+,2,u,-,i,传输线变压器的输入阻抗为 ：,传输线变压器把负载,R,L,变换为,R,L,/4,，实现了,1,：,4,的阻抗变换。,如果把输入端和输出端对调就成为,4,：,1,传输线变压器。,4,：,1,传输线变压器把负载阻抗升高,4,倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有,4,：,1,的阻抗变换作用。,i,97,在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率时，可以将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功率。这就是功率合成技术。,举例：,图,5.9.2,功率合成器方框图示例,.,.,功率合成技术,一、功率合成与分配网络应满足的条件,98,一个理想的功率合成电路应该满足哪些条件呢,?,概括起,来，可以归纳为如下几条：,),个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，每个放大器供给匹配负载以额定功率,so,，则,个放大器输至负载的总功率为,so,。这叫做功率相加条件。,）合成器的各单元放大电路彼此隔离，也就是说，任何一个放大单元发生故障时，不影响其他放大单元的工作，这些没有发生故障的放大器照旧向电路输出自己的额定输出功率,so,。这叫做,相互无关,条件。这是功率合成器的最主要条件。,99,图,5.9.2,传输线变压器组成的网络,二、功率合成,(,或分配,),网络原理,100,在分析时，应注意以下两点：,),根据传输线的原理，它的两个线圈中对应点所通过的电流必定是大小相等、方向相反的。,),在满足匹配条件，并略去传输线上的损耗时，变压器输入端与输出端电压也应该是相等。,图,5.9.5,传输线变压器组成的网络,101,+,_,102,+,_,103,以上的两组方程组分别表示,A,、,B,点的信号分解为,C,、,D,点的信号和,C,、,D,点的信号分解为,A,、,B,点的信号。这是由传输线变压器的特性所决定的。,104,),A端与B端和C端与D端互相隔离的条件是,）从,A,端与,B,端同时送入反相激励电压，则,D,端得合成功率，,C,端无输出。若从,A,端与,B,端同时送入同相激励电压，则,C,端得,合成功率，,D,端无输出。在以上两种情况中，若只有（或,B,）,端有激励，则功率均分到,C,与,D,端，对,B,（或,A,）端无影响。,3,）,若从C端送入激励功率，则这功率将均匀分到A端与B端，且,相位相同，D端则无输出。若从D端送入激励功率，则功率均匀,分到A、B两端，且相位相反，C端无输出。,由此，结合电路中信号源的引入方式，经推导，可得,105,图,5.9.6 D,端为不平衡输出时，应加入传输线变压器,106,图,5.9.7,反相功率合成器典型电路举例,二、功率合成电路举例,107,图,5.9.8,同相功率合成器典型电路举例,108,作业,第三章,.,.,.,.,