Transcript 高频功率放大器
第 3 章 高频功率放大器 概述 丙类高频功率放大器的工作原理 丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器电路 1 3.1 概 述 一、高频功率放大器的功能 用小功率的高频信号去控制高频功率放大器，将直 流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出， 并保证输出与输入的频谱相同。 ω 高频功率 ω 放大器 2 二、高频功率放大器的分类 分类： 窄带高频功率放大器 (谐振功率放大器) 宽带高频功率放大器 其放大信号的相对带宽一 般不超过10％，通常采用 LC谐振回路作负载 . 其放大信号的相对带宽一 般可达30％，通常采用宽 频带的传输线变压器作负 载。 3 三、高频功率放大器的主要技术指标 1、输出功率 放大器的负载RL上得到的最大不失真功率 2、效率 高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值 3、功率增益 高频输出功率与信号输入功率的比值 4、谐波抑制度 是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量 相对于基波分量越小越好 4 3.2 丙类高频功率放大器的工作原理 一、 高频功率放大器工作状态的选择 5 2θ 2θ 2θ 丙类 (θ<90◦） 甲类（ θ＝180◦） 乙类（ θ＝90◦） max 50 % max 78 . 5 % max 78 . 5 % V Q U BZ V Q U BZ V Q U BZ 谐振功率放大器通常工作于丙类。 6 二、 丙类高频功率放大器的电路组成 中间级 输出级 特点： （1）输入信号大，一般在几百毫 伏～几伏数量级 （2）一般VBB < UBZ，发射结反偏， 保证放大器工作于丙类状态。 （3）负载为LC回路，调谐于输入信号 的中心频率，选频滤波和阻抗变换 作用。 （4）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 三、丙类高频功率放大器的工作原理 iC iC + uBE + uCE • gc iB iC ICM uc – VBB • + c c • uBE UBZ c c ub Ubm 设 u b U bm cos t 则 u BE V BB U bm cos t , V BB U iC BZ 为尖顶余弦脉冲 ,可用傅立叶级数展开 8 uBE UBZ VBB 0 c iB iBmax 0 icC i C I C0 I c1m cos t （基波） I c2m cos 2 t ... I cnm cos n t ... ICM 0 uc CE 由LC回路的选频(选基波)作用： u c I c1m cos t R p U cm cos t (U cm I c1m R p ) u CE V CC u c V CC U cm cos t VCC 0 各级电流、电压波形 t t IC0 t uc t 9 丙类高频功放工作原理小结： (1) 设置VBB< UBZ ，使晶体管工作于丙类。 (2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。 (3)将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换 为不失真的余弦电压输出。 iC - iB + uBE + uCE – uc + 思考： 谐振功放电路与 小信号谐振放大器 电路有何区别？ 10 类型 小信 号调 谐放 大器 高频 调谐 功率 放大 器 调谐功放与小信号调谐放大器的比较 任务 实质 性能 输入信 工作 号幅度 状态 指标 能量 换器 将直 能量 换为 流能 输出 转 — 流 转 交 量 小 甲类— 不失真地 提高信号 幅度 μV — mV 线 性 工 作状态 数量级 在信号不 失真或轻 度失真的 条件下提 高输出功 率 大 几百 mV —V 数量级 丙类— 非线性 工作状 态 电压放大 倍数 ， 选频特性 等 输出功率 效率 信号失真 度等 11 3. 3 丙类高频功率放大器的折线分析法 折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。 一、 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 1. 转移特性曲线（正向传输特性曲线) － 集电极电压恒定时，集电极 电流与基极电压的关系曲线 iC g c ( u BE U BZ ) iC 0 gc 实际 iC u BE u BE U BZ u BE U BZ －称为跨导 理想 12 2. 输出特性曲线－是以基极电压（或基极电流）为参量的集电极电流 与集电极电压的关系曲线。 临界饱和线 临界线方程： iC g cr u C E 饱和区 放大区 g cr 为临界线的斜率 13 二、 集电极余弦电流脉冲的分解 u BE V BB U bm cos t iC g c ( u BE U BZ ) u BE U BZ u BE U BZ iC 0 iC g c (V BB U bm cos t U BZ ) 当 t = c 时，iC=0，则 cos c U BZ V BB U bm U BZ V BB U bm cos c iC g cU bm (cos t cos c ) 当 t = 0 时，iC=ICM ，则 I CM g cU bm (1 cos c ) g cU bm iC I C M I CM 1 cos c cos t cos c 1 cos c 14 利用傅里叶级数，可将iC的脉冲序列展开为 iC I C 0 I c1m cos t I cnm cos n t I C0 I c1m 1 2 1 i d t I CM C sin c c cos c (1 cos c ) i C cos td t I C M I cnm 1 i C I CM 0 ( c ) c sin c cos c (1 cos c ) 直流分量分解系数 I C M 1 ( c ) 基波分量分解系数 cos n td ( t ) I C M a n ( c ) n次谐波分量分解系数 注 ： ( c ) 余 弦 电 流 脉 冲 分 解 系 数 15 g 1 ( c ) 1 0 1 ( c ) 0 ( c ) －波形系数 c 120 , 1 ( c ) 最大 0 c 60 , 2 ( c ) 最大 0 c 40 , 3 ( c ) 最大 0 16 三、 功率与效率 （1）直流功率： P= =? （2）输出功率： PO =? （3）集电极损耗功率： Pc P Po （4）集电极效率： U cm VCC g 1 ( c ) c =? —集电极电压利用系数 1 ( c ) 0 ( c ) －波形系数 17 （5）导通角的选择： 1 c 在 1 则 c 2 g 1 ( c ) 条件下， 1 2 g 1 ( c ) C 78 . 5 % 甲类： c 180 乙类： c 90 c 78.5% 丙类： c 90 c 78.5% 但导通角不能取得太小，因为 导通角越小，效率越高， c 小 1 ( c )小 I c1m 小 Po 小 为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600～800， g 1 ( c ) 1.8 - 1.65 c 82.5% -90% 18 例1 某谐振功率放大器，VCC = 24 V，Po = 5W，c = 70 º， = 0.9, 求该功放的 c、 P=、Pc、ICM 和回路谐振阻抗Rp。 解： 19 四、丙类高频功率放大器的动态特性 1. 什么是静态特性？ 没有带负载阻抗的条件下得到的 iC f ( u BE , u CE ) 的关系，是晶体管本身固有的。 2. 什么是动态特性？ 是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入 信号Ubm和输出电压Ucm（或谐振电阻Rp ）一定的条件下， 集电极电流iC = f (uBE, uCE)的关系称为放大器的动态特性。 20 3.动态特性的表示形式 若设： u b U bm cos t 当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为： 输入端： uBE ? 输出端： uCE ? 其中： uc Ucm cost 由上两式消除 cos t 可得： u BE V BB U bm V CC u CE iC U cm 又 利 用 晶 体 管 的 内 部 特 性 关 系 式 （ 折 线 方 程 ）： iC g c u BE U BZ gc 可得： V u CE iC g c V BB U bm CC U BZ U cm UBZ uBE 21 V u CE iC g c V BB U bm CC U BZ U cm U bm g c ( u CE V CC ) (U BZ V BB ) U cm U bm g c U cm U V BB u CE V CC U cm ( BZ U bm U bm g c U cm u CE V CC U cm cos c U bm 其中： g d g c U cm ) g d u CE U 0 表示动态特性曲线的斜率 U 0 V CC U cm cos c 故动态特性的表示形式： iC g d ( u CE U 0 ) u BE U BZ iC 0 u BE U BZ 可见动态特性为折线，而不是一条直线。 22 4.动态特性的画法 iC • (一） 截距法 ubemax ube4 ube3 ube2 ube1 A gd （1）在输出特性的 u CE 轴上取截距为 U 0 V CC U cm cos c 得 B 点 （2）通过B点作斜率为 gd的直线交 u bemax 线于A点，则BA直线即为 u BE U BZ 段的动态特性 (3) 在uCE轴上找出相应的VCC点， A点在uCE轴上投影为: 0 B • V• CC U0 C • uCE uCEmin Ucm u CEmin V CC U cm (4)在uCE轴上选取 u CEmax V CC U cm 得C点，BC直线即为u BE U BZ 段的动态特性，则AB-BC为总动态特性 23 iC • (二）虚拟电流法 gd 在 u CE V CC 时， iC I Q I Q g d ( u CE U 0 ) g d (V CC V CC U cm cos c ) gc U bm U cm U cm U BZ V BB U bm ubemax ube4 ube3 ube2 ube1 A g c (U BZ V BB ) 0 B B • V• U0 CC Q (V uCEmin （1）由 V CC 和 I Q g c (U BZ V BB ) 得 Q 点 C C CC , •u CE IQ ) Ucm ( 2 )由 u BEmax V BB U bm 和 u CEmin V CC U cm 得 A 点 (3) 连接AQ交横轴于B点（管子导通点） (4) 在UCE轴上选取 u CEmax V CC U cm 得C点， 则AB-BC为总动态特性 24 5．高功放的三种工作状态 iC iC A3′ A2临界线 A1 A3 M 0 欠压状态： A点在 u bemax 线上，但是 • B1 B3B2 VCC Q 在放大区，输出电压幅度 较小，iC为尖顶脉冲。 临界状态：A点在 u bemax 线和临界 饱和线的交点上，输出 电压幅度较大， iC为尖 顶脉冲。 ωt 过压状态：A点在 u bemax 的延长线上 （实际上是不存在），进 入晶体管饱和区，输出电 压幅度大，iC为凹顶脉冲 ubemax ube4 ube3 ube2 ube1 uCE uCE Ucm1 Ucm2 Ucm3 25 五、 丙类高频功率放大器的负载特性 iC 1．什么是负载特性？ 负载特性是指gc、UBZ、VCC 、VBB 、 Ubm 不变时，改变谐振回路的谐振 电阻 Rp，放大器的输出电流、电压、 0 功率和效率等随RP变化的关系。 临界线 A VCC Q ubemax ube4 ube3 ube2 ube1 uCE ， 2．负载特性的分析 Q点 (V CC , g c (U BZ gd gc U bm V BB )) .......... U cm 因为 cos c U BZ V BB U bm 不随Rp变化而变化的，以Q点为参考点 1 (1 cos c ) 1 ( c ) R p 不变 而 u bemax V BB U bm 所以随Rp增大， g d 减小 不变 26 iC Ucm Ic1m Ic0 iC U cm I c1m Rp Rp 欠压 临界 过压 c P= Po Pc R 欠压 临界 过压 p 临界线 A gd O VCC ubemax ube4 ube3 ube2 ube1 uCE Q 临界状态: 输出功率最大,效率也较高， 是功率放大器的最佳工作状态 ，一般用于 发射机的输出级。 欠压状态：输出功率和效率都较低，Pc较 大，很少采用这种工作状态。特别注意， 当Rp＝0，Pc最大，可能烧坏管子，应避 免。调谐过程中，防止负载短路。 过压状态：在弱过压区效率最高，而输出 功率下降不多，且Rp变化时，输出电压相 27 对较平稳，常用于发射机的中间级。 六、各级电压变化对工作状态的影响 ic 集电极调制特性 1． VCC 的影响 （gc、UBZ、Rp 、VBB 、Ubm 不变） gd ， cos c 临界线 A 1 不变 U BZ V BB Q Q U bm u bemax V BB U bm Q点(V CC , g c (U BZ Vcm VCCVCC O 1 ( c )( 1 cos c ) R p V BB )) Ic1m 改变 Ico P= P0 ubemax ube4 ube3 ube2 ube1 VCC uce Q 注意：只有工作在过压 区才能有效地实现VCC 对Ucm的控制作用，故 集电极调幅电路应工作 在过压区。 PC 过压 临界 欠压 VCC 过压 临界 欠压 VCC 28 2． VBB 的影响 （gc、UBZ、Rp 、Ubm 、VCC 不变） 基极调制特性 u bemax V BB U bm cos c V BB gd V BZ V BB U bm c 1 1 ( c )( 1 cos c ) R p I Q g c (U BZ V BB ) ic ——Q点向上移动 ic 临界线 A3 A2 t O A1 ube3max ube2max ube1max B1B3 Vcc B2 Q3 Q2 Q1 uCE 29 Ucm Icml Ico 欠压 O 临界 过压 UBB 在欠压状态：Vbb自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流的幅 度ICM和导通角θc增大，故Ico、Icml 随VBB的增大而增大。 进入过压状态后，随着VBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度 和幅度也增大，但凹陷加深，结果使Ico、Icml增大得十分缓慢。 注意：只有工作在欠压区才能有效地实现VBB对Vcm的控制作用， 故基极调幅电路应工作在欠压区。 30 3． Ubm 的影响 （gc、VBZ、RP 、VBB 、Vcc 不变） u be max V BB U bm Ucm cos c V BZ V BB U bm Icml Ico O 欠压 临界 过压 Ubm (1)当谐振功率放大器作为线性功率放大器，放大器必 须 工作在欠压状态。 (2)当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须 工作在过压状态。 31 小结： 1、高频功率放大器功能 2、丙类谐振功率放大器电路的特点 3、丙类谐振功率放大器的工作原理 4、丙类谐振功放集电极余弦电流脉冲的分解 5、丙类谐振功放的功率与效率的计算 6、丙类谐振功放的三种工作状态及其负载特 性 7、电压源对丙类谐振功放工作状态的影响 谐振功放在临界状态的计算 • VCC Vcm I CM g u cr ce min g (V U ) cr cc cm 33 例2 已知晶体管谐振功率放大 器工作于临界状态，晶体管的 饱和临界线斜率 g cr 0 . 9 A / V , 转移特性曲线的导通电 压 U BZ 0 . 6 (V ), 电源电压 V BB 0 . 5 (V )， V CC 18 V , 输入电压振幅 集电极电流脉冲幅值 U bm 2 . 5V , I CM 1 . 8 ( A ), 试求： P , P0 , Pc , , R P 34 例3 p100 3-9 例4：某谐振功率放大器， V BB 0 . 2V , U BZ 0 . 6V , 饱和临界线的斜率 g cr 0 . 4 ( s )， V CC 24 (V ), R P 50 ( ), U bm 1 . 6 (V ), Po 1(W ), 试求集电极电流最大值 I CM ,输出电压振幅 U cm 集电极效率,并判断放大器工作于什么状态。 36 思考：当 RP 为何值时，放大器工作于 临界状态，这时输出功率PO，集电极效 率ηc分别为何值？ 3.4 谐振功率放大器电路 谐振功率放大器的管外电路由两部分组成 ： 直流馈电电路：给放大器提供合适的偏置； 匹配网络（耦合网络）：实现滤波选频和阻抗变换。 一、 直流馈电电路 集电极馈电电路 基极馈电电路 38 1． 集 电 极 馈 电 电 路 ： （2） 集电极馈电电路的电路形式 串联馈电：指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管 三者首尾相接。 并联馈电： 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管 三者为并联联接。 (a)串馈 (b)并馈 39 (隔直电容) c Uc + e c e Uc + Uc + a (a)串馈 ' L 高频扼流圈：通直流阻交流 u ce V cc U cm cos t 串馈：(1)a点为交流地,分布电容 不影响回路的谐振频率（优点） (2)LC 回路处于直流高电位，谐 振元件不能直接接地。则L,C的 安装和调整不方便（缺点） (b)并馈 ' C 高频旁路电容：通交流隔直流 并馈：(1)L’ 、C’ 并联于回路，其分布参数 直接影响谐振回路的调谐。（缺点） （2）LC 回路处于直流低电位，谐振元件 能直接接地，安装 和调整方便。（优点） 40 2. 基极馈电电路 对基级馈电线路来说，也有串联和并联两种形式。 + Ub - + Ub － 串馈：晶体管、 VBB 、输入信号三者串联联接 并馈：晶体管、 VBB 、输入信号三者并联联接 41 通常采用自给偏压的方式提供基极偏置。I b 0 ( 或 I e 0 ) R U BB VT VT VT Ieo LB Ib0 UBB RB LB LB Ib0 CB （ 1） + CE UBB Re - （2） (1) 利用基极回路直流 I b 0 产生偏压 U BB （3） I b 0 R b （并馈） (2) 利用 I b 0 在 rb b 上产生偏压 U BB I b 0 rb b ，注意：一般 rb b 很 小，所以 U BB 很小。 （并馈） (3) 利用射极电流 I eo 在 R e 上产生偏压 U BB I eo R e （串馈） 优点：这种电路能自动维持放大器的工作稳定 在自给偏置电路中，当输入信号幅度加大时，iB增大，其 直流分量 Ib0 也增大，反向偏压随之增大。这种偏置电压随输 入信号幅度而变化的现象称为自给偏置效应。 42 二、 匹配网络 RS uS 功率 放大器 输入 匹配 网络 Ri 输出 匹配 网络 RL Rp 输入匹配网络： 用于信号源与功率放大器之间，作用是信号源 输出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以使 信号源的功率有效的加到高功放的发射结上。 输出匹配网络： 用于功率放大器与负载之间，作用是将负载变 换为功率放大器工作状态所需的最佳负载电阻 Rp。 级间耦合匹配网络：用于两级功率放大器之间，实现本级功放 的输出阻抗与下级放大器的输入阻抗之间 的匹配。 43 这三种匹配网络都可采用L和C组成的L型、T型、或 型这样的 网络及由它们组成的混合网络 。 1. L型滤波匹配网络 （1）低阻变高阻型 L C RL 电路在工作频率上达到并联谐振，即 故 R P R ' L R L (1 Q ) 2 应用中，根据阻抗匹配要求确定Q，即 Q RP RL 1 44 例1 已知某谐振功放的f = 50 MHz，RL= 10 ，所需的 匹配负载为RP = 200 ，试确定L型滤波匹配网络 的参数。 解：应采用低阻变高阻型L型滤波匹配网络，其参数设计如下 Q L RP / RL 1 QRL 19 4 . 36 4.36 10 2 3.14 5 10 7 =139 nH L' L(1 1 / Q ) 139(1 1 / 19) =146 nH 2 45 1. L型滤波匹配网络 （2） 高阻变低阻型 L C RL 电路在工作频率上达到串联谐振，即 Q根据阻抗匹配要求确定，即 Q RL 1 RP 在RL和R’L相差不大时，Q只能很小，会使滤波性能很差 这时可采用 型或T滤波匹配网络。 46 2. π型和T滤波匹配网络 L1 L1 RP C1 C2 RP RL π型滤波匹配网络 L11 RP C1 低阻变高阻 C1 RL T型滤波匹配网络 L12 R’L L2 C2 RL 高阻变低阻 恰当选择两个 L型网络的Q值，就 可兼顾滤波和阻抗 匹配的要求。 47 三、实际电路举例 50MHz功率放大器 由 C1、C2 和 L1 组成T型输入匹配网络。 由L2 、 L3 、 C3 、 C4构成π型输出匹配网络。 基极馈电采用自给偏置方式，为并馈。 集电极馈电采用串馈。 48 3.5 丙类倍频器 一、 功能: 将输入信号频率成整数倍增加。 f 倍频器 nf 二、采用倍频器的优点： （1）能降低主振级频率，使其稳定工作。 （2）扩展发射机的工作波段。 （3）在调频和调相发射机中，采用倍频器可扩展 调频（相）波频移（相移）。 （4）提高发射机工作稳定性。因为采用倍频器， 输入频率与输出频率不同，从而较弱了寄生耦合。 49 三、分类 按其工作原理可分为 丙类倍频器: 利用丙类放大器电流脉冲中的 谐波经选频回路获得倍频 模拟乘法器实现倍频: 参量倍频器: 利用晶体管结电容随电压变 化的非线性来获得倍频 50 四、丙类倍频器的工作原理 i C I C0 I c1m cos t I c2m cos 2 t ... I cnm cos n t ... （ n次谐波） n 如果集电极回路谐振于n次谐波，那么 回路对基波和其他谐波的阻抗很小， 而对n次谐波来说呈纯阻性且阻抗最大， 这样回路的输出电压为n次谐波，而基 波和其他谐波被滤除。 u c I cnm cos n tR p U cnm cos n t 51 n次倍频器输出功率: P0 n 1 2 I cnm U cnm 1 n次倍频器效率: n ( c ) 1 ( c ) cn P0 n 2 P 1 2 I cnm U cnm U cnm I cM n ( c ) 1 n ( c ) U cnm 2 0 ( c ) V cc V cc I c 0 P0 n P0 cn c 故在其他情况相同的条件下，丙类倍频器的输出功率和效 率远低于丙类放大器，且随n的增大而迅速降低。 最佳导通角与次数n的关系： c n 2 , 60 , 2 最大 0 120 0 n n 3 , 40 , 3 最大 0 所以二倍频的 应取600，三倍频的 应取400，这样输出 功率和效率达最大。 一般单级倍频器只用于二倍频或三倍频，最多不超过 4－5次，若要提高倍频次数，可采用多级丙类倍频器 来实现。 52 例5 教材P100 3-12