諧振功率放大器課件

1、諧振功率放大器高頻電子線路內容二、 諧振功率放大器諧振功率放大器主要內容:1 主要用途及與其他放大器的比較2 諧振功率放大器的工作原理丙類諧振功率放大器丁類和戊類諧振功率放大器倍頻器3 諧振功率放大器的性能特點 近似分析辦法欠壓欠壓,臨界和過壓狀態(tài)臨界和過壓狀態(tài)四個電壓量對性能影響的定性討論負載特性調制特性放大特性諧振功率放大器4 諧振功率放大器電路直流饋電電路濾波匹配電路諧振功率放大器電路5 高頻功率放大器高頻功率管及其大信號輸入和輸出阻抗高頻功率放大器設計舉例諧振功率放大器n高頻功放用于發(fā)射機末級（大信號非線性電路）發(fā)射機中的高頻放大器高頻諧振功放應用在什么地方？諧振功率放大器放大高頻大信

2、號使發(fā)射機末級獲得足夠大的放大高頻大信號使發(fā)射機末級獲得足夠大的發(fā)射功率。發(fā)射功率。高效率輸出高功率輸出為什么要使用高頻功放？為什么要使用高頻功放？使用高頻功率放大器的目的高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題？問題？諧振功率放大器高頻諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同之處高頻諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同之處相同之處相同之處：它們放大的信號均為高頻信號，而且放大器的負載均為諧振回路。不同之處不同之處：激勵信號幅度大小不同；放大器工作點不同；晶體管動態(tài)范圍不同。諧振功率放大器icQebtooict圖小信號諧振放大器波形圖 諧振功率放大器圖2

3、諧振功率放大器波形圖0cimaxcit0cimaxcit0bEbEmaxbeubeubU諧振功率放大器 諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同：首先，都是功放，都要求輸出功率大和效率高功率大和效率高。 都要把電源供給的直流能量轉化為交流能量。效率越高，表明轉換的交流能量越多。 諧振功率放大器：諧振功率放大器：它的負載必須是諧振回路，通常用來放大窄帶高頻信號(信號的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(c90)。 非諧振放大器：它的負載為無調諧負載，可分為低頻非諧振功低頻非諧振功率放大器率放大器和寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率

4、放大器。諧振功率放大器ucCRLuceubeubEbEcu ()ibicV圖 3 12 晶體管高頻功率放大器的原理線路 高功放的工作原理工作原理 圖3-12是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管、諧振回路和輸入回路三部分組成。諧振功率放大器 1電流、電流、 電壓波形電壓波形 設輸入信號為 ucCRLuceubeubEbEcu ()ibicVtUEubbbecostUubbcos0cimaxcit0cimaxcit0bEbEmaxbeubeubU諧振功率放大器) 1()()coscos1)(1(cossin2cossin2)()cos1 (cossin)()

5、cos1 (cossinmax2max1maxmax10maxmaxnainnnnniIaiiIaiiIncccncccccco tnItIIicnccoccoscos1cimaxcit0n集電極電流這樣的周期性脈沖可以分解成直流、基波(信號頻率分量)和各次諧波分量，即諧振功率放大器ic maxto2c圖 尖頂余弦脈沖)cos1 (cossin)(ccccc0其中：其中：)cos1 (sincos)(ccccc1)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnnnnnn尖頂余弦脈沖的分解系數尖頂余弦脈沖的分解系數)(d21c0maxCC0CccitiI)(dcos1cnmaxC

6、CcmnitniIcc諧振功率放大器n由圖可以看出，放大器的負載為并聯諧振回路，回路輸出的電壓為 coscos1tUtRIuucLcco按圖規(guī)定的電壓方向，集電極電壓為 costUEuEuccccceci)(ububibeubEceucE_cuCLR諧振功率放大器tcUcEucEceutcUtlRcIcuucos0coscos10諧振功率放大器 2 高頻功放的能量關系高頻功放的能量關系 在集電極電路中, 諧振回路得到的高頻功率(高頻一周的平均功率)即輸出功率P1為LcLccRURIUIPc22112121211(3 22) 集電極電源供給的直流輸入功率P0為ccEIP00(3 23)直流輸入功

7、率與集電極輸出高頻功率之差就是集電極損耗功率Pc, 即10PPPc(3 24)諧振功率放大器 Pc變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結中的熱能。 定義集電極效率為 21210101ccccEUIIPP(3 25) 111cPP(3 26) 設其基波電流振幅為I b1, 且與ub同相(忽略實際存在的容性電流), 則激勵功率為bbdUIP121 (3 27) 諧振功率放大器高頻功放的功率放大倍數為 dpPPK1(3 28) 用dB表示為)(101dBPPLgKdp (3 29) 諧振功率放大器 下面分析基波分量下面分析基波分量I Icm1cm1、集電極效率集電極效率c c和輸出功率和輸出功率P P1 1隨通角隨

8、通角 c變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120 160100123140 尖頂脈沖的分解系數當當 c120 時，時，Icm1/iCmax最大。在最大。在iCmax與負載阻抗與負載阻抗Rp為某定值的情為某定值的情況下，輸出功率將達到最大值。況下，輸出功率將達到最大值。但此時放大器處于甲乙類狀態(tài)，但此時放大器處于甲乙類狀態(tài)，效率太低。效率太低。)cos1 (cossin)(ccccc0)cos1 (sincos)(ccccc1)cos1)(1(sincoscossin2)(c2c

9、ccccnnnnnn諧振功率放大器n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120 160100123140圖6-9 尖頂脈沖的分解系數ccccccc0c1cossinsincos)()(21)()(2121cnc10cc1c01cIEIuPPc由曲線可知：極端情況由曲線可知：極端情況 c=0時，時，2)()(c0c1如果此時如果此時 =1， c可達可達100%。為了兼顧功率與效率，最佳通角取為了兼顧功率與效率，最佳通角取70 左右。左右。0)0(1maxC1cmiI 下面分析基波分量下面分析基波分量I Icm1cm1、集電極效率集電極效率c c和輸出功率

10、和輸出功率P1 隨通角隨通角 c變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。1p1p諧振功率放大器1. 高頻功放的動態(tài)特性高頻功放的動態(tài)特性 下面通過折線近似分析法定性分析其動態(tài)特性，下面通過折線近似分析法定性分析其動態(tài)特性， 動特性是指當加上激勵信號及接上負載阻抗時, 晶體管集電極電流ic與電極電壓(Ube或Uce)的關系曲線, 它 在icUce或icUbe坐標系統(tǒng)中是一條曲線。cbmcCcoscostUgibmBBccosUEEccmCCEcCcosUEUUgcmbmUi0CEdUgUccmC0cosUEU; cmbmcdUUggL1cmcmRIUUceicUo

11、AECQUcm1cUcmingdtUEcoscmCCEUBc諧振功率放大器諧振功率放大器 欠壓狀態(tài)欠壓狀態(tài) B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內，根據Uc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓交流輸出電壓在欠壓區(qū)內必隨負載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。 臨界狀態(tài)臨界狀態(tài) 負載線和Ubemax正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大也就較大。 過壓狀態(tài)過壓狀態(tài) 放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。 ic ic 3 2 1 I

12、m 0 180 90 半導通角 t B A C D 3 2 1 負載增大 Ub=Ubemax EC Q Ucemin Ucm 1.欠壓狀態(tài) 2.臨界狀態(tài) 3.過壓狀態(tài) Rp Ucm Ucm 圖圖 電壓、電流隨負載變化波形電壓、電流隨負載變化波形2 高頻功放的工作狀態(tài)高頻功放的工作狀態(tài) 高頻諧振功率放大器根據集電極電流是否進入飽和區(qū)可以分為欠壓、 臨界和過壓三種狀態(tài) 諧振功率放大器 3.2.3 高頻功放的外部特性高頻功放的外部特性 高頻功放是工作于非線性狀態(tài)的放大器, 同時也可 以看成是一高頻功率發(fā)生器(在外部激勵下的發(fā)生器)。 1高頻功放的負載特性高頻功放的負載特性 負載特性是指只改變負載電阻

13、RL, 高頻功放電流、 電壓、 功率及效率變化的特性。 2高頻功放的振幅特性高頻功放的振幅特性 高頻功放的振幅特性是指只改變激勵信號振幅Ub 時, 放大器電流、 電壓、 功率及效率的變化特性。 3、調制特性 諧振功率放大器1. 高頻功放的負載特性高頻功放的負載特性UBEiCEBEBUbeCCiCCCgCUbmUbemaxiCmaxUceiCECQUceminUcesgdvbemaxUcemingcr過過壓壓區(qū)區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓區(qū)Ubemax諧振功率放大器1. 高頻功放的負載特性高頻功放的負載特性iCuceubemax過過壓壓區(qū)區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓區(qū)欠壓過壓0臨界RLcmu0cI1cm

14、I欠壓過壓0臨界RL01cPP0cC0IEP 1cc121IUP 10cPPP21210c1cCccIIEU諧振功率放大器End欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)的特點：欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)的特點：結論：結論：欠壓：恒流，欠壓：恒流，Vcm變化，變化， 較小，較小，c低，低，Pc較大；較大；過壓：恒壓，過壓：恒壓，Icm1變化，變化， 較小，較小，c可達最高；可達最高；臨界：臨界： 最大，最大，c較高；較高；最佳工作狀態(tài)最佳工作狀態(tài)發(fā)射機末級發(fā)射機末級中間放大級中間放大級1. 高頻功放的負載特性高頻功放的負載特性欠壓過壓0臨界Rp01cPP0cC0IEP 1cc121IUP 10cPPP欠壓

15、過壓0臨界RLcmu0cI1cmI1p1p1p諧振功率放大器掌握負載特性，對分析集電極調幅電路、基極調幅電路的工作原理，對實際調整實際調整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標工作狀態(tài)和指標是很有幫助的!欠壓狀態(tài)欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調幅，需采用這種工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調幅級常采用這種狀態(tài)。臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機

16、的末級常設計成這種狀態(tài)，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態(tài)為例。諧振功率放大器2 高頻功放的振幅特性高頻功放的振幅特性uceiCubemax1ubemax2QECubemax4t iCubemax3欠壓過壓0臨界Vbm1cmI0cIcU欠壓過壓0臨界Vbm01cPP0cc0IEP 10cPPP1cc121IUP 諧振功率放大器3. 調制特性調制特性(1)(1)基極調制特性基極調制特性 基極調幅作用是通過改變基極調幅作用是通過改變E EB B來改變來改變cm1cm1與與1 1才能實現的，才能實現的，因此，必須工作于欠壓區(qū)。因此，必須工作于欠壓區(qū)。ubeEBubemax1uBEiCEBubema

17、x2EBubemax3uceiCubemax1ubemax2QECubemax3tiCEB絕對值的增加等效于減少絕對值的增加等效于減少 Ub，兩者都會使，兩者都會使ubemax產生相同的變化產生相同的變化tUEcosbbBEu諧振功率放大器uceiCubemaxQECQECQECt iC（2)2)集電極調制特性集電極調制特性過壓欠壓0臨界ECcm1I0cIcU過壓欠壓0臨界VCC01cPP0cc0IEP 10cPPP1cc121IUP 集電極調幅作用是通過改變集電極調幅作用是通過改變E EC C來改變來改變c1c1與與1 1才能實現的，因才能實現的，因此，必須工作于過壓區(qū)。此，必須工作于過壓區(qū)

18、。諧振功率放大器 4. 高頻功放的調諧特性高頻功放的調諧特性 諧振功率放大器 上一節(jié)以靜態(tài)特性為基礎，對高頻功放進行了近似的分上一節(jié)以靜態(tài)特性為基礎，對高頻功放進行了近似的分析，只能說明高頻功放的原理，不能反映高頻工作時的其析，只能說明高頻功放的原理，不能反映高頻工作時的其他現象。實際的高頻功放當晶體管工作在他現象。實際的高頻功放當晶體管工作在“中頻區(qū)中頻區(qū)”或或“高頻區(qū)高頻區(qū)”時，通常會出現以下的現象：時，通常會出現以下的現象：輸出功率下降輸出功率下降效率降低效率降低功率增益降低功率增益降低輸入、輸出阻抗為復阻抗輸入、輸出阻抗為復阻抗 這些現象主要是由于功放管的性能隨頻率變化（即高頻效這些現

19、象主要是由于功放管的性能隨頻率變化（即高頻效應）引起的。功放管的高頻效應主要有以下幾個方面：應）引起的。功放管的高頻效應主要有以下幾個方面：3、發(fā)射極引線電感的影響、發(fā)射極引線電感的影響4、飽和壓降的影響、飽和壓降的影響2、非線性電抗效應、非線性電抗效應1、少數載流子的渡越時間效應、少數載流子的渡越時間效應諧振功率放大器一、少數載流子的渡越時間效應一、少數載流子的渡越時間效應渡越時間少數載流子從基區(qū)擴散到集電極所需的時間。低頻區(qū)：小于信號周期，基區(qū)載流子的分布與外加瞬時電壓一 一對應，各極電流與外加電壓也一一對應。高頻區(qū)：與信號周期相當，各極電流與外加電壓不再一一對應，表現為： 1. 由于少數

20、載流子在基區(qū)內的渡越時間，當發(fā)射極電壓由正偏轉為反偏時，基區(qū)內的一部分載流子還來不及擴散到集電極，又被這反向偏置的電場重新推斥回發(fā)射極，形成了負脈沖，同時主脈沖的高度也有所下降。2. 集電極電流基波分量落后于發(fā)射極電流，輸入、輸出產生附加相移。3. 基極電流波形變復雜。vbet-VBBVBZbiciei 低頻 高頻ieiCiB諧振功率放大器二、非線性電抗效應二、非線性電抗效應 高頻時引線電感可以構成輸入、輸出之間的射極反饋耦合，會引起增益下降，并使輸入阻抗增加了一個附加的電感分量。 晶體管工作于高頻率時，飽和壓降隨頻率的提高而加大（趨膚效應），如果在保持同一工作電流時：CCmcesEUuf1）

21、（21 功放管中的集電結電容是隨集電結電壓變化的非線性勢壘電容，其數值可達幾十到一二百皮法。高頻時會構成輸出與輸入間的反饋支路，頻率越高，反饋越大，會引起放大器工作不穩(wěn)定。通過它的反饋會在輸出端形成一個輸出電容，使輸出阻 抗變?yōu)閺妥杩?。諧振功率放大器 4. 飽和壓降的影響飽和壓降的影響 晶體管工作于高頻時, 實驗發(fā)現其飽和壓降隨頻率提高而加大。 諧振功率放大器 3.4 高頻功率放大器的實際線路高頻功率放大器的實際線路 3.4.1 直流饋電線路直流饋電線路 直流饋電線路包括集電極和基極饋電線路。下面結合集電極饋電線路和基極饋電線路說明Cb、 Lb的應用方法。 圖3 25是集電極饋電線路的兩種形式

22、: 串聯饋電線路和并聯饋電線路。 圖 3 25(b) 中晶體管、 電源、 諧振回路三者是并聯連接的, 故稱為并聯饋電線路。 諧振功率放大器串并饋直流供電電路的優(yōu)缺點串并饋直流供電電路的優(yōu)缺點并饋電路并饋電路中，信號回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對信號回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路安裝比較方便安裝比較方便，調諧電容調諧電容C上無高壓，安全可靠；缺點是在并饋電路中，上無高壓，安全可靠；缺點是在并饋電路中，Lb處處于高頻高電位上，它對地的分布電容較大，將會直接影響回路于高頻高電位上，它對地的分布電容較大，將

23、會直接影響回路諧振頻率的穩(wěn)定性；諧振頻率的穩(wěn)定性；諧振功率放大器串饋電路串饋電路的特點的特點正好與并饋電路相反，濾波匹配網絡正好與并饋電路相反，濾波匹配網絡處于直流高電位上，網絡元件不能直接接地。處于直流高電位上，網絡元件不能直接接地。諧振功率放大器 2基極饋電線路基極饋電線路 基極饋電線路也有串聯和并聯兩種形式。 圖3 28示出了幾種基極饋電形式, 基極的負偏壓既可以是外加的, 也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過電阻產生。 ReCbVCbVR1R2ECbLbV(a)(b)(c)諧振功率放大器 3.4.2 輸出匹配網絡輸出匹配網絡 該雙端口網絡應具有這樣的幾個特點: (1) 以保證放大器

24、傳輸到負載的功率最大, 即起到阻抗匹配的作用; (2) 抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率, 即有良好的濾波作用; (3) 大多數發(fā)射機為波段工作 。要適應波段的要求。 諧振功率放大器R2R1(a)(b)(c) 圖 3 29幾種常見的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型 1. LC匹配網絡匹配網絡 圖3 29是幾種常用的LC匹配網絡。 諧振功率放大器 對于L I型網絡有 pppspsXRQXQQXRQR222111 (3 32a) (3 32b) (3 32c) 諧振功率放大器 對于L-型網絡有ssspspRXQXQQXRQR2221)1 (3 33a) (3 33b) (3 3

25、3c) 諧振功率放大器XsXpRpXsXpRsXpXpRp(a)(b)XsXsRs 圖 L型匹配網絡 (a) L-I型網絡; (b) L-型網絡諧振功率放大器 圖3 30是一超短波輸出放大器的實際電路, 它工作于固定頻率。 3DA21CCbVC1L1L2C222.5 V圖 3 30 一超短波輸出放大器的實際電路 諧振功率放大器 2 耦合回路耦合回路 圖3 30是一短波發(fā)射機的輸出放大器， 它采用互感耦合回路作輸出電路, 多波段工作。 V1CbC1L1L2C2KL324 VM 圖3 30 短波輸出放大器的實際線路諧振功率放大器 3.4.3 高頻功放的實際線路舉例高頻功放的實際線路舉例 圖3 31

26、(a)是工作頻率為50 MHz的晶體管諧振功率放大電路, 它向50 外接負載提供25W功率, 功率增益達7 dB。 VL2Ec13.5 VLbC1C214150pF50 90400 pFL1L332250 pF32250 pFC3C450 (a)(a) 50 MHz諧振功放電路;諧振功率放大器C5VR1100k50 530 pFL1533pF15 pFC4R2110 kEGEDC615 pFL3C8C7533 pF533 pF50 (b)C1C2C3L2 圖 3 32 高頻功放實際線路(b) 175 MHz諧振功放電路諧振功率放大器 3.5 高效功放、功率合成與射頻模塊放大器高效功放、功率合成

27、與射頻模塊放大器 3.5.1 D類高頻功率放大器類高頻功率放大器 1. 電流開關型電流開關型D類放大器類放大器 圖3 33是電流開關型D類放大器的原理線路和波形圖， 線路通過高頻變壓器T1, 使晶體管V1、 V2獲得反向的方波激勵電壓。 諧振功率放大器CALRLT2ic1ic2V1V20T1ic1t0(b)ic2t0(c)uce1t0(d )ucesuce2t0(e)ucesuAt0( f )UMUM uces 3/2 /2/2 3/2(a)Ec 圖 3 33 電流開關型D類放大器 的線路和波形 諧振功率放大器ccescesmcescesmEuuUtdutuU)(2cos)(122 由此可得

28、)()(2)(2cesccesmcmcescescmuEuUUuuEU 集電極回路兩端的高頻電壓有效值為集電極回路兩端的高頻電壓峰值為2/ )(2cesccmceffuEUU諧振功率放大器 V1(V2)的集電極電流為振幅等于Ic0的矩形, 它的基頻分量振幅等于(2/)Ic0。 V1、 V2的ic1、 ic2中的基頻分量電流在集電極回路阻抗RL(考慮了負載RL的反射電阻)兩端產生的基頻電壓振幅為22212)(221)(22)2(cescLLcmcescLLcmcoLcocmuERRUPuERRUIRIU將式(3 35)代入式(3 37), 得輸出功率為 (3 39) (3 38) (3 37) 諧振功率放大器%100%100)(2)(20121020ccesccescescLcccescLcocEuEPPuuERPPPEuERIEP 集電極損耗功率為 (3 42) (3 41) (3 40) 2 電壓開關型電壓開關型D類放大器類放大器 圖3 34為一互補電壓開關型D類功放的線路及電流電壓波形。 兩個同型(NPN)管串聯, 集電極加有恒定的直流電壓Ec。 輸入功率為 諧振功率放大器iLL0C0RLEcS(b)uce2uce2 tEc02iL t0ic1 t0ic1maxic2 t0(c