高頻電子線路(第二版) 王衛(wèi)東 第二章 2.5課件

1、2.4 高頻功率放大器的實用電路高頻功率放大器的實用電路 一一 直直流流饋饋電電線線路路根根據(jù)據(jù)直直流流電電源源連連接接方方式式的的不不同同，可可分分為為：串串聯(lián)聯(lián)饋饋電電線線路路：直直流流電電源源、匹匹配配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)和和晶晶體體管管三三者者形形成成串串聯(lián)聯(lián)連連接接的的方方式式。并并聯(lián)聯(lián)饋饋電電線線路路：直直流流電電源源、匹匹配配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)和和晶晶體體管管三三者者形形成成并并聯(lián)聯(lián)連連接接的的方方式式。兩兩種種饋饋電電方方式式雖雖然然電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)不不同同，但但對對電電路路來來說說，總總應(yīng)應(yīng)有有：tUEucCce cos1 要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有：要使高頻諧振功率

2、放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有：直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；交流匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號有效地傳輸。交流匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號有效地傳輸。2.3.5高頻功率放大器的電路組成高頻功率放大器的電路組成1 集集電電極極饋饋電電電電路路：（1） 集集電電極極饋饋電電電電路路的的組組成成原原則則： ci的的直直流流分分量量COI除除晶晶體體 管管的的內(nèi)內(nèi)阻阻外外，應(yīng)應(yīng)予予以以短短路路， 以以保保證證CE全全部部加加在在集集電電極極 上上，避避免免管管外外電電路路消消耗耗電電源源 功功率率，即即CCODEIP ci的的 基基 波波 分分

3、量量1CI只只 應(yīng)應(yīng) 在在 負(fù)負(fù) 載載 回回 路路 上上 產(chǎn)產(chǎn) 生生 電電 壓壓 降降 ， 其其 余余 部部 分分 電電 路路 對對1CI應(yīng)應(yīng) 短短 路路 。 ci的的 高高 次次 諧諧 波波 分分 量量CnI 不不 應(yīng)應(yīng) 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此CnI對對 晶晶 體體 管管 外外 的的 電電 路路 應(yīng)應(yīng) 盡盡 可可 能能 短短 路路 。 IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.3.5高頻功率放大器的電路組成高頻功率放大器的電路組成（2） 常常用用的的集集電電極極串串饋饋和和并并饋饋電電路路如如下下圖圖所所示示：cL高高頻頻扼扼流流

4、圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高頻頻旁旁路路電電容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔直直電電容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上兩兩個個電電路路勻勻滿滿足足： tUEucCce cos1 ICO直流通路直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路交流通路ICniC頻譜頻譜 2 30LC回路阻抗特性回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEB

5、EB2 基極饋電線路基極饋電線路對對基基級級饋饋電電線線路路來來說說，也也有有串串聯(lián)聯(lián)和和并并聯(lián)聯(lián)兩兩種種形形式式。在在實實際際應(yīng)應(yīng)用用中中，由由于于基基極極饋饋電電電電路路中中采采用用單單獨獨電電源源BBU不不方方便便，通通常常采采用用自自給給偏偏壓壓的的方方式式提提供供基基極極偏偏置置。 (1) 利用基極回路直流利用基極回路直流BOI產(chǎn)生偏壓產(chǎn)生偏壓bBOBBRIU IBOUBB(2) 利利用用BOI在在bbr上上產(chǎn)產(chǎn)生生偏偏壓壓bbBOBBrIU ，注注意意：一一般般bbr 很很小小，所所以以BBU很很小小且且不不穩(wěn)穩(wěn)定定。 IBO(3) 利利用用射射極極電電流流eoI在在eR上上產(chǎn)產(chǎn)生

6、生偏偏壓壓eeoBBRIU ，而而且且這這種種電電路路能能自自動動維維持持放放大大器器的的工工作作穩(wěn)穩(wěn)定定。 Ieo +UBB -以以上上基基極極自自給給偏偏壓壓電電路路中中，前前兩兩個個為為并并饋饋線線路路，后后一一種種為為串串饋饋線線路路。二 高頻功放的耦合回路高頻功放的耦合回路高高頻頻功功放放都都要要采采用用一一定定的的耦耦合合回回路路，以以使使輸輸出出功功率率能能有有效效地地傳傳輸輸?shù)降截?fù)負(fù)載載（下下級級輸輸入入回回路路或或天天線線回回路路） ，一一般般說說來來，放放大大器器與與負(fù)負(fù)載載之之間間的的耦耦合合可可采采用用下下圖圖所所示示的的四四端端網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)來來表表示示。這這個個四四端端網(wǎng)

7、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)應(yīng)應(yīng)完完成成的的任任務(wù)務(wù)是是：RiRoRLRS功功 率率放大器放大器輸入輸入匹配匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)輸出輸出匹配匹配網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)RLRSuS (1) 使負(fù)載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?fù)使負(fù)載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大載的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。 (2) 抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波作用。有良好的濾波作用。 (3) 在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送能有效地傳送功率

8、到公共負(fù)載功率到公共負(fù)載，同時又盡可能地使這幾個電子器件，同時又盡可能地使這幾個電子器件彼此隔離，互不影響彼此隔離，互不影響。 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)或級間耦合網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)或級間耦合網(wǎng)絡(luò): :是用以與下級放大器的輸入端相連接是用以與下級放大器的輸入端相連接輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò): :是用以輸出功率至天線或其他負(fù)載是用以輸出功率至天線或其他負(fù)載L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK二 高頻功放的耦合回路高頻功放的耦合回路 介于放大器與天線回路之間的介于放大器與天線回路之間的L1C1回路就叫做中介并聯(lián)諧回路就叫做中介并聯(lián)諧振回路振回路。RA、CA分別代表天線的幅射電阻與等效電

9、容；分別代表天線的幅射電阻與等效電容； L2、C2為天線回路的調(diào)諧元件。為天線回路的調(diào)諧元件。它們的作用是使天線回路它們的作用是使天線回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以使天線回路的電流處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以使天線回路的電流IA達(dá)到最大值，達(dá)到最大值，亦亦即使天線幅射功率達(dá)到最大。即使天線幅射功率達(dá)到最大。 從集電極向右方看去可以等效為一個并聯(lián)諧振回路從集電極向右方看去可以等效為一個并聯(lián)諧振回路, ,其其中中Rp為折合到為折合到晶體管輸出回路的等效負(fù)載晶體管輸出回路的等效負(fù)載 。 1. 輸出匹配電路輸出匹配電路 (1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路并聯(lián)諧振回路型的匹配電路 RpRp 當(dāng)天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)

10、時，它當(dāng)天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時，它反映到反映到L1C1中介回路的等效電阻為中介回路的等效電阻為 設(shè)初級回路的接入系數(shù)為設(shè)初級回路的接入系數(shù)為 p，則晶，則晶體管輸出回路的等效負(fù)載為：體管輸出回路的等效負(fù)載為： rr1C1L1C1RpL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp(1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路并聯(lián)諧振回路型的匹配電路ARMr22 L1C1中介回路的等效諧振阻抗為中介回路的等效諧振阻抗為 11CQLQRLLP QL為有載品質(zhì)因素為有載品質(zhì)因素 ，rrLQL 11 )(22111111APRMrCLrrCLR )(2211122APPRMrCLpRpR 改變互感系數(shù)改變互

11、感系數(shù)M和接入系數(shù)和接入系數(shù) p就可以在不影響回路調(diào)諧的情況下。調(diào)就可以在不影響回路調(diào)諧的情況下。調(diào)整晶體管的輸出回路的等效負(fù)載電阻整晶體管的輸出回路的等效負(fù)載電阻Rp，以達(dá)到阻抗匹配的目的。，以達(dá)到阻抗匹配的目的。 由于高頻功率放大器工作在非線性由于高頻功率放大器工作在非線性(丙類丙類)工作時，放大器的內(nèi)阻變動劇烈：導(dǎo)通時，工作時，放大器的內(nèi)阻變動劇烈：導(dǎo)通時，內(nèi)阻很??；截止時內(nèi)阻近于無窮大。因此輸內(nèi)阻很?。唤刂箷r內(nèi)阻近于無窮大。因此輸出電阻不是常數(shù)。所謂線性電路的阻抗匹配出電阻不是常數(shù)。所謂線性電路的阻抗匹配(負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等)概念也就失去了概念也就失去了意義。

12、意義。 k k ：中介回路的傳輸效率。中介回路的傳輸效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp(1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路并聯(lián)諧振回路型的匹配電路)()(1122rrrrrIrIPPkkoAk 功功率率電電子子元元件件送送至至回回路路的的總總回回路路送送到到負(fù)負(fù)載載的的功功率率 如果設(shè)如果設(shè) ： 111porCLR 空空載載回回路路諧諧振振阻阻抗抗)(1111rrCLRP 有有載載回回路路諧諧振振阻阻抗抗11rLQQo 值值空空載載回回路路111rrLQQL 值值有有載載回回路路OLPPkQQRRrrrrrro 11)(1)(111 rr1C1L1C1RpL1IKRp 要想回路的傳輸效率

13、高，則要想回路的傳輸效率高，則空載空載Qo越大越越大越好，有載好，有載QL越小越好，越小越好，也就是說，也就是說，中介回路中介回路本身的損耗越小越好本身的損耗越小越好 但從要求但從要求回路濾波作用良好來考慮，則回路濾波作用良好來考慮，則QL值又應(yīng)該足夠大。值又應(yīng)該足夠大。從兼顧這兩方面出發(fā)，從兼顧這兩方面出發(fā)，QL值一般不應(yīng)小于值一般不應(yīng)小于10。在功率很大的放大器。在功率很大的放大器中，中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。 在大功率輸出級，在大功率輸出級，T型、型、型等濾波型的匹配網(wǎng)絡(luò)就得到了廣泛的應(yīng)用。型等濾波型的匹配網(wǎng)絡(luò)就得到了廣泛的應(yīng)用。 圖中的圖中的R2一般代表終端一般代表終

14、端(負(fù)載負(fù)載)電阻，電阻，R1則代表由則代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效電阻電阻，現(xiàn)以，現(xiàn)以 (a)為例進行計算公式的推導(dǎo)為例進行計算公式的推導(dǎo) (2) (2) 濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò)濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò) 兩種兩種型匹配網(wǎng)絡(luò)型匹配網(wǎng)絡(luò)(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2 將并聯(lián)回路將并聯(lián)回路R1C1與與R2C2變換為串聯(lián)形式，由變換為串聯(lián)形式，由串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式可得串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式可得L1C1R1C2R21212c12c121111RRXXQRR C12C12121C1XXRRX 2212c22c22RRXXR C12C22222C2XXRRX 網(wǎng)絡(luò)匹配時，網(wǎng)絡(luò)匹配

15、時，R1= R2 22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 由諧振條件得由諧振條件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX 例例 有一個輸出功率為有一個輸出功率為2W的高頻功率放大器、負(fù)載電阻的高頻功率放大器、負(fù)載電阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求，試求型匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值。型匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值。 解解 :(2) (2) 濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò)濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò) L1R1C1R2= RLC2 R1應(yīng)該是功率放大器所要求的匹配電應(yīng)該是功率放大器所要求的匹配電阻阻 Rp ,即即L1C1R1C2R2 1442224222o2Co2c

16、m11PEPURRp4 .141014411c1 QRXpF2214 .1410502116c11 XC網(wǎng)絡(luò)匹配時，網(wǎng)絡(luò)匹配時，R1= R2 22c2222c212c1212c1RXRXRXRX 改寫為：改寫為： 22c221211)(111RXRRQ 解之得：解之得： 57. 8114450)101(501)1(212212C2 RRQRXpF37157. 810502116c22 XC 由諧振條件得由諧振條件得 :c22c22222c12c12121c2c1L1XXRRXXRRXXX 12c1212c1c22c121c2121L1RXRXXRXXRRX )1(1)1(11c21221112

17、1c2212111XQRQRQQXRRQRQ 6 .22)75. 810501(110144102 nH72105026 .226L11 XL注意，考慮到晶體管的輸出電容注意，考慮到晶體管的輸出電容Co后，后，C1應(yīng)減去應(yīng)減去Co之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，當(dāng)當(dāng)L1確確定之后，用定之后，用C2主要調(diào)匹配，用主要調(diào)匹配，用C1主要調(diào)諧振。主要調(diào)諧振。 實際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)。分析方法實際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)。分析方法都很類似，都很類似，即從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上即從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上一個假設(shè)條件一個假設(shè)條件(通常都

18、是假定通常都是假定Q1值值)，即可求出電路，即可求出電路元件的數(shù)值。元件的數(shù)值。 2.6.1 寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器 以以LC諧振回路為輸出電路的功率放大器，由于其相對通頻帶諧振回路為輸出電路的功率放大器，由于其相對通頻帶B/ fo只只有百分之幾甚至千分之幾，所以又稱為有百分之幾甚至千分之幾，所以又稱為窄帶高頻功率放大器。由于調(diào)諧窄帶高頻功率放大器。由于調(diào)諧系統(tǒng)復(fù)雜，窄帶功率放大器的運用就受到了很大的限制系統(tǒng)復(fù)雜，窄帶功率放大器的運用就受到了很大的限制 。 2.62.6寬帶高頻功率放大器與功率合成電路寬帶高頻功率放大器與功率合成電路 近年來一種新穎的，近年來一種新穎的，能夠在很寬

19、的波段內(nèi)實現(xiàn)不調(diào)諧工作的寬頻能夠在很寬的波段內(nèi)實現(xiàn)不調(diào)諧工作的寬頻帶功率放大器帶功率放大器得到了迅速的推廣。得到了迅速的推廣。 寬帶功率放大器，實際上就是一種以非調(diào)諧單元作為輸出匹配電路寬帶功率放大器，實際上就是一種以非調(diào)諧單元作為輸出匹配電路的功率放大器。它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替了電阻、電的功率放大器。它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替了電阻、電容或電感線圈作為其輸出電路容或電感線圈作為其輸出電路 。 寬頻帶功率放大器沒有選頻作用。因此諧波的抑制成了一個重要寬頻帶功率放大器沒有選頻作用。因此諧波的抑制成了一個重要的問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸變比較小的甲的

20、問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸變比較小的甲類或甲乙類狀態(tài)，效率較低，也就是說類或甲乙類狀態(tài)，效率較低，也就是說寬頻帶放大器是以犧牲效率作寬頻帶放大器是以犧牲效率作為代價來換取寬頻帶輸出的為代價來換取寬頻帶輸出的 。 1. 普通變壓器不能在較寬頻內(nèi)工作的原因普通變壓器不能在較寬頻內(nèi)工作的原因 2.6.1 寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器 圖圖 (b)中中L、Ls1、r1是變壓器初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；是變壓器初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；Ls2、r2 是折合到初級后，次級繞組的漏感和損耗電阻；是折合到初級后，次級繞組的漏感和損耗電阻；C是變壓器各分布電容折是變壓器各

21、分布電容折合到初級后的總和；合到初級后的總和；RL是折合到初級后的等效負(fù)載電阻是折合到初級后的等效負(fù)載電阻。 在高頻端由于初級繞組電感的感抗很強，因此在高頻端等效電路中在高頻端由于初級繞組電感的感抗很強，因此在高頻端等效電路中可以認(rèn)為電感可以認(rèn)為電感L L是開路，如圖是開路，如圖(c)(c)。在低頻端，由于頻率較低，各漏感和。在低頻端，由于頻率較低，各漏感和損耗電阻很小，也可略去不計，可以認(rèn)為電容損耗電阻很小，也可略去不計，可以認(rèn)為電容C開路，如圖開路，如圖 (d)；(a)原理電路原理電路(b)等效電路等效電路(c)高頻端等效電路高頻端等效電路(d)低頻端等效電路低頻端等效電路(e) 頻率響應(yīng)

22、曲線頻率響應(yīng)曲線usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CRLrLsLCRLRLfsfuo一般變壓器的等效電路一般變壓器的等效電路 可見工作頻率越低，電感可見工作頻率越低，電感L的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工作頻率的降低而下將。在高頻端作頻率的降低而下將。在高頻端負(fù)載負(fù)載RL接在接在Ls和和C組成的串聯(lián)諧振回路容組成的串聯(lián)諧振回路容抗元件的兩端抗元件的兩端，在串聯(lián)諧振頻率，在串聯(lián)諧振頻率fs的附近，負(fù)載兩端的電壓急劇增加，并在的附近，負(fù)載兩端的電壓急劇增加，并在fs上達(dá)到最大值。但是，偏離諧振頻率上達(dá)到最大值。但是，偏離諧振頻

23、率fs，電壓將急劇減小，電壓將急劇減小 2. 寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理 傳輸線變壓器是將傳輸線變壓器是將兩根等長的導(dǎo)線緊靠在一起，并繞在兩根等長的導(dǎo)線緊靠在一起，并繞在高導(dǎo)磁率低損高導(dǎo)磁率低損耗的磁芯上構(gòu)成的。耗的磁芯上構(gòu)成的。最高工作頻率可擴展到幾百兆赫甚至上千兆赫。最高工作頻率可擴展到幾百兆赫甚至上千兆赫。 傳輸線變壓器與普通變壓器在傳輸能量的方式上是不相同的，傳輸線變傳輸線變壓器與普通變壓器在傳輸能量的方式上是不相同的，傳輸線變壓器負(fù)載兩端的電壓不是次級感應(yīng)電壓，而是傳輸線的終端電壓。壓器負(fù)載兩端的電壓不是次級感應(yīng)電壓，而是傳輸線的終端電壓。 兩根導(dǎo)線緊靠

24、在一起，所以導(dǎo)線任意長度處兩根導(dǎo)線緊靠在一起，所以導(dǎo)線任意長度處的線間電容很大，且在整個線上均勻分布。其次，的線間電容很大，且在整個線上均勻分布。其次，兩根等長導(dǎo)線同時繞在高兩根等長導(dǎo)線同時繞在高磁芯上，所以導(dǎo)線上均磁芯上，所以導(dǎo)線上均勻分布的電感量也很大，這種電路通常又叫分布參勻分布的電感量也很大，這種電路通常又叫分布參數(shù)電路。數(shù)電路。 usususRLRLRLRsRsRs(a) 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖(c) 普通變壓器的原理電路普通變壓器的原理電路(b) 原理電路圖原理電路圖u1u2u1u2u1u2 在傳輸線變壓器中，線間的分布電容不影響高頻能量的傳輸，電磁波以在傳輸線變壓器中，線間的分布電

25、容不影響高頻能量的傳輸，電磁波以電磁能交換的形式在導(dǎo)線間介質(zhì)中傳播的。電磁能交換的形式在導(dǎo)線間介質(zhì)中傳播的。 (1) 1：1傳輸線變壓器傳輸線變壓器 3. 常用傳輸線變壓器分析常用傳輸線變壓器分析 1：1傳輸線變壓器，又叫倒相變壓器。當(dāng)傳輸線無損時，可以認(rèn)為傳輸線變壓器，又叫倒相變壓器。當(dāng)傳輸線無損時，可以認(rèn)為u1=u2和和i1=i2。usRLRsu1u2i1i2如果傳輸線的特性阻抗：如果傳輸線的特性阻抗： CLZ o傳輸線輸出端的等效阻抗為：傳輸線輸出端的等效阻抗為：2242iuZ 輸入端（輸入端（1、3端）的等效阻抗為端）的等效阻抗為 ：421131 ZiuZ為了實現(xiàn)傳輸線變壓器與負(fù)載的匹配，要求：為了實現(xiàn)傳輸線變壓器與負(fù)載的匹配，要求： LRZ 42為了實現(xiàn)信號源與傳輸線變壓器的匹配，要求：為了實現(xiàn)信號源與傳輸線變壓器的匹配，要求： SRZ 311：1傳輸線變壓器，最佳匹配狀態(tài)應(yīng)該滿足傳輸線變壓器，最佳匹配狀態(tài)應(yīng)