高頻電子 第二章課件

第2章高頻功率放大器2.1概述：2.2高頻功率放大器的工作原理2.3高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析

2.4高頻功放的高頻特性2.5高頻功率放大器的電路組成2.1概述：休息1休息2ECICEOuCEiCO??Q???Q休息1休息2?截止區(qū)飽和區(qū)2.2高頻功率放大器的工作原理休息1休息2+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效電路+uc1--UBBCECL+uS-+ub-(a)原理電路+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic2工作原理分析uBEic?-UBB?UBZubic?UbmgC+uBE_休息1休息2仿真2工作原理分析vBEic?-UBB?-UBZvbic?VbmgCIcmax休息1休息2+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_仿真(1)集電極電流休息1休息2icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxiC頻譜(2)集電極輸出電壓LC回路阻抗Rp休息1休息2+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_仿真icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic?-UBB?UBZubUbmgC3.高頻功放的功率關(guān)系

返回繼續(xù)休息1休息2θcαoα1α3g11.02.0α2VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3D類和E類功率放大器簡介

1.D類功率放大器的原理分析

D類功率放大器有電壓開關(guān)型和電流開關(guān)型兩種基本電路，電壓開關(guān)型D類功率放大器是已推廣應(yīng)用的電路

uiub1ub2ic1ic2uLuAub1和ub2是由ui通過變壓器T1產(chǎn)生的兩個(gè)極性相反的輸入激勵(lì)電壓

ui正半周時(shí)VT1管飽和導(dǎo)通，VT2管截止，電源EC對電容C充電，電容上的電壓很快充至（EC-UCES1）值，A點(diǎn)對地的電壓uA=（EC-UCES1）。

ui負(fù)半周時(shí)VT2管飽和導(dǎo)通，VT1管截止。VT2管的直流電源由電容C上充的電荷供給，uA=UCES2≈0

uA近似為矩形波電壓，幅值為（EC-2UCES）。若L、C和RL串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號的角頻率ω上，且回路的Q值足夠高，則通過回路的電流ic1或ic2是角頻率為ω的余弦波，RL上可得相對輸入信號不失真的輸出功率。繼續(xù)ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt返回休息1休息2盡管每管飽和導(dǎo)通時(shí)的電流很大，但相應(yīng)的管壓降很小，這樣，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高

2.輸出功率及效率計(jì)算

uA為矩形方波，用傅里葉級數(shù)展開后可求得其基波分量的振幅為：

VT1管電流ic1(或VT2管電流ic2)的直流電流為：

ECEC-2UCESuAωtUCESic1ωtic2ωtuLωt返回休息1休息2UA1m≈EC

ID電源供給的直流功率：PD=2EC

ID

放大器的輸出功率Po為；效率η=Po／PD=100％

實(shí)際晶體管的飽和壓降不可能為零，又考慮到管子結(jié)電容、電路分布電容的影響(使管壓降波形uA有一定上升沿和下降沿)，從而使D類功放的效率小于100％，典型值大于90％。

2.2.4丙類倍頻器

休息2休息12.2.4丙類倍頻器仿真休息2休息12.2.4丙類倍頻器iC+uce--Ec+-uc2+iciC1iC2ic頻譜0ICOIC1IC2IC3IC4LC諧振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC2休息2休息12.2.4晶體管倍頻器返回繼續(xù)休息2休息12.3高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析1.動(dòng)態(tài)特性方程2.動(dòng)態(tài)特征曲線的畫法3.高頻功放的工作狀態(tài)2.3.2高頻功率放大器的負(fù)載特性

2.3.3高頻功率放大器的調(diào)制特性

2.3.4高頻功率放大器的放大特性

2.3.5高頻功率放大器的調(diào)諧特性

返回休息1休息22.3.6高頻功放的高頻效應(yīng)

2.3高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析βo0.5fβfβ0.2fTfT返回uBEicgCUBZ返回+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE_2.3.1高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性

返回uceic2.3.1高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性

Uo?A?BOEC?QUcmucmingd返回ubemax2.3.2高頻功率放大器的負(fù)載特性

uceicUo?gduBEic?-UBB?UBZubicgCUbm?ubemaxicmaxuceicEC?QuceminUcesgd?ubemax???uceminubemaxgcr?返回EC?QUcesUcm?uBEic?-UBB?UBZubicgCUbm?ubemaxicmaxuceicEC?QuceminUcesgd?ubemax???uceminubemaxgcr?uCEicgcrIcmaxubemax返回icuce2.3.2高頻功率放大器的負(fù)載特性PoRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Rp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoPDPcubemax返回休息2休息1Uc12.3.3高頻功率放大器的調(diào)制特性

uceicubemax?QEC??QEC?QEC????icEC欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)EC欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoPDPOPC返回休息2休息12.3.3高頻功率放大器的調(diào)制特性

進(jìn)入過壓狀態(tài)后，隨著UBB向正值方向增大，集電極脈沖電流的寬度增加，幅度幾乎不變，但凹陷加深，結(jié)果使Ico、Icml和相應(yīng)的Ucm增大得十分緩慢

返回休息2休息1UcmIcoIcml臨界UBB過壓欠壓O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)當(dāng)Ubm固定，UBB自負(fù)值向正值方向增大時(shí)，集電極脈沖電流ic的導(dǎo)通角θc增大，從而集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，狀態(tài)由欠壓區(qū)進(jìn)入過壓區(qū)。

2.3.4高頻功率放大器的放大特性uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)UcmIcmlIcoUbm過壓臨界欠壓OOωticOωticUbm增大OωticωtOictUbm線性功率放大器tUcmUbmUcm振幅限幅器UcmtUbmUcm返回休息2休息1

固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情況類似，它們都使基極輸入電壓uBEmax隨之增大，對應(yīng)的集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓。當(dāng)諧振功率放大器作為線性功率放大器，為了使輸出信號振幅Ucm反映輸入信號振幅Ubm的變化，放大器必須在Ubm變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時(shí)，放大器必須在Ubm變化的范圍內(nèi)工作在過壓狀態(tài)。仿鎮(zhèn)2.3.5高頻功率放大器的調(diào)諧特性

返回休息2休息1實(shí)際回路在調(diào)諧過程中，其負(fù)載是一阻抗Zp，當(dāng)改變回路的元件數(shù)值，如改變回路的電容C時(shí)，功放的外部電流Ico、Icml和相應(yīng)的Ucm等隨C的變化特性稱為調(diào)諧特性。

設(shè)諧振時(shí)功放工作在弱過壓狀態(tài)，當(dāng)回路失諧后，由于阻抗Zp的模值減小，根據(jù)負(fù)載特性可知，功放的工作狀態(tài)將向臨界及欠壓狀態(tài)變化，此時(shí)Ico和Icml要增大，而Ucm將下降。應(yīng)該指出，回路失諧時(shí)直流輸入功率PD=IcoEC隨Ico的增加而增加，而輸出功率Po=UcmIcmlcosφ將主要因cosφ因子而下降，因此失諧后集電極功耗PC將迅速增加。這表明高頻功放必須經(jīng)常保持在諧振狀態(tài)。

UcmIcmlIco2.3.6高頻功放的高頻效應(yīng)

ubet-UBBUBZ休息2休息12.3.6高頻功放的高頻效應(yīng)ucef1f2f2>f1返回繼續(xù)休息2休息12.4高頻功率放大器的實(shí)用電路

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：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。2.4.1高頻功率放大器的電路組成IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.4.1高頻功率放大器的電路組成

休息2休息1ICO直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC頻譜LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2基極饋電線路IBOUBBIBOIeo+UBB-休息2休息12.4.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

休息2休息1RiRoR'LR'S功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(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)載的功率最大，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，即它有良好的濾波作用。

(3)在有幾個(gè)電子器件同時(shí)輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送功率到公共負(fù)載，同時(shí)又盡可能地使這幾個(gè)電子器件彼此隔離，互不影響。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)或級間耦合網(wǎng)絡(luò):是用以與下級放大器的輸入端相連接輸出匹配網(wǎng)絡(luò):是用以輸出功率至天線或其他負(fù)載L1C1C2L2CARAr1IAMr'r1C1L1C1R'pL1IK2.4.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)休息2休息1介于放大器與天線回路之間的L1C1回路就叫做中介并聯(lián)諧振回路。RA、CA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。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IA達(dá)到最大值，亦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(gè)并聯(lián)諧振回路,其中Rp為折合到晶體管輸出回路的等效負(fù)載。1.輸出匹配電路

(1)并聯(lián)諧振回路型的匹配電路

RpRp繼續(xù)休息2休息1當(dāng)天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)，它反映到L1C1中介回路的等效電阻為設(shè)初級回路的接入系數(shù)為p，則晶體管輸出回路的等效負(fù)載為：r'r1C1L1C1R'pL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp繼續(xù)(1)并聯(lián)諧振回路型的匹配電路L1C1中介回路的等效諧振阻抗為

QL為有載品質(zhì)因素，

改變互感系數(shù)M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)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。

休息2休息1由于高頻功率放大器工作在非線性(丙類)工作時(shí)，放大器的內(nèi)阻變動(dòng)劇烈：導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)阻很小；截止時(shí)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(負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等)概念也就失去了意義。

ηk：中介回路的傳輸效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp繼續(xù)(1)并聯(lián)諧振回路型的匹配電路如果設(shè)

：

r'r1C1L1C1R'pL1IKRp要想回路的傳輸效率高，則空載Qo越大越好，有載QL越小越好，也就是說，中介回路本身的損耗越小越好

但從要求回路濾波作用良好來考慮，則QL值又應(yīng)該足夠大。從兼顧這兩方面出發(fā)，QL值一般不應(yīng)小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。

休息2休息1在大功率輸出級，T型、Π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R2一般代表終端(負(fù)載)電阻，R1則代表由R2折合到左端的等效電阻，現(xiàn)以(a)為例進(jìn)行計(jì)算公式的推導(dǎo)繼續(xù)(2)濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò)兩種Π型匹配網(wǎng)絡(luò)(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2將并聯(lián)回路R1C1與R2C2變換為串聯(lián)形式，由串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式可得L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1'=R2'由諧振條件得:仿真[例]有一個(gè)輸出功率為2W的高頻功率放大器、負(fù)載電阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求Π型匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值。

解:繼續(xù)(2)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阻

Rp,即L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1'=R2'改寫為：

解之得：

休息2休息1由諧振條件得:注意，考慮到晶體管的輸出電容Co后，C1應(yīng)減去Co之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，當(dāng)L1確定之后，用C2主要調(diào)匹配，用C1主要調(diào)諧振。

實(shí)際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)。分析方法都很類似，即從匹配與諧振兩個(gè)條件出發(fā)，再加上一個(gè)假設(shè)條件(通常都是假定Q1值)，即可求出電路元件的數(shù)值。

2.6.1寬帶高頻功率放大器

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B/fo只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)諧系統(tǒng)復(fù)雜，窄帶功率放大器的運(yùn)用就受到了很大的限制。

繼續(xù)2.6寬帶高頻功率放大器與功率合成電路近年來一種新穎的，能夠在很寬的波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)不調(diào)諧工作的寬頻帶功率放大器得到了迅速的推廣。

休息2休息1寬帶功率放大器，實(shí)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(gè)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為代價(jià)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

繼續(xù)2.6.1寬帶高頻功率放大器休息2休息1圖(b)中L、Ls1、r1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；C是變壓器各分布電容折合到初級后的總和；R‘L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(qiáng)，因此在高頻端等效電路中可以認(rèn)為電感L是開路，如圖(c)。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(jì)，可以認(rèn)為電容C開路，如圖(d)；(a)原理電路(b)等效電路(c)高頻端等效電路(d)低頻端等效電路(e)頻率響應(yīng)曲線usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CR'LrLsLCR'LR'Lfsfuo一般變壓器的等效電路可見工作頻率越低，電感L的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工作頻率的降低而下將。在高頻端負(fù)載R'L接在Ls和C組成的串聯(lián)諧振回路容抗元件的兩端，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fs上達(dá)到最大值。但是，偏離諧振頻率fs，電壓將急劇減小繼續(xù)2.寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理休息2休息1傳輸線變壓器是將兩根等長的導(dǎo)線緊靠在一起，并繞在高導(dǎo)磁率低損耗的磁芯上構(gòu)成的。最高工作頻率可擴(kuò)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)線緊靠在一起，所以導(dǎo)線任意長度處的線間電容很大，且在整個(gè)線上均勻分布。其次，兩根等長導(dǎo)線同時(shí)繞在高μ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數(shù)電路。

usususRLRLRLRsRsRs(a)結(jié)構(gòu)示意圖(c)普通變壓器的原理電路(b)原理電路圖u1u2u1u2u1u2在傳輸線變壓器中，線間的分布電容不影