3高頻功率放大器講解課件

第3章高頻功率放大器作用：高效率地輸出足夠大的信號(hào)功率。諧振功率放大器寬帶高頻功率放大器放大固定頻率信號(hào)或窄帶信號(hào)。需調(diào)諧。用于放大需在很寬范圍內(nèi)變換頻率的信號(hào)或?qū)拵盘?hào)。不需調(diào)諧。任務(wù)：PO、?C

、非線性失真（三個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)）第3章高頻功率放大器

諧振功率放大器的工作原理

諧振功率放大器的特性分析諧振功率放大器電路

丁類諧振功率放大器寬帶高頻功率放大器

本章小結(jié)3.1諧振功率放大器的工作原理主要要求：

理解諧振功放的電路組成，掌握其工作原理掌握丙類諧振功放輸出功率、管耗和效率的計(jì)算。3.1.1

基本工作原理一、放大器工作狀態(tài)的選擇2θ2θ2θ甲類（θ＝180?）乙類（θ＝90?）丙類（θ<90?）諧振功率放大器通常工作于丙類故θ越小，效率越高二、諧振功放的電路組成iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC諧振功放原理電路三、諧振功放的工作原理①VBB使放大器工作于丙類。VCC集電極供電電源②LC回路調(diào)諧于輸入信號(hào)的中心頻率，構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。

③大功率管（能承受高壓、大電流，fT高）

iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC諧振功放電流、電壓波形tuBEOVBBuBE(on)tiBOiBmaxtiCOIC0iCmaxic1ic2VCCuctuCEOtuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO

uc與ui

反相。當(dāng)uBE為uBEmax時(shí)，iC

為iCmax

，而uCE為uCE

min。

ic不僅出現(xiàn)時(shí)間短，而且只在uCE很小的時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)，因此集電極損耗很小，功放效率較高。諧振功放工作原理小結(jié)：設(shè)置VBB<UBE(on)

，使晶體管工作于丙類。當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，可得集電極余弦電流脈沖。將LC回路調(diào)諧在信號(hào)頻率上，就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC諧振功放原理電路iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC諧振功放原理電路諧振功放電路與小信號(hào)諧振放大器電路有何區(qū)別？

電流脈沖的近似分析3.1.2

余弦電流脈沖的分解假設(shè)不考慮結(jié)電容，略去uCE對(duì)iC的影響，將轉(zhuǎn)移特性折線化當(dāng)t

=

時(shí)，iC=0，則利用式（3.1.8）可將式（3.1.7）改寫為當(dāng)t

=

0時(shí)，iC=iCmax

，由式（3.1.9)可得因此，可iC

表示為利用傅里葉級(jí)數(shù)，可將iC的脈沖序列展開為…00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()3.1.2

輸出功率與效率集電極電壓利用系數(shù)，在盡限使用時(shí)，甲類工作狀態(tài)：乙類工作狀態(tài)：丙類工作狀態(tài)：設(shè)00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()例圖3.1.1所示電路中，VCC=24V，Po=5W，=70o，

=0.9,

求該功放的C、

PD、PC、iCmax

和回路諧振阻抗Rp解：00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()g1()3()2()0()1()g1()2.01.0例圖3.1.1所示電路中，VCC=24V，Po=5W，=70o，

=0.9,

求該功放的C、

PD、PC、iCmax

和回路諧振阻抗Rp解：3.2諧振功率放大器的特性分析主要要求：

理解諧振功放過壓、欠壓、臨界工作狀態(tài)的特點(diǎn)掌握丙類諧振功放的負(fù)載特性。了解VCC、VBB

、Uim對(duì)諧振功放工作狀態(tài)的影響了解諧振功放的應(yīng)用3.2.1

諧振功放的工作狀態(tài)與負(fù)載特性放大器工作狀態(tài)的分類：按晶體管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短分甲類（始終導(dǎo)通）乙類（半周導(dǎo)通）甲乙類（大半周導(dǎo)通）丙類（小半周導(dǎo)通）丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分欠壓（不進(jìn)入飽和區(qū)）過壓（進(jìn)入飽和區(qū)）臨界（達(dá)到臨界飽和）一、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)VCCOuCEωtVCCucuCEminuCEmin=VCC

－UcmuCE=VCC

－uctiCO欠壓區(qū)tiCO過壓區(qū)tiCO臨界一、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)VCCOuCEωtVCCucuCEminuCEmin=VCC

－UcmuCE=VCC

－uctiCO欠壓區(qū)tiCO過壓區(qū)tiCO臨界iC

凹陷的原因：諧振回路作負(fù)載。飽和時(shí)，uBE對(duì)iC的影響很小，但回路選出的uc值繼續(xù)增大，使uCE繼續(xù)減小，使iC迅速減小，從而出現(xiàn)凹陷。Ucm越大，uCEmin越小，凹陷越深，脈沖高度越小。二、負(fù)載特性

VCC、VBB、Uim

不變時(shí)，放大器的輸出電流、電壓、功率和效率等隨諧振回路的諧振電阻RP變化的特性稱為放大器的負(fù)載特性。tiCORPRP，使Ucm，uCEmin，放大器從欠壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)過渡到過壓區(qū)。諧振功放的負(fù)載特性RPOIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓電壓、電流變化曲線RPPO欠壓臨界過壓PoPomaxPDPCc功率、效率變化曲線PC在回路阻抗很小時(shí)很大！因此，回路失諧大時(shí)易損壞功率管，須加以注意。tiCORP諧振功放的負(fù)載特性RPOIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓電壓、電流變化曲線RPPO欠壓臨界過壓PoPomaxPDPCc功率、效率變化曲線RPopt臨界時(shí)Po最大，PC較小，效率較高，功放性能最佳。匹配負(fù)載3.2.2

VCC對(duì)諧振功放工作狀態(tài)的影響tiCOVCCRP、VBB、Uim

不變，

VCC時(shí)，使uCEmin，使放大器從過壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)過渡到欠壓區(qū)。uCE＝VCC+ucuCEmin

＝VCC－UcmtiCOVCC3.2.2

VCC對(duì)諧振功放工作狀態(tài)的影響tiCOVCC3.2.2

VCC對(duì)諧振功放工作狀態(tài)的影響

把RP、VBB、Uim

不變時(shí)，Ucm隨VCC變化的特性稱為集電極調(diào)制特性。諧振功放用作集電極調(diào)制電路時(shí)，必須工作于過壓區(qū)。3.2.3

Uim和VBB

對(duì)諧振功放工作狀態(tài)的影響1.Uim對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響RP、VBB、VCC不變，

Uim

時(shí)，使導(dǎo)通角增大，uBEmax，iC脈沖的k寬帶和高度均增大，uCEmin，使放大器從欠壓區(qū)經(jīng)臨界狀態(tài)過渡到過壓區(qū)，并出現(xiàn)凹陷。

Uim繼續(xù)增大，則iC脈沖高度略增大，凹陷也加深。uBE＝VBB+uiuBEmax＝VBB+UimtiCOUim

1.Uim對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響tiCOUim

UimIUO欠壓臨界過壓IC0Ic1mUcm

把RP、VBB、VCC不變時(shí)，Ucm隨Uim變化的特性稱為放大特性或振幅特性。諧振功放用作線性放大器時(shí)應(yīng)工作于欠壓區(qū)，若工作于過壓區(qū)，則成為限幅器。3.2.3

Uim和VBB

對(duì)諧振功放工作狀態(tài)的影響2.VBB對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響tiCOVBB

VBBIUO欠壓臨界過壓UcmIc1mIC02.VBB對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響tiCOVBB

VBBIUO欠壓臨界過壓UcmIc1mIC0

把RP、VCC、Uim

不變時(shí)，Ucm隨VBB變化的特性稱為基極調(diào)制特性。諧振功放用作基極調(diào)制電路時(shí)，必須工作于欠壓區(qū)。思考討論題3.2.2

諧振功放原工作于臨界狀態(tài)，若集電極回路稍有失諧，放大器的IC0、IC1m、PC將如何變化？有何危險(xiǎn)？答案：回路阻抗減小，使放大器工作于欠壓區(qū)，IC0

和IC1m

增大；PC增大；失諧大時(shí)可能燒壞晶體管。RPOIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓RPPO欠壓臨界過壓PoPomaxPDPCc3.2.4

某諧振功放，當(dāng)增大VCC時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出功率增大，則為什么？若發(fā)現(xiàn)輸出功率增大不明顯，則又為什么？答案：Po增大明顯，則表明諧振功放原來工作于過壓區(qū)；否則表明諧振功放原來工作于欠壓區(qū)。3.2.6

某諧振功放工作在過壓狀態(tài)，現(xiàn)欲將它調(diào)整到臨界狀態(tài)，應(yīng)改變哪些參數(shù)？不同的調(diào)整方法所得到的輸出功率是否相同？答案：減小RP，或增大VCC，或減小VBB，減小Uim

；或綜合調(diào)節(jié)。不同的調(diào)整方法所得到的輸出功率不相同。OIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓

VBBIUO欠壓臨界過壓UcmIc1mIC0諧振功放用作功放時(shí)，通常工作于臨界狀態(tài)；用作基極調(diào)幅電路時(shí)，必須工作于欠壓區(qū)；用作集電極調(diào)幅電路時(shí)，必須工作于過壓區(qū)；另外，工作于欠壓區(qū)時(shí)，可用作線性放大電路，工作于過壓區(qū)時(shí)，可用作限幅電路。3.3諧振功率放大器電路主要要求：

了解諧振功放常用的直流饋電電路及其特點(diǎn)。掌握諧振功放中濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，了解其主要要求。了解基本濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的組成、分析與設(shè)計(jì)。3.3.1

直流饋電電路一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1+uCE–VCC

+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路

LC

、CC1構(gòu)成電源濾波器，避免信號(hào)電流通過直流電源而產(chǎn)生級(jí)間反饋一、集電極直流饋電電路+uCE––+LCLCCC1+uCE–

+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路3.3.1

直流饋電電路雖然電路結(jié)構(gòu)形式不同，但都實(shí)現(xiàn)了：+uc–+uc–VCCVCC一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1+uCE–VCC

+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路3.3.1

直流饋電電路優(yōu)點(diǎn):饋電附加元件均在高頻地電位端，分布參數(shù)不影響LC回路。工作頻率高。缺點(diǎn)：

LC回路處于直流高電位，諧振元件不能直接接地。調(diào)整不方便。優(yōu)點(diǎn)：LC回路處于直流低電位，諧振元件能直接接地，易安裝。缺點(diǎn)：附加元件分布參數(shù)直接影響諧振回路，限制放大器工作在更高頻率上。二、基極偏置電路欲晶體管工作于丙類，基極應(yīng)加反向偏壓或小于UBE(on)的正向偏壓。

+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB

+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB自給偏置電路分壓式基極偏置電路利用IB0流經(jīng)RB產(chǎn)生偏壓電壓：VBB=－IB0RB調(diào)節(jié)RB

，可調(diào)節(jié)反偏電壓大小。利用LB中的固有直流電阻獲得很小偏壓電壓：

VBB=－IB0rB

+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB

+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB自給偏置電路分壓式基極偏置電路自給偏置電路中，未加輸入信號(hào)時(shí)，iB=0，因此偏置電壓也為零。當(dāng)輸入信號(hào)幅度由小加大時(shí)，iB增大，其直流分量IB0也增大，反向偏壓隨之增大。這種偏置電壓隨輸入信號(hào)幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng)。二、基極偏置電路

+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB

+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB自給偏置電路分壓式基極偏置電路由于自給偏壓效應(yīng)，該圖中基極偏置電壓動(dòng)態(tài)值要比靜態(tài)值小。二、基極偏置電路3.3.2

濾波匹配網(wǎng)絡(luò)一、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用和要求濾波和匹配在所需頻帶內(nèi)進(jìn)行有效的阻抗變換，給放大器提供Reopt

有效濾除不需要的諧波成分將有用功率有效地傳送給負(fù)載，因此其固有損耗要小。主要要求注意：

在丙類諧振功放中，把RL變換為Reopt

，以獲得最大輸出功率的作用，稱為阻抗匹配。而線性電路中的阻抗匹配，指負(fù)載阻抗與信號(hào)源的輸出阻抗相等時(shí)，負(fù)載可從信號(hào)源取得最大功率。二、LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換作用RSXSYSXPRPYP1.串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換二、LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換作用RSXSYSXPRPYP1.串并支路的阻抗轉(zhuǎn)換（匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的依據(jù)）注意：串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變換后，電抗性質(zhì)不變解：RSLSLPRP例3.3.1100nH10下圖中，已知f=100MHz，求LP和RP。=102.5nH2.L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換電路在工作頻率上達(dá)到并聯(lián)諧振，即（1）低阻變高阻型LRPCRLR’LCL’RP應(yīng)用中，根據(jù)阻抗匹配要求確定Q，即例3.3.3已知某諧振功放的f=50MHz，RL=10，所需的匹配負(fù)載為RP=200

，試確定L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。解：=139nH=146nH應(yīng)采用低阻變高阻型L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)設(shè)計(jì)如下（2）高阻變低阻型RPCRLLRPC’R’LL電路在工作頻率上達(dá)到串聯(lián)諧振，即Q根據(jù)阻抗匹配要求確定，即3.π型和T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

因?yàn)榛蚬试赗L和R’L相差不大時(shí)，Q只能很小，會(huì)使濾波性能很差這時(shí)可采用型或T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)3.π型和T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

RPC2RLL1C1RLL1C1L2RPπ型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)C2RLL11C1L12RPR’L低阻變高阻高阻變低阻恰當(dāng)選擇兩個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)的Q值，就可兼顧濾波和阻抗匹配的要求。3.3.3

諧振功率放大器電路舉例一、例1電路性能：160MHz，負(fù)載50，輸出功率13W，功率增益9dB一、例1輸出匹配網(wǎng)絡(luò)基極采用自給偏壓。集電極采用并饋電路。

L2、C3和C4構(gòu)成L型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，調(diào)C3和C4可在工作頻率上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。3.3.3

諧振功率放大器電路舉例一、例1輸入匹配網(wǎng)絡(luò)功放的輸入阻抗很低，且隨著放大器工作狀態(tài)的改變而變化。為了減小其對(duì)前級(jí)放大器的影響，需要有輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。3.3.3

諧振功率放大器電路舉例一、例1輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)作用：把低且變化的功放輸入阻抗變?yōu)榍凹?jí)所需要的較穩(wěn)定的高阻抗，并使前級(jí)工作于過壓區(qū)，從而使功放獲得較穩(wěn)定的激勵(lì)電壓。工作于過壓區(qū)時(shí)，輸出電壓幾乎不隨負(fù)載變化。3.3.3

諧振功率放大器電路舉例一、例1輸入匹配網(wǎng)絡(luò)圖中輸入匹配網(wǎng)絡(luò)作用：將功率管的輸入阻抗在工作頻率上變換為前級(jí)放大器需要的50匹配電阻。C1調(diào)匹配，C2調(diào)諧振。3.3.3

諧振功率放大器電路舉例3.4丁類諧振功率放大器與丙類倍頻器主要要求：

了解提高放大器效率的方法。了解丁類諧振功放的工作原理。了解丙類倍頻器的工作原理。一、提高功放效率的方法提高功放效率的方法：tuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO1.減小θ2.減小iC

uCE丙類；有限制各種高效率諧振功放的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)例如丁類要減小PC提高功放效率的方法：tuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO1.減小θ2.減小iC

uCE要減小PC一、提高功放效率的方法使放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)晶體管導(dǎo)通iC≠0時(shí)，uCE最小，約為零；而當(dāng)uCE≠0時(shí)，晶體管截止，iC=0。因此，iC

uCE很小，理想情況下效率可達(dá)100%。思路二、丁類諧振功率放大器有電壓開關(guān)型和電流開關(guān)型兩類+ui–+ub1––ub2++uo–RLCAL電壓開關(guān)型丁類功放原理圖+VCCV1V2V1、V2兩管同類型且特性相同兩管的激勵(lì)電壓ub1和ub2大小相等，極性相反。兩管的負(fù)載是L、C、RL構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路+ui–+ub1––ub2++uo–RLCAL電壓開關(guān)型丁類功放原理圖+VCCV1V2工作原理：設(shè)ui

為足夠大的正弦波，則兩管輪流飽和導(dǎo)通。ui>0,V1管飽和導(dǎo)通時(shí)，uA=VCC–UCE(sat)ui<0,V2管飽和導(dǎo)通時(shí)，uA=UCE(sat)因此uA為方波電壓，其幅值為[VCC–2UCE(sat)]tuAOVCCUCE(sat)二、丁類諧振功率放大器+ui–+ub1––ub2++uo–RLCAL電壓開關(guān)型丁類功放原理圖+VCCV1V2工作原理：當(dāng)回路調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率，且Q值足夠高時(shí)，只有uA中的基波分量能在回路中產(chǎn)生電流io，因此負(fù)載RL上得到不失真的輸出電壓uo

。tuAOVCCUCE(sat)tioOtuoOiouo二、丁類諧振功率放大器+ui–+ub1––ub2++uo–RLCAL電壓開關(guān)型丁類功放原理圖+VCCV1V2可見：丁類諧振功放中的兩管均工作于開關(guān)狀態(tài)，它們均為半周飽和導(dǎo)通、半周截止。①導(dǎo)通時(shí)，電流為半個(gè)正弦波，但管壓降約為零；②截止時(shí)，管壓降很大，當(dāng)電流為零。因此管耗很小，功放效率很高。ioiC1iC2二、丁類諧振功率放大器3.4.2倍頻器倍頻器是能將輸入信號(hào)頻率成整數(shù)倍增加的電路。倍頻器用在通信電路中，采用倍頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是：①可降低主振器的頻率，這樣可穩(wěn)定頻率。②擴(kuò)展發(fā)射機(jī)的波段。

倍頻器框圖及其應(yīng)用圖3.4.2帶有陷波電路的三倍頻器（丙類倍頻器）注意：(1)集電極電流脈沖中包含的諧波分量幅度總是隨著ｎ的增大而迅速減小。因此，倍頻次數(shù)過高，倍頻器的輸出功率和效率就會(huì)過低。

(2)倍頻器的輸出諧振回路需要濾除高于ｎ和低于ｎ的各次分量。（陷波電路）

3.5寬帶高頻功率放大器

(非諧振高頻功率放大器)

（選講）3.5.1傳輸線變壓器1.傳輸線變壓器的工作原理

1)傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)

2)傳輸線變壓器傳輸能量的特點(diǎn)圖3.5.11:1傳輸線變壓器傳輸線變壓器的基本特點(diǎn)是：(1)工作頻帶極寬，頻率覆蓋系數(shù)可達(dá)104。(2)工作方式是傳輸線原理和變壓器原理的結(jié)合。①對(duì)于高頻它是以傳輸線的原理傳輸能量。

（無耗且匹配）輸入與輸出電壓和電流大小相等相位相同）②對(duì)于低頻它是以變壓器的原理傳輸能量。(3)大功率運(yùn)用時(shí)，可以采用較小的磁環(huán)也不致使磁芯飽和和發(fā)熱，因而減小了放大器的體積。

2.傳輸線變壓器的應(yīng)用

1)極性變換傳輸線變壓器作極性變換電路，就是1:1倒相傳輸線變壓器。圖3.5.11:1倒相傳輸線變壓器

2)