功率放大器原理及電路圖.ppt

1、第6章 高頻調(diào)諧功率放大器,6.1 概述：,6.2 高頻功率放大器的工作原理,6.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析,6.4 高頻功放的高頻特性,6.5 高頻功率放大器的電路組成,6.6 寬帶功率放大器與功率合成電路,6. 1 概述：,6.2 高頻功率放大器的工作原理,+ ub -,Rp,C,L,+ uCE -,ic,EC,-UBB,(b) 等效電路,+ uc1 -,-UBB,C,EC,L,+ uS -,+ ub -,(a) 原理電路,+ ub -,Rp,C,L,+ uCE -,EC,-UBB,+ uc1 -,常數(shù),=,D,D,=,ce,u,BE,c,c,u,i,g,2 工作原理分析,ub,有,+

2、uBE _,(,),BZ,bm,BB,c,c,U,t,U,U,g,i,-,+,-,=,w,cos,又,Q,當(dāng),時(shí)，,ic,3. 高頻功放的功率關(guān)系,4 D類和E類功率放大器簡(jiǎn)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,ui,ub1,ub2,uL,uA,ub1和ub2是由ui通過(guò)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(duì)電容C充電，電容上的電壓很快充至（EC-UCES1）值，A點(diǎn)對(duì)地的電壓uA=（EC-UCES1） 。,ui負(fù)半周時(shí)VT2管飽和導(dǎo)通，VT

3、1管截止。VT2管的直流電源由電容C上充的電荷供給，uA= UCES20,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(hào)的角頻率上，且回路的Q值足夠高，則通過(guò)回路的電流ic1或ic2是角頻率為的余弦波，RL上可得相對(duì)輸入信號(hào)不失真的輸出功率。,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,丙類倍頻器,丙類倍頻器,丙類倍頻器,+ uce -,- Ec +,- uc2 +,6.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析,o,+ ub -,C,L,EC,-UBB,+ uc1 -,Rp,+ uCE -,+ uBE _,1

4、高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,ubemax,2 高頻功率放大器的負(fù)載特性,ub,2 高頻功率放大器的負(fù)載特性,3 高頻功率放大器的調(diào)制特性,3 高頻功率放大器的調(diào)制特性,進(jìn)入過(guò)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,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c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(guò)壓區(qū)。,4 高頻功率放大器的放大特性,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情況類似，它們都

5、使基極輸入電壓uBEmax隨之增大，對(duì)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(guò)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(hào)振幅Ucm反映輸入信號(hào)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(guò)壓狀態(tài)。,5 高頻功率放大器的調(diào)諧特性,實(shí)際回路在調(diào)諧過(guò)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(guò)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)

6、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=UcmIcmlcos將主要因cos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)。,6.4 高頻功放的高頻效應(yīng),6.4高頻功放的高頻特性,f2f1,6.4 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(jí)提供合適的偏置； 交流匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號(hào)有效地傳輸。,6.5高頻功率放大器的電路組成,6.5高頻功率放大

7、器的電路組成,以上兩個(gè)電路勻滿足：,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,2 基極饋電線路,UBB,+ UBB -,二 高頻功放的耦合回路,(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(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò):是用以與下級(jí)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,二 高頻功放的耦合回路,介于放

8、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,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(jí)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：,(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

9、 ，,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。,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??；截止時(shí)內(nèi)阻近于無(wú)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。,k ：中介回路的傳輸效率。,(1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路,如果設(shè) ：,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(shuō)，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(lái)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。

10、在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。,在大功率輸出級(jí)，T型、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),(2) 濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò),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,網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1= R2,由諧振條件得 :,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=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求型匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值。,解 :,(2) 濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò),R1應(yīng)該是功率放大器所要求的匹配電阻 Rp ,即,網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1=

11、 R2,改寫為：,解之得：,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。,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(duì)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 。,6.6寬帶高頻功率放大器與功率合成,近年來(lái)一種新穎的，能夠在

12、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。,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(shuō)寬頻帶放大器是以犧牲效率作為代價(jià)來(lái)?yè)Q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,圖 (b)中L、Ls1、r1是變壓器初級(jí)繞組的電感、漏感和損耗電阻；Ls2、r2 是折合到初級(jí)后，次級(jí)繞組的漏感和損耗電阻；C是變壓器各

13、分布電容折合到初級(jí)后的總和；RL是折合到初級(jí)后的等效負(fù)載電阻。,在高頻端由于初級(jí)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)；,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RL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,2. 寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理,傳輸線變壓器是將兩根等長(zhǎng)的導(dǎo)線緊靠在一起，并繞在高導(dǎo)磁率

14、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(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)導(dǎo)線同時(shí)繞在高磁芯上，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。,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,3. 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(wú)損時(shí)，可以認(rèn)為u1=u2和i1

15、=i2。,us,RL,Rs,u1,u2,如果傳輸線的特性阻抗：,傳輸線輸出端的等效阻抗為：,輸入端（1、3端）的等效阻抗為 ：,為了實(shí)現(xiàn)傳輸線變壓器與負(fù)載的匹配，要求：,為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)源與傳輸線變壓器的匹配，要求：,1：1傳輸線變壓器，最佳匹配狀態(tài)應(yīng)該滿足 ：,滿足最佳功率傳輸條件的傳輸線特性阻抗為：,1：1傳輸線變壓器具有最大的功率輸出。但實(shí)際上，在各種放大電路中RL正好等于信號(hào)源內(nèi)阻的情況是很少的。因此，1：1傳輸線變壓器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用來(lái)作為倒相器，或進(jìn)行不平衡-平衡以及平衡-不平衡轉(zhuǎn)換。,u1,u1,u2,u2,i2,i1,i1+ i2,(2) 1：4和4：1傳輸線變壓

16、器,3. 常用傳輸線變壓器分析,1：4傳輸線變壓器是把負(fù)載阻抗降為1/4倍以便和信號(hào)源相匹配。在負(fù)載匹配的條件下，有 u1=u2=u和，i1=i2=i,由于變壓器的1端與4端相連，輸入端1端與3端的電壓為u，負(fù)載RL上的電壓為u1+u2=2u，輸入端1的電流為i1+i2=2i，且,u1,u1,u2,u2,2u,+ 2u -,傳輸線變壓器的輸入阻抗為 ：,傳輸線變壓器把負(fù)載RL變換為RL/4，實(shí)現(xiàn)了1：4的阻抗變換。,如果把輸入端和輸出端對(duì)調(diào)就成為4：1傳輸線變壓器。4：1傳輸線變壓器把負(fù)載阻抗升高4倍和信號(hào)源匹配，由電壓電流關(guān)系不難證明該變壓器具有4：1的阻抗變換作用。,3.3.2功率合成 利

17、用多個(gè)功率放大電路同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大, 然后設(shè)法將各個(gè)功放的輸出信號(hào)相加, 這樣得到的總輸出功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)功放電路的輸出功率，這就是功率合成技術(shù)。 利用功率合成技術(shù)可以獲得幾百瓦甚至上千瓦的高頻輸出功率。 理想的功率合成器不但應(yīng)具有功率合成的功能, 還必須在其輸入端使與其相接的前級(jí)各率放大器互相隔離, 即當(dāng)其中某一個(gè)功率放大器損壞時(shí), 相鄰的其它功率放大器的工作狀態(tài)不受影響, 僅僅是功率合成器輸出總功率減小一些。 圖3.3.4給出了一個(gè)功率合成器原理方框圖。,由圖可見, 采用7個(gè)功率增益為2, 最大輸出功率為10 W的高頻功放, 利用功率合成技術(shù), 可以獲得40W的功率輸出。 其中采

18、用了三個(gè)一分為二的功率分配器和三個(gè)二合一的功率合成器。 功率分配器的作用在于將前級(jí)功放的輸出功率平分為若干份, 然后分別提供給后級(jí)若干個(gè)功放電路。 利用傳輸線變壓器可以組成各種類型的功率分配器和功率合成器, 且具有頻帶寬、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入損耗小等優(yōu)點(diǎn), 然后可進(jìn)一步組成寬頻帶大功率高頻功放電路。 ,4 集成高頻功率放大電路及應(yīng)用簡(jiǎn),在VHF和UHF頻段, 已經(jīng)出現(xiàn)了一些集成高頻功率放大器件。這些功放器件體積小, 可靠性高, 外接元件少, 輸出功率一般在幾瓦至十幾瓦之間。日本三菱公司的M57704系列、美國(guó)Motorola公司的MHW系列便是其中的代表產(chǎn)品。 表3.4.1列出了Motorola公

19、司集成高頻功率放大器MHW系列中部分型號(hào)的電特性參數(shù)。圖3.4.1給出了其中一種型號(hào)的外形圖。 ,MHW系列中有些型號(hào)是專為便攜式射頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的, 可用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的功率放大, 也可用于工商業(yè)便攜式射頻儀器。使用前, 需調(diào)整控制電壓, 使輸出功率達(dá)到規(guī)定值。在使用時(shí), 需在外電路中加入功率自動(dòng)控制電路, 使輸出功率保持恒定, 同時(shí)也可保證集成電路安全工作, 避免損壞。 控制電壓與效率、 工作頻率也有一定的關(guān)系。 三菱公司的M57704系列高頻功放是一種厚膜混合集成電路, 同樣也包括多個(gè)型號(hào), 頻率范圍為335 MHz512 MHz(其中M57704H為450 MHz470 MHz), 可

20、用于頻率調(diào)制移動(dòng)通信系統(tǒng)。它的電特性參數(shù)為：當(dāng)VCC=12.5V, Pin=0.2 W, Zo=ZL=50時(shí), 輸出功率Po=13 W, 功率增益Gp=18.1dB, 效率35%40%。 ,圖3.4.2是M57704系列功放的等效電路圖。由圖可見, 它包括三級(jí)放大電路, 匹配網(wǎng)絡(luò)由微帶線和LC元件混合組成。 圖3.4.3是TW-42超短波電臺(tái)中發(fā)信機(jī)高頻功放部分電路圖。 此電路采用了日本三菱公司的高頻集成功放電路M57704H。 TW-42電臺(tái)是采用頻率調(diào)制, 工作頻率為4577MHz458 MHz, 發(fā)射功率為5W。由圖3.4.3可見, 輸入等幅調(diào)頻信號(hào)經(jīng)M57704H功率放大后, 一路經(jīng)微帶線匹配濾波后, 再經(jīng)過(guò)V115送多節(jié)LC的型網(wǎng)絡(luò), 然后由天線發(fā)射出去；另一路經(jīng)V113、 V114檢波, V104、V105直流放大后, 送給V103調(diào)整管, 然后作為控制電壓從M57704H的第腳輸入, 調(diào)節(jié)第一級(jí)功放的集電極電源, 可以穩(wěn)定整個(gè)集成功放的輸出功率。第二三級(jí)功放的集電極電源是固定的138 V。,小結(jié),1. 高頻諧振功率放大電路可以工作在甲類、乙類或丙類狀態(tài)。相比之下, 丙類諧振功放的輸出