高频功率放大电路.ppt

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1、第4章高频功率放大电路,第4章高频功率放大电路 2,第4章高频功率放大电路,概述4.1丙类谐振功率放大电路的工作原理4.2丙类谐振功率放大器的特性分析4.3丙类谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络,第4章高频功率放大电路 3,高频功放：将高频信号进行功率放大的电路，实质是在输入高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。主要功用: 放大高频信号, 以高效率输出大功率，并且尽量保证非线性失真小。 分类：低频功放：甲类（3600导通，效率50%） 乙类（1800导通，效率78.5%） 甲乙类（大于 1800导通，效率75%） 高频功放： 丙类（ 小于1800导通，效率92%） 丁类、戊类（

2、开关型，理论上效率100） 特点：工作频率高，相对带宽小，大信号非线性状态，采用选频网络作为负载（故称谐振功率放大器）。 技术指标：输出功率、效率、功率增益、带宽、谐波抑制度。,概述,第4章高频功率放大电路 4,一、丙类谐振功率放大电路的结构图4-1所示的是高频谐振功率放大器的原理线路图。构成：电源、偏置电路、晶体管、谐振回路和输入回路。谐振回路：1、减小失真，丙、丁、戊类的电流失真大 ； 2、实现阻抗匹配。 3、对窄带系统，实现滤波；,4.1丙类谐振功率放大电路的工作原理,第4章高频功率放大电路 5,图4 -1 晶体管高频谐振功率放大器的原理线路图,第4章高频功率放大电路 6,4-2谐振功率

3、放大器的原理线路,二、工作原理1.工作条件工作在丙类状态Eb倒置，使T在截止区；LC回路为集电极负载，调谐在输入信号中心频率上；Rp为考虑实际负载与抽头等效后的并联谐振电阻。,第4章高频功率放大电路 7,4-2谐振功率放大器的原理线路,第4章高频功率放大电路 8,3.电流、 电压波形 设输入信号为则由图4-2得基极回路电压为,(4-1),第4章高频功率放大电路 9,ib、ic 周期性脉冲，可以分解成直流、 基波(信号频率分量)和各次谐波分量, 即余弦电流脉冲的分解：,(4-2),第4章高频功率放大电路 10,(3 19b),(3 19a),2 为导通角， =1800，甲类, 900，甲乙类,

4、=900，乙类, 900，丙类。i（ ）:各次波的分解系数。,余弦脉冲的分解：,（4-3）,（4-4）,第4章高频功率放大电路 11,输出回路：放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率0等于激励信号频率时，回路对频率呈现一大的谐振阻抗，因此集电极电流基波分量在回路上产生电压；对远离的直流和谐波分量2 、3 等呈现很小的阻抗，因而输出很小，几乎为零。因此有：,（4-5）,（4-6）,第4章高频功率放大电路 12,结论：1、icmax、ubemax 、ucemin 出现在同一时刻； 2、集电极功耗= ic uce， 很低，效率高；,丙类谐振功率放大器的电压、电流波形,第4章高频功率放大电路 13,4

5、. 高频功放的能量关系 电源功率（直流功率）=输出功率（基波功率）+集电极耗散功率 电源功率Pd为： 输出功率P0为：集电极损耗功率Pc为：,(4-7),(4-8),(4-9),第4章高频功率放大电路 14,集电极效率为： 其中：集电极电流波形系数集电极电压利用系数结论：提高效率的两种途径：提高电压利用系数，通过提高谐振电阻实现，同时尽量使放大管工作在尽限运用状态；提高波形系数g1() ，降低导通角，一般取6575度，使放大器工作在丙类工作状态。,(4-10),第4章高频功率放大电路 15,g1()、 0() 、 1() 、 2() 、 3()与 的关系,第4章高频功率放大电路 16,4.2丙

6、类谐振功率放大器的特性分析,一、 晶体管静态特性曲线的折线化 折线化分析：用几条直线近似晶体管的实际特性曲线，然后用数学解析式写出表达式并进行分析的方法。特点:物理概念清晰,方法简单;准确度差.应用:工程实际,第4章高频功率放大电路 17,(a)静态输出特性曲线 (b) 静态转移特性曲线晶体管特性曲线的折线化,Vth,第4章高频功率放大电路 18,(a)静态输出特性曲线: 以ube为参变量，ic 与uce的关系曲线； 如图,由临界线分为饱和区与放大区. (b) 静态转移特性曲线：ic 与ube 的关系曲线； 折线化后的直线斜率为:(通常为几十几百mA/V),(4-11),(4-12),第4章高

7、频功率放大电路 19,二、 高频功放管集电极的动态特性 动态特性：当基极加上输入信号并且集电极接上负载阻抗时，晶体管集电极电流ic与集电极电压uce 之间的关系。动态特性曲线:功率放大器工作点变化的轨迹，也称动态交流负载线， 由集电极电流ic与集电极电压uce曲线构成。由于晶体管的静态特性曲线是非线性的，所以实际动态特线性曲线也是非线性的，但可以证明：当静态特性曲线折线化后，且放大器负载处于谐振状态，即负载为纯电阻，则动态特性曲线也为一条直线。当负载回路处于谐振状态时，有：由以上两式可得：,(4-13),第4章高频功率放大电路 20,将（4-13）代入（4-12）有：动态特性图如下页图所示。,

8、(4-14),(4-15),第4章高频功率放大电路 21,丙类谐振放大电路的动态特性图,第4章高频功率放大电路 22,图中: t=0, ube =-Eb+Ubm = ubemax A点 uce =Ec-Ucm= ucemin t=/2, ube =-Eb= ubemin Q点 uce =Ec ic =gc(ube-Vth) 0辅助点,实际不存在 t=, ic =0 C点 uce = Ec+Ucm 动态曲线：A点、Q点的连线，与横坐标的交点B。,第4章高频功率放大电路 23,注意：动态线在横轴上的截距式 ，区别于乙类。 动态线斜率 。 为负值，说明从负载方面看，放大器相当于一个负电阻，即为一交流

9、电能发生器，可以为负载提供交流电能。 动态电阻：上式中经简化可得：,(4-16),(4-17),第4章高频功率放大电路 24,折线分析法的思路： （1）从输入特性曲线或转移特性曲线读Vth； (2)从输入特性曲线找gc； (3)ic=0求Vp， B点； (4) ic =gc(Eb-Vth) , Q点； (5) Vp求 cos =(Ec- Vp)/Ucm； (6)查图求icmax 。,第4章高频功率放大电路 25,三、 高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态 。ubemax ucemin 集电结正偏 ，A点在饱和区； uce使ic迅速

10、减少， Ic0 、Ic1m减小， Pd、 P0减小 Ucm大，= Ucm/Ec ，电压利用率高，过压状态。,第4章高频功率放大电路 26,过压状态下的ic的波形如下图所示，从图中看出：1、特性曲线与临界曲线重合2、电流凹陷：Rp负载过大，Ucm过大，uce减小，ic随之迅速减小。,第4章高频功率放大电路 27,四、高频功放的外部特性 外部特性：性能随放大器外部参数变化的规律。 负载电阻Rp 激励电压Ubm 偏置电压Eb Ec 1高频功放的负载特性 负载特性: 只改变负载电阻Rp, 高频功放电流、 电压、 功率及效率变化的特性。,第4章高频功率放大电路 28,下图是反映不同负载时的动态特性曲线。

11、 谐振放大器的工作状态由欠压临界过压逐步过渡。,第4章高频功率放大电路 29,高频功放的负载特性,（a）,（b）,下图(b)是根据图 (a)而得到的功率、 效率曲线。,第4章高频功率放大电路 30,RpROPT过压状态： Ic0与Ic1m变小， Ucm = Ic1m Rp缓慢增加 Pd=Ic0Ec 随 Ic0而变，欠压时基本不变，过压时 P0= I2c1m Rp/2 欠压时（ Ic1m基本不变），临界时最大 P0= U2cm /（2 Rp） ，过压时（Ucm基本不变） Pc= Pd - P0 = g1() /2 欠压g1()不变， = Ucm /Ec ， 过压：弱： 并达到最大值，= Ucm

12、/Ec 深： g1(),电流电压,功率效率,第4章高频功率放大电路 31,结论： 随着负载的增大，电路的工作状态经历了从欠压状态到临界状态又到过压状态的变化 ； 临界状态：效率与输出功率最佳，是谐振放大器的最佳工作状态； 欠压状态：效率低，恒流源； 过压状态：效率高，损耗小，恒压源。,第4章高频功率放大电路 32,2高频功放的振幅特性（放大特性） 振幅特性:只改变输入电压Ubm, 高频功放电流、电压、功率及效 率变化的特性。欠压时： Ubm增加， icmax、增加，Ic0与Ic1随之增加， Ucm增加, P0= I2c1m Rp/2增加， Pd= Ic0 Ec增加 过压时： Ubm增加，ic有

13、凹陷，但 icmax、略有增加， Ic0与Ic1m 略有增加 P0= I2c1m Rp/2略有增加， Pd= Ic0 Ec略有增加,第4章高频功率放大电路 33,高频功放的振幅特性,应用：（a）作为线性功率放大器，用来放大振幅调制信号。放大器必须在变化范围内工作在欠压状态。（b）用作振幅限幅器 ，放大器必须在变化范围内工作在过压状态。,第4章高频功率放大电路 34,3高频功放的调制特性 调制特性:只改变电极直流电压，以改变高频信号的振幅，实现幅度调制。分类： 改 Eb-基极调制 改 Ec-集电极调制原则：Ucm与Eb或Ec成线性关系。（a)基极调制 与Ubm类似；但可为负， Eb大 小，过 临

14、 欠（b)集电极调制 Ec大 小，欠 临 过结论：基于原则，基极调制放大器工作在欠压区 集电极调制放大器工作在过压区,第4章高频功率放大电路 35,高频功放的基极调制特性,高频功放的集电极调制特性,第4章高频功率放大电路 36,应用：（1）基极调幅它与谐振功率放大器电路的不同仅是在基极回路中接入了调制信号电压 ， 谐振回路上输出已调幅电压。若要求集电极回路上产生振幅按调制信号规律变化的调幅电压，根据基极调制特性，放大器必须在Eb(t）的变化范围内工作在欠压状态。（2）集电极调幅它与谐振功率放大器电路的不同仅是在集电极回路中接入了调制信号电压 ，谐振回路上输出已调幅电压。若要求集电极回路上产生振

15、幅按调制信号规律变化的调幅电压，根据集电极调制特性，放大器必须在Ec（t）的变化范围内工作在过压状态。,第4章高频功率放大电路 37,4、高频功放的调谐特性 调谐特性: 负载电路应工作在调谐状态，方法：调节电容C，回路调谐时，回路阻抗最大，Ic0达到最小，Ucm达到最大；回路失谐时，回路阻抗减小， Ic0增大，Pd增加，P0下降，Pc增加。,高频功放的调谐特性,第4章高频功率放大电路 38,功率放大器的调谐调谐前，应该作如下准备：减小放大器输入激励电压Ubm;减弱天线回路（外接负载）对放大器的影响；将直流电源电压Ec降至正常值的1/31/2。 （因为减小激励电压和电源电压都可使Pd和Pc减小，

16、减小外接负载，可提高L1C回路的Q值，,增大回路的选择性，使调谐更快更准确，同时Q值提高可使相应的输出功率P0提高，从而使Pc减小，以减轻晶体管的压力。）待调谐完毕后，再将输入激励电压、外接负载和电源电压调至正常值。,第4章高频功率放大电路 39,5、四个特性在调试中的应用正如前述，在调试谐振功率放大器时，上述四个特性是十分有用的。例如，一个丙类谐振功率放大器，需要设计在临界状态，现若发现所研制放大器的P0和 均不能达到设计要求，则应如何进行调整。P0不能达到设计要求，表明放大器没有进入临界，而是工作在欠压或过压状态。例如，增大Rp能使P0增大，则根据负载特性可以断定放大器实际工作在欠压状态，

17、在这种情况下，分别增大Rp、Ubm和E或同时增大或两两增大均可使放大器由欠压进人临界， P0和同时增大。如果增大Rp反而使P0减小，则可断定放大器实际工作在过压状态，在这种情况下，增大E的同时适当增大Rp或Ubm或E，可增大P0和 ，不过，增大E时必须注意放大管安全工作。实际上，放大器的工作状态除改变Rp外还可根据实际情况通过改变E、 Ubm或E来进行判断，不过，改变Rp的方法用得较为普遍。顺便指出，不论采用改变哪种电量判断工作状态或调整P0和时，都必须保证回路谐振在工作频率上。,第4章高频功率放大电路 40,例：某功率放大器工作于临界状态，已知： 。试求：。,第4章高频功率放大电路 41,线

18、路构成:直流馈电线路:提供放大器正常工作所必需的电压偏置;提供集电极电流的直流和基波分量的正常通路。 匹配网络:阻抗匹配,使信号高效传送。连接原则:直流有通路:直流支路加共轭电感,并旁路电容。 交流有通路:交流支路前端加隔直电容。 直流电源:不流过高频电流。 一、 直流馈电线路 直流馈电线路:集电极和基极馈电线路。1、集电极馈电线路 集电极馈电线路的两种形式: 串联馈电线路和并联馈电线路。串联馈电线路:晶体管、 电源、 谐振回路三者串联下页图(a)并联馈电线路:晶体管、 电源、 谐振回路三者并联下页图(b),4.3丙类谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络,第4章高频功率放大电路 42,集电极

19、馈电线路两种形式 (a) 串联馈电; (b) 并联馈电,第4章高频功率放大电路 43,串馈的特点：a、与“地”间的散杂电容较大，但对回路的影响较小。 b、馈电支路分布参数对回路影响小。 c、回路处在直流高点位上，安装不便。所以，这种电路适合于频率较高的场合。并馈的特点： a、馈电支路分布参数直接影响信号回路的谐振频率。 b、信号回路处于直流低电位上，安装调整方便。 c、C、E间分布参数影响较大。所以，适合于频率较低的场合。,第4章高频功率放大电路 44,2基极馈电线路 基极馈电线路:串联和并联两种形式。如左图所示。 在实际电路中，工作频率较低或工作频带较宽的功率放大器往往采用互感耦合（如图（

20、a ）所示，对于甚高频段的功率放大器，由于采用电容耦合比较方便，所以几乎都是用图（ b ）的馈电形式。在以上的电路中，偏置电压Vbb都用电池的形式来表示。实际上，单独用电池供给是不方便的，因而实际电路中可采用分压电路的形式，如右图所示。,基极馈电线路的两种形式,分压馈电电路,第4章高频功率放大电路 45,基极的负偏压(Eb0)：（1）外加固定偏压；（2）自给偏压:由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。其优点是偏压能随激励大小而变化，工作较稳定。,基极馈电线路的几种形式 （a）发射极自给偏压；（b）基极组合偏压；（c）零偏压。,第4章高频功率放大电路 46,二、 匹配网络 输入匹配网络的作

21、用：自前级放大器或信号源区获取最大的激励功率。输出匹配网络的作用：保证放大器的输出功率有效的加到负载（天线）上。放大器与负载之间所用的匹配网络可用下图所示的四端网络来表示。 该双端口网络应具有这样的几个特点: (1) 以保证放大器传输到负载的功率最大, 即起到阻抗匹配的作用; (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率, 即有良好的滤波作用; (3) 大多数发射机为波段工作 ,便于调谐,互不影响。,第4章高频功率放大电路 47,几种常见的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型,1. LC匹配网络 下页图是几种常用的LC匹配网络。,第4章高频功率放大电路 48,L型匹配网络 (a)

22、L-I型网络; (b) L-型网络,第4章高频功率放大电路 49,对于L I型网络有,(4-18),(4-19),(4-20),对于L-型网络有,(4-21),(4-22),(4-23),第4章高频功率放大电路 50,下图是一超短波输出放大器的实际电路, 它工作于固定频率。,一超短波输出放大器的实际电路,第4章高频功率放大电路 51,2 耦合回路 下图是一短波发射机的输出放大器， 它采用互感耦合回路作输出电路, 多波段工作。,短波输出放大器的实际线路,第4章高频功率放大电路 52,三、高频功放的实际线路举例,(a) 50 MHz谐振功放电路,第4章高频功率放大电路 53,(b) 175 MHz谐振功放电路,