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1、第三章 高频功率放大器,-李汪彪 福建师范大学物光学院电子信息工程系,3.4 丁类高频功率放大电路简介 3.5 集成高频功率放大电路及应用简 3.3 宽带高频功率放大器,3.4 丁类谐振功率放大器,主要要求：,了解提高放大器效率的方法。,了解丁类谐振功放的工作原理。,一、提高功放效率的方法,提高功放效率的方法：,1.减小,2.减小 iC uCE,丙类； 有限制,各种高效率谐振功放的设计基础 例如丁类,要减小PC,提高功放效率的方法：,1.减小,2.减小 iC uCE,要减小PC,一、提高功放效率的方法,二、丁类谐振功率放大器,有电压开关型和 电流开关型两类,工作原理：,设ui 为足够大的正弦波
2、，则两管轮流饱和导通。,当V1管饱和导通时，uA = VCC UCE(sat),当V2管饱和导通时，uA = UCE(sat),因此uA为方波电压，其幅值为 VCC 2UCE(sat) ,VCC,UCE(sat),二、丁类谐振功率放大器,工作原理：,当回路调谐于输入信号频率，且Q值足够高时， 只有uA中的基波分量能在回路中产生电流io，因此负载RL上得到不失真的输出电压 uo 。,VCC,UCE(sat),二、丁类谐振功率放大器,工作原理：,io只能由V1和V2管分别导通时的iC1 、iC2合成。 iC1 、iC2为半波电流,VCC,UCE(sat),二、丁类谐振功率放大器,工作原理：,可见：
3、丁类谐振功放中的两管均工作于开关状态，它们均为半周导通、半周截止。导通时，电流为半个正弦波，但管压降约为零；截止时，管压降很大，当电流为零，因此管耗很小，功放效率很高。,VCC,UCE(sat),二、丁类谐振功率放大器,丁类谐振功放的问题及其措施：,高频工作时，由于管子结电容和电路分布电容的影响， uA的波形有一定的上升沿和下降沿，因而产生较大的动态管耗。频率越高，动态管耗在总管耗中的影响越大，致使效率大大下降。因此丁类谐振功放的效率受到管子开关特性的限制。,戊类谐振功放：在丁类谐振功放的基础上改进。采用 特殊设计的输出回路，以保证uCE为 最小值的一段时间内才有 iC 流通。,3.4丁类高频
4、功率放大电路总结,丁类功率放大电路如图所示: V1、V2各饱和导通半周，尽管导通电流很大，但相应的管压降很小，这样每管的管耗就很小，放大器的效率也很高。,丁类放大电路中，三极管处于开关状态 ; 在理想情况下，丁类高频功率放大电路的效率可达100%，实际情况下也可达90%左右。,3.5 集成高频功率放大电路及应用简,微带线 又称微带传输线,决定电性能：绝缘板的介电系数和厚度H、带状导体宽度W 实际使用时, 微带线是采用双面敷铜板, 在上面作出各种图形, 构成电感、电容等各种微带元件, 从而组成谐振电路、 滤波器以及阻抗变换器等。,典型应用电路, 图3.5.3是TW-42超短波电台中发信机高频功放
5、部分电路图。 此电路采用了日本三菱公司的高频集成功放电路M57704H。 TW-42电台是采用频率调制, 工作频率为4577MHz458 MHz, 发射功率为5W。由图3.5.3可见, 输入等幅调频信号经M57704H功率放大后, 一路经微带线匹配滤波后, 再经过V115送多节LC的型网络, 然后由天线发射出去；另一路经V113、 V114检波, V104、V105直流放大后, 送给V103调整管, 然后作为控制电压从M57704H的第脚输入, 调节第一级功放的集电极电源, 可以稳定整个集成功放的输出功率。第二三级功放的集电极电源是固定的138 V。,M57704应用电路说明,3.6 宽带高频
6、功率放大器,宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络, 能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输线变压器, 它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫, 并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。 由于无选频滤波性能, 故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态, 效率较低。所以, 宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽。 ,3.6.1 传输线变压器,普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。为了扩展下限频率, 就需要增大初级线圈电感量, 使其在低频段也能取得较大的输入阻抗, 如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数, 但这样做将使变压器的漏感
7、和分布电容增大, 降低了上限频率；为了扩展上限频率, 就需要减小漏感和分布电容, 减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数, 但这样做又会使下限频率提高。 传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的, 以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。 ,3.6.1传输线变压器,利用图3.6.1所示一种简单的11传输线变压器, 可以说明这种特殊变压器能同时扩展上、下限频率的原理。 在图3.6.1中, (a)图是结构示意图, (b)图和(c)图分别是传输线方式和变压器方式的工作原理图, (
8、d)图是用分布电感和分布电容表示的传输线分布参数等效电路。 在以传输线方式工作时, 信号从、 端输入, 、 端输出。如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟, 两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的, 则传输线的特性阻抗 Z c=,传输线变压器,其中L、C分别是单位线长的分布电感和分布电容。 当Zc与负载电阻RL相等, 则称为传输线终端匹配。 在此无耗、 匹配情况下, 若传输线长度l与工作波长相比足够小(lmin8)时, 可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等, 且输入阻抗Zi=Zc=RL, 故为11变压器。 可见, 此时负载上得
9、到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。 在以变压器方式工作时, 信号从、端输入, 、端输出。由于输入、输出线圈长度相同, 从图(c)可见, 这是一个11的反相变压器。,传输线变压器,当工作在低频段时, 由于信号波长远大于传输线长度, 分布参数很小, 可以忽略, 故变压器方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量, 保证了传输线变压器的低频特性较好。 当工作在高频段时, 传输线方式起主要作用, 在无耗匹配的情况下, 上限频率将不受漏感、 分布电容、 高导磁率磁芯的限制。 而在实际情况下, 虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的, 但上限频率仍可以达到很高
10、。 由以上分析可以看到, 传输线变压器具有良好的宽频带特性。 ,传输线变压器,传输线变压器的功能 1、平衡不平衡电路的转换,与普通变压器一样, 传输线变压器也可以实现阻抗变换, 但由于受结构的限制, 只能实现某些特定阻抗比的变换。 图3.6.4给出了一种41传输线阻抗变换器的原理图。 图3.6.5给出了一种14传输线阻抗变换器的原理图。,2、阻抗变换,利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大, 然后设法将各个功放的输出信号相加, 这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。 利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。 理想的功率合成器不但应具有功
11、率合成的功能, 还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离, 即当其中某一个功率放大器损坏时, 相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响, 仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。 图3.6.6给出了一个功率合成器原理方框图。,3.6.2功率合成,功率合成器的原理框图,由图可见, 采用7个功率增益为2, 最大输出功率为10 W的高频功放, 利用功率合成技术, 可以获得40W的功率输出。 其中采用了三个一分为二的功率分配器和三个二合一的功率合成器。 功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干份, 然后分别提供给后级若干个功放电路。 利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成
12、器, 且具有频带宽、 结构简单、插入损耗小等优点, 然后可进一步组成宽频带大功率高频功放电路。 ,功率合成器说明,功率合成网络,图3.6.7 方向功率合成网络,功率分配网络,图3.6.8 同向功率分配网络 (a) 传输线变压器形式 (b)自耦变压器形式,实用的功率分配电路,图3.6.9 两种功率分配实用电路 (a) 二分配器 (b)四分配器,功率合成与分配应用举例：,本章小结：,1.高频功率放大器分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。 2.为了提高效率，谐振功放一般工作在丙类状态，其集电极电流是失真严重的脉冲波形。 3.谐振功率放大器有欠压、临界、过压三种状态。 4.谐振功率放大器电路包括集电极馈电电路、基极馈电电路和匹配网络等。 5. 传输线变压器是以传输线原理和变压器原理相结合的方式工作，因此具有良好的宽频带传输特性。,