Ch06高频功率放大器.ppt

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1、6 高频功率放大器,6.2 谐振功率放大器的工作原理,6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,6.4 晶体管功率放大器的高频特性,6.5 高频功率放大器的电路组成,6.1 概述,End,6.7 戊类(E类)功率放大器,6.8 宽带高频功率放大器,6.9 功率合成器,6.10 晶体管倍频器,6.6 丁类(D类)功率放大器,6 高频功率放大器,收发机,超外差式接收机 Superheterodyne,发射机,6.1 概述,6.1 概述,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。,+1,CE,CC,CB,1. 功率放大电路的主要特点,输出功率,ABQ 功率三角形, 允许轻微非线性波形失真

2、。,要想Po大，应使Vom 和Iom都要大。,非线性(大信号),6.1 概述,1. 功率放大电路的主要特点,非线性(大信号), 管子工作在接近极限状态。,6.1 概述,2. 要解决的问题,减小失真（线性度）,管子的保护,提高输出功率,提高效率,6.1 概述,3. 提高效率的途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,6.1 概述,(a)甲类 class-A amplifier,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,4. 分类,6.1 概述,( = 2 ),( = ),( 2 ),( ),A(

3、甲)类：其理想效率为50%； B(乙)类：其理想效率为78.5%； AB(甲乙)类：其理想效率为50%78.5%； C (丙)类：高频非线性功率放大器 D类：开关型高频功率放大器 E类：开关型高频功率放大器 其中：A类、B类和AB类主要用于低频功率放大器，而C类、D类和E类一般只用于高频功率放大器。,4. 分类,6.1 概述,丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。,5. 效率与失真矛盾的解决,6.1 概述,通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。,5. 效率与失真矛盾的解决,丙类,6.1 概述,6. 谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较,相同: 要求输出功

4、率大，效率高,非线性(大信号),不同:,低频（音频）: 20Hz20kHz,高频（射频）:,（以调幅为例 ）,已调信号,AM广播信号:,535kHz1605kHz，BW=10kHz,谐振与非谐振,高频窄带信号,工作频率与相对频宽不同,6.1 概述,7. 功放设计中各方面的折中关系,减小失真（线性度）,管子的保护,提高输出功率,提高效率,（1） 丙类导通角180o，何时最优？,遗留问题：,（2） 放大、临界、饱和，何处最优？,End,6.1 概述,6.2 谐振功率放大器的工作原理,6.2.1 获得高效率所需要的条件,6.2.2 功率关系,图 6.2.1 高频功率放大器的基本电路,6.2.1 获得

5、高效率所需要的条件,小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源作基极偏置。,图 6.2.1 高频功率放大器的 基本电路,1. iC 与vBE同相，与vCE反相；,2. iC 脉冲最大时，vCE最小；,3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；,End,6.2.1 获得高效率所需要的条件,6.2.2 功率关系,6.2.2 功率关系,电路正常工作（丙类、谐振）时，,外部电路关系式：,6.2.2 功率关系,电路正常工作（丙类、谐振）时，,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：,6.2.2 功率关系,根据

6、傅立叶级数理论，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：,其中称为导通角， 分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n次谐波的分解系数,6.2.2 功率关系,放大器的负载为并联谐振回路，当谐振频率0等于激励信号频率时，回路对频率呈现一大谐振电阻Rp，因此式中基波分量在回路上产生电压，而对远离的直流和谐波分量2、3等呈现很小的阻抗，因而这些频率成分的输出很小，几乎为零，可以忽略。,并联谐振电路各次谐波与基频的阻抗值之比：,End,直流功率：,在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出交流功率：,集电极效率：,集电极电压利用系数,波形系数,6.2.

7、2 功率关系,直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc, 即：,输出功率Po和集电极损耗功率Pc之间的关系为,6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,6.3.5 工作状态的计算(估算)举例,6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,0,为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。,最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角c的关系，以便于电路设计和调

8、试时，对放大器工作状态的选择指明方向。,考虑到采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。,6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、导通、饱和等几种不同状态之间的转换。,6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,图 6.3.1 晶体管的输出特性及其理想化,iC=gcrvCE,欠压区,过 压 区,End,图 6.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化,iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ),6.3.1 晶体管特性曲线的理想

9、化及其解析式,以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。,iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ),=gc(VbmcostVBZVBB),=gcVbm (costcos c),= gcVbm(1cos c),当t=0时，iC= iC max,取决于脉冲高度iC max与通角c,当t= c时，iC= 0,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,由傅里叶级数求系数，得,其中：,尖顶余弦脉冲的分解系数,波形系数,下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状

10、态。,尖顶脉冲的分解系数,当c120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,图6-9 尖顶脉冲的分解系数,由曲线可知：极端情况c=0时，,如果此时=1，c可达100%。,为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,End,6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,因此，下面分析

11、四个参数Rp和电压VCC 、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性。,集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,1. 高频功放的动特性 (1) 高频功放的动特性的概念：动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶体管集电极电流ic与集电极电压(vbe或vce)的关系曲线, 它在icvce或icvbe坐标系统中是一条曲线，反映的是功放的工作点在激励作用下的变化曲线。,晶体管的静态输出特性曲线的含义？,1. 高频功放的动特性 (2) 动特性的作法 在小信号放大

12、器中，若已知负载电阻，通过静态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值的倒数的直线，即为交流负载线。 在高频功放中，其动特性一般不是直线。 和 逐点(以t为变量)由vBE、 vCE从晶体管输出特性上找出iC，并连成线即为动特性。,动特性的具体作法：根据,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,1. 高频功放的动态特性,下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。,2. 高频功放的负载特性,vbe,过压区,临界区,欠压区,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,2. 高频

13、功放的负载特性,过压区,临界区,欠压区,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,End,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,结论：,欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，c低，Pc较大；,过压：恒压，Icm1变化，Po较小，c可达最高；,临界：Po最大，c较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,2. 高频功放的负载特性,6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,调试中的应用,假设Po不能达到设计要求： 变化电路参数观察Po,1、增大Rp使Po增大，可以判定放大器实际工作在欠压状态；,2、增大Rp使Po减小，可以判定放大器实际工作在过压状态；,3、改变Vcc、VBB、Vbm做类

14、似分析。,注意： 保证回路谐振在工作频率上。,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,1. 改变CC对工作状态的影响,集电极调幅作用是通过改变VCC来改变cm1与o才能实现的，因此，必须工作于过压区。,过压状态，ic中间凹陷，随着Vcc变化，Icm1呈线性变化。,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,改变CC完成集电极调制,等效集电极电压,放大器必须工作 在过压状态,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,改变CC完成集电极调制,放大器必须工作在过压状态,2. 改变bm对工作状态的影响,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,为使输出信号振幅Vcm不随 输入信号

15、振幅Vbm的变化，放大 器必须工作在过压区。 输入信号振幅最小值要大于 临界状态所对应的Vbm值 限幅门限值。,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,2. 改变bm对工作状态的影响,谐振功率放大器用做振幅限幅器 Amplitude Limiter,3. 改变BB对工作状态的影响,基极调幅作用是通过改变BB来改变cm1与o才能实现的，因此，必须工作于欠压区。,VBB绝对值的增加等效于减少 Vbm，两者都会使vbemax产生相同的变化,End,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,欠压状态，ic近似余弦脉冲， Icm1随着VBB变化，呈线性变化。,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,改变BB完成

16、基极调制,放大器必须工作 在欠压状态,等效基极电压,6.3.4 各极电压对工作状态的影响,改变BB完成基极调制,放大器必须工作在欠压状态,6.3.5 工作状态的计算(估算)举例,6.3.5 工作状态的计算(估算)举例,例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知CC24，工作频率MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为f70MHz ，Ap（功率增益）13 dB，Cmax750,CE(sat)(集电极饱和压降)1.5,CMW。,解：,1）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压为,2）,3

17、）选c=70o，,4）,未超过电流安全工作范围。,5）,6）,7）,8）,9）,End,6.3.5 工作状态的计算(估算)举例,例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知CC24，工作频率MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为f70MHz ，Ap（功率增益）13 dB，Cmax750,CE(sat)(集电极饱和压降)1.5,CMW。,解：,功率关系的深入探讨,例6.3.2 已知VCC=24，选取晶体管参数有：gcr=1.67A/V，ICM=5, PCM=50W，要求Po=30W，导通角取75。试求该设计过程中的能量关系和放大器效率。,

18、6.3.5 工作状态的计算(估算)举例,解：,6.5 高频功率放大器的电路组成,6.5.1 馈电线路,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,6.5.1 馈电线路,欲使高频功率放大器正常工作于丙类某一最佳状态，与小信号谐振放大器同样，必须有正确的直流通路和交流通路。除此之外，还要尽量减少功率传输中的损耗。这就涉及其馈电线路的实现问题。,图 6.5.1 对不同频率电流的等效电路,若功率管C-E结、VCC、 LC回路三者是串联(或并联)，则称为集电极串馈（或并馈）电路。,6.5.1 馈电线路,（i） 共同点：供电效果相同； （ii）不同点： 并馈：LC回路两端均是直流低电位端，且有一端接地； 串馈：

19、LC回路两端均是直流高电位端，且没有一端接地；,馈电附加元件（ RFC、CC） 并馈： RFC 、CC加在LC回路高电位端，造成分布参数并到LC回路上，影响频率稳定。 串馈： RFC 、 CC加在LC回路低电位端，不影响频率稳定。,图 6.5.2 集电极电路的两种馈电形式,6.5.1 馈电线路,若功率管的发射结、vi 、VBB 三者是串联（或并联），则称为基极串馈（或并馈）电路。,6.5.1 馈电线路,若功率管的发射结、vi 、VBB 三者是串联（或并联），则称为基极串馈（或并馈）电路。,6.5.1 馈电线路,图 6.5.3 基极馈电的两种形式,6.5.1 馈电线路,End,图 6.5.3 几

20、种常用的产生基极偏压的方法,6.5.1 馈电线路,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,图 6.5.5 放大器与负载之间 用四端网络耦合,1. 输出匹配网络,使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。,抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。,有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,N次谐波抑制度：,通常用对二次谐波抑制度H2表示网络的滤波能力。,Filter-Matched Network,图 6.5.6 复合输出回路,1. 输出匹配网络,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,图

21、 6.5.7 等效电路,1. 输出匹配网络,虽然阻抗变换网络类型很多，但是，都可以等效成一个标准的并联谐振回路。,图中，r为等效到谐振回路的负载电阻，r1为谐振回路本身的损耗电阻。 r越大越好。,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,从传输效率角度，QL应足够小； 从选频作用角度，QL应足够大；,图 6.5.10 晶体管等效电路,2. 输入匹配网络与级间耦合网络,）中间放大级工作于过压状 态，此时它等效为一个理想电 压源，其输出电压几乎不随负 载变化。,）降低级间耦合回路的效率。,因为回路效率降低，意味着回路本身损耗加大，这样就使下级输入电路的损耗功率相对来说显得不重要，也就是减弱了下级对本级

22、工作状态的影响。,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,1） 型匹配网络设计,定义：用两个同型抗和一个异型抗连接成型网络。 结构：,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,实现条件： ；,如图所示型网络，已知RL、Re ，求xs、xp1、xp2,定义：用两个同型抗与一个异型抗连接成T型网络。,2） T型匹配网络设计,结构：,如图所示T型网络，已知RL、Re ，求xs1、xs2、xp,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,实现条件： ；,图 6.5.11 输入匹配网络举例,2. 输入匹配网络与级间耦合网络,End,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,计算机仿

23、真: 由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。 手工计算: 这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长(“几公里”)的计算公式、并且被处理的数据多为复数。 经验: 只有在RF领域工作过多年的人才能使用这种方法。总之，它只适合于资深的专家。 史密斯圆图: 史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络，还能帮助设计者优化噪声系数，确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。,阻抗匹配的方法,6.5.2 输出、输入与级间耦合回路,阻抗匹配与史密斯(Smith)圆图,谐振功

24、率放大器实用电路,谐振功率放大器电路,高频扼流圈组成基极自给偏置电路,集电极采用并馈方式电源部分,L和T型构成的两级混合网络，阻抗匹配,工作频率为50MHz的谐振功放，提供70W增益11dB的信号放大能力,T和L型构成的两级混合网络,谐振功率放大器电路,由RB产生负值偏压的自给偏置电路,串连馈电电路部分的 电源滤波网络,三级型混合滤波匹配网络阻抗匹配,工作频率为150MHz的谐振功放，提供3W增益10dB的信号放大能力,T型滤波匹配网络,6.10 晶体管倍频器,图 6.10.1 倍频器的应用,倍频器是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路，用以提高频率。,晶体管倍频器有两种主要形式：一种是利用丙

25、类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频，叫做丙类倍频器；另一种是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频，可叫做参量倍频器。,图 6.10.2 倍频器中电流与电压的关系,6.10 晶体管倍频器,End,图 6.3.4 尖顶脉冲的分解系数,6.10 晶体管倍频器,二、谐振功率放大器电路基本结构及其工作原理，基极反偏，导通角，谐振回路。 谐振功放获得高效率的条件，需要借助于集电极余弦脉冲的分解。 谐振功放的功率关系。,本章小结,一、 甲乙丙类功率放大器的特点，丙类功放的特点和优点。,三、谐振功放的动特性，动特性曲线做法，以及欠压、临界、过压三种状态的特点。 谐振功放的负载特性：改变Rp。 谐振功

26、放的调制特性：改变VCC和VBB 谐振功放的放大特性：改变Vbm,五、 谐振功放的馈电线路及其输入输出匹配网络。,四、 谐振功放工作状态的近似估算,2、谐振功率放大器原来工作于临界状态，它的通角为=70，输出功率P0为3W，效率为=60%。后来由于某种原因，性能发生变化。经实测发现，已增加到68%，而输出功率明显下降，但VCC、VCm、VBEmax不变。试分析原因，并计算这时的实际输出功率和通角。,1、有一谐振功率放大器，已知VCC12V，回路谐振阻抗Re130，集电极效率74.5，输出功率P0500mW。现在为了提高，在保持VCC、Re、P0不变的条件下，将通角减小到60，并使放大器工作到临界状态。 （1）试分析放大器原来的工作状态。 （2）计算提高的百分比和60时的效率。 （3）试求集电极损耗功率PC减少了多少？ （4）分析采取什么措施才能达到上述目的？,作 业,