第4章高频谐振功率放大器.ppt

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1、2008-12-9,第4章 高频谐振功率放大器,4.1 概述 4.2 高频谐振功率放大器的工作原理 4.3 高频谐振功率放大器的实际电路,4.1 概述,高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。,目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输 特点：高频、大信号、非线性工作 要求：输出功率大、转换效率高,窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称 谐振功率放大器 宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线 变压器或其他宽带匹配电路,分析方法：折线法近似分析,谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处,相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大 器的

2、负载均为谐振回路。,不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。,高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。,联想对比：,功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。,小信号谐振放大器 波形图,谐振功率放大器 波形图,工作状态,功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路。,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。,4.2 高频谐振功率放大器的工作原理,特点： 1、NPN高

3、频大功率晶体管，高fT；改变UBB可以改变放大器的工作类型； 2、大信号激励：12V； 3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，iB、iC均为一系列高频脉冲； 4、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流iC中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。,组成：BJT、LC谐振回路、馈电电源,4.2.1 基本电路构成,4.2.2 工作原理及性能指标,一、特性曲线的折线化：,二、各极电流、电压波形：,图解可见，iB和iC的都是余弦脉冲，定义为半导通角，三极管只在（ ，）内导通，当90o时，功率放大器工作于丙类状态。,i,c,余弦脉冲展开为傅立叶级数：,将,当iC流过LC谐振回路时，在回路两端产生电压uC。由于谐振回

4、路的选频特性， uC中只有基波分量幅度最大，其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。 设Re并联回路谐振时的等效负载电阻，包括BJT的输出电导和等效的RL。,从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使iC是不连续的脉冲电流，在谐振回路两端也会得到余弦电压。 还可以利用选频特性得到倍频器。,如果振荡回路的0=n，则在回路两端可得到频率为n的电压:u0=Umcosnt;相当于实现了对输入信号的n倍频。,12,高频功率放大器中各分电压与电流的关系,ic余弦脉冲的分解,其中0()、1() 、n ()为谐波分解系数；另定义1=Ic1m/Ic0= 1() / 0()为波形系数，随减小而增大。,三、高频

5、功放中的能量关系与效率：,2）集电极电源提供功率：,1）集电极输出功率：,3）集电极损耗功率：,4）集电极效率：,5）对效率的影响,电压利用系数c=Uc1m/UCC， c1， 1 随而变化；,6）交流电源提供的功率称为放大器的激励功率：,7）功率放大倍数：,丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的负载？谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？,答：这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用谐振回路作为集电极的负载。 调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量，从

6、而得到不失真的输出电压。,例：已知谐振功率放大器VCC20V，Ic0250mA，Po4W，Ucm0.9VCC，试求该放大器的PE、Pc、C和Ic1m为多少？,解：PE= VCCIc0200.25=5W Pc= PEPo=54=1W C = Po/PE =4/5=80% Ucm0.9VCC=0.920=18V Ic1m2Po /Ucm24/18444.4mA,例：已知谐振功率放大器输出功率Po4W，C60，VCC20V，试求Pc和Ic0。若保持Po不变，将C提高到80，试问Pc和Ic0减小多少？,解：Po4W，C60，VCC20V，则 PE=Po/C =4/0.66.67W Pc= PE Po=

7、6.674=3.67W Ic0= PE /VCC =6.67/20（A）333.3mA 若保持Po不变，将C提高到80 ，则 Pc= PEPo=Po/CPo=4/0.84=54=1W Pc =Pc Pc= 3.671=2.67W Ic0 = Ic0 Ic0= 6.67/20 5/20 = 0.083（A）=83mA,3点法作图：,t=0，uBE=UBB+Uim； uCE=UCC-Uc1m 得到C点,t=/2，uBE=UBB； uCE=UCC 得到 B点,t= ， uBE=UBB-Uim 0, iC=0； uCE=UCC+Uc1m 得到D点,直线BC与横轴交于A点,一、动态特性分析： iC、uB

8、E和uCE的关系曲线，称动特性曲线 即交流负载线,4.2.3 工作状态分析,折线CAD即为谐振功率放大器的动态特性曲线,UBE=UBB+Uim,UBE=UBB,UCC,A,动态负载RC：动态特性曲线斜率 的倒数的绝对值,二、高频谐振功率放大器的工作状态,工作状态根据uBE=uBEmax， uCE=uCEmin 时，动特性上瞬时工作点C的位置确定。,C点在输出特性放大区-欠压状态,C点在输出特性放大区和饱和区的临界点-临界状态,C点在输出特性饱和区-过压状态,iC,uBEmax,欠压和临界状态： iC是相同的余弦脉冲；但临界状态UC1m大；,过压状态：iC中间凹陷；UC1m较临界略有增大。,t,

9、uce,UC1,0,Re=Recr,Re增大,Re减小,t,比较三种工作状态：,（1）临界状态：P1最大；较高；最佳工作状态 (对应最佳负载Recr)；主要用于发射机末级。,（2）过压状态： 较高（弱过压状态最高)；负载阻抗变化时，UC1基本不变；用于发射机中间级,（3）欠压状态： P1较小； 较低；PC大；输出电压不够稳定；很少采用，基极调幅电路工作于此状态。,临界饱和线斜率记为：SC,如图，对应于临界状态的动特性曲线CAD，则有,根据转移特性，又有,这样，利用三极管的特性参数SC和gm就可以求解功率放大器的相应指标。,4.2.4 谐振功率放大器的外部特性,当激励源（Uim)、负载(Re)或

10、直流电源(UBB、 UCC)发生变化时，都会影响到功放的工作状态，改变输出功率与效率；另一方面可以通过调整这些外部参量来改变功率放大器的性能。将外部参量变化时对功率放大器工作状态及性能指标的影响称为外部特性，包括,一、负载特性,UBB 、UBB 及Uim 固定时，ic(IC0 IC1)都确定； Re直接影响输出电压振幅 :Re增大， UC1增大。,二、放大特性,ube,以为例,Uim增大：,iC,0,t,在欠压区，输出电压振幅UC1m与输入电压振幅Uim近似呈线性关系：可以实现对振幅变化信号的线性放大。,在过压区，输出电压振幅UC1m近似呈现恒压特性，可以实现对振幅变化信号的限幅。,三、调制特

11、性,（1）集电极调制特性：UCC的影响,uce,0,ic,UCC,减小UCC：,UBB Uim 不变：则ubemax 、不变,Re 不变、不变：则动特性斜率不变,UCC改变：引起动特性平移,UC1m,uce,0,iC,0,t,在过压区，输出电压振幅UC1m与UCC近似呈线性关系：用一输入信号（调制信号）代替UCC ，可完成振幅调制-集电极调幅。,（2）基极调制特性：UBB的影响,增大UBB：,UBB增大,iC,0,t,更倾斜,在欠压区，输出电压振幅UC1m与UBB近似呈线性关系：用一输入信号（调制信号）代替UBB ，可完成振幅调制-基极调幅。,四、外部特性在电路调试过程中的应用,例：一丙类谐振

12、功放，设计工作在临界状态，若发现实际电路的P0和C均未达到要求，应如何进行调整？,分析： P0未达要求，说明工作于欠压或过压状态；若增大Re能使P0增大，由负载特性知-欠压状态；,注意：减小UCC，Uc1m也减小，输出功率减小。,另：判断工作状态也可以通过改变UCC UBB Uim来完成。,4.3高频功率放大器的实际电路,基本原则：使交、直流信号有各自正常的通路，相互间的影响尽可能的小，且要减小不必要的功率损耗。,组成：高频功放的实际馈电线路和各种不同用途的高频功放的输入、输出端的匹配电路。,欲使谐振功率放大器正常工作，各电极必须接有相应的馈电电源。直流馈电必须遵循以下原则。 1）、谐振功放的

13、集电极馈电线路，应保证集电极电流iC中的直流分量IC0只流过集电极直流电源VCC(即：对直流而言， VCC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；,2)、应保证谐振回路两端仅有基波电流分量IC1产生压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c ,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载； 3）、应保证外电路对高次谐波分量Icn呈现短路，以免产生附加损耗。,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,4.3.1 直流馈电电路 一、集电极馈电,(1) 串馈电路 指直流电源VCC、负载回路、功率管三者串联的一种直流馈电电路。,分布参数

14、影响小；但LC处于直流高电位上，网络元件安装不方便。,LC为高频扼流圈 Cc为高频旁路电容,(2) 并馈电路 指直流电源VCC、负载回路、功率管三者并联连接的一种馈电电路。 如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，C2为隔直流通高频电容，LC、C1、C2的选取随工作频率范围而定。,LC处于直流地电位上，网络元件安装方便；但分布参数直接影响网络的调协。,二、基极馈电 uBE=UBB+Uimcost,丙类功放的基极偏置电压UBB为负偏压，实际电路中常采用自给偏压的方法来产生UBB从而省去一个直流源。 优点：能自动维持放大器的稳定性。 有利于稳定输出电压，但对于要求具有线性放大特性的放大器来说则不

15、利。,基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，单独供电不方便，因此，基极偏置常采用自给偏置电路。,4.3.2 输出匹配网络 一、匹配网络概述,匹配网络的作用： （1）在输入端：实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗的匹配，以获得最大的激励功率； （2）在输出端：将外界的负载电阻RL变换为放大器所需的最佳负载电阻Re，以保证输出功率最大；还应具有较好的滤波能力； （3）传输效率尽可能高，损耗尽可能小。,实现方法：LC变换网络实现调谐和阻抗匹配,连接方式：型、型和型三种,功率放大器,二、串、并联阻抗变换,转换前后电抗值Xs和Xp相差很小，但转换前后并联电阻Rp串联电阻Rs。,图（a）中,求得：,（只

16、适于ReRL的情况）,图（b）中,求得:,（只适于ReRL的情况）,三、三种不同形式的匹配网络,1、L型网络,2、型和型网络,4.3.3 高频功率放大器的实际电路,4.4 丁类高频功率放大器简介,在丙类高频功放中，提高集电极效率是靠减小集电极电流的导通角实现的，但这样同时会减小输出功率。丁类功率放大器的晶体管工作于开关状态，管子导通时进入饱和区，器件内阻接近于0，截止时电流为0，这样可以使集电极功耗大为减小，效率大大提高。丁类功放分为电流开关型和电压开关型两种电路。,下面以电压开关型电路为例，简要说明丁类功率放大器的工作原理,两个同型的三极管VT1 、VT2相串联，输入变压器为VT1 、VT2

17、提供相位相反的驱动电压，使两管交替饱和导通，A点处的电压为方波，振幅为,相应的电流电压波形如图所示。负载电阻RL与L0、C0构成高Q串联谐振回路，当它调谐于输入信号频率时，在负载上得到电压uA的基波分量，实现高频放大的目的。,RL上基波电压振幅：,基波电流振幅：,输出功率：,通过电源的平均电流分量：,电源供给功率：,效率：,理想情况下，两管集电极损耗均为零，效率可达100%。实际工作中，三极管在饱和、截止之间的转换需要一定的时间，uA不是理想方波，而是存在着上升沿和下降沿，转换期间存在一定的电压和电流，使管耗增加，效率降低，所以应选择开关时间短的高频开关三极管或无电荷存储效应的VMOS场效应管

18、，并减小电路中的分布电容。,在电流开关型电路中，两管推挽工作，电源,两管轮流导通（饱和），因而回路电流方向也随之轮流改变。,2、电流开关型电路,由图知，该电路与推挽电路非常相似，但有两点不同之处：一个是集电极回路中点不是地电位（推挽电路此点则在交流地电位）；另一个是在,波形是矩形方波。,电流开关型功率放大器的工作波形,当LC回路谐振时，在它两端所产生的正弦波电压与集电极方波电流中的基波电流分量同相。两个晶体管的集电极一发射极瞬时电压,4.5 宽带功率放大器,在多通道通信系统及频段通信系统中，需要采用宽带高频功率放大器，它以非调谐的宽带网络作输出匹配网络，要求在很宽的波段范围内对信号进行尽可能一

19、致的线性放大。,由于宽带放大器没有选频作用，一般只工作于非线性失真较小的甲类或甲乙类，所以宽带放大器的效率一般不高（20%左右）。 对宽带放大器的主要要求是：通频带要宽，失真要小，放大倍数要大。,常用的宽带匹配网络是传输线变压器。,宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的 。,一、低频变压器的特性,为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施： 采取使用铁氧体磁心，匝数少，匝间距大 采用高频铁氧体磁心 采用高导磁率磁心，加大环形磁心截面积

20、,4.5.1 传输线变压器,(a)结构示意图,二、传输线变压器简介,解决普通变压器不能满足工作频率高、频带宽的矛盾。,1.传输线变压器结构,（b）电路图,传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，将两根等长的传输线绕制在高磁导率、低损耗的磁环上就构成传输线变压器。因此它兼有传输线和高频变压器两者的特点，相应的有两种工作方式，传输线方式和变压器方式。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。,传输线等效电路如下图，低频工作时，传输线就是两根普通连接线。高频工作时，由于分布电感和线间分布电容的影响，能量是通过分布电容中的电场能量和分布电感中的磁场能量不断相互转换而传送到负载的。 以L0、C0

21、表示单位长度传输线的电感和电容，传输线的特性阻抗是一 个与频率无关的电阻,传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。,两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。,理想、无耗的情况下：,三、传输线变压器的应用,1、高频倒相器,端点2、3相连并接地，1、3端加高频电压u1，负载上得到的电压uL与u1反相。,1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。

22、,传输线输出端的等效阻抗为：,输入端（1、3端）的等效阻抗为 ：,为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：,为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：,1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足 ：,1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换。,2、不平衡-平衡变换器,信号源一端接地，称为“不平衡”，转换后的负载上两电压大小相等、方向相反，称为平衡输出。,平衡- 不平衡变换器,不平衡-平衡变换器,3、阻抗变换器,图（a）构成的是

23、1：4阻抗变换器，1、4端相联，线圈两端电压相等U2=U1，则负载电压UL=2U1，负载电流为I，则输入端阻抗,若将2、3端相联，4端接地，则可构成4：1的阻抗变换器，如图（b）所示,利用上述原理还可构成1：9、1：16、1：（n+1）2的传输线变压器。若将上述电路的输入端、输出端互换（即信号源与负载互换），相应变为4：1、9：1的传输线变压器，工作原理是相同的。,四、宽带功率放大电路实例,宽频带变压器耦合放大电路，工作频率在150kHz30MHz。图中T1、T2、T3都是宽带传输线变压器，T1与T2串接是为了实现阻抗变换，将VT1的低输入阻抗变换为VT2所需要的高负载阻抗。为改善放大器性能，

24、每级都加了电压负反馈支路；为避免寄生耦合，每级的集电极电源都加有电容滤波。未采用调谐回路，放大器应工作于甲类状态。,4.5.2 宽带功率合成技术,一、功率合成器的组成,在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率时，可以将多个电子器件的输出功率叠加起来，这就是功率合成技术。,下图是一个输出功率为35W的功率合成器的组成框图，三角形代表功率放大器，菱形代表功率分配或合成网络。,利用1：4传输线变压器组成的魔T混合网络，可以实现功率合成与分配的功能，其基本电路如图（a）所示。混合网络有A、B、C、D四个端点，为了满足网络匹配的条件，取RA = RB = ZC = R，RC =

25、 ZC / 2 =R / 2，RD = 2ZC = 2R，其中ZC是传输线变压器的特性阻抗。在此基础上，利用A、B、C、D四个端点适当连接，可以实现功率合成与功率分配，图（b）为变压器形式的等效电路。,二、功率合成与分配单元,如下图所示，将A、B两端点分别接入两个功率放大器的输出端，若两个输出电压为：,两电压大小相等、极性相反。在A点，有：,在B点，有：,故,所以C端无输出，而D点的输出功率为：,实现了功率合成，称为反相合成。,若两个输出电压为,经过类似分析可以得到：,称为同相合成。,将功率合成器输入输出位置交换，即可得到功率分配器。如下图所示：,三、功率合成电路实例,右图是一个反相功率合成器

26、的典型电路，它是一个输出功率为75W、带宽为3075MHz的放大电路的一部分。图中，T2为反相功率分配网络，T5反相功率合成网络， T1 与T6 是1：1传输线变压器，实现平衡不平衡转换；T3与T4是4：1阻抗变换器。,下图是一个典型的同相功率合成器电路。图中，T1为同相功率分配网络，T6为同相功率合成网络，T2、T3与T4、T5 分别是4：1与1：4阻抗变换器，各处的特性阻抗均已在图中注明。晶体管发射极接入的电阻以产生负反馈，提高输入阻抗。各基极串联的电阻，可提高输入电阻，并防止寄生振荡。D端所接的、电阻是T1 与T6的假负载电阻。,反相功率合成器的优点是：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边时

27、高，因而引线电感的影响减小。在同相功率合成器中，由于偶次谐波在输出端是相加的，因此输出中有偶次谐波存在。,本章小结,高频功率放大器的主要作用是放大高频信号，以高效率输出大功率。为了提高效率，高频谐振功放多工作在丙类状态，而且一般采用选频网络作负载，完成阻抗匹配和滤波的功能，不同于纯电阻负载的情况。 丙类高频谐振功率放大器中功放管的导通角小于90，所以输出电流为脉冲电流，但是利用了选频网络的滤波作用，可以得到正弦电压输出。,本章要点： 1、丙类谐振功放的三种工作状态： （1）欠压状态，动特性线在截止区和放大区，输出电压幅度小，输出功率和效率低，集电极功耗大。 （2）过压状态，动特性线进入饱和区，

28、集电极电流脉冲出现凹陷，输出电压幅度大，且呈现恒压特性，输出功率低，效率高。,（3）临界状态，动特性线达到临界饱和线，输出电压幅度大，输出功率和效率高，集电极功耗小，是谐振功率放大器理想的工作状态。 2、丙类谐振功放的外部特性：指外部参数对谐振功率放大器的工作状态和性能所造成的影响： （1）负载特性：仅负载Re变化对功放工作状态和性能的影响，Re增大，工作状态由欠压经临界向过压变化。 （2）放大特性：仅激励电压幅度Uim变化对功放工作状态和性能的影响， Uim增大，工作状态由欠压经临界向过压变化。工作在欠压区，对输入信号可实现线性放大。 （3）基极调制特性：仅基极偏置电压UBB变化对功放工作状态和性能的影响，UBB增大，工作状态由欠压经临界向过压变化。工作在欠压区，可实现基极调幅。 （4）集电极调制特性：仅集电极偏置电压UCC变化对功放工作状态和性能的影响， UCC减小，工作状态由欠压经临界向过压变化。工作在过压区，可实现集电极调幅。,3、主要参数关系的公式：,（1）电流导通角：,（2）集电极脉冲电流：,（3）输出功率：,（4）直流电源提供功率：,（5）集电极功耗：,（6）集电极效率：,4、馈电线路为功率放大器提供直流偏置，具体分为基极馈电和集电极馈电，又各有串馈和并馈形式。 5、输出匹配网络主要实现阻抗变换与滤波，还可实现功率合成与分配。,