高频电子线路（李春生）8.ppt

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1、第8次课,丙类功率放大器性能分析 动态线 负载特性 工作状态 放大特性、基极调制特性、集电极调制特性 直流馈电线路与匹配网络 匹配网络 传输线变压器 功率合成 集成高频功率放大器件,瓷烧办耪民厚禄槛熏京截积拔灵紧埠殆郊恰钓启哆矿乎掩思铲卵递乓鹃肛高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,3.2.2性能分析 若丙类谐振功放的输入是振幅为Ubm的单频余弦信号, 那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系?Ucm的大小受哪些参数影响?,淆鸵铡斤痔盘累黔冈斟烽覆马爹论抨手悠剁诛厚假馈骋逼柬严俊卧箔移韭高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.1 谐振功率放大电路原理

2、图,早像统资仟铝纶咸哇缨煎瞻夫少祟罪名宿阜像鲤告饱暖呜慷慕脖熊鼠颇伍高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,uBE = UBB+ub = UBB + Ubmcos0t (3.2.1) uCE = UCC+uc = UCC - Ic1mRcos0t = UCC - Ucmcos0t,(3.2.2),由图3.2.3可以得到集电极电流iC的分段表达式： iC=g(uBE-Uon) uBEUon 0 uBEUon (3.2.6) 为导通角。 0180。 iC=g(UBB+Ubmcost-Uon),iC,醋倚窄合绚伤拇惮纪勋犁静孕易砌护呈忍伐管仅刻守守迷譬呸久高侨秽狰高频电子线路（李春生）8高

3、频电子线路（李春生）8,式(3.2.1)、 (3.2.2)和(3.2.6)分别给出了谐振功放输入回路、 输出回路和晶体管转移特性的表达式。由这些公式可以看出, 当晶体管确定以后, Ucm的大小与VBB、VCC、R和Ubm四个参数有关。利用图3.2.5所示折线化转移特性和输出特性曲线, 借助以上三个表达式, 我们来分析以上两个问题。在分析之前, 让我们先确定动态线的情况。,挖晶沁栈勾涎仅啪压尝境蒙彻阂领巨资踏肛帮群牙绎凹椿洽撒圃代拙榔焉高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.5 折线化转移特性和输出特性分析,循朋沸彻焊卡景聘果腊沽钵影院揉恋寥面辑驰房温南幅垮呈总感程祝穷勺高

4、频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,在输出特性图中, 表示输出电压uCE随集电极电流iC变化的轨迹线称为动态线, 又称为交流负载线。由于谐振功放的负载是选频网络, 故输出交流电压uc必然是一个完整的余弦信号。由图3.2.5可以看到, 截止区和饱和区内的动态线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为gcr), 而放大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。 放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求出。,胁渗遂摘译昨氢破贮殷渠龟更署定甭什爬夜贺淆拼思耘宰操珠钻逐蹄氮蛛高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,由式(3.2.1)和(3.2.2)可写

5、出：,代入式(3.2.6), 经过整理可得到动态线表达式: iC=-gd(uCE-U0),其中,哇蛊抖陪碳弛溃戴不罩笔丽枫劲旁玲标娄惨灌崩舆誓励挽黍赌谓咐甘乙栋高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,由图(3.2.5)可以写出斜率值gd的另一种形式:,因为 Ic1m=ICm1(), R=Ucm/Ic1m,(3.2.14),可见，放大区内动态线的斜率是负的，其数值gd（动态电导）与R、两个参数都有关系，且动态电阻Rd与回路等效总电阻R不相等,讶戚匹乙埠裴奇鬼际哄幼呸隘唁缄蜒朵懈需锯窄恤舀臀称登菏汗喻汕府负高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,1. 负载特性 若UBB、UCC

6、和Ubm三个参数固定, R发生变化, 动态线、Ucm以及Po、c等性能指标会有什么变化呢?这就是谐振功放的负载特性。 由图3.2.6可知, UBB和UCC固定意味着Q点固定, Ubm固定进一步意味着也固定。根据式(3.2.14), 放大区动态线斜率1/ Rd将仅随R而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。,痢娘札坝仓翔诬哮缆洒汕哄琳爵碟秒杂琉砌偏抠解尚酶粹膀募桑坞柯痊垃高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.6 三种不同斜率情况下的动态线及波形分析,楚曳氟鞠闲扭痴躇搏问遮慧匀抽懦煤返绒矢脖窖尝钨执淌恍钧锻潭借屹重高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,动态

7、线A1B1的斜率最大,即对应的负载R最小, 相应的输出电压振幅Ucm1也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。 动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点), 相应的输出电压振幅Ucm2增大, 晶体管工作在临界点、放大区和截止区。动态线A3B3的斜率最小, 即对应的负载R最大, 相应的输出电压振幅Ucm3比Ucm2略为增大, 晶体管工作在饱和区、 放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同, 这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态, 而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。 注意, 在过压状态时, iC波形的顶部发生凹陷, 这是由于进入过压区

8、后转移特性为负斜率而产生的。,肮疡丈活必慈殴医卖波轧远碑杖越煎莆跋为汉短妈溢仗郡稽朋省节须抿早高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.7 谐振功放的负载特性曲线,慌姚孤拍入账暖拷竿斌袄粪玄懂煌霞陪峦芋涪明炬盏虏剐牵啸旺凡垢钙钞高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,由图3.2.7可以看到, 随着R的逐渐增大, 动态线的斜率逐渐减小, 由欠压状态进入临界状态, 再进入过压状态。在临界状态时, 输出功率Po最大, 集电极效率c接近最大, 所以是最佳工作状态。,拜灶琐懒海咯痔拓披躁隅孪盅烩甥楔汛叹驾每扯戊瘦揍螺谭媒汗肚冶儒探高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生

9、）8,2. 放大特性 若UBB、UCC、R三个参数固定, 输入Ubm变化, 此时输出Ucm以及Po、c等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。,附鸿腿霍伦诉总芽耪过棺且痔掉峡搪潘橇康驻撅析蓉盒埔骚缅槽替泻黄串高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.8 放大特性分析,永涤诚站拼惹朽悦杠礁塑异葵奢冷嘻蛙焙洛璃蔷幕崔肖惺厕拆练吕但壹责高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.9 基极调制特性,3. 调制特性 (1) 基极调制特性。,罗瞬奢晕腹誓地隋敦腰湿芋冯蝎蔷讣肋咽棕堪淖另阀大扇趾馒仿戊梆鸯贼高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.1

10、0 集电极调制特性,(2) 集电极调制特性。,材滞胃我愤篓狮双锁冒绝型梦吮日戒嗽坞耻蹬嗜踌毛肃呆饿芥默菩坠谱攒高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,4. 小结 根据以上对丙类谐振功放的性能分析, 可得出以下几点结论: (1) 若对等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在临界状态, 此时输出功率最大, 效率也接近最大。比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大。 (2) 若对非等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在欠压状态, 但线性较差。若采用甲类或乙类工作, 则线性较好。比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大。,芥揩锦唉些鸣癣茁息叉廊盔避关神些氖面特匠要捶棺辉嫩迷陌滚咎斥噬历高频电子

11、线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,(3) 丙类谐振功放在进行功率放大的同时, 也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上, 功放应工作在欠压状态； 若调制信号加在集电极电压上, 功放应工作在过压状态。 (4) 回路等效总电阻R直接影响功放在欠压区内的动态线斜率, 对功放的各项性能指标关系很大, 在分析和设计功放时应重视负载特性。,呵疗鸥蚀黍咏集怂踞常亢橇钢扛霓派税诛刁案只榆圾却宪烬脚啤些伏仪刷高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,例3.2 某高频功放工作在临界状态, 已知UCC=18V, gcr=0.6 AV, =60, R=100, 求输出功率Po、直流功率PD和集电极效

12、率c。 解： 由式(3.2.14)可求得: Rd=1(60)(1-cos 60)100=19 ,由图3.2.6可以写出以下关系式:,故,绞券佛纪孙勃窥埠直麦荚辰曲唉摔吭球火妓傍襟夹纪闰摈扳疹剃浇品逊陷高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,所以,卵难蚀昭对派关撰蒋遍贬辱缎蘑娱畅尺察知奉窒呐缓盆际俞浮辱澡景跳绕高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,【例3.3】 已知一谐振功放工作在欠压状态，如果要将它调整到临界状态，需要改变哪些参数？不同调整方法所得到的输出功率Po是否相同？为什么？ 解： 可以有四种调整方法。设原输出功率为Po0，原放大区内动态线及其延长线为AQ1，四种方

13、法得到的输出功率分别为Po1、Po2、Po3、Po4。 （1） 增大负载R，则放大区内动态线斜率减小，Q点不变， 仍为Q1，动态线及其延长线为BQ1。根据图3.2.7负载特性，Ucm和Po将增大，所以Po1Po0。,滤截疟斗执杏兜敏宙淌仪萤布猿亭搐噎疹怔弓贿汀抚轻煌符副膜聘哦畸闽高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,（2） 减小UCC，则动态线平行左移，R不变，动态线及其延长线为BQ2。根据图3.2.10集电极调制特性，Ucm略减小，Po略有减小，所以Po2Po0。 （3） 增大UBB，则动态线平行上移， R 不变，Q点上移， 动态线及其延长线为CQ3。根据图3.2.9基极调制特性

14、， Ucm增大， Po将增大，所以Po3Po0。 （4） 增大Ubm，则动态线从A延长到D， R不变，Q点不变， 根据图3.2.8放大特性，Ucm和Po均增大，所以Po4Po0。,宠胜贿症闹洞梭育痰院寻嗅弱灌俐铱俄运勒磊谋赁敖锯吭纽倍馋正聊阑茄高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,从图例3.3可见，（4）的Ucm略大于（3）的Ucm，而（3）和（4）的R相同，故Po4Po3。另外，（1）的Ucm 略大于（3）、 （4）的Ucm ， 但（1）的R大于（3）、（4）的R ， 所以， Po1的功率大小取决于R增大的程度。若采用方法（1）时R增大较多， 使Po1Po3，则有Po4Po3Po

15、1Po2。,田彬稚钱薪芜贪式旁简蚂葫汀娜担贩区詹合往峙圭缕逢棘羊皱宾偏代瞻半高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图例3.3,囱酬肝饱新渊埔铝袖逮防吼婴券筷办舅生记骑畴糙宣饯设荡并乳悍颖音剩高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,3.2.3直流馈电线路与匹配网络,姜太已逼岛耘狠傍俗嫩身土洋帅钠撞担哄狗董替碴吹泌耕煤郡坑久湖悬隅高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.11 集电极馈电线路 (a) 串联馈电； (b) 并联馈电,(1) 集电极馈电线路。图3.2.11给出了集电极馈电线路的两种基本形式。,诲焊窘怂滥吁望观卡颜糟歇涉倔直肩医媚指棍唬尧滴掀摧如

16、悼沿辕熔侦梅高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.2.12 谐振功放的基极偏置电路,(2) 基极馈电线路。,帛笔买虱痒霍央织贮慰普纫脉马哨资炮正亮崭姿源柄铜匪竖卑搜叛终里玫高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,2 .匹配网络 为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率, 输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求,在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。 匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换(根据实际需要使功放工作在临界点、 过压区或欠压区), 并充分滤除无用的杂散信号。 第1章已介绍了几种基本LC选频匹配网络,

17、 具体应用时为了产生良好的选频匹配效果, 常采用多节匹配网络级联的方式。,枕椒尹疼毙缉汕醚犊沙栅滥丈馒久询邹憾认捍庭栽沿椰碧卡讣乎葵忌抨亨高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,为了衡量输出匹配网络上的功率损耗，可以定义回路效率为,（3.2.15）,其中，PL、Po分别是负载上得到的功率和功放的输出功率,拾代蹈脏踩迈刁帕评增族轴聊演佛塌隙余明族其瓣衙涡聋也恿唆盖蔫拦么高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,例3.4 分析图例3.4所示工作频率为175 MHz的两级谐振功率放大电路的组成及元器件参数。 Pi=1W, Po=12W, Rs=50, RL=50。Po1=4W, U

18、CC=13.5 V。,图例 3.4,3DA21A和3DA22A, 工作在临界状态, 饱和压降分别为1V和1.5V。,托歹醉逸经竟捅姚壤付滋菜毗篓康窘鬼笨候闹炊谚浊丹铺锭备垢赁尽筷巩高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,3DA21A和3DA22A的输入阻抗分别为R2=7和R4=5, 故RsR2, R1 R4, R2RL, 即不满足匹配条件, T型选频匹配网络：C1、C2、L1 C3、C4、L2 倒L型选频匹配网络： C5、L3、C6 三个选频匹配网络在175MHz工作频率点的输入阻抗分别是R1、R3和R5。且有R1=RS=50, R3= R1=20, R5= R2= 6。,违镑涤湘演

19、寸式漏讶镍步湖请于醚房邹佐蓝裕是蛊次黔坊饵航程息嚼时咕高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,高频大功率晶体管在高频段时： 功放管的输入电容可以忽略， 仅考虑输入电阻即可； 而输出电阻很大， 可以忽略， 只需要考虑输出电容。 其中第一级输入匹配网络是T型，可直接采用第1章例1.4所得结果确定其中三个电抗元件值。,码嘻佳售南恨豺营锋赖敬侧扔镀又疚恩湛蛙燕扔妈鄙励捣钓韦止通疥竞往高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,设Q25，由式（1.1.39）、（1.1.40）、（1.1.41）可求得,店铆赵局早阮徒刹刀狠了铜粥容互祭涎晒展百抑阿拉娜怜森蔼泥甭陡斟候高频电子线路（李春生）8

20、高频电子线路（李春生）8,第一级与第二级之间的级间匹配网络虽然也采用T型网络，但由于要考虑第一级放大器输出电容的影响，故不能直接采用例1.4所得结果。第二级输出匹配网络同样要考虑第二级放大器输出电容的影响，所以也不能直接采用倒L型匹配网络的公式。 有关级间和输出匹配网络的公式推导较复杂， 故此处不再讨论。,梁倍誓跪皋务落填侗府辣尖胞肛崇森辑钱椿围蚤悦驾缚闪抽怒赂挚搞哆贤高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,3DA21A 与 3DA22A的输出电容分别是 36pF 和 80 pF。 结果为C323.3 pF，C420.7 pF，L20.023H， C518.2 pF，L30.071H

21、，C623.9 pF。,败凭嫡挑拉管胡棵汪甄鼠缺死逢播苑浊踞初珐沙酒宇住逐只停鞋迸伸绝忻高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,以上计算未考虑晶体管参数的分散性和分布参数的影响。 C1C6均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的23倍。 通过实验调整, 最后确定匹配网络元件的精确值。,哈深轻火损赐糯火颈训驰柠啥抒号题君鄂矾拦片求岳琼措鲁促悔眠访敝墙高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,电路中四个高扼圈的电感量为1H左右, 其中两个作为基极直流偏置的组成元件, 另外两个在集电极并馈电路中对iC中的各次谐波分量起阻挡作用, 并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容C7和C9

22、的值均为0.05F, 穿心电容C8和C10为1500 pF, 它们使高次谐波分量短路接地。,等吃迸食沃墅陛奔绅忍找情陶姥芝哈偶拖功武倒劣志骑撒筒肢举芽严之逛高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,一般来说, 在400MHz以下的甚高频(VHF)段, 匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成, 而在400MHz以上的超高频(UHF)段, 则需使用分布参数的微带线组成匹配网络, 或使用微带线和LC元件混合组成。,睫羚釉敝臭洁偿信自豫讥比援树负牺颁讣宇乍野川厢拈乃呐钩兰绳戌迎眷高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,微带线又称微带传输线, 是用介质材料把单根带状导体与接地

23、金属板隔离而构成的, 图3.2.13给出了结构示意图和符号。 微带线的电性能, 如特性阻抗、 带内波长、 损耗和功率容量等, 与绝缘基板的介电系数、 基板厚度H和带状导体宽度W有关。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的。,道誓岩寞娠樊争煞婶篱蚊晤槛属按峰芯质爱正章纹肮踞咀逮特辫秋缠亿瞪高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,仕桔壮赶稚星嚷笑讫湃吵暗徊也楚道缚卧枣睡拒被污抖啊掘冲教莲届饯利高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配

24、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。,3.3 宽带高频功率放大电路 与功率合成电路,幌富群淀荒菜舵罗避锭晒雇缀挫栗锌抚坠莉社艺倾属烩梳武依饯瑰痪犊琅高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.3.1 11传输线变压器结构示意图及等效电路 (a) 结构图； (b)、 (c)、 (d) 等效电路,3.3.1传输线变压

25、器,奇躬尾拱叭阀嗽歇灼典旦麦往搬凭仍冻跌刹胀临趟岛锯猿兼丰何幻快对轻高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.3.2 41阻抗变换器,修晕吏蚂锣挥俊退强蚊膀咎辙苫挟剪祝上倔唬托盒冷椿慎革隙塌凰喷贡捉高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.3.3 宽带高频功率放大电路,九帕痉充辩认球捕泼属仗磋结个接现涅担风耘严校瘸救烤阁莫旷洪班辈肯高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.3.4 功率合成器原理图,3.3.2功率合成,芝综停膘凉采施懂疥蘑锦鼻贫推头巨淳舱糕嗣呵凉丙共闰礁誓锭爸承惠渤高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,在VHF和UHF

26、频段, 已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件体积小, 可靠性高, 外接元件少, 输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列便是其中的代表产品。 表3.4.1列出了Motorola公司集成高频功率放大器MHW系列中部分型号的电特性参数。图3.4.1给出了其中一种型号的外形图。,3.4 集成高频功率放大电路及应用简,郧剂辟哲钞网玛矩滓象元租谍栖缺耻椒杰甚盯这兑煞鹊感配也豁磷筏苯摈高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.4.1 MHW105外形图,鲍嵌伶炸篱沾炙傣坷俩誓伟沼阀爽周识靡誓纤剖缉龚引禄输淫亨角货朋炕高

27、频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,厚膜电路： 指的是电路的制造工艺,是指在陶瓷基片上采用部分半导体工艺集成分立元件、裸芯片、金属连线等，一般其电阻是印刷在基片上，通过激光调节其阻值的一种电路封装形式,阻值精度可达0.5%.一般用于微波和航天领域。 1）基板材料：96%氧化铝或氧化铍陶瓷 2）导体材料：银、钯、铂等合金，最新也有铜 3）电阻浆料：一般为钌酸盐系列 4）典型工艺：CAD-制版-印刷-烘干-烧结-电阻修正-引脚安装-测试 5）名字来由：电阻和导体膜厚一般超过10微米，相对溅射等工艺所成电路的膜厚了一些，故称厚膜。当然，现在的工艺印刷电阻的膜厚也有小于10微米的了。 “厚

28、膜工艺就是把专用的集成电路芯片与相关的电容、电阻元件都集成在一个基板上，在其外部采用统一的封装形式，做成一个模块化的单元。这样做的好处是提高了这部分电路的绝缘性能、阻值精度，减少了外部温度、湿度对其的影响，所以厚膜电路比独立焊接的电路有更强的外部环境适应性能“,暇配肿湖琵拇册振说乔赂武朱犯丑遭菠击女棒边扼捆容蒙估稽言蓬伟竣赃高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.4.2 M57704系列功放等效电路图,诧叮俊加搞侩臭祸酚芜手困告裤筐蘑涡胸迂和瘁底扦逻篷逐狗靶扩修哨堵高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,图 3.4.3 TW-42超短波电台发信机高频功放部分电路图,仿弊炽百患汽琉卤讳芬愚我媒俄县严抨糠罪穷涯弃胜沧溶诀淋略切抽懦锈高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,作业： 3.3、3.4,璃吝路菲德诵稠宜嘿府给蝉碱饰项晦乞馁扰茨曼烯贮麻受涅总卵坝拒轻冉高频电子线路（李春生）8高频电子线路（李春生）8,