第3章高频功率放大器.ppt
第3章 高频功率放大器,3.1 高频小信号放大器 3.1 高频功率放大器的原理和特性 3.3 高频功率放大器的高频效应 3.4 高频功率放大器的实际线路,2,3.2 高频功率放大器的原理和特性,主要功用是放大高频信号,以高效输出大功率为目的,主要应用于各种无线电发射机中。与其它放大器相比：输出功率大，功放管在大信号极限条件下运行。其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率转换成高频功率,因此还要求尽可能高的转换效率。功率增益是重要的性能指标，但安全、高效和小失真是第一位的。高频功放与低频功放：工作频率和相对带宽相差很大；高频功放一般用选频网络作负载，工作在丙类状态，也称为谐振功率放大器。,3,功率放大器分类,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类（A、B、C）等多种。功率管是功率放大电路关键器件，如何选择功率管运用状态，并保证其安全工作。必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。,4,甲类功率放大器,5,乙类推挽功率放大器,6,单电源供电的互补推挽电路(OTL),电压增益小于 1。要输出最大信号功率，RL 上信号电压振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。,7,交越失真,上节分析乙类推挽电路性能时，忽略了晶体管发射结导通电压的影响。,实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现严重失真-交越失真。,两管的合成传输特性如图所示。,8,克服交越失真的基本途径,在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类。,只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。,9,常用电路,二极管偏置电路,vBE 倍增电路,由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短路，因此偏置电路不影响输入信号 vi(t)的传输。,10,vBE 倍增电路,(1)电路,直流：由 T3、R1、R2 组成，且由电流源 IR 激励，为互补功率管 T1、T2 提供偏置电压 VBB。,交流：T3、R1 构成电压并联负反馈电路，反馈电路电阻小，几乎不影响输入信号传输。,(2)倍增原理,由图可见，若通过 R1 的电流 I1 远小于 T3 管的集电极电流 IC3，且 T1 和 T2 管的静态基极电流又可忽略，,11,单电源供电的互补推挽电路(OTL),电压增益小于 1。要输出最大信号功率，RL 上信号电压振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。,12,1.功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现,甲类(A)：功率管在一个周期内导通。乙类(B)：功率管仅在半个周期内导通。甲乙类（AB）：功率管在大于半个小于一个周期内导通丙类(C)：功率管小于半个周期内导通。,13,2.不同运用状态下的集电极效率,管子的运用状态不同，相应的max 也不同。甲类max=50;乙类max 78.5%,减小 PC 可提高。,假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则,14,讨论：若减少 PC，则要减少 iC vCE,途径 1：由甲类甲乙类乙类丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间。途径 2：使管子运用在开关状态(丁类)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE vCE(sat)很小，导通的半个周期内，瞬时管耗 iC vCE 很小。截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小，显著增大。,15,甲乙丙类功放电路的工作点,16,为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。,小结：,17,图 3 12 晶体管高频功率放大器的原理线路,3.2.1 丙类功放工作原理 高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外,它 由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。,18,工作在丙类状态,在一个信号周期内功放管导通角小于1800静态时发射结反偏,工作在截止区;输入激励大信号，一般在0.5V以上；基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号；谐振回路作负载选取有用频率分量，兼有阻抗变换作用,19,丙类功放折线分析法,丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，uCE 由 iC 产生，而 uCE 通过基极宽度调制效应影响 iC,要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐!,20,1电流、电压波形设输入信号为则基极回路电压为管子导通主要工作在线性放大区，折线化近似其转移特性。,21,晶体管的实际特性曲线,22,晶体管特性曲线理想化,(a)传输特性理想化(b)输出特性理想化,23,24,余弦脉冲的表达式,25,26,周期性集电极电流脉冲导通角为2；可以 分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即,27,28,负载为并联谐振回路，使回路对激励信号频率谐振时阻抗最大为RL；集电极调谐时，Ubemax、Icmax、UCEmin同时出现。集电极导通角由输入决定,导通角越小效率越高,29,2 高频功放的能量关系 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)即输出功率P1为,(3 22),集电极电源供给的直流输入功率P0为,(3 23),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,(3 24),30,Pc为耗散在晶体管的热能，定义集电极效率,31,要提高效率，一是提高电压利用系数，通过提高回路谐振阻抗RL;另一是提高波形系数，增加基波分量，这与导通角有关。甲类max=50;乙类max78.5%；丙类1.75,效率更高。,32,余弦脉冲分解系数与的关系曲线,分解系数1最大值为0.536时，导通角为1200，此时输出功率最大，在甲乙类状态，效率66%太低不可用！导通角在0150,输出功率太小极端情况：此时输出电流为零！通常选在65750,33,(3 27),高频功放的功率放大倍数为,(3 28),用dB表示为,(3 29),设激励端基波电流振幅为Ib1,且与ub同相(忽略实际存在的容性电流),则激励功率为,高频功放的功率放大倍数为,34,3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态 1.高频功放的动特性 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(ube或uce)的关系曲线。小信号放大器中，若已知负载电阻，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，即得负载线，动特性是负载线的一部分；以t为变量，在icuce或icube坐标系统中描绘ic是一条曲线。,35,36,动特性曲线的斜率,37,2 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。在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般工作于此状态。,38,39,过压状态的集电极电流波形,40,41,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。在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般工作于此状态。,42,例31（P80）,43,3.2.3 高频功放的外部特性 高频功放是工作于非线性状态的放大器,可以看成是外部激励的高频功率发生器。外部特性指放大器的性能随外部参数变化的规律。包括负载电阻RL、激励电压UBB或Ec变化时特性；也包括负载在调谐过程中的调谐特性。,44,1高频功放的负载特性 只改变负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率变化的特性。图 3 18(b)是根据图3 18(a)而得到的功率、效率曲线。,45,46,47,48,2高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub时,放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。,49,高频功放振幅特性,50,3.高频功放的调制特性 改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅 1)基极调制特性,51,2)集电极调制特性,52,高频功放的调谐特性 输出电流和输出电压随回路电容C的变化特性称为调谐特性。常用 Ic0 或Uc指示调谐,失谐时直流输入功率增加，输出功率减小，功放管功耗增大,53,3.3 高频功率放大器的高频效应,1.少数载流子的渡越时间效应 晶体管本质上是电荷控制器件。少数载流子的注入和扩散是晶体管能够进行放大的基础。少数裁流子在基区扩散而到达集电极需要一定的时间，称为载流子渡越时间。低频工作时，渡越时间时间远小于信号周期。晶体管各极电流与外电压也一一对应。高频工作时少数载流子渡越时间可与信号周期相比较，各极电流并不取决于此刻的外加电压。在高频区渡越时间导致功放管性能恶化。,54,55,2.非线性电抗效应功放管中集电结电容随集电结电压变化。构成放大器输出端与输入端之间的一条反馈支路。反馈在输出端形成输出电容。,3.发射极引线电感的影响形成射极反馈耦合,输入阻抗增加了一附加的电感分量。使一部分激励功率不经放大直接送到输出端，功放的激励加大，增益降低；,56,4.饱和压降的影响 晶体管工作于高频时,其饱和压降随频率提高而加大。集电极电流增加时，趋肤效应使得体电阻增大,57,3.4 高频功率放大器的实际线路,3.4.1 直流馈电线路 包括集电极和基极馈电线路。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。Cb使旁路电容，提供高频通路；Lb阻止高频电流流过电源。,58,图 3 26 集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电,59,2基极馈电线路基极馈电线路也有串联和并联两种形式。自给偏压：基极或发射极直流电流流过电阻产生(a)；固定偏压：基极的负偏压是外加的(b)、(c)。,60,例32 改正图(a)错误，不得改变馈电形式，画出正确线路。,61,3.4.2 输出匹配网络双端口网络实现功放与负载的连接:阻抗匹配：保证放大器传输到负载的功率最大。滤波作用：抑制工作频率范围以外的频率。调谐方便：大多数发射机为波段工作。,62,LC匹配网络 几种常见的LC匹配：(a)L型;(b)T型;(c)型,63,图 3 30 L型匹配网络(a)L-I型网络;(b)L-型网络,64,Rp为负载，对于L 型网络做串并联阻抗的等效互换,65,对于L-型网络同样做串并联阻抗的等效互换有,66,P31 例33 略,67,图3 29是一超短波输出放大器的实际电路,它工作于固定频率。,图 3 32 一超短波输出放大器的实际电路,68,2 耦合回路 图3 33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。,图3 33 短波输出放大器的实际线路,69,3、两级推挽高频功率放大器,70,3.4.3 高频功放的实际线路举例 工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路,它向50 外接负载提供25W功率,功率增益达7 dB。,(a)50 MHz谐振功放电路;,71,图 3 38 高频功放实际线路(b)175 MHz谐振功放电路,72,3.5 高频功放、功率合成与射频模块放大器,3.5.1 D类高频功率放大器 1.电流开关型D类放大器 图3 32是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图，线路通过高频变压器T1,使晶体管V1、V2获得反向的方波激励电压。,73,图 3 32 电流开关型D类放大器 的线路和波形,74,由此可得,集电极回路两端的高频电压有效值为,集电极回路两端的高频电压峰值为,75,V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形,它的基频分量振幅等于(2/)Ic0。V1、V2的ic1、ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗RL,将式(3 35)代入式(3 37),得,输出功率为,(3 39),(3 38),(3 37),76,集电极损耗功率为,(3 42),(3 41),(3 40),输入功率为,77,2 电压开关型D类放大器 图3 33为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。两个同型(NPN)管串联,集电极加有恒定的直流电压Ec。,78,图 3 33 电压开关型D类功放的线路及波形,79,由图可见,因ic1、ic2都是半波余弦脉冲(=90),所以两管的直流电压和负载电流分别为,两管的直流输入功率为,负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波电压分量。对uce2分解可得,80,负载上的功率为,可见 此时匹配的负载电阻为,81,
