高頻電子線路(第二版) 王衛(wèi)東 第二章 2.5

1、2.4 高頻功率放大器的實用電路高頻功率放大器的實用電路 一一 直直流流饋饋電電線線路路 根根據(jù)據(jù)直直流流電電源源連連接接方方式式的的不不同同，可可分分為為： 串串聯(lián)聯(lián)饋饋電電線線路路：直直流流電電源源、匹匹配配網(wǎng)網(wǎng)絡絡和和晶晶體體管管三三者者形形成成串串 聯(lián)聯(lián)連連接接的的方方式式。 并并聯(lián)聯(lián)饋饋電電線線路路：直直流流電電源源、匹匹配配網(wǎng)網(wǎng)絡絡和和晶晶體體管管三三者者形形成成并并 聯(lián)聯(lián)連連接接的的方方式式。 兩兩種種饋饋電電方方式式雖雖然然電電路路結結構構不不同同，但但對對電電路路來來說說，總總應應有有： tUEu cCce cos 1 要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有

2、：要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有： 直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置； 交流匹配網(wǎng)絡：將交流功率信號有效地傳輸。交流匹配網(wǎng)絡：將交流功率信號有效地傳輸。 2.3.5高頻功率放大器的電路組成高頻功率放大器的電路組成 1 集集電電極極饋饋電電電電路路： （1） 集集電電極極饋饋電電電電路路的的組組成成原原則則： c i 的的直直流流分分量量 CO I 除除晶晶體體 管管的的內(nèi)內(nèi)阻阻外外，應應予予以以短短路路， 以以保保證證 C E 全全部部加加在在集集電電極極 上上，避避免免管管外外電電路路消消耗耗電電源源 功功率率，即即

3、 CCOD EIP c i 的的 基基 波波 分分 量量 1C I 只只 應應 在在 負負 載載 回回 路路 上上 產(chǎn)產(chǎn) 生生 電電 壓壓 降降 ， 其其 余余 部部 分分 電電 路路 對對 1C I 應應 短短 路路 。 c i 的的 高高 次次 諧諧 波波 分分 量量 Cn I 不不 應應 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此 Cn I對對 晶晶 體體 管管 外外 的的 電電 路路 應應 盡盡 可可 能能 短短 路路 。 Ico EC Ic1 C L Icn LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT 2.3.5高頻功率放大器的電路組成高頻功率

4、放大器的電路組成 （2） 常常用用的的集集電電極極串串饋饋和和并并饋饋電電路路如如下下圖圖所所示示： cL高高頻頻扼扼流流圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高頻頻旁旁路路電電容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔直直電電容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上兩兩個個電電路路勻勻滿滿足足： tUEu cCce cos 1 休息2休息1 ICO直流通路直流通路 ICO EC LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT IC1交流通路交流通路 Ic1 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT IC

5、n交流通路交流通路 ICn iC頻譜頻譜 2 30 LC回路阻抗特性回路阻抗特性 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT CB LB LB LB CE RB Re VT VT VT CBCB CB1 LB L L C C VT VT EB EB 2 基極饋電線路基極饋電線路 對對基基級級饋饋電電線線路路來來說說，也也有有串串聯(lián)聯(lián)和和并并聯(lián)聯(lián)兩兩種種形形式式。 在在實實際際應應用用中中，由由于于基基極極饋饋電電電電路路中中采采用用單單獨獨電電源源BB U 不不方方便便， 通通常常采采用用自自給給偏偏壓壓的的方方式式提提供供基基極極偏偏置置。 (1)

6、 利利用用基基極極回回路路直直流流 BO I 產(chǎn)產(chǎn)生生偏偏壓壓 bBOBB RIU IBO UBB (2) 利利用用 BO I 在在 bb r 上上產(chǎn)產(chǎn)生生偏偏壓壓bbBOBB rIU ，注注意意：一一般般bb r 很很小小，所所以以 BB U 很很小小且且不不穩(wěn)穩(wěn)定定。 IBO (3) 利利用用射射極極電電流流 eo I 在在e R 上上產(chǎn)產(chǎn)生生偏偏壓壓eeoBB RIU ，而而且且 這這種種電電路路能能自自動動維維持持放放大大器器的的工工作作穩(wěn)穩(wěn)定定。 Ieo + UBB - 以以上上基基極極自自給給偏偏壓壓電電路路中中，前前兩兩個個為為并并饋饋線線路路，后后一一種種為為串串饋饋 線線路路

7、。 休息2休息1 二 高頻功放的耦合回路高頻功放的耦合回路 高高頻頻功功放放都都要要采采用用一一定定的的耦耦合合回回路路，以以使使輸輸出出功功率率能能有有效效地地傳傳 輸輸?shù)降截撠撦d載（下下級級輸輸入入回回路路或或天天線線回回路路） ，一一般般說說來來，放放大大器器與與負負載載 之之間間的的耦耦合合可可采采用用下下圖圖所所示示的的四四端端網(wǎng)網(wǎng)絡絡來來表表示示。這這個個四四端端網(wǎng)網(wǎng)絡絡應應完完 成成的的任任務務是是： 休息2休息1 RiRoRLRS 功功 率率 放大器放大器 輸入輸入 匹配匹配 網(wǎng)絡網(wǎng)絡 輸出輸出 匹配匹配 網(wǎng)絡網(wǎng)絡 RL RS uS (1) 使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相

8、匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撌关撦d阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?載的功率最大載的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡的作用。，即它起著匹配網(wǎng)絡的作用。 (2) 抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波作用。有良好的濾波作用。 (3) 在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送能有效地傳送 功率到公共負載功率到公共負載，同時又盡可能地使這幾個電子器件，同時又盡可能地使這幾個電子器件彼此隔離，互不影響彼此隔離，互不影響。 輸入匹配網(wǎng)絡或級間耦合網(wǎng)絡輸入匹配網(wǎng)絡或級間耦合

9、網(wǎng)絡: :是用以與下級放大器的輸入端相連接是用以與下級放大器的輸入端相連接 輸出匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡: :是用以輸出功率至天線或其他負載是用以輸出功率至天線或其他負載 L1 C1 C2 L2 CA RA r1 IA M r r1 C1 L1 C1 Rp L1 IK 二 高頻功放的耦合回路高頻功放的耦合回路 休息2休息1 介于放大器與天線回路之間的介于放大器與天線回路之間的L1C1回路就叫做中介并聯(lián)諧回路就叫做中介并聯(lián)諧 振回路振回路。RA、CA分別代表天線的幅射電阻與等效電容；分別代表天線的幅射電阻與等效電容； L2、C2為天線回路的調(diào)諧元件。為天線回路的調(diào)諧元件。它們的作用是使天線回路它們的

10、作用是使天線回路 處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以使天線回路的電流處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以使天線回路的電流IA達到最大值，達到最大值，亦亦 即使天線幅射功率達到最大。即使天線幅射功率達到最大。 從集電極向右方看去可以等效為一個并聯(lián)諧振回路從集電極向右方看去可以等效為一個并聯(lián)諧振回路, ,其其 中中Rp為折合到為折合到晶體管輸出回路的等效負載晶體管輸出回路的等效負載 。 1. 輸出匹配電路輸出匹配電路 (1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路并聯(lián)諧振回路型的匹配電路 Rp Rp 繼續(xù)繼續(xù) 休息2休息1 當天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時，它當天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時，它 反映到反映到L1C1中介回路的等效電阻為中介回路

11、的等效電阻為 設初級回路的接入系數(shù)為設初級回路的接入系數(shù)為 p，則晶，則晶 體管輸出回路的等效負載為：體管輸出回路的等效負載為： r r1 C1 L1 C1 Rp L1 IK Rp L1 C1 C2 L2 CA RA r1 IA M Rp 繼續(xù)繼續(xù) (1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路并聯(lián)諧振回路型的匹配電路 A R M r 22 L1C1中介回路的等效諧振阻抗為中介回路的等效諧振阻抗為 1 1 C Q LQR L LP QL為有載品質(zhì)因素為有載品質(zhì)因素 ， rr L Q L 1 1 )( 22 11 1 11 1 A P R M rC L rrC L R )( 22 11 122 A PP R

12、M rC L pRpR 改變互感系數(shù)改變互感系數(shù)M和接入系數(shù)和接入系數(shù) p就可以在不影響回路調(diào)諧的情況下。調(diào)就可以在不影響回路調(diào)諧的情況下。調(diào) 整晶體管的輸出回路的等效負載電阻整晶體管的輸出回路的等效負載電阻Rp，以達到阻抗匹配的目的。，以達到阻抗匹配的目的。 休息2休息1 由于高頻功率放大器工作在非線性由于高頻功率放大器工作在非線性(丙類丙類) 工作時，放大器的內(nèi)阻變動劇烈：導通時，工作時，放大器的內(nèi)阻變動劇烈：導通時， 內(nèi)阻很?。唤刂箷r內(nèi)阻近于無窮大。因此輸內(nèi)阻很??；截止時內(nèi)阻近于無窮大。因此輸 出電阻不是常數(shù)。所謂線性電路的阻抗匹配出電阻不是常數(shù)。所謂線性電路的阻抗匹配 (負載阻抗與電源

13、內(nèi)阻相等負載阻抗與電源內(nèi)阻相等)概念也就失去了概念也就失去了 意義。意義。 k k ：中介回路的傳輸效率。 中介回路的傳輸效率。 L1 C1 C2 L2 CA RA r1 IA M Rp 繼續(xù)繼續(xù) (1) 并聯(lián)諧振回路型的匹配電路并聯(lián)諧振回路型的匹配電路 )()( 11 2 2 rr r rrI rI P P k k o A k 功功率率電電子子元元件件送送至至回回路路的的總總 回回路路送送到到負負載載的的功功率率 如果設如果設 ： 11 1 po rC L R 空空載載回回路路諧諧振振阻阻抗抗 )( 111 1 rrC L RP 有載回路諧振阻抗有載回路諧振阻抗 1 1 r L QQo 值值

14、空空載載回回路路 11 1 rr L QQL 值值有有載載回回路路 O L P P k Q Q R R rr r rr r o 11 )( 1 )( 1 1 1 r r1 C1 L1 C1 Rp L1 IK Rp 要想回路的傳輸效率高，則要想回路的傳輸效率高，則空載空載Qo越大越越大越 好，有載好，有載QL越小越好，越小越好，也就是說，也就是說，中介回路中介回路 本身的損耗越小越好本身的損耗越小越好 但從要求但從要求回路濾波作用良好來考慮，則回路濾波作用良好來考慮，則 QL值又應該足夠大。值又應該足夠大。從兼顧這兩方面出發(fā)，從兼顧這兩方面出發(fā)， QL值一般不應小于值一般不應小于10。在功率很大

15、的放大器。在功率很大的放大器 中，中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。 休息2休息1 在大功率輸出級，在大功率輸出級，T型、型、型等濾波型的匹配網(wǎng)絡就得到了廣泛的應用。型等濾波型的匹配網(wǎng)絡就得到了廣泛的應用。 圖中的圖中的R2一般代表終端一般代表終端(負載負載)電阻，電阻，R1則代表由則代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效 電阻電阻，現(xiàn)以，現(xiàn)以 (a)為例進行計算公式的推導為例進行計算公式的推導 繼續(xù)繼續(xù) (2) (2) 濾波器型的匹配網(wǎng)絡濾波器型的匹配網(wǎng)絡 兩種兩種型匹配網(wǎng)絡型匹配網(wǎng)絡 (a)(b) L1 R1 C1 C1R1 L1 C2 R2 R2C2 將并聯(lián)回路將并聯(lián)回路R

16、1C1與與R2C2變換為串聯(lián)形式，由變換為串聯(lián)形式，由 串、并聯(lián)阻抗轉換公式可得串、并聯(lián)阻抗轉換公式可得 L1 C1 R1 C2 R2 1 2 1 2 c1 2 c1 2 1 1 1 1 R RX X Q R R C1 2 C1 2 1 2 1 C1 X XR R X 2 2 1 2 c2 2 c2 2 R RX X R C1 2 C2 2 2 2 2 C2 X XR R X 網(wǎng)絡匹配時，網(wǎng)絡匹配時，R1= R2 由諧振條件得由諧振條件得 : 仿真 例例 有一個輸出功率為有一個輸出功率為2W的高頻功率放大器、負載電阻的高頻功率放大器、負載電阻RL=50，EC=24V， f=50MHz，Q1=1

17、0，試求，試求型匹配網(wǎng)絡的元件值。型匹配網(wǎng)絡的元件值。 解解 : 繼續(xù)繼續(xù) (2) (2) 濾波器型的匹配網(wǎng)絡濾波器型的匹配網(wǎng)絡 L1 R1 C1 R2= RL C2 R1應該是功率放大器所要求的匹配電應該是功率放大器所要求的匹配電 阻阻 Rp ,即即 L1 C1 R1 C2 R2 網(wǎng)絡匹配時，網(wǎng)絡匹配時，R1= R2 改寫為：改寫為： 解之得：解之得： 休息2休息1 由諧振條件得由諧振條件得 : 6 .22) 75. 810 50 1( 110 14410 2 注意，考慮到晶體管的輸出電容注意，考慮到晶體管的輸出電容Co后，后，C1應減去應減去Co 之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，之值

18、，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，當當L1確確 定之后，用定之后，用C2主要調(diào)匹配，用主要調(diào)匹配，用C1主要調(diào)諧振。主要調(diào)諧振。 實際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡。分析方法實際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡。分析方法 都很類似，都很類似，即從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上即從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上 一個假設條件一個假設條件(通常都是假定通常都是假定Q1值值)，即可求出電路，即可求出電路 元件的數(shù)值。元件的數(shù)值。 2.6.1 寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器 以以LC諧振回路為輸出電路的功率放大器，由于其相對通頻帶諧振回路為輸出電路的功率放大器，由于其相對通頻帶B/ fo只只 有百分之幾甚

19、至千分之幾，所以又稱為有百分之幾甚至千分之幾，所以又稱為窄帶高頻功率放大器。由于調(diào)諧窄帶高頻功率放大器。由于調(diào)諧 系統(tǒng)復雜，窄帶功率放大器的運用就受到了很大的限制系統(tǒng)復雜，窄帶功率放大器的運用就受到了很大的限制 。 繼續(xù)繼續(xù) 2.62.6寬帶高頻功率放大器與功率合成電路寬帶高頻功率放大器與功率合成電路 近年來一種新穎的，近年來一種新穎的，能夠在很寬的波段內(nèi)實現(xiàn)不調(diào)諧工作的寬頻能夠在很寬的波段內(nèi)實現(xiàn)不調(diào)諧工作的寬頻 帶功率放大器帶功率放大器得到了迅速的推廣。得到了迅速的推廣。 休息2休息1 寬帶功率放大器，實際上就是一種以非調(diào)諧單元作為輸出匹配電路寬帶功率放大器，實際上就是一種以非調(diào)諧單元作為輸

20、出匹配電路 的功率放大器。它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替了電阻、電的功率放大器。它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替了電阻、電 容或電感線圈作為其輸出電路容或電感線圈作為其輸出電路 。 寬頻帶功率放大器沒有選頻作用。因此諧波的抑制成了一個重要寬頻帶功率放大器沒有選頻作用。因此諧波的抑制成了一個重要 的問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸變比較小的甲的問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸變比較小的甲 類或甲乙類狀態(tài)，效率較低，也就是說類或甲乙類狀態(tài)，效率較低，也就是說寬頻帶放大器是以犧牲效率作寬頻帶放大器是以犧牲效率作 為代價來換取寬頻帶輸出的為代價來換取寬頻帶輸出

21、的 。 1. 普通變壓器不能在較寬頻內(nèi)工作的原因普通變壓器不能在較寬頻內(nèi)工作的原因 繼續(xù)繼續(xù) 2.6.1 寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器 休息2休息1 圖圖 (b)中中L、Ls1、r1是變壓器初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；是變壓器初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；Ls2、r2 是折合到初級后，次級繞組的漏感和損耗電阻；是折合到初級后，次級繞組的漏感和損耗電阻；C是變壓器各分布電容折是變壓器各分布電容折 合到初級后的總和；合到初級后的總和；RL是折合到初級后的等效負載電阻是折合到初級后的等效負載電阻。 在高頻端由于初級繞組電感的感抗很強，因此在高頻端等效電路中在高頻端由于初級繞組電感的感抗

22、很強，因此在高頻端等效電路中 可以認為電感可以認為電感L L是開路，如圖是開路，如圖(c)(c)。在低頻端，由于頻率較低，各漏感和。在低頻端，由于頻率較低，各漏感和 損耗電阻很小，也可略去不計，可以認為電容損耗電阻很小，也可略去不計，可以認為電容C開路，如圖開路，如圖 (d)； (a)原理電路原理電路(b)等效電路等效電路 (c)高頻端等效電路高頻端等效電路(d)低頻端等效電路低頻端等效電路 (e) 頻率響應曲線頻率響應曲線 us Rs RL uo Rs Rs Rs us us us r1Ls1 L Ls2r2 CRL rLs LCRLRL fs f uo 一般變壓器的等效電路一般變壓器的等效

23、電路 可見工作頻率越低，電感可見工作頻率越低，電感L的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工 作頻率的降低而下將。在高頻端作頻率的降低而下將。在高頻端負載負載RL接在接在Ls和和C組成的串聯(lián)諧振回路容組成的串聯(lián)諧振回路容 抗元件的兩端抗元件的兩端，在串聯(lián)諧振頻率，在串聯(lián)諧振頻率fs的附近，負載兩端的電壓急劇增加，并在的附近，負載兩端的電壓急劇增加，并在 fs上達到最大值。但是，偏離諧振頻率上達到最大值。但是，偏離諧振頻率fs，電壓將急劇減小，電壓將急劇減小 繼續(xù)繼續(xù) 2. 寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理 休息2休息1 傳輸線變壓器是

24、將傳輸線變壓器是將兩根等長的導線緊靠在一起，并繞在兩根等長的導線緊靠在一起，并繞在高導磁率低損高導磁率低損 耗的磁芯上構成的。耗的磁芯上構成的。最高工作頻率可擴展到幾百兆赫甚至上千兆赫。最高工作頻率可擴展到幾百兆赫甚至上千兆赫。 傳輸線變壓器與普通變壓器在傳輸能量的方式上是不相同的，傳輸線變傳輸線變壓器與普通變壓器在傳輸能量的方式上是不相同的，傳輸線變 壓器負載兩端的電壓不是次級感應電壓，而是傳輸線的終端電壓。壓器負載兩端的電壓不是次級感應電壓，而是傳輸線的終端電壓。 兩根導線緊靠在一起，所以導線任意長度處兩根導線緊靠在一起，所以導線任意長度處 的線間電容很大，且在整個線上均勻分布。其次，的線

25、間電容很大，且在整個線上均勻分布。其次， 兩根等長導線同時繞在高兩根等長導線同時繞在高磁芯上，所以導線上均磁芯上，所以導線上均 勻分布的電感量也很大，這種電路通常又叫分布參勻分布的電感量也很大，這種電路通常又叫分布參 數(shù)電路。數(shù)電路。 us us us RL RL RL Rs Rs Rs (a) 結構示意圖結構示意圖 (c) 普通變壓器的原理電路普通變壓器的原理電路(b) 原理電路圖原理電路圖 u1 u2 u1u2 u1u2 在傳輸線變壓器中，線間的分布電容不影響高頻能量的傳輸，電磁波以在傳輸線變壓器中，線間的分布電容不影響高頻能量的傳輸，電磁波以 電磁能交換的形式在導線間介質(zhì)中傳播的。電磁能

26、交換的形式在導線間介質(zhì)中傳播的。 (1) 1：1傳輸線變壓器傳輸線變壓器 繼續(xù)繼續(xù) 3. 常用傳輸線變壓器分析常用傳輸線變壓器分析 休息2休息1 1：1傳輸線變壓器，又叫倒相變壓器。當傳輸線無損時，可以認為傳輸線變壓器，又叫倒相變壓器。當傳輸線無損時，可以認為 u1=u2和和i1=i2。 us RL Rs u1u2 i1 i2 如果傳輸線的特性阻抗：如果傳輸線的特性阻抗： 傳輸線輸出端的等效阻抗為：傳輸線輸出端的等效阻抗為： 輸入端（輸入端（1、3端）的等效阻抗為端）的等效阻抗為 ： 為了實現(xiàn)傳輸線變壓器與負載的匹配，要求：為了實現(xiàn)傳輸線變壓器與負載的匹配，要求： 為了實現(xiàn)信號源與傳輸線變壓器的匹配，要求：為了實現(xiàn)信號源與傳輸線變壓器的匹配，要求： 1：1傳輸線變壓器，最佳匹配狀態(tài)應該滿足傳輸