東華大學高頻電子電路通信電子電路課件-

1、在交流、直流并存的電路中，要注意字母大小寫的物理意義。（1） 小寫字母，小寫下標，表示 交流瞬時值舉例：（2） 大寫字母，小寫下標，表示 幅值舉例：（3） 大寫字母，大寫下標，表示 直流值舉例：（4） 小寫字母，大寫下標，含有直流的瞬時值。舉例：第4章 高頻功率放大器4.1 概述1 高頻功率放大器的功能高頻功率放大器是是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。問題：PA的位置及所處理信號的特點？功率放大器是一種換能器，其基本原理就是利用輸入到基極的激勵信號，去控制集電極直流電源所提供的直流功率，把它轉(zhuǎn)變?yōu)榕c輸入信號頻譜結(jié)構(gòu)相同的交流輸出。高頻功率放大器功能原理圖如圖41所示。 圖41高頻功率放大器將高頻信號進

2、行功率放大，實質(zhì)是在輸入高頻信號的控制下，將電源的直流功率轉(zhuǎn)變成高頻功率。輸入輸出信號頻譜相同，但輸出信號被放大。大家以前學過的放大電路還有用于增強電壓幅度或電流幅度的電壓放大電路和電流放大電路。無論哪種放大電路，在負載上都同時存在輸出電壓、電流和功率，上述稱呼上的區(qū)別只不過是強調(diào)的輸出量不同而已。放大電路的共性：功率放大電路和其它放大電路沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是在輸入信號的作用下，將直流電源的直流功率轉(zhuǎn)換為輸出信號功率，在性能要求和器件運用特性上卻是不同的。對電壓放大電路的主要要求是使負載得到不失真的電壓信號，衡量其放大性能的主要指標是電壓增益、輸入和輸出阻抗等，但其輸出功率并不一定大。功率放大

3、電路則不同，它主要要求獲得一定的不失真或失真較小的輸出功率，通常是在大信號狀態(tài)下工作。從能量控制的角度來看，功率放大電路是一種能量轉(zhuǎn)換電路，它是將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為輸出信號的能量，因此必然存在能量損耗。2 高頻功率放大器的分類高頻功率放大器按照工作頻帶的范圍，可分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。窄帶高頻功率放大器用于放大以載頻為中心，相對帶寬窄的信號。相對帶寬是指發(fā)送有用信號的頻帶寬度與載波中心頻率之比。例如調(diào)頻廣播載波頻率范圍88108MHz，載波中心頻率為，信號頻帶寬度為=20 MHz，相對帶寬為20 MHz/=0.2；窄帶高頻功率放大器一般都采用具有選頻功能的諧振回路作負載，

4、所以又稱為諧振功率放大器。寬帶高頻功率放大器采用工作頻帶很寬的傳輸線變壓器作為負載，又稱為非諧振功率放大器。由于不采用調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，因此這種高頻功率放大器可以在很寬范圍內(nèi)變化工作頻率而不必調(diào)諧。寬帶高頻功率放大器只能選用甲類和乙類推挽放大工作狀態(tài)。諧振功率放大器與非諧振功率放大器共同點：都要求輸出功率大，效率高；不同點：二者的工作頻率與相對帶寬不同，因而負載網(wǎng)絡(luò)和工作狀態(tài)也不同。放大器可以按照電流導通角的不同分為甲類（A類）、乙類（B類）、甲乙類（AB類）和丙類（C類）。導通角是指一個信號周期內(nèi)集電極電流導通角的一半，導通角滿足：。放大器的導通角是由什么確定的？圖42靜態(tài)工作點的設(shè)置與工作狀態(tài)的關(guān)

5、系導通角的大小是由靜態(tài)工作點確定的，如圖42所示。圖中為截止電壓或起始導通電壓。硅管V；鍺管V。甲類功率放大器在整個周期內(nèi)導通，,相同，輸出波形不失真，極限效率50?？紤]到晶體管的飽和壓降影響，實際的集電極效率只有35。為了提高效率，低頻放大器工作在乙類推挽。乙類功率放大器在半個周期內(nèi)導通，。輸出電流為余弦脈沖，含有豐富諧波。為保證不失真輸出，采用乙類推挽形式（正半周一個管子導通，負半周另一個管子導通，然后二個管子疊加得到一個完整的正弦波形）。極限效率78，實際效率60左右。為了防止交越失真，常工作在甲乙類推挽。甲乙類功率放大器在大于半個周期小于一個周期內(nèi)導通，。丙類功率放大器晶體管僅在小于半

6、個周期內(nèi)導通，。輸出電流為余弦脈沖電流，有豐富諧波，由于負載為諧振網(wǎng)路，其選頻作用使輸出電壓波形與輸入激勵信號的電壓波形相同。在上述幾類功率放大器中，丙類功率放大器的效率最高，可高達85.9%。為了提高效率，諧振功放常工作于乙類或丙類，甚至丁類或戊類狀態(tài)。圖43給出各種狀態(tài)下集電極輸出電流的波形。圖43各種狀態(tài)下集電極輸出電流的波形3 高頻功率放大器的性能指標高頻功率放大器的主要性能指標是輸出功率和效率。在功放中，效率的提高就顯得非常重要。表現(xiàn)在1） 放大器輸出相同功率時，放大器效率高可以節(jié)約直流電源的電能，2） 采用相同器件的條件下，效率高的放大器可以輸出更大的功率。功率放大器實質(zhì)上是一個能

7、量轉(zhuǎn)換器把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為輸出的交流能量。當然這種轉(zhuǎn)換不可能是百分之百的，直流電源提供的功率一部分轉(zhuǎn)換為交流輸出功率，另一部分功率主要以熱能的形式消耗在集電極上，我們稱之為集電極耗散功率。1） 集電極效率效率定義為功率放大器負載獲得的輸出功率和電源提供的直流功率之比。 （4.1.1）根據(jù)能量守恒定律有為集電結(jié)的耗散功率。 （4.1.2）由式（4.1.2）可得出兩方面的結(jié)論：Ø 當要求輸出功率保持不變時，減小集電極耗散功率可提高效率。Ø 如果維持晶體管的耗散功率不超過允許值，那么提高效率，就可增加輸出功率，例如，；當，。顯然，提高效率可顯著增加輸出功率。2）集電結(jié)耗散

8、功率 （4.1.3）式中為晶體管集電極電流瞬時值；為晶體管集射極間電壓瞬時值；為晶體管集電極電流導通角。3）集電極電源的直流功率 （4.1.4）注意：式中的的物理意義：對于甲類功率放大器而言，為直流偏置電流；對乙類和丙類功率放大器而言，為集電極電流瞬時值（小寫字母，大寫下標，含有直流的瞬時值）中的平均直流分量。 4）輸出功率是指由電子器件送給諧振回路的基波信號功率，也就是輸出的基波功率。 （4.1.5）什么是基波？研究功率放大器的設(shè)計要解決的重要問題：較大的輸出功率和較高的效率，而增加輸出功率和提高效率的關(guān)鍵是降低耗散功率，因此設(shè)法減少耗散功率是高頻功放設(shè)計的重要目標。4.2高頻諧振功率放大器

9、的工作原理4.2.1高頻諧振功率放大器的電路組成通常發(fā)送設(shè)備的功放由多級構(gòu)成。圖44 高頻諧振功率放大器電路圖44（a）為發(fā)送設(shè)備的中間放大級電路。（b）為末級放大器，、為天線等效電路，為天線對地的等效電容；為天線等效輻射損耗電阻；為電感線圈的損耗電阻，L、匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)，使回路諧振在輸入信號頻率。輸出回路實質(zhì)是諧振回路。假設(shè)回路有載品質(zhì)因數(shù)1，把折合到電感支路，如圖(c)，然后利用串并聯(lián)互換關(guān)系，等效為典型的并聯(lián)諧振回路（d）。以圖（a）為例，分析高頻功率放大器基本組成。1） 電子器件是高頻大功率管，能承受高電壓大電流，并具有較高的特征頻率。它在電路中主要起開關(guān)控制作用，控制直流能量轉(zhuǎn)變

10、為交流輸出能量。2） 電源。高頻功率放大器包括兩個電源，基極電源和集電極電源。其中基極供電電源畫成獨立的電源，是為了講述原理的方便，實際電路中則由集電極電源通過偏置電路產(chǎn)生工作于丙類功放所需的偏置電壓。注意和的作用調(diào)整可以改變放大器工作狀態(tài)（如工作在甲類、乙類、甲乙類和丙類），使或為負值，即能保證晶體管工作在丙類狀態(tài)。則用于提供直流能量。3） 饋電電路。其作用是既保證把電壓和饋送到晶體管的各極，又防止交流信號進入直流電源影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。饋電電路包括基極饋電電路（由C1、L1、C2構(gòu)成）和集電極饋電電路（由C3、L2、C4構(gòu)成）。L1、L2為高頻扼流圈；C2、C3為電源退耦電容；C1 、C4分

11、別為輸入、輸出回路的耦合電容，起到隔直通交的作用。4） 輸出諧振回路。主要起無損耗地傳輸高頻信號及其能量、濾除諧波成分及阻抗匹配的作用。高頻功率放大器的輸出回路可以是LC并聯(lián)諧振回路，也可以是互感耦合回路或各種LC匹配網(wǎng)絡(luò)。圖（a）所示中間級放大器的負載通過互感耦合與諧振回路連接；圖（b）所示末級功放則通過L、匹配網(wǎng)絡(luò)與天線負載連接。無論是中間級還是末級放大器，最終都可等效為下圖所示并聯(lián)諧振電路。圖中，式中為有載品質(zhì)因數(shù) ，總電容，回路諧振角頻率。這部分電路有兩個作用。首先，利用它的諧振特性，從眾多電流分量中選出有用的基波分量，起到選頻作用；其次，將負載電阻變換成晶體管集電極所需的最佳負載電阻

12、。4.2.2 晶體管特性曲線的折線近似丙類功率放大器工作在大信號狀態(tài)，因此不能采用線性等效電路來分析。工程上通常采用解析近似法，也就是折線分析法來簡化該分析過程。折線分析法首先是將晶體管的特性曲線理想化，每條曲線都用一條或幾條折線來代替，然后寫出理想化曲線的數(shù)學解析式。這種方法優(yōu)點：簡單，易于進行概括性的理論分析，且物理概念清楚；不足之處：只能進行估算，存在一定誤差，在電路設(shè)計完成后還要進行必要的調(diào)整，但該方法對定性分析高頻功率放大器的特性實用可行。晶體管的特性曲線包括輸入特性曲線、正向傳輸特性曲線和輸出特性曲線。下面將分別討論晶體管三條特性曲線的理想化。1 輸入特性曲線理想化輸入特性曲線如圖

13、45所示。稱為晶體管的導通電壓或截止電壓。該特性曲線的數(shù)學表達式為其中，是折線的斜率，即圖45 理想化輸入特性曲線由圖可知，理想化的晶體管輸入特性曲線包括兩段，一段對應(yīng)晶體管截止的情況；另一段對應(yīng)晶體管導通的情況。2 正向傳輸特性曲線將輸入特性的乘以就可得到理想化正向傳輸特性曲線如圖46所示。圖46 理想化正向傳輸特性曲線理想化正向傳輸特性曲線的表達式為式中為曲線的斜率，即 （4.2.4）稱為理想化晶體管的跨導！它表示晶體管工作于放大區(qū)時，單位基極電壓變化產(chǎn)生的集電極電流變化。3 輸出特性曲線首先對晶體管在不同區(qū)的工作特性加以討論。晶體管有三個工作區(qū)，它們是飽和區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)。圖47給出理

14、想化的輸出特性曲線。圖47理想化輸出特性曲線在OA線以左的為飽和區(qū)，晶體管工作在飽和區(qū)時有如下特點。集電極電流只受控制，而與無關(guān)。對有強烈的控制作用，略微下降，導致迅速減小。 OA稱為飽和臨界線，其斜率為。它表示晶體管工作于飽和區(qū)時，單位集電極電壓變化引起集電極電流的變化關(guān)系。在OA線以右的放大區(qū)，晶體管工作在該區(qū)的特點基本與無關(guān)，只受到的控制，所以各條輸出曲線均以為參變量，且都近似與軸平行。在截止區(qū)，時，=0。了解晶體管的特性曲線是分析高頻功率放大器的基礎(chǔ)。4.2.3 高頻功率放大器的工作原理高頻功率放大器的工作原理電路如圖48所示。放大器一般都采用功率增益較大的共發(fā)射極電路。當為反向偏置電

15、壓，即或時，發(fā)射結(jié)只在信號周期的部分時間內(nèi)處于導通狀態(tài)，只有當?shù)乃矔r值大于晶體管的導通電壓，基極導通時才產(chǎn)生基極電流和集電極電流。基極和集電極電流的特點（很重要）。、均為一系列高頻余弦脈沖，這時高頻功率放大器工作在丙類（C類）狀態(tài)。假定輸入信號為單頻正弦波，三極管發(fā)射結(jié)的電壓為 （4.2.5）1 集電極電流晶體管正向轉(zhuǎn)移特性曲線由曲線可看出：時，晶體管截止，集電極電流；當，發(fā)射結(jié)導通，集電極電流可表示為 （4.2.6）將式（4.2.5）代入式（4.2.6）得 （4.2.7）由圖48可得，時，=0，代入式（4.2.7）可求得 （4.2.8） (4.2.9) （4.2.10）式中為晶體管的導通角。

16、注意：導通角與輸出效率和輸出功率密切相關(guān)，應(yīng)了解如何根據(jù)電路的指標要求設(shè)置所需的導通角。特別要注意（分兩種情況考慮，大于0或小于0）將式（4.2.7）減（4.2.8）得（4.2.11）當時，將代入式(4.2.11)得 （4.2.12）把式（4.2.12）與式（4.2.11）相除得 （4.2.13）式（4.2.13）是集電極余弦脈沖電流的解析表達式，取決于余弦脈沖的高度和導通角。（注意：必須正確理解該式的物理意義）2 集電極電流的傅立葉分析用傅立葉級數(shù)將式（4.2.13）表示的余弦脈沖電流展開 （4.2.14） 可以看出，可分解為直流分量、基波分量、二次諧波分量、三次諧波分量和n次諧波分量。圖4

17、9集電極余弦脈沖電流與各次諧波的波形圖410 集電極余弦脈沖電流的頻譜圖結(jié)論：諧波次數(shù)越高，諧波的幅值則越小。式（4.2.14）中的為直流、基波和各次諧波分量的振幅，可用傅立葉級數(shù)中的系數(shù)法求得直流分量： （4.2.15）基波分量幅值 （4.2.16） （4.2.17）上式中的、，稱為余弦脈沖的分解系數(shù)。圖411給出導通角與各分解系數(shù)的關(guān)系曲線。 圖411余弦脈沖分解系數(shù)、波形系數(shù)與導通角的關(guān)系曲線。稱為波形系數(shù)，是導通角的函數(shù)；研究高頻諧振功率放大器需要特別關(guān)注的是和，前者與直流功率有關(guān)，后者與輸出基波功率有關(guān)。3 集電極電壓高頻諧振功率放大器的負載為LC諧振回路，該諧振回路調(diào)諧在基波頻率上

18、（輸入信號的頻率），因此輸出回路只對集電極電流中的基波分量呈現(xiàn)很大的諧振電阻，而對直流分量和其它高次諧波分量呈現(xiàn)很小的失諧阻抗或近似短路。換句話說，集電極余弦脈沖電流經(jīng)過具有選頻功能的LC諧振回路，其它各次諧波和直流被濾除，只有基波電流才能在回路兩端產(chǎn)生較大的電壓 （4.2.18）式中，是基波電流分量的振幅，是輸出回路的有載諧振電阻。由圖48可知，集射極電壓的瞬時值 （4.2.19）注意理解這幾個問題；1）式(4.2.18)中的負號？2）（4.2.19）如何得到的？結(jié)論，丙類諧振功率放大器，流過晶體管各極的電流均為余弦脈沖，但利用諧振回路的選頻作用，輸出電壓為基波正弦信號。結(jié)論： 1） 當或，

19、功放處于丙類工作狀態(tài)，當時，才有基極電流產(chǎn)生，所以為余弦脈沖。為晶體管的截止電壓或?qū)妷?。硅管的?.50.7 V，鍺管的0.30.4V。2） 只有當基極導通后，晶體管由截止區(qū)進入放大區(qū)，才會產(chǎn)生集電極電流，與是具有相同的周期的余弦脈沖。3） 前面已經(jīng)分析過，周期性的余弦脈沖可通過傅立葉級數(shù)展開為一系列的諧波和直流分量。丙類功放的負載是具有選頻功能的LC諧振回路，通過調(diào)節(jié)回路的電抗，使其諧振頻率等于輸入激勵信號的頻率，LC諧振回路對諧振頻率（也就是基波頻率）呈現(xiàn)的阻抗為。該諧振回路對次諧波呈現(xiàn)的阻抗為 4.2.20）假設(shè)，則n23450.06670.03750.02670.0208可見高頻功

20、率放大器的輸出回路對于基波電流而言，等效為一個純電阻，而對于高次諧波2，3，來說，回路的阻抗與基波的阻抗相比，小到可以近似地認為其短路，且輸出回路中電感的存在，對直流可近似看成短路，這正是諧振回路兩端電壓可以被近似認為是與輸入激勵信號同頻的正弦基波電壓，高頻功率放大器能實現(xiàn)線性放大功能的理論基礎(chǔ)。4.2.4 高頻諧振功率放大器的效率和輸出功率功率放大電路實質(zhì)上是依靠激勵信號對基極電流以及集電極電流的控制，把集電極電源的直流功率轉(zhuǎn)換為負載回路的交流功率，轉(zhuǎn)換效率越高，就可以在同樣的直流功率下輸出更大的交流功率。追求高轉(zhuǎn)換效率是功率放大電路的基本設(shè)計要求之一。高頻諧振功放集電極輸出電壓中包含直流分

21、量與交流分量，其交流分量與波形一樣，但相位相差。Knowing from（4.2.19）放大器輸出的基波功率 (4.2.21）電源提供的直流功率 （4.2.22）根據(jù)能量守恒定律，集電極耗散功率 （4.2.23）集電極效率 (4.2.24）式中稱為波形系數(shù)，是導通角的函數(shù)；稱為集電極電壓利用系數(shù)，它總是小于1的。由式（4.2.24）可知，要提高效率，有兩種途徑1）一種是提高集電極電壓利用系數(shù)，即提高，而是輸出基波電壓的幅值，通過提高回路的有載品質(zhì)因數(shù)來實現(xiàn)增大； 2) 另一種是提高波形系數(shù)。由圖411可知，導通角越小，越大，效率越高，但卻越小，輸出功率也就越低。為了兼顧輸出功率和效率，必須選取

22、合適的導通角。思考：why越小，輸出功率就越低? （4.2.16）事實上，導通角越小，也就越小。如取時，達到最大值，輸出功率最大，但的值相對較小，集電極的效率僅為64%左右；若取，此時雖然的值相對減小，輸出功率有一定程度下降，但集電極的效率可達到85.9%。在工程設(shè)計中的取值通常在之間。左右為最佳導通角，可兼顧輸出功率和效率兩個重要指標。請自學課本P58的兩個例題。圖412 諧振功率放大器各級電壓、電流波形 注意：集電極損耗，減小與的乘積，可減小晶體管的瞬時損耗。由圖412可以看出，當晶體管集電極電流最大時，晶體管的集電結(jié)壓降最小，這時它們的乘積最小，也即晶體管的損耗最小，而要達到這個要求，晶體管的集電極負載回路必須工作在諧振狀態(tài)?？梢?，一旦負載回路失諧，將導致放大器的損耗功率增加，效率降低。問題：用上圖描述電壓電流的關(guān)系時，電路必須滿足什么狀態(tài)？結(jié)論：1、icmax、ubema