高頻電子線路_第3章

1、第第3 3章章 高頻功率放大器高頻功率放大器 使用高頻功率放大器的目的使用高頻功率放大器的目的： 為了獲得足夠大的高頻輸出功率為了獲得足夠大的高頻輸出功率。高頻和低頻功率放大器的共同特點高頻和低頻功率放大器的共同特點：輸出功率輸出功率大，效率大，效率高。高。其區(qū)別：其區(qū)別：1）工作頻率和相對頻帶不同：工作頻率和相對頻帶不同：低頻功率放大器：低頻功率放大器：工作頻率低，帶寬相對較寬工作頻率低，帶寬相對較寬。高頻功率放大器：高頻功率放大器：工作頻率高，帶寬相對較窄。工作頻率高，帶寬相對較窄。因而，高頻放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路。因而，高頻放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負載回路。 2）這兩種

2、放大器所選用的工作狀態(tài)不同：這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類狀態(tài)；低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（特殊情況下可在乙類）高頻功率放大器則一般都工作于丙類（特殊情況下可在乙類）n分類分類根據(jù)對象特點，一般采用根據(jù)對象特點，一般采用諧振功率放大器諧振功率放大器；也可采用也可采用寬帶功率放大器寬帶功率放大器。諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同之處諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同之處 相同之處：相同之處：1 1）放大的信號均為高頻信號放大的信號均為高頻信號； 2 2）都采用諧振回路作負載都采用諧振回路作負

3、載。不同之處不同之處: : 1 1）作用與要求不同。）作用與要求不同。 小信號諧振放大器主要用于高頻小信號的選頻放大，要小信號諧振放大器主要用于高頻小信號的選頻放大，要求有較高的選擇性和諧振增益。求有較高的選擇性和諧振增益。 諧振功率放大器主要用于高頻信號的功率放大。要求效諧振功率放大器主要用于高頻信號的功率放大。要求效率高，輸出功率大。率高，輸出功率大。不同之處不同之處（續(xù)）（續(xù)） 2 2）工作狀態(tài)不同。）工作狀態(tài)不同。 小信號諧振放大器輸入信號很小，要求失真小，故工作在小信號諧振放大器輸入信號很小，要求失真小，故工作在甲類狀態(tài)；甲類狀態(tài)； 諧振功率放大器為大信號放大器，為了提高效率，工作在

4、諧振功率放大器為大信號放大器，為了提高效率，工作在丙類狀態(tài)。丙類狀態(tài)。3 3）對諧振回路要求不同。）對諧振回路要求不同。 小信號諧振放大器中諧振回路主要用來選擇有用信號，抑小信號諧振放大器中諧振回路主要用來選擇有用信號，抑制干擾信號，要求它有較高的選擇性，故的制干擾信號，要求它有較高的選擇性，故的Q Q值較高；值較高； 諧振功率放大器的諧振回路主要是用于抑制諧波，實現(xiàn)阻諧振功率放大器的諧振回路主要是用于抑制諧波，實現(xiàn)阻抗匹配，輸出大功率，所以回路的抗匹配，輸出大功率，所以回路的Q Q值較低。值較低。icQebtooict小信號諧振放大器波形圖小信號諧振放大器波形圖 icebtooictVBZ諧

5、振功率放大器波形圖諧振功率放大器波形圖高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題高效率輸出高效率輸出高功率輸出高功率輸出 放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。為了進一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。工作狀態(tài)工作狀態(tài)半導(dǎo)通角半導(dǎo)通角理想效率理想效率負載負載應(yīng)用應(yīng)用甲類甲類18018050%50%電阻電阻低頻低頻小信號低功小信號低功率放大率放大乙類乙類909078.5%78.5%推挽，回路推挽，回路低頻、高頻低頻、高頻大功率放大大功率放大

6、丙類丙類9078.5%78.5%選頻回路選頻回路高頻高頻大功率放大大功率放大 高頻功率放大器大多工作于高頻功率放大器大多工作于丙類丙類，但丙類放大器的電流波形失，但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負載的諧振功率放大。為負載的諧振功率放大。n諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性性電路，因此不能使用線性等效電路來分析。電路，因此不能使用線性等效電路來分析。n主要分析方法主要分析方法： 1 1）圖解法，利用電子器件的特性曲線來對它的工作狀）

7、圖解法，利用電子器件的特性曲線來對它的工作狀態(tài)進行計算；態(tài)進行計算； 2 2）解析）解析近似分析法近似分析法，是用折線段來表示電子器件的特，是用折線段來表示電子器件的特性曲線，稱為折線法。性曲線，稱為折線法。n主要技術(shù)指標主要技術(shù)指標：輸出功率輸出功率、效率效率、中心頻率中心頻率3 3.1 .1 丙類丙類諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理一、基本一、基本工作原理工作原理1 1、電路組成、電路組成高頻功率放大器的原理線路高頻功率放大器的原理線路, , 除電源和偏置電路外除電源和偏置電路外, , 它由它由晶體管、諧振回路晶體管、諧振回路和和輸入回路輸入回路三部分組成的。三部分組成的。

8、 n工作在工作在丙類狀態(tài)丙類狀態(tài), ,在一個信號周期內(nèi)功放管導(dǎo)通角小于在一個信號周期內(nèi)功放管導(dǎo)通角小于1801800 0n靜態(tài)靜態(tài)時發(fā)射結(jié)反偏時發(fā)射結(jié)反偏, ,工作在工作在截止區(qū)截止區(qū); ;n輸入激勵輸入激勵大信號，大信號，一般在一般在0.5V0.5V以上；以上；n基極電流和集電極電流均為基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號高頻脈沖信號；n諧振回路作諧振回路作負載選取有用頻率分量負載選取有用頻率分量，兼有阻抗變換作用，兼有阻抗變換作用 基極較小的激勵信號基極較小的激勵信號V Vb b控制三極管得到較大的集電極控制三極管得到較大的集電極電流電流iC，實現(xiàn)了，實現(xiàn)了電源直流能量到輸出交流能量的轉(zhuǎn)換

9、電源直流能量到輸出交流能量的轉(zhuǎn)換。 為了為了獲得高輸出效率，放大器通常工作在丙類，只有小部分獲得高輸出效率，放大器通常工作在丙類，只有小部分時間導(dǎo)通。時間導(dǎo)通。此時此時集電極電流集電極電流iC為一系列脈沖電流為一系列脈沖電流。諧振回路諧振回路LCLC是晶體管的負載是晶體管的負載，負載采用，負載采用LCLC諧振回路的原因諧振回路的原因：1) 1)濾波濾波/ /選頻作用選頻作用：濾除：濾除iC中的諧波，選出基波；中的諧波，選出基波；2) 2)阻抗匹配阻抗匹配作用作用：使輸出負載經(jīng)阻抗變換后與最佳諧振電阻：使輸出負載經(jīng)阻抗變換后與最佳諧振電阻相等，滿足最大功率傳輸。相等，滿足最大功率傳輸。 基極電源

10、基極電源VBBVBB應(yīng)小于截止區(qū)電壓應(yīng)小于截止區(qū)電壓以保證晶體管工作于丙類狀態(tài)，一以保證晶體管工作于丙類狀態(tài)，一般般V VBBBB略小于略小于0 0。 集電極電壓集電極電壓VCCVCC是功率放大器是功率放大器的能量來源。的能量來源。2 2、電流、電壓波形、電流、電壓波形cos BEBBiBBimuVuVUt當基極輸入一余弦高頻信號當基極輸入一余弦高頻信號ui時時 當當uBE的瞬時值大于基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓的瞬時值大于基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓uBE(on)時，時，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生基極電流晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生基極電流iB。 因為管子只在小半周期內(nèi)導(dǎo)通，因而因為管子只在小半周期內(nèi)導(dǎo)通，因而iB為

11、脈沖電流?；鶚O為脈沖電流?；鶚O導(dǎo)通后，晶體管便由截止區(qū)進入放大區(qū)，集電極將流過電流導(dǎo)通后，晶體管便由截止區(qū)進入放大區(qū)，集電極將流過電流iC，放大后的放大后的iC也為脈沖電流。也為脈沖電流。 iC為周期函數(shù)，可用傅立葉級數(shù)展開成包括直流、基波和為周期函數(shù)，可用傅立葉級數(shù)展開成包括直流、基波和高次諧波的表達式高次諧波的表達式01201( )coscos2cosCCcmcmCcmnnitIItItIIn t 當集電極回路調(diào)諧在輸入信號頻率當集電極回路調(diào)諧在輸入信號頻率 上時，諧振回路對基波上時，諧振回路對基波電流而言，等效為一純電阻。電流而言，等效為一純電阻。 對于其他各次諧波而言，回路失諧而呈現(xiàn)很

12、小的電抗，并可對于其他各次諧波而言，回路失諧而呈現(xiàn)很小的電抗，并可看成短路?？闯啥搪?。 直流分量只能通過回路電感線圈去路，其直流電阻較小，對直流分量只能通過回路電感線圈去路，其直流電阻較小，對直流也可看成短路。直流也可看成短路。 集電極電流流經(jīng)諧振回路時，只有集電極電流流經(jīng)諧振回路時，只有基波電流基波電流才產(chǎn)生壓降，才產(chǎn)生壓降，因而因而LCLC諧振回路兩端輸出不失真的高頻信號電壓。若回路諧振諧振回路兩端輸出不失真的高頻信號電壓。若回路諧振電阻為電阻為Re，則，則11coscos,cc mecmcmc meuIRtUtUIR 其中cosCECCcCCcmuVuVUta. a.三極管輸入特性三極管

13、輸入特性b. b.基極脈沖電流及諧波分量基極脈沖電流及諧波分量c. c.集電極脈沖電流及諧波分量集電極脈沖電流及諧波分量d. d.LCLC諧振回路兩端電壓波形諧振回路兩端電壓波形e. e.晶體管集電極和發(fā)射極之間晶體管集電極和發(fā)射極之間的瞬時電壓波形的瞬時電壓波形二、余弦電流脈沖的分解二、余弦電流脈沖的分解()cosccBBimBE onigtUVU()()() cbeBE onBEBE oncg uUuUi()0 BEBE oncuUicos BEBBiBBimuVuVUt()cosBE oBmnBiVUU余弦電流脈沖的主要參量余弦電流脈沖的主要參量 和和 ，如圖，如圖maxCicct0Ci

14、 當當 時，時， coscosccimig Utmax0cCtii而當時，max1cosCcimg UiOtCicm axCicmaxcoscos1 cosCCtii利用傅立葉級數(shù)可展開為利用傅立葉級數(shù)可展開為01cosCCcnmniIIn t應(yīng)用傅里葉級數(shù)方法可求出各個分量，它們都是應(yīng)用傅里葉級數(shù)方法可求出各個分量，它們都是 的函數(shù)。的函數(shù)。0max0( )CCIi1max1( )C mCIi max( )CnmCnIi()稱為余弦脈沖電流分解系數(shù)，其大小是導(dǎo)通角的函數(shù)。稱為余弦脈沖電流分解系數(shù)，其大小是導(dǎo)通角的函數(shù)。三、輸出功率與效率三、輸出功率與效率 由于輸出回路調(diào)諧在基波頻率上，輸出電

15、路中的高次諧由于輸出回路調(diào)諧在基波頻率上，輸出電路中的高次諧波處于失諧狀態(tài)，相應(yīng)的輸出電壓很小。因此，在諧振功率波處于失諧狀態(tài)，相應(yīng)的輸出電壓很小。因此，在諧振功率放大器中只需要研究直流及基波功率。放大器中只需要研究直流及基波功率。輸出功率輸出功率P Po o等于集電極基波分量在負載上的平均功率，即：等于集電極基波分量在負載上的平均功率，即：22cmcmc1mc1mee11222oUPUIIRR集電極直流電源供給功率集電極直流電源供給功率P PD D等于集電極直流分量等于集電極直流分量I IC0C0與與V VCCCC的的乘積，即：乘積，即：C0DCCPI V 集電極耗散功率集電極耗散功率P P

16、C C等于集電極直流供給功率等于集電極直流供給功率P PD D與基波輸出與基波輸出功率功率P Po o之差，即之差，即: :CDoPPP 集電極效率集電極效率 C C等于輸出功率等于輸出功率P Po o與直流電源供給功率與直流電源供給功率P PD D之之比，即：比，即：C1C02omcmCDCCPIUPI V110( )11( )2( )2cmCCCUgV cmCCUV其中為集電極電壓利用系數(shù)為集電極電壓利用系數(shù)c1m110C0( )( )=( )IgI 為波形系數(shù)為波形系數(shù)1( )g值越小，越大，放大器的效率也越高。1在時，可看不同工作狀態(tài)下放大器的效率分別為:甲類工作狀態(tài)甲類工作狀態(tài)乙類工

17、作狀態(tài)乙類工作狀態(tài)丙類工作狀態(tài)丙類工作狀態(tài)1180 ,( )1,=50%Cg190 ,( )1.57,=78.5%Cg160 ,( )1.8,=90%Cgmax3.1.1V=245=70 , =0.9CCoCDCCeVPWPPiR如圖所示，已知，求該功率放大器的、 、和諧振回路諧振電阻例：01(70 )0.25,(70 )0.44查表可得，10( )110.440.979%2( )20.25C 56.30.79oDCPPW6.351.3CDoPPPW1max1( )2oCCCPiV max121.05( )oCCCPiAV cmc1m1max46.8( )CCeCUVRIi cmc1m12oP

18、UIcmCCUVc1m1max( )CIi 3 3. .2 2 諧振功率放大器的諧振功率放大器的特性分析特性分析 諧振功率放大器的輸出功率、效率及集電極損耗諧振功率放大器的輸出功率、效率及集電極損耗都與集電極負載負載諧振阻抗都與集電極負載負載諧振阻抗R Rp p、輸入信號的幅度、輸入信號的幅度v vb b、基極偏置電壓基極偏置電壓V VCCCC、以及集電極電源電壓、以及集電極電源電壓V VBBBB等的大小密等的大小密切相關(guān)，其中集電極負載阻抗的影響尤為重要。切相關(guān)，其中集電極負載阻抗的影響尤為重要。 一、一、 諧振諧振功率放大器的功率放大器的工作狀態(tài)工作狀態(tài)與負載特性與負載特性諧振功率放大器的

19、工作狀態(tài)是由負載阻抗諧振功率放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗R Rp p、激勵電壓、激勵電壓v vb b、供電電壓供電電壓V VCCCC、V VBBBB等等4 4個參量決定的。個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。樣的變化。如果如果V VCCCC、V VBBBB、v vb b 3 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻就由負載電阻R Rp p決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、決定。

20、此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨功率、效率等隨R Rp p而變化的特性，就叫做放大器的而變化的特性，就叫做放大器的負載特負載特性（曲線）性（曲線）。在討論放大器的負載特性之前，先討論放大器的在討論放大器的負載特性之前，先討論放大器的動態(tài)特動態(tài)特性（曲線）性（曲線） 。動態(tài)特性是考慮了負載的反作用后獲得的。動態(tài)特性是考慮了負載的反作用后獲得的v vC C、v vB B 和和i iC C的關(guān)系曲線，也稱的關(guān)系曲線，也稱負載線負載線。1 1、欠壓、臨界和過壓、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)工作狀態(tài)n高頻諧振功率放大器根據(jù)集電極電流是否進入飽和區(qū)高頻諧振功率放大器根據(jù)集電極電流是否進入飽和區(qū)可以

21、分為欠壓、可以分為欠壓、 臨界和過壓三種狀態(tài)臨界和過壓三種狀態(tài) 。n在在臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)，晶體管的輸出功率最大，功放一般工作，晶體管的輸出功率最大，功放一般工作于此狀態(tài)。于此狀態(tài)。minminmin,CECEsCECEsCECEsUuUuUu功放工作在欠壓狀態(tài)；功放工作在臨界狀態(tài)；功放工作在過壓狀態(tài)。綠線：欠壓狀態(tài)綠線：欠壓狀態(tài)為尖頂余弦脈沖。為尖頂余弦脈沖。藍線：臨界狀態(tài)藍線：臨界狀態(tài)仍為尖頂余弦脈仍為尖頂余弦脈 沖，但頂端變化平緩。沖，但頂端變化平緩。棕線：過壓狀態(tài)棕線：過壓狀態(tài)為中間凹陷的余為中間凹陷的余 弦脈沖。弦脈沖。n三種工作狀態(tài)的比較三種工作狀態(tài)的比較n欠壓狀態(tài)欠壓狀態(tài):Ic1m

22、基本不隨基本不隨RP變化，可視為恒流源；變化，可視為恒流源； 輸出功率與效率較低，隨輸出功率與效率較低，隨RP增加而增大；增加而增大； 集電極耗散功率大，隨集電極耗散功率大，隨RP增加而減小。增加而減小。 很少工作于該狀態(tài)，可用于基極調(diào)幅。很少工作于該狀態(tài)，可用于基極調(diào)幅。n臨界狀態(tài)：輸出功率最大，效率較高臨界狀態(tài)：輸出功率最大，效率較高， 一般末級功率放大采用。一般末級功率放大采用。n過壓狀態(tài)：可分為強過壓和弱過壓兩種。過壓狀態(tài)：可分為強過壓和弱過壓兩種。 在弱過壓狀態(tài)下在弱過壓狀態(tài)下,Vcm基本不隨基本不隨RP變化，變化，可視為恒壓源，效率可達最高，但輸出功率有所可視為恒壓源，效率可達最高，但輸出功率有所下降，一般用于中間級放大。下降，一般用于中間級放大。2 2、負載特性負載特性指指V VCCCC、V VBBBB、U Uimim不變時，不變時，諧振負載諧振負載R RP P變化對放大器性能的影變化對放大器性能的影響響 min231ppccpccpcecesppcRiURRUuURUURR臨界臨界飽和小小過壓狀態(tài)出現(xiàn)凹頂臨界狀欠壓態(tài)較大狀態(tài)增長緩慢2211222U222UccpcpcccpcpcppcPI RPI R