《通信電子線路》課件3高放2

1、3.1 引言 3.2 丙類(lèi)諧振功率放大器的基本原理 3.3 丙類(lèi)功放的性能分析3.4 晶體管功放的高頻特性3.5 諧振功率放大器電路3.6 倍頻器3.7 功率合成技術(shù) 第3章 高頻諧振功率放大器 3.4 晶體管功放的高頻特性前言：對(duì)于晶體管，Cbc在f0.5f 時(shí)，可以忽略其對(duì)電路的影響。高頻中：f0.5f 我們叫其為低頻區(qū)，這是一個(gè)相對(duì)的稱(chēng)呼。按功放工作頻率相對(duì)于fT劃分區(qū)域可分為： f0.5f 低頻區(qū)，忽略所有電抗的影響0.5f f0.2fT 中頻區(qū)，只考慮容抗0.2fT f 高頻區(qū)，考慮全部電抗的影響下面定性分析頻率對(duì)晶體管功放的影響一、基區(qū)內(nèi)非平衡少子的影響1.平均渡越時(shí)間在基區(qū)內(nèi)，非

2、平衡少子自發(fā)射極到集電極所需要的時(shí)間叫渡越時(shí)間。平均渡越角：例：顯然，工作頻率越高，渡越角越大2.低頻時(shí)：3.高頻時(shí)： 射極電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的拖尾（反向脈沖），相應(yīng)集電極電流滯后，通角變大，導(dǎo)致效率降低。二、rbb的影響低頻時(shí)： rbb rbe 高頻時(shí)： rbe與rbb可相比較此時(shí)rbb上的壓降加大，導(dǎo)致Vbm加大三、飽和壓降的影響 晶體管工作于高頻時(shí), 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其飽和壓降隨頻率提高而加大。四、 發(fā)射極引線電感的影響 在高頻時(shí)，各電極引線電感的影響不可忽略。在共發(fā)射極電路中，尤其以發(fā)射極引線電感的影響最為嚴(yán)重。 相當(dāng)于射極引入一個(gè)反饋，使Vbe下降，從而使Po下降，即功放管增益下降。為了減小引

3、線電感，除了改進(jìn)晶體管結(jié)構(gòu)外，在電路安裝時(shí)應(yīng)盡量縮短管外引線，尤其時(shí)公共端對(duì)地的引線，以免使功放管增益下降，或產(chǎn)生不需要的反饋和使工作不穩(wěn)定。 3.5 諧振功率放大器電路 諧振功率放大器電路包括集電極饋電電路、基極饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)等，下面分別加以敘述3.5.1 各極饋電電路的構(gòu)成法則滿(mǎn)足條件一、集電極電路 為了盡可能的將直流能量轉(zhuǎn)換成高頻能量，饋電線路應(yīng)滿(mǎn)足：1.管外電路盡可能無(wú)電阻，即IC0m流過(guò)直流源VCC，電源給出能量。2.IC1m通道：管外電路除諧振回路外無(wú)電阻，IC1m流過(guò)回路，得到高頻能量。3.Icnm通道：管外電路短路無(wú)電阻， Icnm流過(guò)回路不產(chǎn)生壓降，不產(chǎn)生高頻輸出。二、基

4、極電路1.VBB加在B、E極之間，通路中無(wú)損耗。2.Vb（t）加在B、E極之間，通路中無(wú)損耗。3.5.2 集電極饋電電路饋電電路分串饋和并饋兩種。串饋是指直流電源，晶體管和負(fù)載三部分在電路形式上串聯(lián)。并饋是指直流電源，晶體管和負(fù)載三部分在電路形式上并聯(lián)。但無(wú)論哪種電路形式, 直流偏壓與交流電壓總是串聯(lián)迭加的。一、串聯(lián)饋電 (a)集電極直流饋電電路LC高頻扼流圈，與 CC 構(gòu)成電源濾波電路。在信號(hào)頻率上 LC 的感抗很大，接近開(kāi)路；CC 的容抗很小，接近短路，避免信號(hào)電流通過(guò)直流電源而產(chǎn)生級(jí)間反饋，造成工作不穩(wěn)定。1.滿(mǎn)足構(gòu)成法則 對(duì)IC0m，回路上只經(jīng)過(guò)VCC；對(duì)IC1m，回路上LC諧振，無(wú)

5、電阻；對(duì)Icn，回路上LC處于失諧狀態(tài)。2.容抗 ，很小，可近似為短路。 感抗 ，很大，可近似為開(kāi)路。3.優(yōu)點(diǎn)：LC與CC處于高頻地電位，它們的分布電容不影 響回路的諧振頻率。 缺點(diǎn)：LC回路處于直流高電位，不能接地，安裝調(diào)整 不方便。 (a)二、并聯(lián)饋電 (b)集電極直流饋電電路LC 高頻扼流圈；CC1 隔直電容；CC2 電源濾波電容。在信號(hào)頻率上，LC 感抗很大，接近開(kāi)路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。雖然電源與濾波匹配網(wǎng)絡(luò)在形式上是并聯(lián)的，但濾波匹配網(wǎng)絡(luò)兩端電壓 vc (t) 直接反映在 LC 上，因而vCE = VCC + vc。與串饋電路相同。1.滿(mǎn)足構(gòu)成法則 2.容抗 ，很

6、小，可近似為短路。 感抗 ，很大，可近似為開(kāi)路。3.優(yōu)點(diǎn)：回路處于直流地電位, L、C元件可接地, 故安裝 調(diào)整方便。 缺點(diǎn)：Lc和Cc1不處于高頻地電位,并接在回路上，承 受較高的交流電壓，所以 它們對(duì)地的分布電容 直接影響回路的諧振頻率。注：以上兩種電路均滿(mǎn)足(3)串饋與并饋的比較相同點(diǎn)：兩種饋電方式，VCC 都能全部加到集電極上。不同點(diǎn)：濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的接入方式。(a) (b)集電極直流饋電電路 串饋：濾波匹配網(wǎng)絡(luò)處于直流高電位上，網(wǎng)絡(luò)元件不能直接接地。 并饋： CC1 隔直流，匹配網(wǎng)絡(luò)處于直流地電位上，網(wǎng)絡(luò)元件可直接接地，安裝比串饋方便。但 LC 和 CC1 與匹配網(wǎng)絡(luò)相并聯(lián)，它們的分布

7、參數(shù)影響網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧。3.5.3 基極饋電電路(1)作用為放大電路提供合適的偏置電壓，使功率管工作在丙類(lèi)。(2)常用類(lèi)型基極偏置電路三種。 (a)，基極偏置電壓由 VCC 通過(guò) RB1 和 RB2 分壓提供，為保證丙類(lèi)工作，其值應(yīng)小于功率管的導(dǎo)通電壓。 (b)、(c)，自給偏置電路。 (b)偏置電路：LB、RB、CB1。RB ：產(chǎn)生壓降，提供自偏電壓；LB ：避免 RB、CB1 對(duì)輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的旁路影響。3自給偏置電路ibi2i1(1)自給偏壓 IB0 的產(chǎn)生圖 232 (b)，vb 0 ib 0，為脈沖電流，可分解為 IB0、Ib1m、Ib2m 、由基爾霍夫定律ib = i1 + i2i2

8、通路有高扼圈 LB，僅直流電流可以通過(guò)， ib 中的直流分量為 IB0，故 i2 為 IB0。(2)自給偏置Vb(t) = 0， VBE = 0；Vb(t) 由小至大 IB0 隨之增大 VBE = IB0RB 負(fù)向增大。自給偏置效應(yīng)：這種偏置電壓隨輸入信號(hào)電壓振幅而變化的效應(yīng)。(3) 自給偏置電路的作用 用于載波功放，可以在輸入信號(hào)振幅變化時(shí)起到自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓振幅的作用。 用于正弦波振蕩器，可以穩(wěn)定振蕩幅度。 若用于線性功率放大器，會(huì)使放大器偏離乙類(lèi)工作，造成輸出信號(hào)失真，應(yīng)當(dāng)避免。例：1.T用NPN管 2.集電極串聯(lián)饋電 3.采用基極自給偏置電路 4.基極采用并聯(lián)饋電電路 5.電源電壓VC

9、C為24V。3.5.4 匹配網(wǎng)絡(luò)引言 為了使諧振功放的輸入端能夠從信號(hào)源或前級(jí)功放得到有效的功率, 輸出端能夠向負(fù)載輸出不失真的最大功率或滿(mǎn)足后級(jí)功放的要求,在諧振功放的輸入和輸出端必須加上匹配網(wǎng)絡(luò)。 匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是在所要求的信號(hào)頻帶內(nèi)進(jìn)行有效的阻抗變換(根據(jù)實(shí)際需要使功放工作在臨界點(diǎn)、 過(guò)壓區(qū)或欠壓區(qū)), 并充分濾除無(wú)用的雜散信號(hào)。 匹配網(wǎng)絡(luò)是介于末級(jí)放大器于實(shí)際負(fù)載之間的耦合回路，一般要達(dá)到如下要求：將外接負(fù)載RL變換為放大管所要求的負(fù)載Re，以保證放大器高效率的輸出所需的功率。濾波性要好，抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率。要保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大，即要求網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率 盡可能接

10、近1。結(jié)構(gòu)要求盡可能的簡(jiǎn)單。類(lèi)型：有L型， 型，T型，雙回路和多級(jí)耦合網(wǎng)絡(luò)等?；芈坊A(chǔ)：串、并聯(lián)回路的互換。一、L型網(wǎng)絡(luò)電路原理圖 按照電感和電容接在串臂或并臂的不同分為高通型和低通型兩種。當(dāng)電感L接在并臂上，是高通型；電容C接在并臂上是低通型。計(jì)算已知rA，Re和w，分別求串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的L、C。L型網(wǎng)絡(luò)：類(lèi)型：高通型、低通型：放大器所要求的匹配電阻以低通型為例：已知Re, rA, ，求 L,Cr1.求Qe2.求L、CL網(wǎng)絡(luò)的效率濾波度（越大越好）定義：負(fù)載支路中的諧波電流含量小于集電極內(nèi)諧波含 量的蓓數(shù)。對(duì)于（a）（b）兩種電路：所以低通型優(yōu)越高通型。小結(jié)：1.rA，Re確定后，Qe值

11、不可調(diào)。2.濾波度和效率之間存在矛盾。所以Qe值一般取510。二、 型網(wǎng)絡(luò)電路原理圖 按照電感和電容接在串臂或并臂的不同可有四種類(lèi)型。型網(wǎng)絡(luò)（一）.類(lèi)型：四種常用的是(a)圖所示低通型網(wǎng)絡(luò)，以(a)為例分析其匹配原理計(jì)算已知rA，Re和w，以a圖為例，分別求出L、C1和C2。方法：把 型網(wǎng)絡(luò)分解成兩個(gè)倒L型網(wǎng)絡(luò)。先求第一級(jí)， 再求第二級(jí)。等效已知：Recr， ，設(shè)Qe1，求L1, C1（1）第一級(jí)L網(wǎng)絡(luò)（2）第二級(jí)L網(wǎng)絡(luò)已知Rs， ，rA ，求L2，C2討論 型網(wǎng)絡(luò)匹配rA、Re時(shí)，需給出Q1，既實(shí)現(xiàn)阻抗變換， 還可保證一定濾波功能。2.3.三、T型網(wǎng)絡(luò)已知：Recr=Reopt, , RRe

12、opt，求XS1,XS2,XPT型網(wǎng)絡(luò)可以分析為兩個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)（1）1L:假定Qe1（2）2L：（3）討論：【3】綜合表達(dá)式見(jiàn)書(shū)P101【1】【2】如不符合使用條件，可采用 等形式例 已知某電阻性負(fù)載為10，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使該負(fù)載在20MHz時(shí)轉(zhuǎn)換為50。 如負(fù)載由10電阻和0.2H電感串聯(lián)組成，又該怎樣設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)?解：由題意可知，匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使負(fù)載值增大，可采用倒L型網(wǎng)絡(luò)。 如負(fù)載為10電阻和0.2 H電感相串聯(lián)，在相同要求下的設(shè)計(jì)步驟如下： 由1560pF和318pF兩個(gè)電容組成的倒L型匹配網(wǎng)絡(luò)即為所求，如圖例1.3(b)虛線框內(nèi)所示。這是因?yàn)樨?fù)載電感量太大， 需要用一個(gè)電容來(lái)適當(dāng)?shù)窒?/p>

13、部分電感量。在20MHz處，1560 pF電容和0.2H電感串聯(lián)后的等效電抗值與(a)圖中的0.16H電感的電抗值相等。 3.6 倍頻器（丙類(lèi)）引言定義：輸出信號(hào)的頻率比輸入信號(hào)頻率要高n倍的電路， 所以諧振放大器諧振回路的諧振頻率取為nf，實(shí) 現(xiàn)了倍頻。倍頻的目的：提高頻穩(wěn)度，因?yàn)轭l率越高，穩(wěn)定性越差； 減弱了輸入與輸出回路的寄生耦合； 在主振頻率不變的情況下，擴(kuò)展工作波段； 降低了電子設(shè)備的主振頻率； 在調(diào)頻調(diào)相發(fā)射機(jī)中，加大頻移或相移，加 深調(diào)制深度；實(shí)現(xiàn)方法：f100MHz，采用變?nèi)莨?，階躍二極管倍頻器一、基本原理諧振回路調(diào)諧在nw頻率，所以對(duì)nw頻率的信號(hào)諧振，呈現(xiàn)阻抗最大，起到選頻

14、作用。二、討論1.倍頻器不宜工作在過(guò)壓狀態(tài)，因?yàn)檫@時(shí)iC出現(xiàn)凹陷，影響到輸出功率，并且其諧波分量并不增加。 2.n的選擇：n6分析：隨著n的增加，輸出功率在下降，n如果太大，達(dá)不到目的，所以n不能太大。一般：2.通常n6n次倍頻器輸出功率為基波放大器輸出功率的1/n，同一個(gè)晶體管做倍頻器時(shí)，其集電極損耗比作放大器時(shí)大隨著倍頻次數(shù)的增加，倍頻器的效率也隨之下降對(duì)輸出效率：3.提高回路濾波能力 提高回路有載Qe 效率下降4.若n過(guò)大，低于n次諧波的電流分量比n次諧波分量幅度大，不易濾波。3.7功率合成技術(shù) 3.7.1功率合成電路的作用 3.7.2傳輸線變壓器3.7.3用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔 T 混

15、合網(wǎng)絡(luò)3.7.1功率合成電路的作用功率合成技術(shù)就是將多個(gè)功率放大器的輸出功率疊加起來(lái)，給負(fù)載提供足夠大的輸出功率。 一、功率合成A，B 兩端輸入等值同相功率，C 端負(fù)載 Rc獲得兩輸入功率的合成，而 D 端負(fù)載 Rd 上無(wú)功率輸出。 A，B 兩端輸入等值同相功率，C 端負(fù)載 Rc獲得兩輸入功率的合成，而 D 端負(fù)載 Rd 上無(wú)功率輸出。 A、B 兩輸入端輸入等值反相功率，D 端負(fù)載Rd 獲得兩輸入功率的合成，而 C 端負(fù)載 Rc 上無(wú)功率輸出。 二、彼此隔離當(dāng) Rd 和 Rc 之間滿(mǎn)足特定關(guān)系時(shí)，A、B 兩輸入端彼此隔離。 三、功率分配當(dāng) Ra = Rb 時(shí)，將功率放大器加在 D 端，功率放大

16、器的輸出功率均等地分配給 Ra 和 Rb ，且它們之間是反相的，而 C 端無(wú)功率輸出。 將功率放大器加 C端，功率放大器的輸出功率均等地分配給 Ra 和 Rb，且它們之間是同相的，而 D 端無(wú)功率輸出。 一個(gè)理想的功率合成電路應(yīng)該具有以下特點(diǎn)： N 個(gè)同類(lèi)型的功率放大器，它們的輸出振幅相等，通過(guò)功率合成器輸出給負(fù)載的功率應(yīng)等于各功率放大器輸出功率的和。 與功率合成器連接的各功率放大器彼此隔離，任何一個(gè)功率放大器發(fā)生故障時(shí)，不影響其他放大器的功率輸出。 實(shí)現(xiàn)功率合成的電路種類(lèi)很多，一般都由無(wú)源元件組成，統(tǒng)稱(chēng)為魔 T 混合網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要功率合成電路具有寬帶特性，這種功率合成電路由傳輸

17、線變壓器構(gòu)成。 3.7.2傳輸線變壓器一、變壓器和傳輸線的工作頻帶高頻變壓器：由于線圈的漏感和匝間分布電容的作用，其上限頻率只能工作在幾十兆赫，下限頻率受激磁電感量的限制。 傳輸線：傳輸線就是連接信號(hào)源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線，它的上限頻率與導(dǎo)線長(zhǎng)度 l 有關(guān)，l 越小，上限頻率 fH 越高。它的下限頻率為零。 傳輸線變壓器如圖 143 所示。圖 1-4-3傳輸線變壓器 設(shè)上限頻率 fH 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為 min ,取可以認(rèn)為： v1 = v2 = v，i1 = i2 = i 二、傳輸線變壓器的工作原理傳輸線變壓器原理圖如圖 1 44(a)所示。 將傳輸線繞于磁環(huán)上便構(gòu)成傳輸線變壓器。傳輸線可以是同軸電纜

18、、雙絞線、或帶狀線，磁環(huán)一般是鎳鋅高磁導(dǎo)率的鐵氧體。 三、傳輸線變壓器功能1對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)變換對(duì)稱(chēng) 不對(duì)稱(chēng)變換，將對(duì)地對(duì)稱(chēng)的雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地不對(duì)稱(chēng)的單端輸出信號(hào)，如圖 146(a)所示。圖 1-4-6對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)變壓器(a) 對(duì)稱(chēng)-不對(duì)稱(chēng)(b) 不對(duì)稱(chēng)-對(duì)稱(chēng)參見(jiàn)圖 144(b)，在高頻時(shí)，傳輸線變壓器以電磁能交替變換的傳輸方式傳送能量。如圖 144(c)所示，在低頻時(shí)，由于傳輸線繞在磁環(huán)上，1 端和 2 端與 3 端和 4 端的短導(dǎo)線成為較大的電感線圈，避免了信號(hào)源和負(fù)載被短接，實(shí)現(xiàn)了倒相作用。能量通過(guò)傳輸線方式和磁耦合方式傳送。不對(duì)稱(chēng) 對(duì)稱(chēng)變換，將對(duì)地不對(duì)稱(chēng)的單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地對(duì)稱(chēng)的

19、雙端輸出信號(hào)，如圖 146(b)所示。 (a) 對(duì)稱(chēng) 不對(duì)稱(chēng)(b) 不對(duì)稱(chēng) 對(duì)稱(chēng)2阻抗變換器傳輸線變壓器可以構(gòu)成阻抗變換器，由于結(jié)構(gòu)的限制，通常只能實(shí)現(xiàn)特定的阻抗比的變換。4 : 1 阻抗變換器如圖 147(a)所示，圖中阻抗關(guān)系為 實(shí)現(xiàn) 4 : 1 的阻抗變換。傳輸線變壓器的特性阻抗為 1 : 4 阻抗變換器如圖 147(b)所示，圖中阻抗關(guān)系為 實(shí)現(xiàn) 1 : 4 的阻抗變換。傳輸線變壓器的特性阻抗為 三個(gè)傳輸線變壓器均為41阻抗變換器。 前兩個(gè)級(jí)聯(lián)后作為第一級(jí)功放的輸出匹配網(wǎng)絡(luò), 總阻抗比為161, 使第二級(jí)功放的低輸入阻抗與第一級(jí)功放的高輸出阻抗實(shí)現(xiàn)匹配。第三個(gè)使第二級(jí)功放的高輸出阻抗與

20、50的負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)匹配。3.7.3用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔 T 混合網(wǎng)絡(luò)一、功率合成如圖 1-4-8 所示，Tr1 為魔 T 混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2 為對(duì)稱(chēng) 不對(duì)稱(chēng)變換器。 輸入信號(hào)接在 A 端和 B 端，根據(jù)節(jié)點(diǎn)方程 i = ia - id，i = id - ib i = ia - id，i = id - ib 求出 而ic = 2i = ia - ib i = ia - id，i = id - ib ic = 2i = ia - ib 1輸入為等值反相信號(hào) ia = ib = Imsin t，va = vb = Vmsin t 因?yàn)?ic = 0，所以 C 端無(wú)功率輸出。 vd = va + vb

21、 = 2Vmsin t， ia = ib = Imsin t，va = vb = Vmsin t 因?yàn)?ic = 0所以 C 端無(wú)功率輸出。 vd = va + vb = 2Vmsin t，D 端的輸出功率輸出功率為 A 端輸入功率和 B 端輸入功率的和。 每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載2輸入為等值同相信號(hào) ia = -ib = Imsin t， va = -vb = Vmsin t 因?yàn)?id = 0所以 D 端無(wú)功率輸出。 vc = va = -vb = Vmsin t， ic = ia - ib = 2Imsin tC 端的輸出功率輸出功率為 A 端輸入功率和 B 端輸入功率的和。 2輸入為等

22、值同相信號(hào) ia = -ib = Imsin t， va = -vb = Vmsin t 因?yàn)?id = 0，所以 D 端無(wú)功率輸出。 vc = va = -vb = Vmsin t， ic = ia - ib = 2Imsin tC 端的輸出功率輸出功率為 A 端輸入功率和 B 端輸入功率的和。 每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載3異常輸入情況 ia ib，va vb 根據(jù)電路的約束條件將代入并整理，求解出若取ia 僅與 va 有關(guān)，ib 僅與 vb 有關(guān)。實(shí)現(xiàn)了 A 端和 B 端的隔離，稱(chēng)為 A、B 間的隔離條件。 二、功率分配1同相功率分配同相功率分配電路如圖 149(a)所示。 ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ，vd = idRd = iaRa - ibRb整理得到圖 149功率分配