諧振功率放大器課件

高頻電子線路內(nèi)容二、諧振功率放大器主要內(nèi)容:1主要用途及與其他放大器的比較2諧振功率放大器的工作原理丙類諧振功率放大器丁類和戊類諧振功率放大器倍頻器3諧振功率放大器的性能特點近似分析辦法欠壓,臨界和過壓狀態(tài)四個電壓量對性能影響的定性討論負載特性調(diào)制特性放大特性4諧振功率放大器電路直流饋電電路濾波匹配電路諧振功率放大器電路5高頻功率放大器高頻功率管及其大信號輸入和輸出阻抗高頻功率放大器設(shè)計舉例放大高頻大信號使發(fā)射機末級獲得足夠大的發(fā)射功率。高效率輸出高功率輸出為什么要使用高頻功放？使用高頻功率放大器的目的高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題？高頻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：它們放大的信號均為高頻信號，而且放大器的負載均為諧振回路。不同之處：激勵信號幅度大小不同；放大器工作點不同；晶體管動態(tài)范圍不同。圖小信號諧振放大器波形圖

諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同：首先，都是功放，都要求輸出功率大和效率高。

都要把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量。效率越高，表明轉(zhuǎn)換的交流能量越多。

諧振功率放大器：它的負載必須是諧振回路，通常用來放大窄帶高頻信號(信號的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(c＜90)。

非諧振放大器：它的負載為無調(diào)諧負載，可分為低頻非諧振功率放大器和寬帶高頻功率放大器。圖3─12晶體管高頻功率放大器的原理線路高功放的工作原理工作原理圖3-12是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路。除電源和偏置電路外，它是由晶體管、諧振回路和輸入回路三部分組成。

1．電流、電壓波形設(shè)輸入信號為圖尖頂余弦脈沖其中：尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)由圖可以看出，放大器的負載為并聯(lián)諧振回路，回路輸出的電壓為按圖規(guī)定的電壓方向，集電極電壓為

Pc變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結(jié)中的熱能。定義集電極效率η為(3─25)(3─26)設(shè)其基波電流振幅為Ib1,且與ub同相(忽略實際存在的容性電流),則激勵功率為(3─27)高頻功放的功率放大倍數(shù)為(3─28)用dB表示為(3─29)下面分析基波分量Icm1、集電極效率ηc和輸出功率P1隨通角c變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。尖頂脈沖的分解系數(shù)當(dāng)c≈120時，Icm1/iCmax最大。在iCmax與負載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達到最大值。但此時放大器處于甲乙類狀態(tài)，效率太低。1.高頻功放的動態(tài)特性下面通過折線近似分析法定性分析其動態(tài)特性，動特性是指當(dāng)加上激勵信號及接上負載阻抗時,晶體管集電極電流ic與電極電壓(Ube或Uce)的關(guān)系曲線,它在ic～Uce或ic～Ube坐標(biāo)系統(tǒng)中是一條曲線。UceicUo?AEC?QUcm1UcmingdBc①欠壓狀態(tài)

B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)Uc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。②臨界狀態(tài)

負載線和Ubemax正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。③過壓狀態(tài)

放大器的負載較大，在過壓區(qū)，隨著負載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。圖電壓、電流隨負載變化波形2．高頻功放的工作狀態(tài)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)可以分為欠壓、臨界和過壓三種狀態(tài)1.高頻功放的負載特性UBEiC?EB?EB’UbeiCgCUbm?UbemaxiCmaxUceiCEC?QUceminUcesgd?vbemax???Ucemingcr?過壓區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)Ubemax1.高頻功放的負載特性iCuceubemax過壓區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓過壓0臨界RL欠壓過壓0臨界RLEnd欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)的特點：結(jié)論：欠壓：恒流，Vcm變化，較小，ηc低，Pc較大；過壓：恒壓，Icm1變化，較小，ηc可達最高；臨界：最大，ηc較高；最佳工作狀態(tài)發(fā)射機末級中間放大級1.高頻功放的負載特性欠壓過壓0臨界Rp欠壓過壓0臨界RL2高頻功放的振幅特性uceiCubemax1ubemax2?QECubemax4????iCubemax3??欠壓過壓0臨界Vbm欠壓過壓0臨界Vbm3.調(diào)制特性(1)基極調(diào)制特性基極調(diào)幅作用是通過改變EB來改變Ｉcm1與Ｐ1才能實現(xiàn)的，因此，必須工作于欠壓區(qū)。ube?EBubemax1uBEiC?EBubemax2?EBubemax3uceiCubemax1ubemax2?QECubemax3????iCEB絕對值的增加等效于減少Ub，兩者都會使ubemax產(chǎn)生相同的變化uceiCubemax?QEC??QEC?QEC????iC（2)集電極調(diào)制特性過壓欠壓0臨界EC過壓欠壓0臨界VCC 集電極調(diào)幅作用是通過改變EC來改變Ｉc1與Ｐ1才能實現(xiàn)的，因此，必須工作于過壓區(qū)。

4.高頻功放的調(diào)諧特性

高頻功率放大器的高頻特性上一節(jié)以靜態(tài)特性為基礎(chǔ)，對高頻功放進行了近似的分析，只能說明高頻功放的原理，不能反映高頻工作時的其他現(xiàn)象。實際的高頻功放當(dāng)晶體管工作在“中頻區(qū)”或“高頻區(qū)”時，通常會出現(xiàn)以下的現(xiàn)象：輸出功率下降效率降低功率增益降低輸入、輸出阻抗為復(fù)阻抗這些現(xiàn)象主要是由于功放管的性能隨頻率變化（即高頻效應(yīng)）引起的。功放管的高頻效應(yīng)主要有以下幾個方面：3、發(fā)射極引線電感的影響4、飽和壓降的影響2、非線性電抗效應(yīng)1、少數(shù)載流子的渡越時間效應(yīng)一、少數(shù)載流子的渡越時間效應(yīng)渡越時間——少數(shù)載流子從基區(qū)擴散到集電極所需的時間。低頻區(qū)：小于信號周期，基區(qū)載流子的分布與外加瞬時電壓一

一對應(yīng)，各極電流與外加電壓也一一對應(yīng)。高頻區(qū)：與信號周期相當(dāng)，各極電流與外加電壓不再一一對應(yīng)，表現(xiàn)為：1.由于少數(shù)載流子在基區(qū)內(nèi)的渡越時間，當(dāng)發(fā)射極電壓由正偏轉(zhuǎn)為反偏時，基區(qū)內(nèi)的一部分載流子還來不及擴散到集電極，又被這反向偏置的電場重新推斥回發(fā)射極，形成了負脈沖，同時主脈沖的高度也有所下降。2.集電極電流基波分量落后于發(fā)射極電流，輸入、輸出產(chǎn)生附加相移。3.基極電流波形變復(fù)雜。vbet-VBBVBZ低頻高頻ieiCiB二、非線性電抗效應(yīng)三、發(fā)射極引線電感的影響高頻時引線電感可以構(gòu)成輸入、輸出之間的射極反饋耦合，會引起增益下降，并使輸入阻抗增加了一個附加的電感分量。四、飽和壓降的影響晶體管工作于高頻率時，飽和壓降隨頻率的提高而加大（趨膚效應(yīng)），如果在保持同一工作電流時：功放管中的集電結(jié)電容是隨集電結(jié)電壓變化的非線性勢壘電容，其數(shù)值可達幾十到一二百皮法。高頻時會構(gòu)成輸出與輸入間的反饋支路，頻率越高，反饋越大，會引起放大器工作不穩(wěn)定。通過它的反饋會在輸出端形成一個輸出電容，使輸出阻抗變?yōu)閺?fù)阻抗。

4.飽和壓降的影響

晶體管工作于高頻時,實驗發(fā)現(xiàn)其飽和壓降隨頻率提高而加大。

3.4高頻功率放大器的實際線路

3.4.1直流饋電線路

直流饋電線路包括集電極和基極饋電線路。下面結(jié)合集電極饋電線路和基極饋電線路說明Cb、Lb的應(yīng)用方法。圖3─25是集電極饋電線路的兩種形式:串聯(lián)饋電線路和并聯(lián)饋電線路。圖3─25(b)中晶體管、電源、諧振回路三者是并聯(lián)連接的,故稱為并聯(lián)饋電線路。串并饋直流供電電路的優(yōu)缺點并饋電路中，信號回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路安裝比較方便，調(diào)諧電容C上無高壓，安全可靠；缺點是在并饋電路中，Lb處于高頻高電位上，它對地的分布電容較大，將會直接影響回路諧振頻率的穩(wěn)定性；串饋電路的特點正好與并饋電路相反，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。2．基極饋電線路基極饋電線路也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式。圖3─28示出了幾種基極饋電形式,基極的負偏壓既可以是外加的,也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過電阻產(chǎn)生。

3.4.2輸出匹配網(wǎng)絡(luò)該雙端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有這樣的幾個特點:(1)以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率最大,即起到阻抗匹配的作用;(2)抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率,即有良好的濾波作用;(3)大多數(shù)發(fā)射機為波段工作。要適應(yīng)波段的要求。

圖3─29幾種常見的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)Π型

1.LC匹配網(wǎng)絡(luò)

圖3─29是幾種常用的LC匹配網(wǎng)絡(luò)。對于L—I型網(wǎng)絡(luò)有(3─32a)(3─32b)(3─32c)對于L-Π型網(wǎng)絡(luò)有(3─33a)(3─33b)(3─33c)圖L型匹配網(wǎng)絡(luò)(a)L-I型網(wǎng)絡(luò);(b)L-Π型網(wǎng)絡(luò)圖3─30是一超短波輸出放大器的實際電路,它工作于固定頻率。圖3─30一超短波輸出放大器的實際電路

2．耦合回路圖3─30是一短波發(fā)射機的輸出放大器，它采用互感耦合回路作輸出電路,多波段工作。圖3─30短波輸出放大器的實際線路3.4.3高頻功放的實際線路舉例圖3─31(a)是工作頻率為50MHz的晶體管諧振功率放大電路,它向50Ω外接負載提供25W功率,功率增益達7dB。(a)50MHz諧振功放電路;圖3─32高頻功放實際線路(b)175MHz諧振功放電路

3.5高效功放、功率合成與射頻模塊放大器

3.5.1D類高頻功率放大器1.電流開關(guān)型D類放大器圖3─33是電流開關(guān)型D類放大器的原理線路和波形圖，線路通過高頻變壓器T1,使晶體管V1、V2獲得反向的方波激勵電壓。圖3─33電流開關(guān)型D類放大器的線路和波形由此可得集電極回路兩端的高頻電壓有效值為集電極回路兩端的高頻電壓峰值為

V1(V2)的集電極電流為振幅等于Ic0的矩形,它的基頻分量振幅等于(2/π)Ic0。V1、V2的ic1、ic2中的基頻分量電流在集電極回路阻抗R’L(考慮了負載RL的反射電阻)兩端產(chǎn)生的基頻電壓振幅為將式(3─35)代入式(3─37),得輸出功率為(3─39)(3─38)(3─37)集電極損耗功率為(3─42)

(3─41)(3─40)

2．電壓開關(guān)型D類放大器圖3─34為一互補電壓開關(guān)型D類功放的線路及電流電壓波形。兩個同型(NPN)管串聯(lián),集電極加有恒定的直流電壓Ec。輸入功率為圖3─34電壓開關(guān)型D類功放的線路及波形由圖可見,因ic1、ic2都是半波余弦脈沖(θ=90°),所以兩管的直流電壓和負載電流分別為兩管的直流輸入功率為負載上的基波電壓UL等于uce2方波脈沖中的基波電壓分量。對uce2分解可得負載上的功率為可見此時匹配的負載電阻為

3.5.2功率