第四章 高頻功率放大器

第四章高頻功率放大器第一頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容：丙類諧振功放的特點(diǎn)丙類諧振功放的工作原理丙類諧振功放的性能分析——折線近似方法丙類諧振功放的動(dòng)態(tài)特性和負(fù)載特性。丙類諧振功放的直流饋電線路。丙類諧振功放的級(jí)間匹配問題(匹配網(wǎng)絡(luò))丁類高頻功率放大電路簡(jiǎn)介寬帶高頻功率放大器簡(jiǎn)介第二頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.1 概述一、作用與應(yīng)用：作用:高頻功率放大器的作用實(shí)際上是把電源的直流能量轉(zhuǎn)換成高頻交流能量。應(yīng)用：發(fā)射機(jī)發(fā)射無(wú)線電波高頻加熱、高頻換流、微波功率源二、高頻功放的特點(diǎn)：特點(diǎn):高頻、大功率、高效率，電路屬非線性

第三頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日三、與低頻功放、小信號(hào)諧振放大器比較1.與低頻功放相比較：相同點(diǎn)：都要求輸出功率大和效率高激勵(lì)信號(hào)幅度均為大信號(hào)不同點(diǎn)：工作頻率和相對(duì)頻帶不同負(fù)載性質(zhì)不同工作狀態(tài)不同第四頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日2.與小信號(hào)諧振放大器比較

相同點(diǎn)：放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)放大器的負(fù)載均為諧振回路不同點(diǎn)：激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同諧振網(wǎng)絡(luò)的作用不同工作狀態(tài)不同第五頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日第六頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日四、高頻功放的分析方法圖解法：利用電子器件的特性曲線來(lái)分析它的工作狀態(tài)解析近似分析法：把電子器件的特性曲線用某些近似解析式來(lái)表示——最常用的是折線法第七頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日五、高頻功放中用作放大的有源期間晶體管：千瓦級(jí)以下電子管：千瓦級(jí)以上第八頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日六、高頻功放管的主要技術(shù)指標(biāo)輸出功率大效率高諧波分量盡量小第九頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.2 諧振功率放大器分析

4.2.1諧振功率放大器的工作原理：一、獲得高效率所需要的條件：能量轉(zhuǎn)換效率：或?qū)懗桑旱谑?yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日諧振功率放大器的原理電路第十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日電路說(shuō)明：三極管V在工作時(shí)應(yīng)處于丙類工作狀態(tài)，只有小部分時(shí)間導(dǎo)通。LC諧振回路起到濾波和匹配作用?；鶚O電源VBB應(yīng)小于死區(qū)電壓以保證晶體管工作于丙類狀態(tài)，一般VBB略小于0。集電極電壓VCC是功率放大器的能量來(lái)源。三種工作狀態(tài)：半導(dǎo)通角，為甲類工作狀態(tài)半導(dǎo)通角，為乙類工作狀態(tài)半導(dǎo)通角，為丙類工作狀態(tài)第十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日二、電路性能的分析1、采用的分析方法——準(zhǔn)線性的折線近似分析法：將電子器件特性曲線理想化，即將每一條特性曲線用一條或幾條(組成折線)來(lái)代替，這樣就可以用簡(jiǎn)單的數(shù)字解釋或來(lái)代表電子器件的特性曲線。優(yōu)點(diǎn):物理概念清楚，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，而概括性的理論分析、工程近似估算已滿足要求。缺點(diǎn):精度較低。第十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日二、電路性能的分析2、工作原理（余弦脈沖分解）：設(shè)輸入ui為一余弦信號(hào):則三極管的外部特性：因?yàn)楣茏又辉谛“胫芷趦?nèi)導(dǎo)通，因而iB為脈沖電流。放大后的iC也為脈沖電流。根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)展開得：第十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日2、工作原理（余弦脈沖分解）：考慮LC諧振回路對(duì)各次諧波的作用不同得：因而：見下頁(yè)：第十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日波形分析：波形分析：三極管輸入特性基極脈沖電流及諧波分量集電極脈沖電流及諧波分量LC諧振回路兩端電壓波形晶體管集電極和發(fā)射極之間的瞬時(shí)電壓波形第十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日3、功率與效率放大器的輸出功率：集電極直流供給功率：集電極效率：第十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日4、導(dǎo)通角的選擇1）等幅波功率放大2）調(diào)幅波功率放大3）n次諧波倍頻第十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日4.2.2諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析一、諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析1、晶體管特性的折線化臨界線:左邊飽和區(qū)，過壓狀態(tài)

右邊放大區(qū)，欠壓狀態(tài)臨界線方程:或：

第二十頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日1、晶體管特性的折線化

ic與激勵(lì)電壓的關(guān)系:（截止)

(放大)第二十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日2、諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析1）動(dòng)態(tài)特性的定義：動(dòng)態(tài)特性曲線是在晶體管輸出特性和轉(zhuǎn)移特性上畫出諧振功率放大器瞬時(shí)工作點(diǎn)的軌跡。

2）放大區(qū)動(dòng)態(tài)特性方程:ube=Vbb+Ubcosωt

(1)uce=Vcc

–Uccosωt

(2)ic=g(ube

–Vbz)

(3)第二十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日由(2)式變換代入(1)式可得：再代入上(3)式得:ic=gd(uce

–Vo)式中:

第二十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日3、動(dòng)態(tài)特性直線的作法:兩點(diǎn)確定一直線的方法

令ic=0，則uce=Vo，得B點(diǎn)令ωt=π/2，ube=Vbb，uce=Vcc

得Q點(diǎn)

連接B、Q點(diǎn)，并延長(zhǎng)與臨界線相交于A點(diǎn)第二十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日整體動(dòng)態(tài)特性第二十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日4）諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻可用動(dòng)態(tài)線斜率的倒數(shù)求得動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻既與導(dǎo)通角有關(guān)，又與諧振電阻有關(guān)動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻一般不等于負(fù)載電阻第二十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日二、諧振功率放大器的3種工作狀態(tài)——高頻功率放大器的負(fù)載特性負(fù)載特性:即放大器Vcc、Vbb、Ub-定時(shí)，負(fù)載電阻改變引起Ico、Ic1和Po、η變化的特性。1、3種工作狀態(tài)Vcc、Vbb、Ub不變，Rp<Recr欠壓狀態(tài)

=Recr臨界狀態(tài)

>Recr過壓狀態(tài)第二十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日第二十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日RP變化對(duì)集電極余弦脈沖的影響第三十頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日2、負(fù)載特性曲線:Ic1、Ico、Uc~Rp關(guān)系:欠壓區(qū)—臨界線內(nèi)臨界—過壓區(qū)Rp<Rcer欠壓區(qū)，放大區(qū)近似恒流源Rp>Rcer過壓區(qū)，放大區(qū)近似恒壓源第三十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日Po、P~、Pc、η~Rp關(guān)系

Rp 小→大狀態(tài):欠壓→臨界→過壓P~ 小→大→小Po 大→小→更小Pc 大→小→更小η 小→大→大→略降P~在臨界有最大值、選放大器在臨界狀態(tài)第三十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日三種工作狀態(tài)比較

欠壓狀態(tài)過壓狀態(tài)臨界狀態(tài)第三十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日三、各極電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響1、Vcc變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響—集電極調(diào)制特性當(dāng)Vbb、Ubm和Rp—定，放大器的性能隨Vcc變化的特性稱為集電極調(diào)制特性。第三十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日Rp=常數(shù)，特性1、2、3斜率不變第三十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)制特性:1、Vcc改變會(huì)使Ucm改變，即Vcc可控制高頻振幅，有調(diào)幅作用。2、在過壓狀態(tài)區(qū),Vcc對(duì)Ucm有較大作用。3、集電極調(diào)幅應(yīng)選擇在過壓區(qū)，此區(qū)域內(nèi)Vcc對(duì)Uc控制靈敏效率η高。第三十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日2、Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響動(dòng)態(tài)線斜率不變靜態(tài)特性曲線UBEmax向上平移第三十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日3、Vbb變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響Rp、Vcc恒定，Vbb變化對(duì)放大器的性能的影響稱基極調(diào)制特性(基極電壓對(duì)輸出的影響)第三十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日四、諧振功率放大器工作狀態(tài)的計(jì)算步驟：1、首先求出集電極電流脈沖的兩個(gè)主要參量：icmax、cosθ2、求出電流余弦脈沖的各諧波分量3、求出相應(yīng)的功率與效率舉例：第三十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日舉例：有一個(gè)用硅NPN外延平面型高頻功率管做成的諧振功率放大器，設(shè)已知VCC=24V，PO=2W,工作頻率f=1MHz。試求其集電極耗散功率、效率、基極激勵(lì)功率。由晶體管手冊(cè)已知其有關(guān)參數(shù)為：fT≥

70MHz，功率增益GP≥13dB，安全工作電流Icmax=750mA，集電極飽和壓降UCES≥1.5V，集電極最大耗散功率PCM=1W第四十頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.3諧振功率放大器電路組成一、直流饋電線路：饋電線路及其作用饋電線路的方式:(串聯(lián)、并聯(lián))饋電線路的基本要求：1）要保證Vcc、Vbb暢通無(wú)阻地全部加到放大管的集電極或基極上2）直流饋電線路還要盡可能不消耗高頻信號(hào)功率第四十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日一、集電極饋電線路

1、集電極饋電線路的要求P.111：①-④2、串并聯(lián)饋電方式線路分析

第四十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日a)串聯(lián)饋電:組件作用輸出回路：直流通路:Vcc⊕

→L′

→L→BGC極→e→

交流通路:uce

→ic

→C′

→LC→uc第四十三頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日b)并聯(lián)饋電:組件作用直流通路:Vcc⊕

→L′

→BGC極→e→Vcc交流通路:BGC→ic

→C′′

→LC→e饋電組件的選擇，C′和L′的確定第四十四頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日3、串、并饋直流供電線路的優(yōu)缺點(diǎn)見P112第四十五頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日二、基極饋電線路第四十六頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日幾種常用的自偏電路第四十七頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日4.3.2輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)1、作用2、LC匹配網(wǎng)絡(luò)3、耦合回路第四十八頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.4丁(D)類高頻功率放大電路簡(jiǎn)介丁類放大電路中，三極管處于開關(guān)狀態(tài);在理想情況下，丁類高頻功率放大電路的效率可達(dá)100%，實(shí)際情況下也可達(dá)90%左右。4.4.1電流開關(guān)型D類放大器4.4.2電壓開關(guān)型D類放大器第四十九頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.5寬帶高頻功率放大器簡(jiǎn)介1.傳輸線變壓器工作原理傳輸線變壓器的工作方式是傳輸線原理與變壓器原理的結(jié)合，其主要特點(diǎn)是工作頻帶極寬。如圖1:1傳輸線變壓器：第五十頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日2.傳輸線變壓器的應(yīng)用第五十一頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日§4.6功率合成器定義：功率合成與分配應(yīng)用舉例：第五十二頁(yè)，共五十四頁(yè)，2022年，8月28日本章小結(jié)：1.高頻功率