高頻功率放大電路-課件

第3章高頻調(diào)諧功率放大器3.1概述3.2調(diào)諧功率放大器的工作原理3.3功率和效率3.4調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析3.5調(diào)諧功率放大器的實用電路3.6功率晶體管的高頻效應3.7倍頻器3.8集成高頻功率放大電路及應用簡介1ppt課件3.1概述一、用途

高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出；作用是放大信號，使之達到足夠功率輸出，以滿足天線發(fā)射或其他負載的要求；作為載波發(fā)射機及無線電發(fā)射機輸出級或輸出前一級。二、特點

1.輸入信號強,電壓在幾百毫伏幾伏數(shù)量級附近;2.為了提高放大器的工作效率，它通常工作在丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域——飽和區(qū)、截止區(qū);3.要求：輸出功率大、效率高。2ppt課件三、分析方法

采用近似的分析方法——折線法四、諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同

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：為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。3ppt課件五、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同

共同之處都要求輸出功率大和效率高。

諧振功率放大器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)(＜90)，為了不失真的放大信號，它的負載必須是諧振回路。非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負載為無調(diào)諧負載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負載。4ppt課件3.2調(diào)諧功率放大器的工作原理3.2.1原理電路

Ec、Eb為集電極和基極的直流電源。輸入信號經(jīng)變壓器T1

耦合到晶體管基-射極，這個信號也叫激勵信號。

L、C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負載，這個回路也叫槽路。5ppt課件3.2.2晶體管特性的折線化

所謂折線近似分析法，是將電子器件的特性理想化，每條特性曲線用一組折線來代替。6ppt課件3.2.3晶體管導通的特點、導通角1.晶體管導通的特點無信號：晶體管截止有信號：激勵信號<

Eb+Uj

截止激勵信號>Eb+Uj

導通7ppt課件2.導通角

在轉(zhuǎn)移特性的放大區(qū)

假設輸入信號，則加到晶體管基-射極的電壓為，晶體管導通范圍內(nèi)集電極電流ic的表達式通常把集電極電流導通時間相對應角度的一半稱為集電極電流的導通角，用θ表示。在丙類工作狀態(tài)下θ<90°。根據(jù)導通角的定義，當時，,即（2）（1）8ppt課件3.2.4集電極余弦脈沖電流分析

式（2）代入式（1）得到當時，為最大值，用表示，則代入得到若將尖頂余弦脈沖分解為傅里葉級數(shù)其中，直流分量幅值9ppt課件基波分量幅值n次諧波分量幅值10ppt課件

、、稱作余弦脈沖分解系數(shù)，它們是導通角的函數(shù)。、的特點:1.2.從曲線可以看出：諧波次數(shù)越高其振幅值越??；對某一次諧波而言，總有一個相應的值θ可使振幅為最大值。11ppt課件3.2.5槽路電壓

1.波形——基本正弦

條件：1）槽路調(diào)諧于基波

2）QL

足夠高

2.大小

Rc——抽頭部分諧振電阻R——并聯(lián)回路諧振電阻12ppt課件3．3功率和效率

功率放大器輸出功率大，電源供給、管子發(fā)熱等問題也大。為了盡量減小損耗，合理地利用晶體管和電源，必須了解功率放大器的功率和效率問題。調(diào)諧功率放大器有如下幾種功率需要考慮：

1.電源供給的直流功率PS；

2.通過晶體管轉(zhuǎn)換的交流功率，即晶體管集電極輸出的交流功率Po

；

3.通過槽路送給負載的交流功率,即RL

上得到的功率PL;4.晶體管在能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗功率，即晶體管損耗功率PC；

5.槽路損耗功率

PT；13ppt課件

電源供給的功率PS

，一部分（PC）損耗在管子，使管子發(fā)熱；另一部分（Po）轉(zhuǎn)換為交流功率，輸出給槽路。通過槽路一部分（PT）損耗在槽路線圈和電容中，另一部分（PL）輸出給負載RL。14ppt課件1.集電極效率直流電源供給功率集電極交流輸出功率放大器的能量轉(zhuǎn)換效率（集電極效率）討論：（1）——

集電極電壓利用系數(shù)（2）——

集電極電流利用系數(shù)

↑，↑，但↓，Po↓，為了兼顧功率和效率，通常取。15ppt課件2.槽路效率PL——負載功率，RL所吸收的功率；PT——槽路損耗功率，槽路空載電阻R0所吸收的功率。取決于槽路的空載和有載品質(zhì)因數(shù)。由于受到槽路元件質(zhì)量的限制，Q0一般幾十到幾百。QL也不能太小，否則槽路濾波效果太差，輸出波形不好，一般QL=5～10。16ppt課件

結(jié)論：

為了盡可能利用小功率容量的管子和電源，輸出較大的功率，應力求和高。高要適當選取，電壓利用系數(shù)盡可能大；高，要求槽路空載品質(zhì)因數(shù)Q0大，即應選用低損耗的電感和電容元件。17ppt課件3.4調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析3.4.1調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性晶體管的靜態(tài)特性，是指集電極電路沒有負載阻抗條件下電壓與電流的變化關(guān)系。當考慮了負載的反作用后，得到的uce、ube與ic的關(guān)系曲線稱為動態(tài)特性（即實際放大器的工作特性）。當放大器工作于諧振狀態(tài)時，外部特性方程

在轉(zhuǎn)移特性的放大區(qū)，內(nèi)部特性方程18ppt課件

動態(tài)特性應同時滿足外部特性方程和內(nèi)部特性方程。聯(lián)立可得諧振功率放大器動態(tài)特性的方程，它是一條直線，只需找出兩個特殊點，就可把它繪出。

Q(Ec，)

B(，0)

作出動態(tài)特性曲線后，由它和靜態(tài)特性曲線相應交點，即可求出對應各種不同值的ic值，繪出相應的ic脈沖波形。

19ppt課件

動態(tài)線斜率值的倒數(shù)稱為諧振功率放大器的動態(tài)負載電阻，用符號表示20ppt課件3.4.2調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)及其判別方法1.調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)根據(jù)調(diào)諧功率放大器在工作時是否進入進入飽和區(qū)，可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過壓和臨界三種。

1)欠壓——晶體管在任何時刻都工作在放大狀態(tài)；

2)臨界——剛剛進入飽和區(qū)的邊緣；

3)過壓——晶體管工作時有部分時間進入飽和區(qū)。

2.工作狀態(tài)的判別方法（欠壓）（臨界）（過壓）21ppt課件3.4.3Rc,Ec,Eb和Ubm變化對放大器工作狀態(tài)的影響1.Rc變化對放大器工作狀態(tài)的影響——負載特性

負載特性是指諧振功率放大器當Ec、Eb和Ubm不變時，放大器中各個電流、電壓、功率和效率與晶體管等效負載電阻Rc之間的變化關(guān)系。22ppt課件1）三種工作狀態(tài)23ppt課件2）電流、電壓、功率、效率與Rc的關(guān)系

（1）欠壓狀態(tài)

，Ucm

幾乎隨Rc成正比增加，輸出功率Po隨Rc

增大而增加，接近常量

，隨Rc增大而增加，隨Rc增大而減小

（2）過壓狀態(tài)

輸出功率Po隨Rc

增大而減小。在臨界狀態(tài)Po

最大。24ppt課件電流、電壓、功率、效率與Rc的關(guān)系放大器的負載特性曲線25ppt課件3）三種工作狀態(tài)的比較欠壓狀態(tài)：電流Ic1m基本不隨Rc變化，輸出功率Po隨Rc增大而增加，損耗功率PC隨Rc增加而減小。當Rc很小時，易使PC超過晶體管最大允許損耗功率PCM

，因此在實際使用中要注意保證PC<PCM

。臨界狀態(tài)：放大器輸出功率最大，效率也較高，通常稱為最佳工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)：在弱過壓狀態(tài)時，輸出電壓基本上不隨Rc變化；深度過壓時，ic波形下凹嚴重，諧波增多，一般應用較少。26ppt課件

2.Ec變化對放大器工作狀態(tài)的影響——集電極調(diào)制特性

集電極調(diào)制特性是指當Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨集電極電壓Ec變化的特性。27ppt課件集電極調(diào)制特性

由于只有在過壓狀態(tài)，Ec對Ucm才能有較大的控制作用，所以集電極調(diào)幅工作在過壓狀態(tài)。uΩ28ppt課件

3.Eb變化對放大器工作狀態(tài)的影響——基極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指當Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨基極偏置電壓Eb變化的特性。29ppt課件

由于只有在欠壓狀態(tài)，Eb對Ucm才能有較大的控制作用，所以基極調(diào)幅工作在欠壓狀態(tài)?；鶚O調(diào)制特性uΩ30ppt課件4.Ubm變化對放大器工作狀態(tài)的影響——振幅特性

調(diào)諧功放的振幅特性是指當Ec、Eb

、Rc保持恒定，放大器的性能隨激勵振幅Ubm變化的特性。因為ubemax=－Eb＋Ubm，Eb和Ubm決定了放大器的ubemax，因此，改變Ubm的情況和改變Eb的情況類似。圖3-13調(diào)諧功放的振幅特性31ppt課件3．5調(diào)諧功率放大器的實用電路

調(diào)諧功率放大器由直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡組成，其作用（1）保證晶體管各電極獲得相應的饋電電源；（2）通過匹配網(wǎng)絡將交流輸出功率有效地傳輸?shù)截撦d。32ppt課件3.5.1直流饋電電路

串饋，即直流電源Ec、濾波匹配網(wǎng)絡和晶體管在電路形式上為串聯(lián)連接。

并饋，即三者在電路形式上為并聯(lián)連接。33ppt課件比較:

串饋電路中，電源與濾波匹配網(wǎng)絡串聯(lián)，因此濾波匹配網(wǎng)絡處于直流高電位上，網(wǎng)絡元件不能直接接地。

并饋電路中，電源通過高頻扼流圈供電，再加上C2隔斷直流，因此濾波匹配網(wǎng)絡可以處于直流地電位上，可以直接接地。這樣，在電路板上安裝比串饋電路方便。但饋電支路的分布參數(shù)將直接影響網(wǎng)絡調(diào)諧。34ppt課件

調(diào)諧功率放大器中，通常利用射級或基級電流在某電阻上產(chǎn)生的壓降作為基極的反向偏置電壓。這種方法叫自給偏壓法。

1.射極電流自給偏壓環(huán)節(jié)

1）電路

2）工作原理

利用ie中的直流分量在Re上產(chǎn)生的壓降作為B－E間的直流偏置電壓。3.5.2基極自給偏壓環(huán)節(jié)35ppt課件3）信號源有無直流通路——高頻扼流圈

高頻扼流圈的作用是將射極偏壓引向基極，同時也為基極直流提供通路。

4）應用——欠壓

射流偏壓環(huán)節(jié)對Ie0的變化起負反饋作用。36ppt課件2.基極電流自給偏壓環(huán)節(jié)1）電路

2）工作原理

利用ib中的直流分量在Rb上產(chǎn)生的壓降作為B－E間的直流偏置電壓。

3）應用——過壓

基流偏壓環(huán)節(jié)對Ib0的變化起負反饋作用。37ppt課件

3.說明1）四種偏置電路中，加到B－E間的直流偏置電壓均隨輸入信號電壓振幅的大小而變化。

2）當未加輸入信號時，電路的偏置均為零。當輸入信號電壓由小加大時，加到B－E間的直流偏置電壓均向負值方向增大。這種偏置電壓隨輸入信號電壓振幅而變化的特性稱為自給偏置效應。38ppt課件3.5.3輸入、輸出匹配網(wǎng)絡

保證外負載與調(diào)諧功率放大器最佳工作要求相匹配的網(wǎng)絡常稱為匹配網(wǎng)絡。如果負載是下級放大器輸入阻抗，應采用“輸入匹配網(wǎng)絡”或“級間耦合網(wǎng)絡”；如果負載是天線或其他終端，應采用“輸出匹配網(wǎng)絡”。39ppt課件對輸出匹配網(wǎng)絡的主要要求：1）匹配網(wǎng)絡應有選頻作用，充分濾除不需要的直流和諧波分量，以保證外接負載上僅輸出高頻基波功率。

2）匹配網(wǎng)絡還應具有阻抗變換作用，以保證放大器工作在所設計的狀態(tài)。

3）匹配網(wǎng)絡應能將功率管輸出的信號功率高效率傳送到外接負載，即要求匹配網(wǎng)絡的效率（槽路效率ηL）高。

40ppt課件1.并聯(lián)諧振回路匹配電路1）電路

2）最佳負載電阻Rcp的估算

放大器工作在臨界狀態(tài)的等效電阻，就是放大器阻抗匹配所需的最佳負載電阻。

因為

所以41ppt課件⒉濾波器型匹配網(wǎng)絡

在甚高頻或大功率輸出級，廣泛利用L、C變換網(wǎng)絡來實現(xiàn)調(diào)諧和阻抗匹配。從結(jié)構(gòu)來看，可分為L型、T型、Π型三種類型。42ppt課件3.6功率晶體管的高頻效應晶體管分為三個工作區(qū)：（1)f<0.5fβ,低頻工作區(qū)（2）0.5fβ<f<0.2fT,中頻工作區(qū)（3）f>0.2fT,高頻工作區(qū)43ppt課件3.6.2晶體管高頻工作時載流子渡越時間的影響晶體管工作在低頻時，總認為三個極的電流時同時發(fā)生的。實際上，由于基區(qū)載流子渡越時間的影響，集電極電流滯后基極和發(fā)射極電流。44ppt課件3.7倍頻器