3高頻功率放大電路解讀

第三章高頻功率放大電路3.1概述主要內(nèi)容：3.2丙類諧振功率放大電路

3.3寬帶高頻功率放大電路與功率合成電路小結(jié)8/16/202413.1概述

功能

高頻功率放大器的主要功能是用小功率的高頻輸入信號去控制高頻功率放大器，將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率高頻能量輸出，它主要應(yīng)用于各種無線電發(fā)射機(jī)中。特點：為了獲得大功率，則輸入信號為大信號，則放大這種信號的放大器工作于非線性狀態(tài)。8/16/20242主要技術(shù)指標(biāo)高頻輸出功率：Po效率η：輸出功率Po/直流電源功率PD功率增益：輸出功率Po/輸入功率Pi

選頻特性

高頻功率放大器希望輸出的諧波分量盡可能小，以免對其它頻道產(chǎn)生干擾。國際對諧波輻射規(guī)定是：

對中波廣播來說，在空間任一點的諧波場強(qiáng)不得超過基波場強(qiáng)的0.02%。無論電臺的功率有多大，在距電臺一公里處的諧波場強(qiáng)不得大于50μv/m。在一般情況下，假如任一諧波的輻射功率不超過25mW，即可認(rèn)為滿足上述要求。8/16/202433.2丙類諧振功率放大電路

根據(jù)放大管集電極電流導(dǎo)通時間的長短，功放分為甲類、乙類、丙類等。高頻功率放大器的工作狀態(tài)？8/16/20244甲類：在輸入信號的整個周期中，集電極都有電流流通的放大器稱為甲類放大器，此時電流導(dǎo)通角為180o；QAUBB>Ubm+Uon信號無失真放大8/16/20245乙類：在輸入信號的整個周期中，只有輸入信號正半周集電極有電流流通，此時電流導(dǎo)通角為90o；QBUBB=Uon信號失真放大8/16/20246丙類：在輸入信號的整個周期中，只有小于輸入信號正半周集電極有電流流通，此時電流導(dǎo)通角小于90oQCUBB<

Uon信號失真放大8/16/20247甲類能夠?qū)π盘枱o失真放大，而乙類以及丙類放大信號時出現(xiàn)了失真！而放大器的一個非常重要的指標(biāo)就是信號的失真度?。。??????8/16/20248傅立葉級數(shù)8/16/20249其頻譜為丙類功率放大器輸出電流結(jié)論：丙類功放無失真放大信號的條件是：加入帶通濾波器將丙類功放非線性狀態(tài)所產(chǎn)生諧波成分濾除。通過濾波器后的電流為：8/16/202410思考：為什么低頻功放不能工作在丙類狀態(tài)？？？以音頻放大為例，若工作在丙類狀態(tài)，則其頻譜為基波二次諧波三次次諧波……會產(chǎn)生頻譜混疊，不能夠無失真恢復(fù)原低頻信號。8/16/202411圖3-1晶體管高頻功率放大器的原理電路丙類功放的組成：放大器＋帶通濾波器高頻小信號放大器：濾除外加干擾以及混頻干擾削弱前后級電路對LC回路特性的影響高頻功率放大器：濾除晶體管工作在非線性特性產(chǎn)生的諧波分量功率匹配濾波以及阻抗變換輸入信號基極靜態(tài)偏置集電極靜態(tài)偏置8/16/202412二、

工作原理集電極回路電壓為基極回路電壓為輸入信號為Ub=Ubm

cosωt

ic

8/16/202413直流功耗PD：交流功率Po：

集電極效率η：集電極功耗PC：實現(xiàn)大功率、高效率的途徑：降低靜態(tài)工作點增大輸入信號振幅思考：丙類功放工作在諧振狀態(tài)，如果失諧會有什么后果？PD＝UCCIC0

8/16/202414高頻功率放大器一般工作在輸入信號為大信號，工作狀態(tài)為丙類狀態(tài)。斜率g分段折線化處理8/16/202415（1）當(dāng)ωt=θ時，ic=02）當(dāng)ωt=0時，ic=Icm

UbmcosθUbm（1-cosθ）8/16/202416由傅立葉級數(shù)知識知周期性脈沖可以分解成直流、基波(信號頻率分量)和各次諧波分量，即：其中：8/16/202417α稱為余弦電流脈沖分解系數(shù)。α0(θ)為直流分量分解系數(shù)；a1(θ)為基波分量分解系數(shù)；an(θ)為n次諧波分量分解系數(shù)。集電極利用系數(shù)：定義波形系數(shù)：則得出集電極效率和輸出功率的另一種表達(dá)式：8/16/202418尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)α(θ)與波形系數(shù)g1(θ)θ越小，效率越高θ為120o時輸出功率最大綜合考慮功率以及效率，在θ＝70o時能夠輸出較大的功率以及較高的效率。例18/16/202419

三、高頻功放的性能分析問題提出：若丙類諧振功放輸入為振幅為Ubm的單頻余弦信號，那么輸出單頻余弦信號的振幅Ucm與Ubm有什么關(guān)系？Ucm的大小受哪些參數(shù)影響？8/16/202420由以下表達(dá)式：當(dāng)晶體管確定以后，Ucm與UBB、UCC、R∑和Ubm四個參數(shù)都有關(guān)系。8/16/202421

下圖所示為折線化轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線：

-gdB動態(tài)線8/16/202422放大區(qū)內(nèi)動態(tài)線AB的表達(dá)式可用以下步驟求得：即：其中：8/16/202423而根據(jù)上圖還可以寫出斜率值gd的另一種形式：代入:則得：因此：動態(tài)電導(dǎo)gd與R∑、θ都有關(guān)系，且gd與R∑不等。8/16/2024241．負(fù)載特性當(dāng)放大器直流電源電壓UCC和UBB以及激勵電壓Ubm固定不變，放大器的集電極電流Ic0、Ic1m、回路電壓Ucm、輸出功率Po、效率η隨負(fù)載電阻變化的特性稱為放大器的負(fù)載特性。它是高頻功率放大器的重要特性之一。下圖表示在三種不同負(fù)載電阻時，根據(jù)折線法作出的三條不同的動態(tài)負(fù)載線A1B1、A2B2、A3B3，以及相應(yīng)的集電極電流脈沖波形。8/16/2024258/16/202426（1）動態(tài)特性曲線1代表R∑較小因而Ucm也較小的情形，稱為欠壓工作狀態(tài)。它與靜態(tài)曲線交點A1決定了集電極電流脈沖的高度。顯然，這時電流波形為尖頂余弦脈沖；（2）隨著R∑的增加，動態(tài)線斜率逐漸減小，輸出電壓Ucm也逐漸增加。直到它與臨界線交于一點A2時，放大器工作于臨界狀態(tài)。此時電流波形仍為尖頂余弦脈沖；（3）負(fù)載電阻R∑繼續(xù)增加，輸出電壓進(jìn)一步增大，即進(jìn)入過壓工作狀態(tài)。動態(tài)線3就是這種情形。其波形發(fā)生發(fā)生凹陷，是由于進(jìn)入過壓區(qū)后轉(zhuǎn)移特性為負(fù)斜率而產(chǎn)生的。8/16/2024278/16/202428現(xiàn)將三種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點綜合如下：例2作為末級功放，要求輸出足夠大的功率和具有較高的效率，顯然采用臨界工作狀態(tài)是合理的。過壓狀態(tài)具有較高的效率，并具有恒壓性質(zhì)，因此它較適合用于中間級。這時它能向后級提供比較穩(wěn)定的激勵電壓。欠壓狀態(tài)的輸出功率與效率都比較低，而且集電極耗散功率大，輸出電壓又不夠穩(wěn)定，因此較少采用，但在某些場合，例如基極調(diào)幅，就是工作在欠壓狀態(tài)。8/16/2024292、各級電壓對工作狀態(tài)的影響以上著重討論了負(fù)載阻抗對放大器工作狀態(tài)的影響?，F(xiàn)在我們來研究各級電壓變化時，對放大器工作狀態(tài)的影響。（1）

改變UCC對工作狀態(tài)的影響通常，UCC保持不變。但在集電極調(diào)幅電路中，則是依靠改變UCC來實現(xiàn)調(diào)幅過程。因此有必要研究當(dāng)負(fù)載、UBB、Ubm保持不變，只改變UCC時，放大器工作狀態(tài)的變化。8/16/202430CDEF8/16/2024318/16/202432

（

2）改變Ubm或UBB對工作狀態(tài)的影響UCC、UBB與R∑不變，改變激勵電壓Ubm，設(shè)原先工作在臨界狀態(tài)8/16/202433Ubm減小Ubm增加當(dāng)Ubm增加，這時放大器將進(jìn)入過壓狀態(tài)。當(dāng)Ubm減小，這時放大器將進(jìn)入欠壓狀態(tài)。8/16/202434這樣，就得到如圖所示的電流變化曲線。在過壓區(qū)，Ic1m、Ic0接近于恒定；在欠壓區(qū)，電流隨Ubm的下降而下降。8/16/202435下面研究UBB的變化對放大器工作狀態(tài)的影響：例3假定UCC、Ubm、R∑不變。當(dāng)UBB從反向偏置向正向偏置變化時，Icm增大，而且工作狀態(tài)從欠壓轉(zhuǎn)入過壓，因此，UBB的變化對集電極電流脈沖波形以及Ic1m、Ic0、各功率等量的影響與Ubm的影響是類似的。顯然，在過壓區(qū)Ubm或UBB的變化對Ic1m的影響很小。只有在欠壓區(qū)，Ubm或UBB才能有效地控制Ic1m的變化。因此基極調(diào)幅（相當(dāng)于改變UBB）與已調(diào)波放大（相當(dāng)于改變Ubm）都應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)。8/16/202436四、直流饋電線路與匹配網(wǎng)絡(luò)1．集電極饋電電路對于集電極電路，由于其電流是脈沖形狀，包含各種頻率成分，電路的組成原則是：8/16/202437直流Ic0是產(chǎn)生直流功率的；Ic0由UCC經(jīng)過管外電路提供給集電極，應(yīng)該是除了晶體管的內(nèi)阻外，沒有其它電阻消耗能量。8/16/202438高頻基波分量Ic1m應(yīng)通過負(fù)載電路，以產(chǎn)生所需要的高頻輸出功率。Ic1m只應(yīng)在負(fù)載回路產(chǎn)生電壓降，其余的部分對于Ic1m來說，都應(yīng)該是短路的。8/16/202439外電路對高次諧波Ic1m盡可能接近短路8/16/202440要滿足以上幾條原則，可以采用串聯(lián)饋電與并聯(lián)饋電兩種電路，簡稱串饋與并饋。串饋，將電子器件、負(fù)載回路和電源三部分是串聯(lián)起來。并饋，將電子器件、負(fù)載回路和電源三部分并聯(lián)起來8/16/2024412．基極饋電電路利用基極電流的直流分量即基極偏置電阻Rb上產(chǎn)生所需要的偏置電壓UBB8/16/202442利用基極電流在基極擴(kuò)散電阻rbb’上產(chǎn)生所需要的UBB優(yōu)點是簡單、元件用得少缺點是數(shù)值較小且不夠穩(wěn)定，因而一般只在需要小的UBB時才采用這種電路。8/16/202443利用發(fā)射極電流的直流分量Ic0在發(fā)射極偏置電阻Re上產(chǎn)生所需要的UBB例4優(yōu)點是可以自動維持放大器的工作穩(wěn)定。8/16/202444五．匹配網(wǎng)絡(luò)高頻功率放大器中都采用一定形式的回路，以使它的輸出功率能有效地傳輸?shù)截?fù)載。一般來說，放大器與負(fù)載之間所用的回路可以用圖所示的四端網(wǎng)絡(luò)來表示。8/16/202445由于高頻功率放大器工作于非線性狀態(tài)，因此線性電路的阻抗匹配（負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等）概念已不適用。非線性工作時，電子器件的內(nèi)阻變動劇烈：導(dǎo)通時，內(nèi)阻很??；截止時內(nèi)阻近于無窮大。高頻功放的阻抗匹配的概念是：在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，使電子器件送出額定的輸出功率PO至負(fù)載。這就叫達(dá)到了匹配狀態(tài)。常用的的匹配網(wǎng)絡(luò)有前面介紹的T型、L型選頻匹配網(wǎng)絡(luò)。8/16/2024463.3寬帶高頻功率放大電路與功率合成電路窄帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器適用于固定頻率或頻率變化范圍較小的高頻設(shè)備一般工作在丙類狀態(tài)適用于頻率相對變化范圍較大的短波、超短波的高頻設(shè)備工作在甲類、甲乙類8/16/202447一．普通變壓器不能在較寬頻帶內(nèi)工作的原因以高頻變壓器為負(fù)載的放大器其最高工作頻率可達(dá)幾百千赫至十幾兆赫，但當(dāng)工作頻率更高時，由于普通變壓器的線圈漏感和匝間分布電容的作用，其輸出功率將急劇下降。8/16/202448L、LS1、r1是變壓器初級繞組的電感量、漏感和損耗電阻；LS2、r2是折合到初級后次級繞組的漏感和損耗電阻；C是變壓器等效分布電容，它是變壓器各分布電容折合到初級后的總和。RL‘是折合到初級后的等效負(fù)載電阻；US、RS是信號源電壓及其內(nèi)阻。8/16/202449在低頻端，由于頻率較低，各漏感和損耗電阻很小，也可略去不計；在低頻端，由于頻率較低，故感抗很小，總的等效阻抗較小，故輸出電壓就很小。8/16/202450在高頻端由于初級繞組電感的感抗很大，因此在高頻等效電路中可以認(rèn)為電感L是開路的；在高頻端，負(fù)載RL’接在Ls和C組成的串聯(lián)諧振回路的容抗元件的兩端，因此輸出特性具有串聯(lián)諧振的件質(zhì)，在諧振頻率fs附近，負(fù)載兩端的電壓急劇增加，并在fs上達(dá)到最大。8/16/202451其頻率特性如圖所示：由于頻率響應(yīng)特性在高端有一個峰起，且頻率高于fs后，信號的輸出幅度就急劇地下降，這就是導(dǎo)致一般變壓器高頻響應(yīng)變差．不能在更高的頻率上工作的原因。8/16/202452通過增加初級線圈匝數(shù)的辦法，可以改善變壓器的低頻響應(yīng)，但匝數(shù)的增高，勢必使分布電容C加大，也就使高頻響應(yīng)惡化，高μ磁芯，使變壓器的工作頻帶大大展寬，但任何磁芯都有其最佳的工作頻段，高于此頻段工作時，磁芯的損耗將大大增加，使傳輸效率急劇下降8/16/202453二、傳輸線變壓器能不能設(shè)法減少分布電容和漏感的影響，而把這個不利因素變?yōu)橛欣蛩啬兀繉拵鬏斁€變壓器就是根據(jù)這種設(shè)想制作出來的。傳輸線變壓器是將傳輸線繞在高導(dǎo)磁率低損耗的磁心上構(gòu)成的。傳輸線可以用同軸線、帶狀傳輸線或雙絞線。這種變壓器的最高工作頻率可以擴(kuò)展到幾百兆赫甚至上千兆赫。利用下圖所示的一種簡單的傳輸線變壓器，可以說明這種特殊變壓器能同時擴(kuò)展上、下限頻率的原理。8/16/2024548/16/202455在以傳輸線工作時，信號從1、3端輸入，2、4端輸出。如果信號的波長與傳輸線的長度可以相比擬，則兩根導(dǎo)線固有的分布電感和相互間的分布電容就構(gòu)成了傳輸線的分布參數(shù)等效電路。8/16/202456根據(jù)傳輸線定理，則傳輸線的特性阻抗決定于：△r——單位線長的損耗電阻；△G——單位線長區(qū)間兩線間的漏電導(dǎo)；△L——單位線長的分布電感；△C——單位線長區(qū)間兩線間的分布電容；8/16/202457對于理想的、無損耗的傳輸線，則其特性阻抗可進(jìn)一步簡化為：由此可見，傳輸線的特性阻抗僅決定于導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)與兩線間的介質(zhì)，而與其傳輸?shù)男盘栯娖綗o關(guān)。8/16/202458傳輸線在信號源與負(fù)載間起了一個阻抗變壓器的作用，即負(fù)載電阻RL經(jīng)傳輸線變換后在輸入端的等效電阻，應(yīng)等于信號源內(nèi)阻RS，或者信號源內(nèi)阻經(jīng)傳輸線變換后在其輸出端的等效電阻應(yīng)等于負(fù)載電阻RL，這樣傳輸系統(tǒng)將達(dá)到匹配。根據(jù)傳輸線原理可知，當(dāng)信號源內(nèi)阻RS、負(fù)載電阻RL已知時，滿足最佳功率傳輸條件的傳輸線特性阻抗為：故為了實現(xiàn)負(fù)載電阻RL和信號源內(nèi)阻RS的完全匹配，傳輸線本身的特性阻抗就應(yīng)該為某一特性值。對于1：1傳輸線變壓器，則當(dāng)特性阻抗與負(fù)載阻抗即信號源內(nèi)阻相等時，則傳輸線工作于匹配狀態(tài)。此時負(fù)載上得到的功率與輸入功率相等且不因頻率的變化而變化。8/16/202459對理想功率合成器的要求是：1、N個同類型的放大器，它們的輸山振幅相等，每個放大器供給匹配負(fù)載額定功率PO，則N個放大器輸至負(fù)載的總功率為NPO。2、合成器中各單元放大器應(yīng)相互隔離，某一單元放大器如若損壞，應(yīng)不影響相鄰放大器的工作。這些放大器仍應(yīng)向負(fù)載提供白己的額定功率PO。三、功率合成器8/16/202460下圖為一功率合成器方框圖。8/16/202461功率分配則是功率合成的反過程。其作用是將某信號功率平均地、互不影響地分配給各個獨立負(fù)載。使各負(fù)載得到均等的、同相或反相的分信號。在任一功率合成器中，實際上也包含了一定數(shù)量的功率分配器。功率分配技術(shù)近年來已被廣泛地采用。例如，在電視天線共用器系統(tǒng)中，就采用一套功率分配器，將接收天線所接收的電視信號，均勻地、互不影響地分配到各電視用戶。8/16/202462如上所述，功率分配器、功率合成器均由一定數(shù)量的寬頻帶合成網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)及線性功率放大器構(gòu)成。其中合成網(wǎng)絡(luò)與分配網(wǎng)絡(luò)多以傳輸線變壓器為基礎(chǔ)構(gòu)成。兩者的差別僅在于端口的連接方式不同。故通常把這類網(wǎng)絡(luò)通稱為“混合網(wǎng)絡(luò)”。8/16/2024631．高頻諧振功率放大電路可以工作在甲類、乙類或丙類狀態(tài)。相比之下，丙類諧振功放的輸出功率雖不及甲類和乙類大，但效率高，節(jié)約能源，所以是高頻功放中經(jīng)常選用的一種電路形式。2．丙類諧振功放效率高的原因在于導(dǎo)通角θ，也就是晶體管導(dǎo)通時間短，集電極功耗減小。但導(dǎo)通角θ越小，將導(dǎo)致輸出功率越小。所以選擇合適的θ角，是丙類諧振功放在兼顧效率和輸出功率兩個指標(biāo)時的一個重要考慮。小結(jié)8/16/2024643．折線分析法是工程上常用的一種近似方法。利用折線分標(biāo)法可以對丙類諧振功放進(jìn)行性能分析，得出它的負(fù)載特性、放大特性和調(diào)制特性。若丙類諧振功效用來放大等幅信號(如調(diào)頻信號)時，應(yīng)該工作在臨界狀態(tài)；若用來放大非等幅信號(如調(diào)幅信號)時，應(yīng)該工作在欠壓狀態(tài)；若用來進(jìn)行基極調(diào)幅，應(yīng)該工作在欠壓狀態(tài)；若用來進(jìn)行集電極調(diào)幅，應(yīng)該工作在過壓狀態(tài)。折線化的動態(tài)線在性能分析中起了非常重要的作用。8/16/2024654．丙類諧振功放的輸入回路常采用自給負(fù)偏壓方式，輸出回路有串饋和并饋兩種直流饋電方式。為了實現(xiàn)和前后級電路的阻抗匹配，可以采用LC分立元件、微帶線或傳輸線變壓器幾種不同形式的匹配網(wǎng)絡(luò)，分別適用于不同頻段和不同工作