1、,西安郵電大學 2016.10,高頻電子線路,第五章 高頻功率放大器,主要內(nèi)容 概述 丙類（C類）高頻功率放大器原理 丙類（C類）高頻功率放大器折線分析法 丙類（C類）高頻功率放大電路,第一節(jié) 概述,高頻功率放大的必要性 遠距離無線傳輸，彌補信號衰落，提高信號抗噪聲干擾能力 一些其他需要，如高頻加熱裝置、微波功率源等需要 高頻功率放大電路最主要的技術(shù)指標：（與低頻功率放大電路一樣） 輸出功率、效率和非線性失真。 高頻功率放大器的特點：放大信號頻率高，輸出功率高、效率高。 高頻功率放大器的功能：用小功率的高頻信號去控制高頻功率放大器，將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率的高頻能量輸出，并保證輸出與輸

2、入的頻譜相同。,甲、乙、丙三種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移特性,ic,1、從節(jié)省能量的角度考慮, 效率更加重要：高頻功放常采用效率較高的丙類工作狀態(tài), 即晶體管集電極電流導通時間（導通角c）小于輸入信號半個周期的工作狀態(tài)。（為什么對小信號功率放大器沒有提效率的重要性？） 2、為了濾除丙類工作時產(chǎn)生的眾多高次諧波分量(why?), 采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò), 也稱為諧振高頻功率放大電路。,高頻功率放大器與小信號諧振放大器的對比,相同點： 放大的信號均為高頻信號， 放大器的負載均為諧振回路。 不同點： 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。,高頻功率放大器波形圖,小信號諧振放大器波形

3、圖,高頻功率放大器與非諧振功率放大器的對比,相同點： 輸出功率大， 輸出效率高。 功率放大器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量，能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。 不同點： 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)(導通角c90)，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。,高頻功率放大器的主要技術(shù)指標,1.輸出功率： 放大器的負載得到的功率

4、 2.效率： 高頻輸出功率與直流電源提供功率的比值。即能量轉(zhuǎn)換的效率 3.功率增益： 高頻輸出功率和信號輸入功率的比值 4.諧波抑制度： 是對非線性高頻功率放大器而提出的，諧波分量相對于基波分量越小越好,第二節(jié) 丙類(C類)高頻功放工作原理,無論中間級還是輸出級，其負載可以等效為并聯(lián)諧振回路,一、基本電路形式,二、基本特點 為了提高效率，放大器常工作于丙類狀態(tài)，流過晶體管的電流為失真的脈沖波形； 負載為諧振回路 取出基波分量，獲得正弦電壓波形。 阻抗匹配。,諧振于輸入信號的頻率,諧振功率放大器原理圖,諧振功率放大器原理圖,三、工作原理 發(fā)射結(jié)處于負偏壓狀態(tài) 無輸入時，晶體管截止，ic=0 輸入

5、 時， ib為脈沖形狀，可用傅立葉級數(shù)展開 同理 負載回路諧振頻率為,高頻功率放大器中各部分電壓與電流的關(guān)系,第三節(jié) 丙類高頻功放折線分析法,工作在大信號和非線性工作狀態(tài)小信號分析方法不適用 將晶體管特性曲線理想化成為折線進行分析稱為折線分析法 有一定誤差，但較為簡便。 工程上都采用近似估算和實驗調(diào)整相結(jié)合的方法對高頻功率放大器進行分析和計算。折線法就是常用的一種分析法。 對高頻功率放大器進行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0和基頻分量Icm1,折線分析法的主要步驟： 1、測出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線ic-ube及輸出特性曲線ic-uce，并將這兩組曲線作理想折線化處理； 2、作出動態(tài)特性

6、曲線； 3、根據(jù)激勵電壓ub的大小在已知理想特性曲線上畫出對 應(yīng)電流脈沖ic和輸出電壓uce的波形； 4、求出ic 的各次諧波分量Ic0、Ic1m、Ic2m，由給定的負載諧振阻抗的大小，即可求得放大器的輸出電壓、輸出功率、直流供給功率、效率等指標。,3.1 晶體管特性曲線的理想化,一、正向傳輸特性曲線理想化 由理想化輸入特性 可得理想化的正向傳輸特性,稱為理想化晶體管跨導,理想化晶體管導通電壓或截止電壓,二、輸出特性曲線理想化 輸出特性曲線理想化：飽和區(qū)、放大區(qū) 飽和區(qū)：近似認為ic只受uce的控制，而與ube無關(guān)。理想的飽和臨界線為一條通過原點的斜線。 斜率： 放大區(qū)：近似認為ic與uce

7、無關(guān)。各條曲線為平行于 uce的水平線。對于等差的 ib間隔應(yīng)該是相等的。 表征臨界線的方程：,3.2 集電極余弦電流脈沖的分解,一、余弦電流脈沖的表示式,當輸入信號 時, 集電極電流ic的波形為余弦電流脈沖,當t=c 時,ic=0，可得導通角,已知Vbb、Ubz和Ubm可確定高頻功率放大器的半通角c，有時也稱c為通角。 通常用c=180表示甲類放大；c=90表示乙類放大；c90表示丙類放大。,余弦電流脈沖表示式 (由脈沖高度IcM和通角c決定),當t=0 時, ic=Icm，可得,二、余弦電流脈沖的分解系數(shù) 周期性的電流脈沖可以用傅氏級數(shù)表示：,其中,.,直流分量電流,基波分量電流幅值,N

8、次諧波分量幅值,稱為余弦電流脈沖分解系數(shù)。 0(c)為直流分量分解系數(shù)； 1(c)為基波分量分解系數(shù)； n(c)為n次諧波分量分解系數(shù)。,g1與 的關(guān)系,3.3 功率與效率,功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈?。有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。 P= 直流電源供給的直流功率； Po 交流輸出信號功率； Pc 集電極耗散功率； P= = Po + Pc 故放大器效率：,兩點結(jié)論： 1）設(shè)法盡量降低集電極耗散功率Pc，則放大器效率c自然會提高。這樣，在給定P=時，晶體管的交流輸出功率Po就會增大；

9、 2） 由式 可知 如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過規(guī)定值，那么提高放大器效率c，將使交流輸出功率Po大為增加。高頻功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。,如何減小集電極耗散功率Pc？,可見使ic在uce最低的時候通過，則集電極耗散功率自然會大為減小。 所以要想獲得高的放大器效率，高頻功率放大器的集電極電流應(yīng)該是脈沖狀。導通角c小于90，處于丙類工作狀態(tài)。 高頻功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)時c90，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級數(shù)：,晶體管集電極平均耗散功率：,直流電源提供的直流功率：,高頻輸出交流功率：,Ucm 諧振回路兩端的基頻電壓 Icm1 基頻電流 Rp 回路

10、的諧振阻抗,放大器的效率：,稱為集電極電壓利用系數(shù),稱為波形系數(shù)，是通角c的函數(shù)； c越小g1(c)越大,越大并且c越小，效率c越高，丙類高頻功放提高效率c的途徑： 減小c； 使LC回路諧振在信號的基頻上，即ic的最大值應(yīng)對應(yīng)uce的最小值（whats mean？）。 =1的理想情況下，甲類： g1(180 )=1， c=50% 乙類：g1(90 )=1.57， c=78.5% 丙類： g1(1.57， c78.5% 高頻功放在諧振電阻Rp一定的條件下， c= 120時輸出功率最大，但是集電極理想效率只有66%；而c= 1 15時，效率最高，但輸出功率卻最小。所以實際，為兼顧二者，通常取c=

11、60 80的丙類工作狀態(tài)。,3.4丙類高頻功率放大器的動態(tài)特性,一、動態(tài)特性 在晶體管、電源電壓Vcc和Vbb、輸入信號振幅Ubm和輸出信號振幅Ucm(或Rp)一定的條件下，ic=f(ube,uce)的關(guān)系稱為放大器的動態(tài)特性。 動態(tài)特性曲線是在晶體管的特性曲線上畫出的高頻功率放大器瞬時工作點的軌跡(g)。小信號電壓放大器是純電阻負載，晶體管僅僅在放大區(qū)工作，因此可近似等效為一個線性元件。小信號電壓放大器瞬時工作點的軌跡就是負載線，是一條直線。高頻功率放大器是非線性工作，各個區(qū)域的特性曲線方程不同，因此各個區(qū)域工作點的移動規(guī)律也不同，所以稱其為動態(tài)特性曲線，以示與負載線的區(qū)別。(mean?),

12、當放大器工作于諧振狀態(tài)時，它的外部電路關(guān)系式為,ube= Vbb+Ubmcost,uce= VCCUcmcost,消去cost可得,ube= Vbb+Ubm,另外，晶體管的折線化轉(zhuǎn)移特性方程為ic = gc(ubeUBZ)，注：工作在哪個區(qū)？得出在icuce坐標平面上的動態(tài)特性曲線(負載線或工作路徑)方程：,所以高頻功放動態(tài)特性曲線是一條折線,ubeUBZ時,ubeUBZ時,是動態(tài)特性的斜率,是在uce軸上的截距,二、截距法求動態(tài)特性,截距法作動態(tài)特性的步驟： 在輸出特性的uce 軸上取截距 U0=Vcc-Ucmcosc 得動態(tài)特性的B點。 通過B點作斜率為 gd= -gcUbm/Ucm 的直

13、線 交 ubemax=Vbb+Ubm 線于A點。 在 uce軸上選取 ucemax=Vcc+Ucm為C點 則AB-BC折線為動態(tài)特性。, 與橫坐標相交確定C點 則ABBC折線為動態(tài)特性。,三、虛擬電流法求動態(tài)特性,確定Q點坐標（Vcc，IQ）,確定A點,連接AQ與橫坐標相交確定B點,四、諧振高頻功率放大器的三種工作狀態(tài),輸出電壓波形,高頻功率放大器的工作狀態(tài)是根據(jù)ube=ubemax、uce=ucemin時瞬時工作點在靜特性曲線上所處位置確定的。當其落在輸出特性(對應(yīng)ubemax的那條)的放大區(qū)時，為欠壓狀態(tài)；當其正好落在臨界點上時，為臨界狀態(tài)；當其落在飽和區(qū)時，為過壓狀態(tài)。高頻功率放大器的工

14、作狀態(tài)必須由VCC、Vbb、Ubm、Ucm四個參量決定，缺一不可，其中任何一個量的變化都會改變工作點所處的位置，工作狀態(tài)就會相應(yīng)地發(fā)生變化。,高頻功率放大器工作狀態(tài)： 欠壓：動態(tài)特性A1B1-B1C1在輸入信號一周內(nèi)，A點沒有進入晶體管的飽和區(qū)，這種工作狀態(tài)稱為欠壓工作狀態(tài)。對應(yīng)的集電極電流為尖頂脈沖，交流輸出電壓較低且變化較大。 臨界：動態(tài)特性A2B2-B2C2，A點正好在晶體管的臨界飽和線上，這種工作狀態(tài)稱為臨界工作狀態(tài)。對應(yīng)的集電極電流為尖頂脈沖。 過壓：動態(tài)特性MA3-A3B3-B3C3在輸入信號一周內(nèi)，A點已進入晶體管的飽和區(qū)，這種工作狀態(tài)稱為過壓工作狀態(tài)。對應(yīng)的集電極電流為凹頂脈沖

15、，交流輸出電壓較高且變化不大。,3.5 丙類高頻功率放大器的負載特性,在晶體管、VCC、Vbb、Ubm 一定時，改變回路諧振負載電阻Rp ，放大器的工作狀態(tài)、電流、電壓、功率和效率隨Rp變化的關(guān)系，稱為放大器的負載特性。 在晶體管、電源電壓Vcc和Vbb、輸入信號振幅Ubm和輸出信號振幅Ucm(或Rp)一定的條件下，ic=f(ube,uce)的關(guān)系稱為放大器的動態(tài)特性。,Q點（Vcc，IQ）不變,c為常數(shù)，gd絕對值與Rp成反比,不變,A點隨Rp的增大，由欠壓A1臨界A2過壓A3,電流、電壓隨Rp變化的關(guān)系 Ucm=Ic1mRp,功率、效率隨Rp 變化的關(guān)系,工作狀態(tài)隨Rp的變化關(guān)系,結(jié)論,欠

16、壓工作狀態(tài)：輸出功率P0和效率c都較低，而且輸出信號電壓振幅Ucm隨Rp變化較大，因此，除了特殊場合以外，很少采用這種工作狀態(tài)。 臨界工作狀態(tài)：輸出功率P0最大，且效率c也高，常用于發(fā)射機的功率輸出級（末級），以便獲得最大輸出功率。 過壓工作狀態(tài)：在弱過壓區(qū)，c達最大，P0下降不多，當Rp變化時，輸出信號電壓振幅Ucm變化較小，多用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場合，如發(fā)射機的中間放大級。 當 RP =0，即負載短路時，集電極損耗功率Pc達最大值，有可能使功率晶體管燒壞。因此，在調(diào)整諧振功率放大器的過程中，必須防止負載短路。,3.6 各級電壓變化對工作狀態(tài)的影響,一、集電極電源電壓Vcc變化對工

17、作狀態(tài)的影響 （ Vbb、gc、Ubz、Ubm、Rp不變ubemax、IQ、c 、gd不變）,1、,隨著Vcc的增加工作狀態(tài)由過壓臨界欠壓。,Vcc對電流、電壓、功率、效率的影響,=,二、改變Ubm對工作狀態(tài)的影響 （Vcc、Vbb、gc、Ubz、Rp不變Q不變，（Ubm增加欠壓與臨界時，ubemax、c 增加，|gd|減少；過壓時，ubemax 、 |gd | =gcUbm/Ucm增加）,隨著 Ubm的增加工作狀態(tài)由欠壓臨界過壓。,Ubm對電流、電壓、功率、效率的影響,o,三、改變Vbb對工作狀態(tài)的影響 （Vcc、 Ubm 、gc、Ubz、Rp不變時，Vbb增大ubemax、c 增加，|IQ

18、|、 |gd|減小）,Vbb增大的含義是從負電壓向小于Ubz的正電壓變化,隨著Vbb的增加工作狀態(tài)由欠壓臨界過壓,Vbb對電流、電壓、功率、效率的影響,第四節(jié) 丙類高頻功率放大電路,基本組成： 丙類高頻功率放大器是由輸入回路、非線性器件（晶體管、場效應(yīng)管）和輸出諧振回路組成。 輸入、輸出回路在功率放大器中的作用是： 提供放大器所需的正常偏置； 實現(xiàn)濾波選取基波分量； 實現(xiàn)阻抗匹配。 組成： 直流饋電電路 濾波匹配網(wǎng)絡(luò),4.1 直流饋電電路,直流饋電電路： 直流電源加到各電極上去的線路 集電極饋電電路 基極饋電電路 連接方式： 串聯(lián)饋電 并聯(lián)饋電,一、集電極饋電電路 饋電原則: 直流有直流通路，

19、交流有交流通路，且高頻信號不能通過直流電源 基波分量要有效地流過負載回路 諧波對于負載回路是短路,(a)直流通路；(b)基波通路；(c)高次諧波通路,晶體管、負載回路和直流電源組成串聯(lián)聯(lián)接形式稱為串聯(lián)饋電,L：高頻扼流圈,對直流短路 對交流開路,作用：阻擋高頻信號流過直流電源,C：高頻旁路電容,對直流開路 對交流短路,作用：提供交流通路,優(yōu)點：饋電元件L、C和Vcc均處于高頻地電位，他們的分布電容和分布電感就不會影響回路。 缺點：回路處于直流的高電位，回路的電容動片不能接地，調(diào)試不方便。,晶體管、負載回路和直流電源組成并聯(lián)聯(lián)接形式稱為并聯(lián)饋電,L：高頻扼流圈 C：電源濾波電容 C”：隔直電容,

20、優(yōu)點：回路處于直流低電位，克服了串饋的缺點。 缺點：L處于高頻高電位，它對地的分布電容很大 ，影響回路諧振頻率。,二、基極饋電電路 饋電原則: 基極電流中的直流分量只流過基極偏置電源 基極電流中的基波分量只流過輸入端的激勵信號源，以便使輸入信號控制晶體管的工作，實現(xiàn)放大,(a)直流通路； (b)基波通路,基極的反向偏壓供給方式：外加偏置、自給偏置 外加反向偏置電路,并聯(lián)饋電,串聯(lián)饋電,基極饋電線路 (a)串饋電路；(b)并饋電路,利用發(fā)射極電流的直流分量Ie0在Re上的壓降產(chǎn)生自給負偏壓。,自給反向偏置電路,利用輸入信號電壓產(chǎn)生的基極電流的直流分量Ib0在基極電阻Rb上的壓降產(chǎn)生自給負偏壓。,

21、總結(jié)：自給偏壓能隨激勵信號的大小而變化，即自動維持放大器工作的穩(wěn)定性。,零壓偏置電路,小正壓偏置電路,4.2 匹配網(wǎng)絡(luò),功率放大器通過耦合電路與前后級連接，這種耦合電路叫匹配網(wǎng)絡(luò)，對它提出如下要求： 匹配：使外接負載阻抗與放大器所需的最佳負載電阻相匹配，以保證放大器輸出功率最大。 濾波：濾除不需要的各次諧波分量，選出所需的基波成分。 效率：要求匹配網(wǎng)絡(luò)本身損耗盡可能小，即匹配網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率要高 匹配網(wǎng)絡(luò)分類 輸入回路：信號源與丙類功率放大器之間 輸出回路：輸出級與天線負載之間 級間耦合回路：丙類功率放大器的推動級與輸出級之間 匹配網(wǎng)絡(luò)的組成： 這三種匹配網(wǎng)絡(luò)都可以采用由L和C組成的L型、型或T

22、 型這樣的雙端口網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。,丙類高頻功放非線性電路與線性電路匹配概念不同 在給定電路條件下，通過匹配網(wǎng)絡(luò)將負載電阻轉(zhuǎn)換成高頻功放工作狀態(tài)所需的最佳電阻匹配。 最佳電阻Rp根據(jù)需要決定 輸出級：要求輸出功率最大， Rp臨界狀態(tài) 中間級：要求輸出電壓變化小， Rp過壓狀態(tài) 原因是后級放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。這個變化反映到前級回路，會使前級放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。若前級工作在欠壓狀態(tài)，則由于負載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。,對于中間級應(yīng)采取如下措施： 使中間級放大器工作于過壓狀態(tài)，使它近似為一個恒壓源。 降低級間耦合回路的效率?；芈沸式档秃?/p>

23、，其本身的損耗加大。這樣下級輸入阻抗的變化相對于回路本身的損耗而言就顯得不重要了。中間級耦合回路的效率一般為=0.10.5，平均約0.3。,輸出匹配網(wǎng)絡(luò) 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)常常是指設(shè)備中末級功放與天線或其他負載間的網(wǎng)絡(luò)，這種匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、型、T型網(wǎng)絡(luò)及由它們組成的多級網(wǎng)絡(luò)，也有用雙調(diào)諧耦合回路的。 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能與要求是匹配、濾波和高效率。,下圖所示的匹配網(wǎng)絡(luò)具有電路簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，不足之處是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很低(通常Q10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實際的發(fā)射機中，常常選用T型或型網(wǎng)絡(luò)作匹配之用。,下圖是兩種形網(wǎng)絡(luò)形式之一（也可以用T型網(wǎng)絡(luò)）。R2代表終端（負載）電阻，R1代表由R2折合到左端的等效電阻，故接線用虛線表示。,下圖是兩種形網(wǎng)絡(luò)形式之一（也可以用T型網(wǎng)絡(luò)）。R2代表終端（負載）電阻，R1代表由R2折合到左端的等效電阻，故接線用虛線表示。,圖中，介于電子器件與天線回路之間的L1C1回路就叫做中介回路；RACA分別代表天線的輻射電阻與等效電容；Ln、cn為天線回路的調(diào)諧元件，它們的作用是使天線回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以獲得最大的天線回路電流iA，亦即使天線輻射功率達到最大。,復(fù)合輸出回路（為了簡化電路，省略了直流電源及輔助元件L、C、C等）,最常見的輸出回路是復(fù)合輸出回路，如圖所示