高频电子线路第六章

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6高频功率放大器2.掌握高频功率放大器的折线近似分析法3.熟悉高频功率放大器的电路组成原则与匹配网络的计算4.掌握传输线变压器的工作原理5.了解倍频器的工作原理1.掌握高频功率放大器的工作原理6.理解放大器的欠压、临界、过压三种工作状态 1.功率放大电路的主要特点输出功率ABQ功率三角形⑴允许轻微非线性波形失真。要想Po大，应使Vom和Iom都要大。非线性(大信号)6.1概述 ⑵管子工作在接近极限状态。 2.要解决的问题减小失真（线性度）管子的保护提高输出功率提高效率 3.提高效率的途径降低静态功耗，即减小静态电流。vi=0vi=V0sinωt (a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier4.工作状态分类 丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。5.效率与失真矛盾的解决ωlowhigh3ωnω2ω0 通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。有源器件谐振回路窄带谐振放大器丙类32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输出回路晶体管 6.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较相同:要求输出功率大，效率高线性(大信号)不同:工作频率与相对频宽不同,谐振与非谐振低频(音频):20Hz～20kHz高频（射频）:（以调幅为例）已调信号lowhighωAM广播信号:535kHz～1605kHz，BW=10kHz高频窄带信号 7.功放设计中各方面的折中关系减小失真（线性度）管子的保护提高输出功率提高效率（1）丙类导通角<180o，何时最优？遗留问题：（2）放大、临界、饱和，何处最优？ 6.2谐振功率放大器的工作原理 一、获得高效率所需要的条件丙类工作状态。 VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe转移特性iCVBZo理想化图6.2.1高频功率放大器的基本电路 (b)tw或电压电流0VBZVCCV－BBVbmVcmvbEmaxqiCicmaxciCvCEvBEvCEmin1.iC与vBE同相，与vCE反相；2.iC脉冲最大时，vCE最小；3.导通角和vCEmin越小，Pc越小；vCE电流、电压波形 二、功率关系电路正常工作（丙类、谐振）时，外部电路关系式： 直流功率：输出交流功率：集电极效率：电压利用系数波形系数 6.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法β00.5fβfβ0.2fTfT 为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。 一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式图6.3.1晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE 图6.3.2晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ) VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe转移特性iCVBZ0理想化集电极余弦脉冲电流：iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)=gcVbm(cosωt–cosc)=gcVbm(1–cosc)当t=0时，iC=iCmax取决于脉冲高度iCmax与通角c当t=c时，iC=0二、集电极余弦电流脉冲的分解 图6.3.3尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得 其中：尖顶余弦脉冲的分解系数波形系数： 分析基波分量Icm1、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。尖顶脉冲的分解系数当c≈120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。 图6-9尖顶脉冲的分解系数由曲线可知：极端情况c=0时：如果此时=1，c可达100%。为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。分析基波分量Icm1、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。 三、高频功率放大器的动态特性与负载特性因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。集电极效率ηc和输出功率Po能否最佳实现,最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压VBB、Vbm、VCC。 1.高频功放的动态特性通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC、VBB、Vbm所表示的输出动态负载曲线。 vceicVo•AVCC•QVcmvcmingd 2.高频功放的负载特性vBEiC•-VBB•VBZvbeiCgCVbm•vbemaxiCmaxvceiCVCC•QvceminVcesgd•vbemax•••vcemingcr•过压区临界区欠压区vbemax iCvcevbemax过压区临界区欠压区欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp 结论：欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大；过压：恒压，Icm1变化，Po较小，ηc可达最高；临界：Po最大，ηc较高；最佳工作状态发射机末级中间放大级图6.3.7负载特性曲线欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp 四、各极电压对工作状态的影响vceiCvbemax•QVCC••QVCC•QVCC••••iC1.改变ＶCC对工作状态的影响过压欠压0临界VCC过压欠压0临界VCC集电极调幅作用是通过改变VCC来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，因此，必须工作于过压区。 2.改变Ｖbm对工作状态的影响vceiCvbemax1vbemax2•QVCCvbemax4••••iCvbemax3••欠压过压0临界Vbm欠压过压0临界Vbm 3.改变ＶBB对工作状态的影响基极调幅作用是通过改变ＶBB来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，因此，必须工作于欠压区。vbe•VBBvbemax1vBEiC•VBBvbemax2•VBBvbemax3vceiCvbemax1vbemax2•QVCCvbemax3••••iCVBB绝对值增加等效于减少Vbm，两者都会使vbemax产生相同的变化 五、工作状态的计算(估算)举例例6.3.1有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知ＶCC＝24Ｖ，Ｐｏ＝２Ｗ，工作频率＝１MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为fＴ≥70MHz，Ap（功率增益）≥13dB，ＩCmax＝750ｍＡ,ＶCE(sat)(集电极饱和压降)≥1.5Ｖ,ＰCM＝１W。解：１）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压2） 解：3）选c=70o，4）未超过电流安全工作范围。5）6）7）8）9） 6.4晶体管功率放大器的高频特性图6.4.1在低频和高频工作时的发射极电流脉冲波形 图6.4.2晶体管在高频大信号工作时各极电流脉冲波形的关系 晶体管高频工作时的特点：发射极电流出现负脉冲，而且主脉冲高度有所下降。发射结的有效激励电压小于外加激励电压，集电极电流减小。集电极电流基波分量落后于激励电压，输入与输出电压的相位有附加相移。基极电流直流分量减小，甚至可能出现反向直流电流。各极电流不能从晶体管的静态特性曲线求出。 6.5高频功率放大器的电路组成 一、馈电线路以上的高频功率放大器的电路仅仅是其原理图。欲使高频功率放大器正常工作于丙类某一最佳状态，与小信号谐振放大器同样，必须有正确的直流通路和交流通路。除此之外，还要尽量减少功率传输中的损耗。这就涉及其馈电线路的实现问题。图6.5.1对不同频率电流的等效电路 图6.5.2集电极电路的两种馈电形式 图6.5.2集电极电路的两种馈电形式注意：直流电源一端必须接地。 图6.5.3基极馈电的两种形式 图6.5.3几种常用的产生基极偏压的方法 二、输出、输入与级间耦合回路图6.5.5放大器与负载之间用四端网络耦合1.输出匹配网络①使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。②抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。③有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。 图6.5.6复合输出回路 虽然阻抗变换网络类型很多，但是，都可以等效成一个标准的并联谐振回路。下面就等效成的标准并联谐振回路分析其功率传输效率。图中，r’为等效到谐振回路的负载电阻，r1为谐振回路本身的损耗电阻。 图6.5.10晶体管等效电路2.输入匹配网络与级间耦合网络１）中间放大级工作于过压状态，此时它等效为一个理想电压源，其输出电压几乎不随负载变化。２）降低级间耦合回路的效率。因为回路效率降低，意味着回路本身损耗加大，这样就使下级输入电路的损耗功率相对来说显得不重要，也就是减弱了下级对本级工作状态的影响。以稳定激励电压为目的，中间级应采取措施： 图6.5.11输入匹配网络举例 6.8宽带高频功率放大器现代通信的发展趋势之一是在宽波段工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。为了满足上述要求，可以在发射机的中间各级采用宽带高频功率放大器，它不需要调谐回路，就能在很宽的波段范围内获得线性放大。最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器。宽带变压器有两种形式：一种是利用普通变压器的原理，只是采用高频磁心，可工作到短波波段；另一种是利用传输线原理与变压器原理二者结合的所谓传输线变压器，这是最常用的一种宽带变压器。 图6.8.1低频变压器及其频率特性示例1、低频变压器频率特性 2、展宽变压器工作频带的措施（1）尽量减小线圈的漏电感与分布电容。将初、次级线圈绕在环形铁氧体的磁芯上，匝数要少，匝间距离要大。（2）减小磁芯的功率损耗。采用高频铁氧体作磁芯。（3）为了展宽低频响应，要求初级线圈的电感大。采用高磁导率磁芯，加大环形磁芯截面积，适当增加匝数。 图6.8.21∶1传输线变压器3、传输线变压器传输线绕在高磁导率的铁芯磁环上，磁芯用高频铁氧体磁环。 特点：初、次级都有一端接地（1、4或2、3）。由信号源端1、3看来的阻抗等于负载阻抗。输出电压与输入电压大小相等、方向相反，即为1：1阻抗方向变压器。 4、变压器的工作模式（1）传输线模式（2）变压器模式每个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁芯中的磁场相互抵消，磁芯无功率损耗。线圈中有激励电流，并在磁芯中产生公共磁场，磁芯有功率损耗。 图6.8.3１∶4传输线变压器最佳特性阻抗： 图6.8.6宽频带变压器耦合放大器电路举例 6.10晶体管倍频器倍频器是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路，用以提高频率。晶体管倍频器有两种主要形式：丙类倍频器：利用丙类放大器电流脉冲中的谐波来获得倍频。参量倍频器：利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频。 图6.10.1倍频器的应用 图6.10.2倍频器中电流与电压的关系 图6.3.4尖顶脉冲的分解系数