高頻電子線路講義第4章高頻諧振功率放大器

1、高頻電子線路講義第高頻電子線路講義第4章高章高頻諧振功率放大器頻諧振功率放大器丙類高頻諧振功率放大器的工作原理丙類高頻諧振功率放大器的工作原理特點：特點： 組成：組成：BJT、LC諧振回路、饋電電源諧振回路、饋電電源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT一、基本電路構(gòu)成及工作原理一、基本電路構(gòu)成及工作原理1、NPN高頻大功率晶體管，高頻大功率晶體管，高高fT；改變；改變UBB可以改變放大器可以改變放大器的工作類型；的工作類型；3、發(fā)射結(jié)在一個周期內(nèi)只有部分時間導(dǎo)通，、發(fā)射結(jié)在一個周期內(nèi)只有部分時間導(dǎo)通，iB、iC均為一系列；均為一系列；2、大信號激勵：、大信號激勵：12V；4、諧振回

2、路作負(fù)載可以濾除高頻脈沖電流、諧振回路作負(fù)載可以濾除高頻脈沖電流iC中的諧波分量，同時實現(xiàn)中的諧波分量，同時實現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配。二、二、 工作原理的折線分析工作原理的折線分析uCE0ic輸出特性輸出特性uBE0ibUD輸入特性輸入特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性uBE0icUDgm1、三極管特性曲線的折線化、三極管特性曲線的折線化2、各極電流、電壓波形、各極電流、電壓波形tUUutUuimBBBEimicoscos發(fā)射結(jié)電壓為uBEib tUim-UBBUBZ- uBEib t- t- icuBEic t- 圖解可見，圖解可見，iB和和iC的都是余弦脈沖，的都是余弦脈沖，定義定義為導(dǎo)通角，三極管只在（

3、為導(dǎo)通角，三極管只在（ ，）內(nèi)導(dǎo)通，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)通，當(dāng)90o時，功率放大器工作于時，功率放大器工作于丙類狀態(tài)。丙類狀態(tài)。越越大大，越越小小越越小小或或U U且且U U決決定定，和和U U、U UU UU UU UU Uc co os sc co os sU UU UU UB BB Bi im mB BZ ZB BB Bi im mi im mB BB BB BZ Zi im mB BB BB BZ ZiC t- 0ic1Ic1m t0ucUc1m t0.2coscos2m1m0 tItIIiiccccc 余弦脈沖展開為傅立葉級數(shù)：余弦脈沖展開為傅立葉級數(shù)：將將 當(dāng)當(dāng)iC流過流過LC諧振回路時，在回路

4、兩端產(chǎn)生電諧振回路時，在回路兩端產(chǎn)生電壓壓uC。由于諧振回路的選頻特性，。由于諧振回路的選頻特性， uC中只有基波中只有基波分量幅度最大，其它頻率的信號電壓幅度較小可分量幅度最大，其它頻率的信號電壓幅度較小可以忽略。以忽略。 設(shè)設(shè)Re并聯(lián)回路諧振時的等效負(fù)載電阻，包并聯(lián)回路諧振時的等效負(fù)載電阻，包括括BJT的輸出電導(dǎo)和等效的的輸出電導(dǎo)和等效的RL。emcmccRtItUucoscos11 從圖中可以看出，丙類高頻諧振功放由于選頻作用，即使從圖中可以看出，丙類高頻諧振功放由于選頻作用，即使iC是不連續(xù)是不連續(xù)的脈沖電流，在諧振回路兩端也會得到余弦電壓。即能的脈沖電流，在諧振回路兩端也會得到余弦電

5、壓。即能對輸入信號進(jìn)行不對輸入信號進(jìn)行不失真放大失真放大。如果振蕩回路的如果振蕩回路的 0=n ，則在回路兩端可得到頻率為，則在回路兩端可得到頻率為n 的的電壓電壓:u0=Umcosn t；相當(dāng)于實現(xiàn)了對輸入信號的相當(dāng)于實現(xiàn)了對輸入信號的n倍倍頻。倍倍頻。還可以利用選頻特性還可以利用選頻特性實現(xiàn)倍頻器實現(xiàn)倍頻器。3、ic余弦脈沖的分解余弦脈沖的分解icicmax- /2 - /2 tgcUimgcUim cos )0(cos1coscoscoscoscosmaxmaxcccimcimccimcimccitiiUgUgiUgtUgi( () )i ic co os sn nt td dt ti

6、i2 21 1I I( () )i ic co os st td dt ti i2 21 1I I( () )i id dt ti i2 21 1I I），（區(qū)區(qū)間間: :幅幅為為其其中中各各次次諧諧波波分分量量的的振振. . . . . . .c co os s2 2t tI Ic co os st tI II Ii i級級數(shù)數(shù)：余余弦弦脈脈沖沖展展開開為為傅傅立立葉葉將將i in nC Cm ma ax xC Cc cn nm m1 1C Cm ma ax xC Cc c1 1m m0 0C Cm ma ax xC Cc c0 0c c2 2m mc c1 1m mc c0 0c cc c

7、其中其中 0( () )、 1() 、 n ()為尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)；為尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)； / 1 / 0 = g1 0 1 2 30 , 1 , 2 , 32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170另定義另定義 g1 () =Ic1m/Ic0= 1() / 0()為波形系數(shù)，隨為波形系數(shù)，隨 減小而增大。減小而增大。4、能量關(guān)系與效率、能量關(guān)系與效率2）集電極電源提供功率：）集電極電源提供功率：CCcEUIP0 1）集電極輸出功率：）集電極輸出功率：emcemcmcmcORURIUIp212111212121

8、3）集電極損耗功率：）集電極損耗功率：OEcPPP 4）集電極效率：）集電極效率：。為為集集電電極極電電壓壓利利用用系系數(shù)數(shù)U UU U式式中中( () )g g2 21 1U UU UI II I2 21 1P PP PC CC Cc c1 1m mC CC C1 1C CC Cc c1 1m mc c0 0c c1 1m mE EO OC C5） 對效率的影響對效率的影響電壓利用系數(shù)電壓利用系數(shù) c=Uc1m/UCC1， c1， g1 隨隨 而變化；而變化；乙類功放：乙類功放： = /2 ，g1 = /2 ， max= /4=78.5%；丙類功放：丙類功放： /2 ，減小，減小 ，g1 提

9、高，提高， c提高；但是提高；但是 很小時，很小時， g1提高不提高不多，輸出功率卻降低很多。故多，輸出功率卻降低很多。故 通常選在通常選在60o90o之間。之間。immbiUIP 1216）放大器的激勵功率：放大器的激勵功率：7）功率放大倍數(shù)：功率放大倍數(shù)：iOPPPA tUUutUUumcCCCEimBBBEcoscos1三點法作圖：三點法作圖： t=0，uBE=-UBB+Uim； uCE=UCC-Uc1m 得到得到C點點 t= /2，uBE=-UBB； uCE=UCC 得到得到 B點點 t= ， uBE=-UBB-Uim 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻Rs。 21QRRLe 1 LeRRQLsepRQ

10、XQRX , 21QRRLe 1 eLRRQQRXRQXLPes ,ReRLReRLRLReCL (Xs)ReCL(Xp)(a)RLReC (Xp)L ReC(Xs)L (b)1、 型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)(a) 型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)XsXs1Xs2RLRL2、型和型和型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)XpXp1Xp2(b) T型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)RLRLC1C245pFCcC3C410pFLb280 HL1L2VT50 50 17pF16 H0.01 F97 H16pFUCC (28V)Lc280 H三、三、高頻諧振功率放大器電路高頻諧振功率放大器電路4.5 丁類功率放大器丁類功率放大器 在丙類高頻功放中，提高集電極效率是靠減小集電極電流的

11、導(dǎo)通在丙類高頻功放中，提高集電極效率是靠減小集電極電流的導(dǎo)通角實現(xiàn)的，但這樣同時會減小輸出功率。角實現(xiàn)的，但這樣同時會減小輸出功率。 丁類功率放大器的晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，管子導(dǎo)通時進(jìn)入飽和丁類功率放大器的晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，管子導(dǎo)通時進(jìn)入飽和區(qū)，器件內(nèi)阻接近于區(qū)，器件內(nèi)阻接近于0，截止時電流為，截止時電流為0，這樣可以使集電極功耗大為，這樣可以使集電極功耗大為減小，效率大大提高，在理想情況下，效率可達(dá)減小，效率大大提高，在理想情況下，效率可達(dá)100%，實際情況下，實際情況下也可達(dá)也可達(dá)90%左右。但由于開關(guān)管轉(zhuǎn)換頻率越高，損耗越大，故其上限左右。但由于開關(guān)管轉(zhuǎn)換頻率越高，損耗越大，故其上限

12、工作頻率受限。工作頻率受限。丁類功放分為電流開關(guān)型和電壓開關(guān)型兩種電路。丁類功放分為電流開關(guān)型和電壓開關(guān)型兩種電路。UCC VT1 VT2 A LCRL uL iC1 iL (a) uA iC2 Cc tiC1 uA uL iC2 (b) t t t 兩個同型的三極管兩個同型的三極管VT1 、VT2相串聯(lián)，輸入變壓器為相串聯(lián)，輸入變壓器為VT1 、VT2提供相位提供相位相反的驅(qū)動電壓，使兩管交替飽和導(dǎo)通，相反的驅(qū)動電壓，使兩管交替飽和導(dǎo)通，A點處的電壓為方波，振幅為點處的電壓為方波，振幅為 CCcesCCAmUUUU2 相應(yīng)的電流電壓波形如圖（相應(yīng)的電流電壓波形如圖（b）所示。負(fù)載電阻）所示。

13、負(fù)載電阻RL與與L、C構(gòu)成高構(gòu)成高Q串聯(lián)諧串聯(lián)諧振回路，當(dāng)它調(diào)諧于輸入信號頻率時，在負(fù)載上得到電壓振回路，當(dāng)它調(diào)諧于輸入信號頻率時，在負(fù)載上得到電壓uA的基波分量，實現(xiàn)的基波分量，實現(xiàn)高頻放大的目的。高頻放大的目的。 RL上基波電壓振幅：上基波電壓振幅： )2(2cesCCAmLmUUUU基波電流振幅：基波電流振幅： LLmLmRUI 輸出功率：輸出功率： LLmRUP2021 通過電源的平均電流分量：通過電源的平均電流分量： LmLmcIII )90(00電源供給功率：電源供給功率： coCCEIUP 效率：效率： CCcesCCEcUUUPP20 實際工作中，三極管在飽和、截止之間的轉(zhuǎn)換需

14、要一定的時間，實際工作中，三極管在飽和、截止之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間，uA不是理想方不是理想方波，而是存在著上升沿和下降沿，轉(zhuǎn)換期間存在一定的電壓和電流，使管耗增加，波，而是存在著上升沿和下降沿，轉(zhuǎn)換期間存在一定的電壓和電流，使管耗增加，效率降低，所以應(yīng)選擇開關(guān)時間短的高頻開關(guān)三極管或無電荷存儲效應(yīng)的效率降低，所以應(yīng)選擇開關(guān)時間短的高頻開關(guān)三極管或無電荷存儲效應(yīng)的VMOS場場效應(yīng)管，并減小電路中的分布電容。效應(yīng)管，并減小電路中的分布電容。4.6 寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器 由于寬帶放大器沒有選頻作用，一般只工作于非線性失真較小的由于寬帶放大器沒有選頻作用，一般只工作于非線性失真較小的

15、甲類或甲乙類，所以寬帶放大器的效率一般不高（甲類或甲乙類，所以寬帶放大器的效率一般不高（20%左右）。左右）。常用的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)：傳輸線變壓器。常用的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)：傳輸線變壓器。 主要要求：通頻帶要寬；失真要?。环糯蟊稊?shù)要大。主要要求：通頻帶要寬；失真要?。环糯蟊稊?shù)要大。一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器1.傳輸線變壓器工作原理傳輸線變壓器工作原理傳輸線模型傳輸線模型變壓器模型變壓器模型RL Us 1 3 2 U1 Rs 4 U2 1 2 3 4 U2 Us I1 I2 I4 I3 U1 Rs RL 傳輸線主要是指用來傳輸高頻信號的雙導(dǎo)線、同軸線，將傳輸線繞制在高磁導(dǎo)率、傳輸線主要是指用來傳輸高

16、頻信號的雙導(dǎo)線、同軸線，將傳輸線繞制在高磁導(dǎo)率、低損耗的磁環(huán)上就構(gòu)成傳輸線變壓器。因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點，低損耗的磁環(huán)上就構(gòu)成傳輸線變壓器。因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點，相應(yīng)的有兩種工作方式（模式），傳輸線方式和變壓器方式。相應(yīng)的有兩種工作方式（模式），傳輸線方式和變壓器方式。 低頻工作時，傳輸線就是兩根普通連接線。高頻工作時，由于分布電感和線間低頻工作時，傳輸線就是兩根普通連接線。高頻工作時，由于分布電感和線間分布電容的影響，能量是通過分布電容中的電場能量和分布電感中的磁場能量不斷分布電容的影響，能量是通過分布電容中的電場能量和分布電感中的磁場能量不斷相互轉(zhuǎn)換而傳送

17、到負(fù)載的。以相互轉(zhuǎn)換而傳送到負(fù)載的。以L0、C0表示單位長度傳輸線的電感和電容，傳輸線的表示單位長度傳輸線的電感和電容，傳輸線的特性阻抗是一個與頻率無關(guān)的電阻特性阻抗是一個與頻率無關(guān)的電阻 00CLZc 1 2 3 4 l ZiZCI1 I1 I2 I2 普通連接線普通連接線 示意圖示意圖Us U1 Rs RL U2 1 2 3 4 U1 I1 I1 I2 I2 傳輸線等效圖傳輸線等效圖 RL U2 Us Rs 1 2 3 4 U1 高頻倒相器高頻倒相器Us Rs RL U2 UL 2、傳輸線變壓器的應(yīng)用、傳輸線變壓器的應(yīng)用 （1）高頻倒相器）高頻倒相器 端點端點2、3相連并接地，相連并接地，

18、1、3端加高頻電端加高頻電壓壓U1，負(fù)載上得到的電壓，負(fù)載上得到的電壓UL與與U1反相。反相。 （2）不平衡、平衡變換器）不平衡、平衡變換器 1 2 3 4 Us Rs RL/2 RL/2 不平衡、平衡變換器不平衡、平衡變換器U1 U2/2 U2/2 U2 信號源一端接地，稱為信號源一端接地，稱為“不平衡不平衡”，轉(zhuǎn)換后的負(fù)載上兩電壓大小相等、方向相轉(zhuǎn)換后的負(fù)載上兩電壓大小相等、方向相反，稱為平衡輸出。反，稱為平衡輸出。 （3）阻抗變換）阻抗變換1 2 3 4 1:4阻抗變換器阻抗變換器RL/4RL U2 U1 Us Rs UL I 2I 4:1阻抗變換器阻抗變換器1 2 3 4 2I RL

19、U2 U1 Us Rs UL 4RLI +28VLbT3T2T127 470 47 27 2.7k 0.01 0.01 0.01 0.01 1800 1200 27 180 12 0.01 5 0.01 1000p0.01 5 330 Lb0.01 輸入輸入輸出輸出VT1VT2二、寬帶功率放大電路二、寬帶功率放大電路 寬頻帶變壓器耦合放大電路，工作頻率在寬頻帶變壓器耦合放大電路，工作頻率在150kHz30MHz。圖中。圖中T1、T2、T3都都是寬帶傳輸線變壓器，是寬帶傳輸線變壓器，T1與與T2串接是為了實現(xiàn)阻抗變換，將串接是為了實現(xiàn)阻抗變換，將VT1的低輸入阻抗變換的低輸入阻抗變換為為VT2所

20、需要的高負(fù)載阻抗。為改善放大器性能，每級都加了電壓負(fù)反饋支路；為所需要的高負(fù)載阻抗。為改善放大器性能，每級都加了電壓負(fù)反饋支路；為避免寄生耦合，每級的集電極電源都加有電容濾波。未采用調(diào)諧回路，放大器應(yīng)工避免寄生耦合，每級的集電極電源都加有電容濾波。未采用調(diào)諧回路，放大器應(yīng)工作于甲類狀態(tài)。作于甲類狀態(tài)。 1W 4W 11W 5W 11W 10W 5W 11W 5W 5W 11W 11W 11W 5W 19W 40W 35W 19W 10W 10W 10W 10W 5W 11W 4.7 功率合成技術(shù)功率合成技術(shù)一、功率合成器的組成一、功率合成器的組成 在高頻功率放大器中，當(dāng)需要的輸出功率超過單個電

21、子器件所能輸出的在高頻功率放大器中，當(dāng)需要的輸出功率超過單個電子器件所能輸出的功率時，可以將多個電子器件的輸出功率疊加起來，這就是功率合成技術(shù)。功率時，可以將多個電子器件的輸出功率疊加起來，這就是功率合成技術(shù)。 下圖是一個輸出功率為下圖是一個輸出功率為35W的功率合成器的組成框圖，三角形代表功的功率合成器的組成框圖，三角形代表功率放大器，菱形代表功率分配或合成網(wǎng)絡(luò)。率放大器，菱形代表功率分配或合成網(wǎng)絡(luò)。A DCBRA RB RC RD (a) A DCBRA RB RD RC (b) 利用利用1:4傳輸線變壓器組成的魔傳輸線變壓器組成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)功率的合成與分配?；旌暇W(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)

22、功率的合成與分配。混合網(wǎng)絡(luò)有混合網(wǎng)絡(luò)有A、B、C、D四個端點，為了滿足網(wǎng)絡(luò)匹配的條件，取四個端點，為了滿足網(wǎng)絡(luò)匹配的條件，取RA = RB = ZC = R，RC = ZC / 2 =R / 2，RD = 2ZC = 2R，ZC為傳輸線變壓器的特性阻抗。為傳輸線變壓器的特性阻抗。二、功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)二、功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)魔魔T混合網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)A、B端輸入兩大小相等、極性相反的電壓時，端輸入兩大小相等、極性相反的電壓時， C端無輸出，輸入功率在端無輸出，輸入功率在D端合成。端合成。21III III 1201 III 2所以所以C端無輸出，而端無輸出，而D點的輸出功率為：點的輸出功率為： ABADPPPUIP22 RA RB RC RD A DCBII2I2I1I1I2I1US1US22U U U SSSUUU 21ABACPPPUIP22 SSSUUU 211、反相功率合成、反相功率合成2、同相功率合成、同相功率合成A、B端輸入兩大