g第六章 高頻功率放大器課件

第六章高頻功率放大器知識結(jié)構(gòu)：6.1概述6.2高頻功率放大器的工作原理6.3高頻功率放大器的折線近似分析法6.5高頻功率放大器的電路組成6.9功率合成器6.10晶體管倍頻器學(xué)習(xí)目標：掌握高頻功率放大器的工作原理掌握高頻功率放大器的折線近似分析法熟悉高頻功率放大器的電路組成原則掌握功率合成器的工作原理了解倍頻器的工作原理本章重點：諧振功率放大器的工作原理高頻功率放大器的動態(tài)特性和負載特性高頻功率放大器的電路組成功率合成器的工作原理本章難點：高頻功率放大器的動態(tài)特性和負載特性的分析功率合成器的工作原理6.1概述6.1.1功放的分類6.1.2高頻功放的分類和特點6.1.3高頻功放的技術(shù)指標和分析方法6.1.4高頻功放與其他放大器的比較6.1.1功放的分類按工作狀態(tài)分：按工作頻率分：低頻功率放大器高頻功率放大器甲類放大器適用于小信號低功率放大；乙類和丙類適用于大功率放大；甲乙類放大器當小信號時工作在甲類，當大信號時工作在乙類。高頻功放分類：1）窄帶型：以諧振回路作為負載，選頻范圍很窄。主要用于放大等幅信號，例如載波信號、調(diào)頻信號；2）寬帶型：采用工作頻帶很寬的傳輸線變壓器或者其他寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)作為負載。主要用于實現(xiàn)功率合成。高頻功放特點：1)放大高頻大信號；2)工作在丙類狀態(tài)會伴隨嚴重的失真問題;3)重點解決失真與效率問題；4)采用諧振負載解決失真。6.1.2高頻功放的分類和特點放大器處于非線性工作狀態(tài)，高頻小信號諧振放大器的一套線性模型在這里已完全不能用，只能用圖解法或折線近似分析法來分析功率放大器。技術(shù)指標：功率與效率分析方法：6.1.3高頻功放的技術(shù)指標和分析方法分析方法優(yōu)點缺點圖解法利用電子器件的特性曲線來對它的工作狀態(tài)進行計算從客觀實際出發(fā)，計算結(jié)果比較準確對工作狀態(tài)的分析不方便，手續(xù)較復(fù)雜折線近似分析法將電子器件的特征曲線用折線段來表示，然后對放大器的工作狀態(tài)進行分析計算物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便計算準確度較低6.1.4高頻功放與其他放大器的比較與低頻功放的比較：高選頻網(wǎng)絡(luò)丙類窄百分之零點幾到百分之幾高（一個工作中心頻率）

高頻功放低無調(diào)諧負載甲類、甲乙類、推挽乙類寬低（20Hz-30KHz）

低頻功放效率負載工作狀態(tài)相對帶寬

工作頻率

共同點：輸出功率大、效率高不同點：與高頻小信號調(diào)諧放大器比較：放大對象諧振網(wǎng)絡(luò)的作用工作狀態(tài)分析方法質(zhì)量指標高頻功率放大器高頻大信號從失真的集電極電流脈沖中選出基波、濾除諧波，從而得到不失真的信號輸出丙類圖解法或者解析近似分析法功率和效率高頻小信號放大器高頻小信號抑制干擾信號甲類線性等效電路增益、通頻帶、選擇性、穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)共同點：放大的都是高頻信號，且負載均為諧振網(wǎng)絡(luò)不同點：6.2高頻功率放大器的工作原理6.2.1基本電路結(jié)構(gòu)6.2.2工作原理分析6.2.3功率關(guān)系晶體管的工作情況與頻率有極其密切的關(guān)系，把其工作頻率范圍劃分為三個區(qū)域：低頻區(qū)：中頻區(qū)：高頻區(qū)：中頻區(qū)要考慮晶體管各個結(jié)電容的作用高頻區(qū)需進一步考慮引線電感的作用﹜分析和計算相當困難。低頻區(qū)可以不考慮其等效電路中的電抗分量等影響，可以用與分析電子管高頻功率放大器類似的方法來分析。6.2.1基本電路結(jié)構(gòu)大功率晶體管，能承受高電壓，大電流。1.功率放大器的作用原理：利用輸入到基級的信號，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瘦敵龀鋈ァ＜僭O(shè)：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

則，由能量守恒定律可得：P==Po+Pc為了說明放大器的轉(zhuǎn)換能力，采用集電極效率ηc，其定義為：兩點結(jié)論：1）降低Pc則ηc提高，P=一定時，Po增大2）若Pc不超過規(guī)定值，則ηc提高，將使Po大為增加，P=也相應(yīng)提高。6.2.2工作原理分析VBEic?-VBB?VBZVbic?iCVbmgC+VBE_2.集電極電流iciC+VBE_VBEic?-VBB?-VBZVbic?VbmgCicmax2.集電極電流iciCiC1iC2ICO2.集電極電流ic例題：試求高頻功率放大器的基本電路中并聯(lián)諧振回路各次諧波與基頻的阻抗值之比。已知回路Q＝10，回路諧振于基頻。解：并聯(lián)諧振回路的諧振阻抗為：對于諧波nω的阻抗為：可知，回路對高次諧波呈電容性阻抗。且各次諧波的阻抗與基頻阻抗之比很小，可認為是短路的。iC+VBE_結(jié)論：iC呈脈沖狀，且包含很多諧波，失真很大。集電極電路內(nèi)采用并聯(lián)諧振回路，如使其諧振于基頻，那么將對基頻呈現(xiàn)很大的純電阻性阻抗，而對諧波的阻抗則很小，可視為短路。并聯(lián)諧振回路由于iC所產(chǎn)生的電壓降vC也幾乎只包含基頻。能得到正弦波形的輸出。3.集電極輸出電壓iC+VBE_4.集電極電壓、電流和基級電壓的波形晶體管集電極電壓：

晶體管基級電壓：晶體管集電極的電流：iC+VBE_6.2.3.高頻功放的功率關(guān)系00.20.30.40.10.520o40o60o80o100o120o140o160o180o當晶體管允許的耗散功率一定時，(3)Pc1PoPcPoPoccchhh-=T+=6.3晶體管諧振功率放大器的

折線近似分析法6.3.1晶體管特性曲線的理想化及其解析式6.3.2集電極余弦電流脈沖的分解6.3.3高頻功率放大器的動態(tài)特性6.3.4高頻功率放大器的負載特性6.3.5各極電壓對工作狀態(tài)的影響6.3.1晶體管特性曲線的理想化

及其解析式1、折線法

所謂折線法，是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管特性曲線后進行分析和計算的方法。實質(zhì)：用簡單的數(shù)學(xué)解析式來代表電子器件的特性曲線。2、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。關(guān)鍵在于求出電流的直流分量和基頻分量。3、晶體管靜態(tài)特性曲線折線化兩種曲線：輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線。輸出特性曲線：基極電流（電壓）恒定，集電極電流與集電極電壓的關(guān)系曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線：集電極電壓恒定，集電極電流與基極電壓的關(guān)系曲線。4、折線分析法的主要步驟：測出晶體管的輸出特性曲線與轉(zhuǎn)移特性曲線，并將這兩組曲線作理想化折線處理作出動態(tài)特性曲線根據(jù)激勵電壓的大小在已知理想特性曲線上作出對應(yīng)電流脈沖iC和輸出電壓vC的波形求出iC的各次諧波分量，結(jié)合給定的負載諧振阻抗的大小，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。5、晶體管特性曲線的理想化及其解析式6.3.2集電極余弦電流脈沖的分解1、余弦電流脈沖的表達式2、余弦電流脈沖的分解系數(shù)6.3.3高頻功率放大器的動態(tài)特性1、動態(tài)特性和靜態(tài)特性1）晶體管的靜態(tài)特性是在集電極電路內(nèi)沒有負載阻抗的條件下獲得的。例如vC不變，iC－vB的關(guān)系曲線就是靜態(tài)特性曲線－轉(zhuǎn)移特性曲線。2）動態(tài)特性：如果集電極電路有負載阻抗，則當改變vB使iC變化時，由于負載上有電壓降，就必然引起vC的變化。即在考慮了負載的反作用后，所獲得的vC、vB與iC的關(guān)系曲線就是動態(tài)特性曲線。最常用的是當vC、vB同時變化時，iC－vC關(guān)系的動態(tài)特性曲線。2、當晶體管靜態(tài)特性曲線理想化為折線而且放大器工作于負載回路諧振狀態(tài)（即負載為純電阻性）時，動態(tài)特性曲線也是一條直線。證明：放大器負載諧振時外部電路關(guān)系為整理可得：將其代入內(nèi)部關(guān)系式iC+VBE_其中：表示斜率（放大器相當于一個負電阻/一個交流電能發(fā)生器，輸出電能至負載）表示截距vcicVo?A?BOVCC?QVcmvcmingd在靜態(tài)特征曲線的vc軸上取B點，使OB=V0，由B點作斜率為gd的直線BA，即得動態(tài)特征曲線。3、動態(tài)特性曲線動態(tài)特性曲線的畫法：取Q（ωt=900，vc=VCC，vb=－VBB）、A（ωt=00，vc=VCC－Vcm，vb=－VBB

＋Vbm）兩點，連成直線vBmax=-VBB+Vbm4.同理，可求出iC-vB平面內(nèi)的動態(tài)特性曲線。在實際工作中，晶體管工作于放大區(qū)和截止區(qū)時，iC幾乎不受集電極電壓變化的影響，因而在iC-vB平面上的動態(tài)特性曲線幾乎和靜態(tài)特性曲線重合。因此在iC-vB平面上可以用靜態(tài)特性來表示動態(tài)特性。vcicVo?A?BOVCC?QVcmvcmingdvBmax=-VBB+Vbm5、關(guān)于動態(tài)特性曲線的幾點討論1）動態(tài)特性曲線是直線還是直線段？答：直線段2）隨著集電極電壓的變化，集電極電流如何變？答：隨著集電極電壓的減小，集電極電流增大。3）A點的橫坐標和縱坐標分別對應(yīng)著什么？答：橫坐標對應(yīng)著集電極電壓的最小值，縱坐標對應(yīng)著集電極電流的最大值。4）Q點和A點橫坐標的差代表什么？答：交流輸出電壓的振幅。5）隨著動態(tài)特性曲線斜率的變化，集電極電流的最大值和集電極電壓的最小值以及交流輸出電壓的振幅將發(fā)生什么樣的變化？答：|gd|↑動態(tài)特性曲線遠離橫軸，iCmax↑，vCmin↑，Vcm↓。6、對應(yīng)于不同負載阻抗值Rp的動態(tài)特性曲線動態(tài)特性曲線的斜率和Rp有關(guān)，Rp越大，Vcm越大，則越小，故放大器的工作狀態(tài)會隨著Rp的變化而變化。Rp和斜率、iCmax、Vcm、vcmin以及晶體管工作狀態(tài)的關(guān)系。1．定義2．特性6.3.4高頻功率放大器的負載特性

指VBB、Vbm和

VCC一定，放大器性能隨Rp的變化特性。Rp

的增加勢必將引起

Vcm

增大(Vcm=RpIcm)

Rp

Vcm

vCEmin

iCmax

ICm1和

IC0

功放欠壓過壓

iC

波形出現(xiàn)凹陷。Rp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Icm1IcoVcm據(jù)此可以畫出

Ic0

和Icm1

和Vcm隨Rp

變化的特性。

3．

Po、P=、PC、C

隨Rp

變化的曲線

Vcm=RpIcm1，Po=VcmIcm1/2

P＝=VCCIC0，PC=P＝－Po

C=Po/P＝PoRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)P=PcRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Icm1IcoVcm4．討論

(1)欠壓區(qū)

Rp，iC脈沖高度略有減小，相應(yīng)的IC0、Ic1m也略有減小，因而Vcm(=RpIcm1)和Po(

)近似線性增大，而P=(=VCCIC0略有減小，C增大，PC

減小。

(2)過壓區(qū)

Rp

，電流脈沖高度迅速減小，凹陷加深，相應(yīng)的IC0、Ic1m

迅速減小，結(jié)果使Vcm

略有增加，Po、P=

減小，且

Po比

P=減小的慢，從而C

略有增加，PC

略有減小。Rp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Icm1IcoVcmPoRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)P=Pc5.結(jié)論：1)、欠壓時Icm1幾乎不變，過壓時Vcm幾乎不變。因而可以把欠壓狀態(tài)的放大器當作一個恒流源，把過壓狀態(tài)的放大器當作一個恒壓源。2)、三種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點：臨界狀態(tài)優(yōu)點：輸出功率最大，效率較高，是最佳工作狀態(tài)。主要用于發(fā)射機末級。過壓狀態(tài)優(yōu)點：Rp變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)，弱過壓時，效率最高。但輸出功率有所下降。常用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場合，發(fā)射機的中間放大級。欠壓狀態(tài)優(yōu)點：輸出功率和效率都很低，而且集電極耗損功率大，一般很少采用。Rp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Icm1IcoVcmPoRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)P=Pc6.3.5各極電壓對工作狀態(tài)的影響1.VCC對工作狀態(tài)的影響Rp、VBB、Vbm保持不變，當VCC發(fā)生變化時，對晶體管工作狀態(tài)的影響。因為Rp、VBB、Vbm保持不變，所以動態(tài)特性曲線的斜率保持不變，vBmax保持不變。VCC變化時，Q點的位置產(chǎn)生變化，對晶體管的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。假如晶體管工作在臨界狀態(tài)，VCC變大時，動態(tài)特性曲線右移，晶體管由臨界狀態(tài)變?yōu)榍穳籂顟B(tài)，iCmax基本不變稍有增大；變小時，左移，變?yōu)檫^壓狀態(tài)，iCmax迅速減小。Q1Q2QvCiCvBmax=-vBB+vbmVCCVCC1VCC2

②過壓狀態(tài)：隨VCC

減小，集電極電流脈沖的高度迅速降低，凹陷加深，因而IC0、Icm1、Vcm將迅速減小。

VCC對工作狀態(tài)的影響

①欠壓狀態(tài)：隨VCC減小，集電極電流脈沖高度略有減小，因而IC0和Icm1

也將略有減小，Vcm(=RpIcm1)也略有減小。故，集電極調(diào)幅應(yīng)工作在過壓狀態(tài)。2.VBB或Vbm對工作狀態(tài)的影響Rp、Vbm、VCC保持不變，當VBB發(fā)生變化時，對晶體管工作狀態(tài)的影響。因為Rp、Vbm

、VCC保持不變，所以動態(tài)特性曲線暫時不會發(fā)生變化。若晶體管工作在臨界狀態(tài)，

-VBB或vBmax變大，所對應(yīng)的iC—vC靜態(tài)特性曲線上移，晶體管由臨界狀態(tài)變?yōu)檫^壓狀態(tài)，iCmax稍微變大；當變小時，下移，變?yōu)榍穳籂顟B(tài)，iCmax迅速下降。QvCiCvBmax=-vBB+vbmVCCvBmax2=-vBB2+vbmvBmax1=-vBB1+vbm故，基極調(diào)幅應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)。

②過壓狀態(tài)：隨Vbm

變大，IC0和Icm1、Vcm

均增加緩慢，可認為近似不變。

①欠壓狀態(tài)：隨Vbm變大，集電極電流脈沖高度變化顯著，從而IC0和Icm1、Vcm增加幅度大。-VBB或Vbm對工作狀態(tài)的影響-VBB或Vbm-VBB或Vbm增大6.5高頻功率放大器的電路組成6.5.1饋電線路1.饋電方式的分類2.饋電線路的組成三原則3.集電極饋電4.基級饋電6.5.2耦合回路要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有：直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；交流匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號有效地傳輸。并聯(lián)饋電線路：直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體管三者形成并聯(lián)連接的方式。

串聯(lián)饋電線路：直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體管三者形成串聯(lián)連接的方式。6.5.1饋電線路1.饋電方式的分類根據(jù)直流電源連接方式的不同，可分為：

①集電極電流的直流分量IC0是能量的來源，除了晶體管的內(nèi)阻外，應(yīng)予以短路，

以保證VCC全部加在集電極上，避免管外電路消耗電源功率，即

P==

IC0VCC②集電極電流的基波分量Icm1通過負載回路，以產(chǎn)生所需的高頻輸出功率，只應(yīng)在負載回路上產(chǎn)生電壓降，其余部分電路都應(yīng)短路。③集電極電流的的高次諧波分量Icmn不應(yīng)消耗功率，因此對晶體管外的電路應(yīng)盡可能短路。IcoVCCIcm1CLIcmn2.饋電線路的組成三原則LCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICO直流通路ICOVCCLCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICm1交流通路Icm1LCCCCC1VCCLCuc1VTLCCCVCCLCuc1VTICmn交流通路ICmnLCCCCC1VCCLCvcm1VTLCCCVCCLCVcm1VT3.集電極饋電常用的集電極串饋和并饋電路如下圖所示：

LC：高頻扼流圈：通直流阻交流CC：高頻旁路電容：通交流隔直流CC1：隔直電容：通交流隔直流

CBLBLBLBCERbReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTVBBVBB4基極饋電IBOVBBIBOIEO+VBB-(3)利用射極電流的直流分量EOI在eR上產(chǎn)生偏壓eEOBBRIV-=，而且此電路能自動維持放大器的工作穩(wěn)定。

功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)RLRSvS(1)使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。

(2)抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波