高頻與射頻電路 第二章

第二章高頻功率放大器一、概述按照電流導通角分類按選用的功率器件低頻區(qū)：中頻區(qū)：高頻區(qū)：對等效電路可以不考慮電抗分量和載流子渡越的時間要考慮各個結電容作用，可以不考慮引線電感和載流子渡越時間需進一步考慮電極引線電感作用以及載流子渡越時間按工作頻率與和關系：中頻區(qū)和高頻區(qū)的嚴格計算很困難。本章討論：處于晶體管低頻區(qū)的丙類功放。二、基本原理特點：發(fā)射結反偏外部特性方程：三極管轉移特性導通電壓（硅為0.6伏，鍺為0.2伏）導通角集電極電流最大值按傅立葉級數展開：集電極電流令p為初級接入系數，則當LC諧振于基波時，有注意：此時是將諧振回路接入到晶體管的輸出端！此時，對于高次諧波的阻抗為：由于所以：若：注意：A、回路阻抗對于各次諧波來說，與諧振于基波之值相比較，小到可以忽略的程度（百分之幾），可以認為回路對高次諧波是短路的；

B、由于電感的直流損耗很小，對于直流電流也可以認為是短路的；

C、余弦周期脈沖電流引起的LC回路電壓仍然是基頻的正弦波。外部特性方程：總功率（直流功率）：輸出功率：集電極耗散功率：集電極效率：結論：A、當集電極耗散功率一定時，提高集電極效率，可增大輸出功率。

B、當總功率一定時，盡量減小集電極耗散功率，則可提高集電極效率，同時輸出功率也增加。

C、減小導通角，可以減小集電極耗散功率，提高集電極效率。但導通角過小，集電極電流脈沖太窄，則平均直流分量小，使總功率減小，反而會使輸出功率減小。兼顧效率與輸出功率常取三、近似折線分析法1）將晶體管的特性曲線理想化，每一條特性曲線用一條或幾條直線（組成折線）來代替；2）用簡單數學解析式來代替特性曲線；3）將晶體管參數代入解析式，進行計算。優(yōu)點：計算簡單，可以進行概括性理論分析；缺點：準確度較低（但可以定性估算）?？偣β剩ㄖ绷鞴β剩狠敵龉β剩杭姌O耗散功率：集電極效率：由有：和是計算和的關鍵。集電極余弦電流脈沖的分解思路：求解然后求解最后獲得和由時和可以確定當由（1）-（2）有：當時由（3）/（4）有：而求傅立葉級數的系數，有：稱為尖頂余弦脈沖分解系數。討論：A、雖然時最大，但此時屬甲乙類工作狀態(tài)，集電極效率低。因此兼顧功率與效率，最佳導通角取B、當時最大，此時可用于2倍頻器當時最大，此時可用于3倍頻器波形系數四、高頻功放的負載特性與動態(tài)特性動態(tài)特性是指考慮負載的作用后和的關系曲線。外部特性方程：轉移特性方程：找出與關系。代入（2）式，有：方程組（1）消去有：令則稱為工作線（虛擬電流）Q點：B點：A點：1、負載變化時（保持不變）放大器的性能的變化由于Q點：與無關，而變化Q點不變！因此①工作線1的A點在上是尖頂余弦脈沖②工作線2的A點在與飽和線的交點仍是尖頂余弦脈沖③工作線3的A點在飽和線上是凹頂余弦脈沖欠壓狀態(tài)臨界狀態(tài)過壓狀態(tài)

從小到大的變化過程中，放大器的狀態(tài)從欠壓臨界過壓在欠壓和臨界狀態(tài)，由于可以將當作是和坐標軸平行的直線，尖頂余弦脈沖的最大值近似不變。在過壓狀態(tài)，為凹頂余弦脈沖隨增大而減小。近似不變。也隨之減小。討論：①欠壓狀態(tài)可以作為高頻恒流源；②過壓狀態(tài)可以作為高頻恒壓源；③輸出功率最大出現于臨界狀態(tài)；④集電極效率最高出現于微過壓狀態(tài)；⑤負載短路，輸入功率全為耗散功率。2、各電極電壓變化對工作狀態(tài)的影響1）變化（保持不變）假設放大器處于臨界狀態(tài)由于Q點：A點：工作線右移欠壓狀態(tài)工作線左移過壓狀態(tài)討論：①過壓狀態(tài)②臨界狀態(tài)時，③臨界狀態(tài)時，④過壓狀態(tài)時，此時可作為集電極調幅因此變化不大2）變化（保持不變）假設放大器處于臨界狀態(tài)由于因此新約束下的過壓狀態(tài)新約束下的欠壓狀態(tài)討論：①欠壓狀態(tài)②臨界狀態(tài)時，③臨界狀態(tài)時，④欠壓狀態(tài)時，此時可作為調幅信號線性放大器因此變化不大變化不大3）變化（保持不變）這時與變化相反。由于討論：欠壓狀態(tài)此時可作為基極調幅因此3、工作狀態(tài)估算用3DA1構成諧振功率放大器。已知：工作頻率，求各能量關系。查手冊，有3DA1的參數解：設處于臨界狀態(tài)，且則：而五、晶體管功率放大器的高頻特性1、晶體管高頻等效Le、Lc、Lb—引線電感；—集電結結電容；—發(fā)射結結電容；—集電區(qū)有效分布電阻；—發(fā)射結有效分布電阻；—基區(qū)有效分布電阻；—發(fā)射極內勻流電阻。這只是一個定性的模型。有一個附加相差2、載流子渡越時間①出現負脈沖，而且主脈沖高度也有所減?、刍鶚O電流直流分量減小，甚至可能出現反向直流電流②脈沖滯后于六、高頻功率放大器的饋電線路饋電原則：①對于基波有等效負載；②對于諧波相當于短路；③對于直流相當于短路。1、串饋與并饋1)集電極回路（串饋和并饋）2)基極回路（串饋和并饋）無論串饋還是并饋，由于電源與“地”之間有一定的雜散電容，而且比較大，扼流圈與隔直電容也有一定體積，對“地”（機殼）也有一定的分布電容（雜散電容），因此，只要有可能，就不要把這些元件接在高頻高電位處，而應該接在高頻“地”電位處。同理，電路中若要接上測量電流的電表等，也要接在高頻“地”電位處。直流電源的一端必須接“地”，這是電子線路饋電的一條基本原則。無論串饋還是并饋，外部特性的基本關系式都是適用的。串饋優(yōu)點：C’、L’都接在高頻“地”電位處，分布電容不會影響電路工作；缺點：C、L上有直流高壓，對電子管電路而言，調整時有危險（對晶體管則不影響）；并饋優(yōu)點：C、L上沒有直流高壓；缺點：C’、L’處在高頻高電位上，分布電容對電路有影響。2、基極回路偏置VBB利用自偏產生由于單獨給VBB供電，使電路復雜，且不方便，故基極偏置常采用自偏的方式。

前面兩種偏置電路屬于并饋電路，后一種偏置電路屬于串饋電路。七、功率放大器的輸出回路與級間耦合回路1、集電極輸出耦合回路的作用③隔離，即在多路輸出時，各路之間相互不影響。這里主要討論前兩個作用，即“匹配”與“濾波”。①阻抗匹配，即最大功率傳輸（耦合電感、接入系數等）②濾波，即抑制諧波及不需要的其它頻率分量；2、輸出匹配網絡簡單輸出回路：負載直接接入集電極回路，成為并聯諧振回路的一部份。優(yōu)點：電路簡單。缺點：不易調整阻抗匹配，濾波不好。復合輸出回路電感耦合電容耦合Π型耦合T型耦合以互感耦合為例去耦合等效若接入系數則初級諧振阻抗定義中介回路傳輸效率有載品質因數不是越高越好！則則兼顧中介回路效率與濾波，負載功率最大出現于微欠壓狀態(tài)3、Π輸出匹配網絡目的：1）令R1與R2匹配；2）諧振于工作頻率。假設有載品質因數根據并串聯關系全串聯等效匹配條件：諧振條件：三個方程可以確定有載品質因數假設：應用條件：其它Π型結構的分析方法都是一樣的。4、輸入匹配網絡與級間耦合網絡對于中間級來說，最主要的是應該保證它的輸出電壓穩(wěn)定，以供給下級穩(wěn)定的激勵電壓，而效率則降為次要問題。因此，可采取以下措施來設計中間級：1）中間級工作于過壓狀態(tài)；2）降低級間耦合回路效率一般取5、T型輸入匹配網絡匹配條件：諧振條件：三個方程可以確定有載品質因數假設：其它T型網絡分析方法也一樣！假設：則應用條件：最后：匹配網絡在高頻功率放大器中占有很重要的地位，匹配網絡設計和調整良好，能保證放大器工作于最佳狀態(tài)。八、寬帶高頻功率放大器匹配普通變壓器的高頻等效電路r1為初級銅損；Ls1為初級漏感；L1為初級電感；r’2為次級銅損折算到初級的值；L’s2為次級漏感折算到初級的值；C為各部分分布電容折合到初級后的總和；R’L為RL折算到初級的值。頻率下降，由于L1電感量不足，使低端衰減加劇。結論：普通變壓器結構不能適用于寬帶功放的阻抗匹配和隔離。采用傳輸線變壓器，可以把帶寬展寬到幾百兆赫。頻率升高，Ls1、L’s2、C的作用加強，限制頻率的上升；1、傳輸線變壓器的工作原理根據電報方程這里R0—分布電阻L0—分布電感G0—分布電導C0—分布電容求解電報方程，且考慮在無損耗媒質中，有當很小可近似認為：這是在一個寬帶范圍內的阻抗表達式。1)傳輸線變壓器的實現在一個高μ磁環(huán)上，用傳輸線（如絞合雙線、平行雙線或同軸電纜等）繞上幾匝。2)傳輸線變壓器的特點①單邊電感量大，總電感為0②頻率上限經驗公式③頻率下限經驗公式④兩個繞組的電壓處處相等，兩個繞組中的電流處處等值反向⑤阻抗變換只能是某些固定比值⑥端口關系2、1：4（4：1）阻抗變換器將負載和信號源交換位置，可得4：1阻抗變換器。最大傳輸功率阻抗：最高耐壓阻抗：最小衰減阻抗：常用用于傳輸信號兼顧耐壓、功率及衰減以傳輸線變壓器為核心，構成功率合成與分配網絡。3、功率合成與分配功率合成與分配網絡應滿足的條件：功率相加條件彼此隔離1）如從C端饋入信號（D端隔離）由電路對稱形式，可知有因此RA、RB上獲得同相等功率的信號，即這是一個同相功率分配網絡。2）信號從D端送入有：及因此，RA、RB上獲得同等反相功率。這是一個反相功率分配器。3）A、B端反相激勵時的工作情況

由因此，有這是個反相功率合成網絡（在D端合成）4）A、B端同相激勵時的工作情況由有因此這是一個同相功率合成網絡（在C端合成）。九、倍頻器輸出頻率等于輸入頻率整數倍的電路。倍頻器用于：提高頻率穩(wěn)定度（主振越窄越穩(wěn)定）；提高工作穩(wěn)定性（減小寄生耦合）；加深調角信號的調制度；頻率變換（低頻—高頻）。主要形式：丙類倍頻器：丙類放大器；參量倍頻器，利用變容管等。丙類倍頻器工作原理與丙類放大器類似，只需將負載諧振回路調諧到n次諧波上即可。其外部特性方程為：對于二次倍頻：對于三次倍頻：由于：要使需要可能導致晶體管被擊