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(dǎo)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(duì)等效電路可以不考慮電抗分量和載流子渡越的時(shí)間要考慮各個(gè)結(jié)電容作用，可以不考慮引線電感和載流子渡越時(shí)間需進(jìn)一步考慮電極引線電感作用以及載流子渡越時(shí)間按工作頻率與和關(guān)系：中頻區(qū)和高頻區(qū)的嚴(yán)格計(jì)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(diǎn)：發(fā)射結(jié)反偏外部特性方程：三極管轉(zhuǎn)移特性導(dǎo)通電壓（硅為0.6伏，鍺為0.2伏）導(dǎo)通角集電極電流最大值按傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：集電極電流令p為初級(jí)接入系數(shù)，則當(dāng)LC諧振于基波時(shí)，有注意：此時(shí)是將諧振回路接入到晶體管的輸出端！此時(shí)，對(duì)于高次諧波的阻抗為：由于所以：若：注意：A、回路阻抗對(duì)于各次諧波來(lái)說(shuō)，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(rèn)為回路對(duì)高次諧波是短路的；

B、由于電感的直流損耗很小，對(duì)于直流電流也可以認(rèn)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(jié)論：A、當(dāng)集電極耗散功率一定時(shí)，提高集電極效率，可增大輸出功率。

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

C、減小導(dǎo)通角，可以減小集電極耗散功率，提高集電極效率。但導(dǎo)通角過(guò)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(huì)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(lái)代替；2）用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)解析式來(lái)代替特性曲線；3）將晶體管參數(shù)代入解析式，進(jìn)行計(jì)算。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行概括性理論分析；缺點(diǎn)：準(zhǔn)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(jì)算和的關(guān)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(shí)和可以確定當(dāng)由（1）-（2）有：當(dāng)時(shí)由（3）/（4）有：而求傅立葉級(jí)數(shù)的系數(shù)，有：稱為尖頂余弦脈沖分解系數(shù)。討論：A、雖然時(shí)最大，但此時(shí)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(dǎo)通角取B、當(dāng)時(shí)最大，此時(shí)可用于2倍頻器當(dāng)時(shí)最大，此時(shí)可用于3倍頻器波形系數(shù)四、高頻功放的負(fù)載特性與動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指考慮負(fù)載的作用后和的關(guān)系曲線。外部特性方程：轉(zhuǎn)移特性方程：找出與關(guān)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(diǎn)：B點(diǎn)：A點(diǎn)：1、負(fù)載變化時(shí)（保持不變）放大器的性能的變化由于Q點(diǎn)：與無(wú)關(guān)，而變化Q點(diǎn)不變！因此①工作線1的A點(diǎn)在上是尖頂余弦脈沖②工作線2的A點(diǎn)在與飽和線的交點(diǎn)仍是尖頂余弦脈沖③工作線3的A點(diǎn)在飽和線上是凹頂余弦脈沖欠壓狀態(tài)臨界狀態(tài)過(guò)壓狀態(tài)

從小到大的變化過(guò)程中，放大器的狀態(tài)從欠壓臨界過(guò)壓在欠壓和臨界狀態(tài)，由于可以將當(dāng)作是和坐標(biāo)軸平行的直線，尖頂余弦脈沖的最大值近似不變。在過(guò)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(guò)壓狀態(tài)可以作為高頻恒壓源；③輸出功率最大出現(xiàn)于臨界狀態(tài)；④集電極效率最高出現(xiàn)于微過(guò)壓狀態(tài)；⑤負(fù)載短路，輸入功率全為耗散功率。2、各電極電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響1）變化（保持不變）假設(shè)放大器處于臨界狀態(tài)由于Q點(diǎn)：A點(diǎn)：工作線右移欠壓狀態(tài)工作線左移過(guò)壓狀態(tài)討論：①過(guò)壓狀態(tài)②臨界狀態(tài)時(shí)，③臨界狀態(tài)時(shí)，④過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，此時(shí)可作為集電極調(diào)幅因此變化不大2）變化（保持不變）假設(shè)放大器處于臨界狀態(tài)由于因此新約束下的過(guò)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(shí)，③臨界狀態(tài)時(shí)，④欠壓狀態(tài)時(shí)，此時(shí)可作為調(diào)幅信號(hào)線性放大器因此變化不大變化不大3）變化（保持不變）這時(shí)與變化相反。由于討論：欠壓狀態(tài)此時(shí)可作為基極調(diào)幅因此3、工作狀態(tài)估算用3DA1構(gòu)成諧振功率放大器。已知：工作頻率，求各能量關(guān)系。查手冊(cè)，有3DA1的參數(shù)解：設(shè)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(jié)結(jié)電容；—發(fā)射結(jié)結(jié)電容；—集電區(qū)有效分布電阻；—發(fā)射結(jié)有效分布電阻；—基區(qū)有效分布電阻；—發(fā)射極內(nèi)勻流電阻。這只是一個(gè)定性的模型。有一個(gè)附加相差2、載流子渡越時(shí)間①出現(xiàn)負(fù)脈沖，而且主脈沖高度也有所減小③基極電流直流分量減小，甚至可能出現(xiàn)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(duì)于基波有等效負(fù)載；②對(duì)于諧波相當(dāng)于短路；③對(duì)于直流相當(dāng)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(wú)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(duì)“地”（機(jī)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(yīng)該接在高頻“地”電位處。同理，電路中若要接上測(cè)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(wú)論串饋還是并饋，外部特性的基本關(guān)系式都是適用的。串饋優(yōu)點(diǎn)：C’、L’都接在高頻“地”電位處，分布電容不會(huì)影響電路工作；缺點(diǎn)：C、L上有直流高壓，對(duì)電子管電路而言，調(diào)整時(shí)有危險(xiǎn)（對(duì)晶體管則不影響）；并饋優(yōu)點(diǎn)：C、L上沒(méi)有直流高壓；缺點(diǎn)：C’、L’處在高頻高電位上，分布電容對(duì)電路有影響。2、基極回路偏置VBB利用自偏產(chǎn)生由于單獨(dú)給VBB供電，使電路復(fù)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(jí)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(shí)，各路之間相互不影響。這里主要討論前兩個(gè)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(shù)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(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單輸出回路：負(fù)載直接接入集電極回路，成為并聯(lián)諧振回路的一部份。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：不易調(diào)整阻抗匹配，濾波不好。復(fù)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(shù)則初級(jí)諧振阻抗定義中介回路傳輸效率有載品質(zhì)因數(shù)不是越高越好！則則兼顧中介回路效率與濾波，負(fù)載功率最大出現(xiàn)于微欠壓狀態(tài)3、Π輸出匹配網(wǎng)絡(luò)目的：1）令R1與R2匹配；2）諧振于工作頻率。假設(shè)有載品質(zhì)因數(shù)根據(jù)并串聯(lián)關(guān)系全串聯(lián)等效匹配條件：諧振條件：三個(gè)方程可以確定有載品質(zhì)因數(shù)假設(shè)：應(yīng)用條件：其它Π型結(jié)構(gòu)的分析方法都是一樣的。4、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò)對(duì)于中間級(jí)來(lái)說(shuō)，最主要的是應(yīng)該保證它的輸出電壓穩(wěn)定，以供給下級(jí)穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，而效率則降為次要問(wèn)題。因此，可采取以下措施來(lái)設(shè)計(jì)中間級(jí)：1）中間級(jí)工作于過(guò)壓狀態(tài)；2）降低級(jí)間耦合回路效率一般取5、T型輸入匹配網(wǎng)絡(luò)匹配條件：諧振條件：三個(gè)方程可以確定有載品質(zhì)因數(shù)假設(shè)：其它T型網(wǎng)絡(luò)分析方法也一樣！假設(shè)：則應(yīng)用條件：最后：匹配網(wǎng)絡(luò)在高頻功率放大器中占有很重要的地位，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和調(diào)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(jí)銅損；Ls1為初級(jí)漏感；L1為初級(jí)電感；r’2為次級(jí)銅損折算到初級(jí)的值；L’s2為次級(jí)漏感折算到初級(jí)的值；C為各部分分布電容折合到初級(jí)后的總和；R’L為RL折算到初級(jí)的值。頻率下降，由于L1電感量不足，使低端衰減加劇。結(jié)論：普通變壓器結(jié)構(gòu)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(qiáng)，限制頻率的上升；1、傳輸線變壓器的工作原理根據(jù)電報(bào)方程這里R0—分布電阻L0—分布電感G0—分布電導(dǎo)C0—分布電容求解電報(bào)方程，且考慮在無(wú)損耗媒質(zhì)中，有當(dāng)很小可近似認(rèn)為：這是在一個(gè)寬帶范圍內(nèi)的阻抗表達(dá)式。1)傳輸線變壓器的實(shí)現(xiàn)在一個(gè)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(diǎn)①單邊電感量大，總電感為0②頻率上限經(jīng)驗(yàn)公式③頻率下限經(jīng)驗(yàn)公式④兩個(gè)繞組的電壓處處相等，兩個(gè)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(guān)系2、1：4（4：1）阻抗變換器將負(fù)載和信號(hào)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(hào)兼顧耐壓、功率及衰減以傳輸線變壓器為核心，構(gòu)成功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)。3、功率合成與分配功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足的條件：功率相加條件彼此隔離1）如從C端饋入信號(hào)（D端隔離）由電路對(duì)稱形式，可知有因此RA、RB上獲得同相等功率的信號(hào)，即這是一個(gè)同相功率分配網(wǎng)絡(luò)。2）信號(hào)從D端送入有：及因此，RA、RB上獲得同等反相功率。這是一個(gè)反相功率分配器。3）A、B端反相激勵(lì)時(shí)的工作情況

由因此，有這是個(gè)反相功率合成網(wǎng)絡(luò)（在D端合成）4）A、B端同相激勵(lì)時(shí)的工作情況由有因此這是一個(gè)同相功率合成網(wǎng)絡(luò)（在C端合成）。九、倍頻器輸出頻率等于輸入頻率整數(shù)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(diào)角信號(hào)的調(diào)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?nèi)莨艿取１惐额l器工作原理與丙類放大器類似，只需將負(fù)載諧振回路調(diào)諧到n次諧波上即可。其外部特性方程為：對(duì)于二次倍頻：對(duì)于三次倍頻：由于：要使需要可能導(dǎo)致晶體管被擊