高頻功率放大電路-課件

第3章高頻調(diào)諧功率放大器3.1概述3.2調(diào)諧功率放大器的工作原理3.3功率和效率3.4調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析3.5調(diào)諧功率放大器的實(shí)用電路3.6功率晶體管的高頻效應(yīng)3.7倍頻器3.8集成高頻功率放大電路及應(yīng)用簡(jiǎn)介1ppt課件3.1概述一、用途

高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出；作用是放大信號(hào)，使之達(dá)到足夠功率輸出，以滿足天線發(fā)射或其他負(fù)載的要求；作為載波發(fā)射機(jī)及無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出級(jí)或輸出前一級(jí)。二、特點(diǎn)

1.輸入信號(hào)強(qiáng),電壓在幾百毫伏幾伏數(shù)量級(jí)附近;2.為了提高放大器的工作效率，它通常工作在丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域——飽和區(qū)、截止區(qū);3.要求：輸出功率大、效率高。2ppt課件三、分析方法

采用近似的分析方法——折線法四、諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同

相同之處：它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)，而且放大器的負(fù)載均為諧振回路。

不同之處：為激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同；晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。3ppt課件五、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同

共同之處都要求輸出功率大和效率高。

諧振功率放大器通常用來(lái)放大窄帶高頻信號(hào)(信號(hào)的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(＜90)，為了不失真的放大信號(hào)，它的負(fù)載必須是諧振回路。非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無(wú)調(diào)諧負(fù)載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載。4ppt課件3.2調(diào)諧功率放大器的工作原理3.2.1原理電路

Ec、Eb為集電極和基極的直流電源。輸入信號(hào)經(jīng)變壓器T1

耦合到晶體管基-射極，這個(gè)信號(hào)也叫激勵(lì)信號(hào)。

L、C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負(fù)載，這個(gè)回路也叫槽路。5ppt課件3.2.2晶體管特性的折線化

所謂折線近似分析法，是將電子器件的特性理想化，每條特性曲線用一組折線來(lái)代替。6ppt課件3.2.3晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn)、導(dǎo)通角1.晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn)無(wú)信號(hào)：晶體管截止有信號(hào)：激勵(lì)信號(hào)<

Eb+Uj

截止激勵(lì)信號(hào)>Eb+Uj

導(dǎo)通7ppt課件2.導(dǎo)通角

在轉(zhuǎn)移特性的放大區(qū)

假設(shè)輸入信號(hào)，則加到晶體管基-射極的電壓為，晶體管導(dǎo)通范圍內(nèi)集電極電流ic的表達(dá)式通常把集電極電流導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)應(yīng)角度的一半稱為集電極電流的導(dǎo)通角，用θ表示。在丙類工作狀態(tài)下θ<90°。根據(jù)導(dǎo)通角的定義，當(dāng)時(shí)，,即（2）（1）8ppt課件3.2.4集電極余弦脈沖電流分析

式（2）代入式（1）得到當(dāng)時(shí)，為最大值，用表示，則代入得到若將尖頂余弦脈沖分解為傅里葉級(jí)數(shù)其中，直流分量幅值9ppt課件基波分量幅值n次諧波分量幅值10ppt課件

、、稱作余弦脈沖分解系數(shù)，它們是導(dǎo)通角的函數(shù)。、的特點(diǎn):1.2.從曲線可以看出：諧波次數(shù)越高其振幅值越?。粚?duì)某一次諧波而言，總有一個(gè)相應(yīng)的值θ可使振幅為最大值。11ppt課件3.2.5槽路電壓

1.波形——基本正弦

條件：1）槽路調(diào)諧于基波

2）QL

足夠高

2.大小

Rc——抽頭部分諧振電阻R——并聯(lián)回路諧振電阻12ppt課件3．3功率和效率

功率放大器輸出功率大，電源供給、管子發(fā)熱等問題也大。為了盡量減小損耗，合理地利用晶體管和電源，必須了解功率放大器的功率和效率問題。調(diào)諧功率放大器有如下幾種功率需要考慮：

1.電源供給的直流功率PS；

2.通過晶體管轉(zhuǎn)換的交流功率，即晶體管集電極輸出的交流功率Po

；

3.通過槽路送給負(fù)載的交流功率,即RL

上得到的功率PL;4.晶體管在能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗功率，即晶體管損耗功率PC；

5.槽路損耗功率

PT；13ppt課件

電源供給的功率PS

，一部分（PC）損耗在管子，使管子發(fā)熱；另一部分（Po）轉(zhuǎn)換為交流功率，輸出給槽路。通過槽路一部分（PT）損耗在槽路線圈和電容中，另一部分（PL）輸出給負(fù)載RL。14ppt課件1.集電極效率直流電源供給功率集電極交流輸出功率放大器的能量轉(zhuǎn)換效率（集電極效率）討論：（1）——

集電極電壓利用系數(shù)（2）——

集電極電流利用系數(shù)

↑，↑，但↓，Po↓，為了兼顧功率和效率，通常取。15ppt課件2.槽路效率PL——負(fù)載功率，RL所吸收的功率；PT——槽路損耗功率，槽路空載電阻R0所吸收的功率。取決于槽路的空載和有載品質(zhì)因數(shù)。由于受到槽路元件質(zhì)量的限制，Q0一般幾十到幾百。QL也不能太小，否則槽路濾波效果太差，輸出波形不好，一般QL=5～10。16ppt課件

結(jié)論：

為了盡可能利用小功率容量的管子和電源，輸出較大的功率，應(yīng)力求和高。高要適當(dāng)選取，電壓利用系數(shù)盡可能大；高，要求槽路空載品質(zhì)因數(shù)Q0大，即應(yīng)選用低損耗的電感和電容元件。17ppt課件3.4調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析3.4.1調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性晶體管的靜態(tài)特性，是指集電極電路沒有負(fù)載阻抗條件下電壓與電流的變化關(guān)系。當(dāng)考慮了負(fù)載的反作用后，得到的uce、ube與ic的關(guān)系曲線稱為動(dòng)態(tài)特性（即實(shí)際放大器的工作特性）。當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時(shí)，外部特性方程

在轉(zhuǎn)移特性的放大區(qū)，內(nèi)部特性方程18ppt課件

動(dòng)態(tài)特性應(yīng)同時(shí)滿足外部特性方程和內(nèi)部特性方程。聯(lián)立可得諧振功率放大器動(dòng)態(tài)特性的方程，它是一條直線，只需找出兩個(gè)特殊點(diǎn)，就可把它繪出。

Q(Ec，)

B(，0)

作出動(dòng)態(tài)特性曲線后，由它和靜態(tài)特性曲線相應(yīng)交點(diǎn)，即可求出對(duì)應(yīng)各種不同值的ic值，繪出相應(yīng)的ic脈沖波形。

19ppt課件

動(dòng)態(tài)線斜率值的倒數(shù)稱為諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻，用符號(hào)表示20ppt課件3.4.2調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)及其判別方法1.調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)根據(jù)調(diào)諧功率放大器在工作時(shí)是否進(jìn)入進(jìn)入飽和區(qū)，可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過壓和臨界三種。

1)欠壓——晶體管在任何時(shí)刻都工作在放大狀態(tài)；

2)臨界——?jiǎng)倓傔M(jìn)入飽和區(qū)的邊緣；

3)過壓——晶體管工作時(shí)有部分時(shí)間進(jìn)入飽和區(qū)。

2.工作狀態(tài)的判別方法（欠壓）（臨界）（過壓）21ppt課件3.4.3Rc,Ec,Eb和Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響1.Rc變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響——負(fù)載特性

負(fù)載特性是指諧振功率放大器當(dāng)Ec、Eb和Ubm不變時(shí)，放大器中各個(gè)電流、電壓、功率和效率與晶體管等效負(fù)載電阻Rc之間的變化關(guān)系。22ppt課件1）三種工作狀態(tài)23ppt課件2）電流、電壓、功率、效率與Rc的關(guān)系

（1）欠壓狀態(tài)

，Ucm

幾乎隨Rc成正比增加，輸出功率Po隨Rc

增大而增加，接近常量

，隨Rc增大而增加，隨Rc增大而減小

（2）過壓狀態(tài)

輸出功率Po隨Rc

增大而減小。在臨界狀態(tài)Po

最大。24ppt課件電流、電壓、功率、效率與Rc的關(guān)系放大器的負(fù)載特性曲線25ppt課件3）三種工作狀態(tài)的比較欠壓狀態(tài)：電流Ic1m基本不隨Rc變化，輸出功率Po隨Rc增大而增加，損耗功率PC隨Rc增加而減小。當(dāng)Rc很小時(shí)，易使PC超過晶體管最大允許損耗功率PCM

，因此在實(shí)際使用中要注意保證PC<PCM

。臨界狀態(tài)：放大器輸出功率最大，效率也較高，通常稱為最佳工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)：在弱過壓狀態(tài)時(shí)，輸出電壓基本上不隨Rc變化；深度過壓時(shí)，ic波形下凹嚴(yán)重，諧波增多，一般應(yīng)用較少。26ppt課件

2.Ec變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響——集電極調(diào)制特性

集電極調(diào)制特性是指當(dāng)Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨集電極電壓Ec變化的特性。27ppt課件集電極調(diào)制特性

由于只有在過壓狀態(tài)，Ec對(duì)Ucm才能有較大的控制作用，所以集電極調(diào)幅工作在過壓狀態(tài)。uΩ28ppt課件

3.Eb變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響——基極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指當(dāng)Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨基極偏置電壓Eb變化的特性。29ppt課件

由于只有在欠壓狀態(tài)，Eb對(duì)Ucm才能有較大的控制作用，所以基極調(diào)幅工作在欠壓狀態(tài)。基極調(diào)制特性u(píng)Ω30ppt課件4.Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響——振幅特性

調(diào)諧功放的振幅特性是指當(dāng)Ec、Eb

、Rc保持恒定，放大器的性能隨激勵(lì)振幅Ubm變化的特性。因?yàn)閡bemax=－Eb＋Ubm，Eb和Ubm決定了放大器的ubemax，因此，改變Ubm的情況和改變Eb的情況類似。圖3-13調(diào)諧功放的振幅特性31ppt課件3．5調(diào)諧功率放大器的實(shí)用電路

調(diào)諧功率放大器由直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其作用（1）保證晶體管各電極獲得相應(yīng)的饋電電源；（2）通過匹配網(wǎng)絡(luò)將交流輸出功率有效地傳輸?shù)截?fù)載。32ppt課件3.5.1直流饋電電路

串饋，即直流電源Ec、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體管在電路形式上為串聯(lián)連接。

并饋，即三者在電路形式上為并聯(lián)連接。33ppt課件比較:

串饋電路中，電源與濾波匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)，因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)處于直流高電位上，網(wǎng)絡(luò)元件不能直接接地。

并饋電路中，電源通過高頻扼流圈供電，再加上C2隔斷直流，因此濾波匹配網(wǎng)絡(luò)可以處于直流地電位上，可以直接接地。這樣，在電路板上安裝比串饋電路方便。但饋電支路的分布參數(shù)將直接影響網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧。34ppt課件

調(diào)諧功率放大器中，通常利用射級(jí)或基級(jí)電流在某電阻上產(chǎn)生的壓降作為基極的反向偏置電壓。這種方法叫自給偏壓法。

1.射極電流自給偏壓環(huán)節(jié)

1）電路

2）工作原理

利用ie中的直流分量在Re上產(chǎn)生的壓降作為B－E間的直流偏置電壓。3.5.2基極自給偏壓環(huán)節(jié)35ppt課件3）信號(hào)源有無(wú)直流通路——高頻扼流圈

高頻扼流圈的作用是將射極偏壓引向基極，同時(shí)也為基極直流提供通路。

4）應(yīng)用——欠壓

射流偏壓環(huán)節(jié)對(duì)Ie0的變化起負(fù)反饋?zhàn)饔谩?6ppt課件2.基極電流自給偏壓環(huán)節(jié)1）電路

2）工作原理

利用ib中的直流分量在Rb上產(chǎn)生的壓降作為B－E間的直流偏置電壓。

3）應(yīng)用——過壓

基流偏壓環(huán)節(jié)對(duì)Ib0的變化起負(fù)反饋?zhàn)饔谩?7ppt課件

3.說(shuō)明1）四種偏置電路中，加到B－E間的直流偏置電壓均隨輸入信號(hào)電壓振幅的大小而變化。

2）當(dāng)未加輸入信號(hào)時(shí)，電路的偏置均為零。當(dāng)輸入信號(hào)電壓由小加大時(shí)，加到B－E間的直流偏置電壓均向負(fù)值方向增大。這種偏置電壓隨輸入信號(hào)電壓振幅而變化的特性稱為自給偏置效應(yīng)。38ppt課件3.5.3輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

保證外負(fù)載與調(diào)諧功率放大器最佳工作要求相匹配的網(wǎng)絡(luò)常稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。如果負(fù)載是下級(jí)放大器輸入阻抗，應(yīng)采用“輸入匹配網(wǎng)絡(luò)”或“級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò)”；如果負(fù)載是天線或其他終端，應(yīng)采用“輸出匹配網(wǎng)絡(luò)”。39ppt課件對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要要求：1）匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有選頻作用，充分濾除不需要的直流和諧波分量，以保證外接負(fù)載上僅輸出高頻基波功率。

2）匹配網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有阻抗變換作用，以保證放大器工作在所設(shè)計(jì)的狀態(tài)。

3）匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能將功率管輸出的信號(hào)功率高效率傳送到外接負(fù)載，即要求匹配網(wǎng)絡(luò)的效率（槽路效率ηL）高。

40ppt課件1.并聯(lián)諧振回路匹配電路1）電路

2）最佳負(fù)載電阻Rcp的估算

放大器工作在臨界狀態(tài)的等效電阻，就是放大器阻抗匹配所需的最佳負(fù)載電阻。

因?yàn)?/p>

所以41ppt課件⒉濾波器型匹配網(wǎng)絡(luò)

在甚高頻或大功率輸出級(jí)，廣泛利用L、C變換網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和阻抗匹配。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，可分為L(zhǎng)型、T型、Π型三種類型。42ppt課件3.6功率晶體管的高頻效應(yīng)晶體管分為三個(gè)工作區(qū)：（1)f<0.5fβ,低頻工作區(qū)（2）0.5fβ<f<0.2fT,中頻工作區(qū)（3）f>0.2fT,高頻工作區(qū)43ppt課件3.6.2晶體管高頻工作時(shí)載流子渡越時(shí)間的影響晶體管工作在低頻時(shí)，總認(rèn)為三個(gè)極的電流時(shí)同時(shí)發(fā)生的。實(shí)際上，由于基區(qū)載流子渡越時(shí)間的影響，集電極電流滯后基極和發(fā)射極電流。44ppt課件3.7倍頻器