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1、第第3章高频功率放大器章高频功率放大器第1页，共82页，编辑于2022年，星期二3.2 3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性l主主要要功功用用是是放放大大高高频频信信号号,以以高高效效输输出出大大功功率率为为目目的的,主主要应用于各种要应用于各种无线电发射机无线电发射机中。中。l与其它放大器相比：与其它放大器相比：输出功率大，输出功率大，功放管在大信号功放管在大信号极限条极限条件件下运行。下运行。l其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率转换成高其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率转换成高频功率频功率,因此还要求尽可能高的因此还要求尽可能高的转换效率转换
2、效率。l功率增益功率增益是重要的性能指标，但安全、高效和小失真是是重要的性能指标，但安全、高效和小失真是第一第一位位的。的。l高高频频功功放放与与低低频频功功放放：工工作作频频率率和和相相对对带带宽宽相相差差很很大大；高高频频功功放放一一般般用用选选频频网网络络作作负负载载，工工作作在在丙丙类类状状态态，也也称称为为谐谐振功率放大器。振功率放大器。2第2页，共82页，编辑于2022年，星期二功率放大器分类根据根据功率管功率管在一个信号周期内导通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运功率管运用状态用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类（甲类、乙类、甲乙类、丙类（A、B、C）等多
3、种。等多种。功率管功率管是是功率放大电路关键器件，功率放大电路关键器件，如何选择功率管运用如何选择功率管运用状态，并保证其安全工作。必须状态，并保证其安全工作。必须首先了解功率器件的极限参首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。数及安全工作区。3第3页，共82页，编辑于2022年，星期二甲类功率放大器4第4页，共82页，编辑于2022年，星期二乙类推挽功率放大器5第5页，共82页，编辑于2022年，星期二单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路(OTL)电压增益电压增益小于小于1。要输出最大信号功率，。要输出最大信号功率，RL上信号电压振幅上信号电压振幅接近电源电压接近电源电压(单电源
4、接近单电源接近VCC/2)。要求输入激励级为互补功。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。率管提供振幅接近电源电压的推动电压。6第6页，共82页，编辑于2022年，星期二交越失真交越失真 上节分析乙类推挽上节分析乙类推挽电路性能时，电路性能时，忽略忽略了晶体管发射结导通了晶体管发射结导通电压的影响电压的影响。实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现严重失真出电压波形在衔接处出现严重失真-交越失真交越失真。两管的两管的合成传输特性合成传输特性如图所示如图所示。7第7页，共82页，编辑于2022年，星
5、期二克服交越失真的基本途径克服交越失真的基本途径在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类甲乙类。只要只要VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，可相互补偿，合成传输特性趋近于直线合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。下，得到不失真的输出电压。8第8页，共82页，编辑于2022年，星期二常用电路常用电路二极管偏置电路二极管偏置电路 vBE倍增电路倍增电路由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交
6、流短路交流短路，因此偏置电路不影响输入信号因此偏置电路不影响输入信号vi(t)的传输。的传输。9第9页，共82页，编辑于2022年，星期二 vBE 倍增电路倍增电路(1)电路电路 直流：直流：由由T3、R1、R2 组成，且组成，且由电流源由电流源IR 激励，为互补功率管激励，为互补功率管T1、T2 提供偏置电压提供偏置电压VBB。交流：交流：T3、R1 构成电压并联负构成电压并联负反馈电路，反馈电路电阻小，几乎不反馈电路，反馈电路电阻小，几乎不影响输入信号传输。影响输入信号传输。(2)倍增原理倍增原理 由图可见由图可见，若通过，若通过R1 的电流的电流I1 远小于远小于T3 管的集电极电流管的
7、集电极电流IC3，且，且 T1和和T2管的静态基极电流又可忽略，管的静态基极电流又可忽略，10第10页，共82页，编辑于2022年，星期二单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路(OTL)电压增益电压增益小于小于1。要输出最大信号功率，。要输出最大信号功率，RL上信号电压振幅上信号电压振幅接近电源电压接近电源电压(单电源接近单电源接近VCC/2)。要求输入激励级为互补功率管。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。提供振幅接近电源电压的推动电压。11第11页，共82页，编辑于2022年，星期二1.功率管运用状态功率管运用状态通常靠通常靠选择静态工作点选择静态工作点来实
8、现来实现甲类甲类(A)：功率管在一个周期内导通。功率管在一个周期内导通。乙类乙类(B)：功率管仅在半个周期内导通。功率管仅在半个周期内导通。甲乙类（甲乙类（AB）：功率管在大于半个小于一个周期内导通功率管在大于半个小于一个周期内导通丙类丙类(C)：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。12第12页，共82页，编辑于2022年，星期二2.不同运用状态下的集电极效率不同运用状态下的集电极效率管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的max 也不同。甲类也不同。甲类max=50;乙类max 78.5%减小减小PC 可提高可提高。假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压
9、分别为分别为iC和和 vCE，则，则13第13页，共82页，编辑于2022年，星期二讨论：讨论：若减少若减少PC，则要减少，则要减少iC vCE途径途径1：由由甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类丙类丙类，减小管子在信，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大号周期内的导通时间，即增大iC0的时间。的时间。途径途径2：使管子运用在开关状态使管子运用在开关状态(丁类丁类)；管子在管子在半个周半个周期内饱和导通期内饱和导通，另半个周期内截止另半个周期内截止。饱和导通时，饱和导通时，vCE vCE(sat)很小，导通的半个周期内，很小，导通的半个周期内，瞬时管耗瞬时管耗iC vCE 很小。很小。截止时，截止时
10、，不论不论vCE 为何值，为何值，iC 趋于趋于0，iC vCE 也处在也处在零值附近。结果零值附近。结果PC 很小，很小，显著增大。显著增大。14第14页，共82页，编辑于2022年，星期二甲甲乙乙丙丙类类功功放放电电路路的的工工作作点点15第15页，共82页，编辑于2022年，星期二为提高集电极效率，为提高集电极效率，管子的运用状态管子的运用状态从从甲甲类向乙类、丙类类向乙类、丙类或或开关工作的丁类转变开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，但随着效率的提高，集电极电流波形失集电极电流波形失真严重真严重，为实现不失真放大，在电路中需，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。采取特定措施。小
11、结：16第16页，共82页，编辑于2022年，星期二图312晶体管高频功率放大器的原理线路3.2.1丙类功放丙类功放工作原理工作原理高频功率放大器的原理线路高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外除电源和偏置电路外,它它由由晶晶体管、体管、谐振回路谐振回路和和输入回路输入回路三部分组成的。三部分组成的。17第17页，共82页，编辑于2022年，星期二l工作在工作在丙类状态丙类状态,在一个信号周期内功放管导通在一个信号周期内功放管导通角小于角小于1800l静态静态时发射结反偏时发射结反偏,工作在工作在截止区截止区;l输入激励输入激励大信号，大信号，一般在一般在0.5V以上；以上；l基极电流和
12、集电极电流均为基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号高频脉冲信号；l谐振回路作谐振回路作负载选取有用频率分量负载选取有用频率分量，兼有阻抗，兼有阻抗变换作用变换作用18第18页，共82页，编辑于2022年，星期二丙类功放丙类功放折线分析法折线分析法 非非谐谐振功率放大器：振功率放大器：集集电电极极负载负载为为纯电纯电阻，在特性阻，在特性曲曲线线上作上作负载线负载线，画出激励信号下的集，画出激励信号下的集电电极极电电流和流和电压电压求出功率性能求出功率性能丙类谐振功率放大器：丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的集电极负载为包含电抗元件的谐振谐振回路，回路，uCE 由由iC 产生，产生，而
13、而uCE 通过基极宽度调制效应影响通过基极宽度调制效应影响iC要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐!19第19页，共82页，编辑于2022年，星期二 1 1电流、电流、电压波形电压波形设输入信号为设输入信号为则基极回路电压为则基极回路电压为管管子子导导通通主主要要工工作作在在线线性性放放大大区区，折折线线化化近近似似其转移特性。其转移特性。20第20页，共82页，编辑于2022年，星期二晶体管的实际特性曲线晶体管的实际特性曲线21第21页，共82页，编辑于2022年，星期二晶体管特性曲线理想化 (a)传输特性理想化 (b)输出特性理想化22第22页，
14、共82页，编辑于2022年，星期二23第23页，共82页，编辑于2022年，星期二 余弦脉冲的表达式余弦脉冲的表达式24第24页，共82页，编辑于2022年，星期二25第25页，共82页，编辑于2022年，星期二周期性集电极电流脉冲导通角为周期性集电极电流脉冲导通角为2；可以可以分分解解成直流、基波成直流、基波(信号频率分量信号频率分量)和各次谐波分量和各次谐波分量,即即26第26页，共82页，编辑于2022年，星期二27第27页，共82页，编辑于2022年，星期二u负负载载为为并并联联谐谐振振回回路路，使使回回路路对对激激励励信信号号频频率率谐谐振振时时阻阻抗抗最大为最大为RL；u集集电电极
15、极调调谐谐时时，Ubemax、Icmax 、UCEmin同时出现。同时出现。u集集电电极极导导通通角角由由输输入入决决定定,导导通通角越小效率越高角越小效率越高28第28页，共82页，编辑于2022年，星期二2高频功放的能量关系高频功放的能量关系 l在在集集电电极极电电路路中中,谐谐振振回回路路得得到到的的高高频频功功率率(高高频频一一周周的的平平均均功功率率)即即输输出功率出功率P1为为(322)集电极电源供给的集电极电源供给的直流输入功率直流输入功率P0为为(323)直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率损耗功率Pc,即(324
16、)29第29页，共82页，编辑于2022年，星期二lPc为耗散在晶体管的热能，定义为耗散在晶体管的热能，定义集电极效率集电极效率30第30页，共82页，编辑于2022年，星期二要提高效率，一是提高要提高效率，一是提高电压利用系数电压利用系数，通过提高回路，通过提高回路谐振阻抗谐振阻抗RL;另一是提高波形系数，增加基波分量，这另一是提高波形系数，增加基波分量，这与与导通角导通角有关。有关。甲甲类类m a x=5 0;乙乙类类m a x7 8.5%；丙类1.75 1.75,效率更高。效率更高。31第31页，共82页，编辑于2022年，星期二余弦脉冲分解系数与余弦脉冲分解系数与的关系曲线的关系曲线l
17、分解系数分解系数1最大值为最大值为0.536时，时，导通角导通角为为1200，此时输出功率最，此时输出功率最大，在甲乙类状态，效大，在甲乙类状态，效率率66%太低不可用！太低不可用！l导通角在导通角在0150,输出功输出功率太小率太小l极端情况：极端情况：此时输出电流为零！此时输出电流为零！l通常通常选在在6575032第32页，共82页，编辑于2022年，星期二(327)高频功放的高频功放的功率放大倍数功率放大倍数为为(328)用dB表示为(329)设设激激励励端端基基波波电电流流振振幅幅为为Ib1,且且与与ub同同相相(忽忽略略实际存在的容性电流实际存在的容性电流),则激励功率为则激励功率
18、为高频功放的功率放大倍数为高频功放的功率放大倍数为 33第33页，共82页，编辑于2022年，星期二3.2.2高频谐振功率放大器的工作状态高频谐振功率放大器的工作状态1.高频功放的动特性高频功放的动特性l动特性是指当动特性是指当加上激励信号加上激励信号及接上负载阻抗时及接上负载阻抗时,晶体管晶体管集电极电流集电极电流ic与集电极电压与集电极电压(ube或或uce)的关系曲线。的关系曲线。l小信号放大器中，若已知负载电阻，过静态小信号放大器中，若已知负载电阻，过静态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值的倒工作点作一斜率为负的交流负载电阻值的倒数的直线，即得数的直线，即得负载线负载线，动特性是负载线
19、的，动特性是负载线的一部分；一部分；l以以t t为变量为变量，在在icuce或或icube坐标系统中描绘坐标系统中描绘ic是是一条一条曲线曲线。34第34页，共82页，编辑于2022年，星期二35第35页，共82页，编辑于2022年，星期二动特性曲线的斜率动特性曲线的斜率36第36页，共82页，编辑于2022年，星期二2 2 高频功放的工作状态高频功放的工作状态l高高频频谐谐振振功功率率放放大大器器根根据据集集电电极极电电流流是是否否进进入入饱饱和和区可以分为欠压、区可以分为欠压、临界和过压三种状态临界和过压三种状态。l在在临临界界状状态态，晶晶体体管管的的输输出出功功率率最最大大，功功放放一
20、一般般工工作于此状态。作于此状态。37第37页，共82页，编辑于2022年，星期二38第38页，共82页，编辑于2022年，星期二过压过压状态的集电极电流波形状态的集电极电流波形39第39页，共82页，编辑于2022年，星期二40第40页，共82页，编辑于2022年，星期二l高高频频谐谐振振功功率率放放大大器器根根据据集集电电极极电电流流是是否否进进入入饱饱和区可以分为欠压、和区可以分为欠压、临界和过压三种状态临界和过压三种状态。l在在临临界界状状态态，晶晶体体管管的的输输出出功功率率最最大大，功功放放一一般般工作于此状态。工作于此状态。41第41页，共82页，编辑于2022年，星期二例例31
21、（P80）42第42页，共82页，编辑于2022年，星期二3.2.3高频功放的外部特性高频功放的外部特性l高频功放是工作于高频功放是工作于非线性非线性状态的放大器状态的放大器,可可以看成是外部激励的高频功率发生器。以看成是外部激励的高频功率发生器。l外外部部特特性性指指放放大大器器的的性性能能随随外外部部参参数数变变化化的的规规律律。包包括括负负载载电电阻阻RL、激激励励电电压压UBB或或Ec变变化化时时特特性性；也也包包括括负负载载在在调调谐谐过过程程中中的的调调谐特性。谐特性。43第43页，共82页，编辑于2022年，星期二1高频功放的负载特性高频功放的负载特性l只只改改变变负负载载电电阻
22、阻RL,高高频频功功放放电电流流、电电压压、功率及效率功率及效率变化的特性。变化的特性。l图图318(b)是是根根据据图图318(a)而而得得到到的的功功率、率、效率曲线。效率曲线。44第44页，共82页，编辑于2022年，星期二45第45页，共82页，编辑于2022年，星期二46第46页，共82页，编辑于2022年，星期二47第47页，共82页，编辑于2022年，星期二2高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性l高高频频功功放放的的振振幅幅特特性性是是指指只只改改变变激激励励信信号号振振幅幅Ub时时,放大器电流、放大器电流、电压、电压、功率及效率的变化特性。功率及效率的变化特性。48第48页，共
23、82页，编辑于2022年，星期二高频功放振幅特性49第49页，共82页，编辑于2022年，星期二3.高频功放的调制特性高频功放的调制特性改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅1)基极调制特性基极调制特性50第50页，共82页，编辑于2022年，星期二2)集电极调制特性 51第51页，共82页，编辑于2022年，星期二4.高频功放的调谐特性高频功放的调谐特性l输输出出电电流流和和输输出出电电压压随随回回路路电电容容C的的变变化化特特性性称称为调谐特性。常用为调谐特性。常用Ic0 或或Uc指示调谐指示调谐l失失谐谐时时直直流流输输入入功功率率增增加加，
24、输输出出功功率率减减小小，功功放放管管功耗增大功耗增大52第52页，共82页，编辑于2022年，星期二3.3 高频功率放大器的高频效应1.少数载流子的渡越时间效应少数载流子的渡越时间效应 l晶体管本质上是电荷控制器件。少数载流子的注入和扩散是晶体管能够进行放大的基础。l少数裁流子在基区扩散而到达集电极需要一定的时间，称为载流子渡越时间。l低频工作时，渡越时间时间远小于信号周期。晶体管各极电流与外电压也一一对应。l高频工作时少数载流子渡越时间可与信号周期相比较，各极电流并不取决于此刻的外加电压。l在高频区渡越时间导致功放管性能恶化。53第53页，共82页，编辑于2022年，星期二54第54页，共
25、82页，编辑于2022年，星期二2.非线性电抗效应非线性电抗效应l功放管中集电结电容随集电结电压变化。l构成放大器输出端与输入端之间的一条反馈支路。l反馈在输出端形成输出电容。3.发射极引线电感的影响发射极引线电感的影响形成射极反馈耦合,输入阻抗增加了一附加的电感分量。使一部分激励功率不经放大直接送到输出端，功放的激励加大，增益降低；55第55页，共82页，编辑于2022年，星期二4.饱和压降的影响饱和压降的影响 l晶体管工作于高频时,其饱和压降随频率提高而加大。l集电极电流增加时，趋肤效应使得体电阻增大 56第56页，共82页，编辑于2022年，星期二3.4高频功率放大器的实际线路高频功率放
26、大器的实际线路3.4.1直流馈电线路直流馈电线路 l包括集电极和基极馈电线路。l集电极馈电线路的两种形式:串联馈电线路和并联馈电线路。lCb使旁路电容，提供高频通路；l Lb阻止高频电流流过电源。57第57页，共82页，编辑于2022年，星期二图326集电极馈电线路两种形式(a)串联馈电;(b)并联馈电58第58页，共82页，编辑于2022年，星期二2基极馈电线路基极馈电线路l基极馈电线路也有串联和并联两种形式。l自给偏压：基极或发射极直流电流流过电阻产生(a)；l固定偏压：基极的负偏压是外加的(b)、(c)。59第59页，共82页，编辑于2022年，星期二例例32改正图改正图(a)错误，不得
27、改变馈电形式，画出正确线路。错误，不得改变馈电形式，画出正确线路。60第60页，共82页，编辑于2022年，星期二3.4.2输出匹配网络输出匹配网络双端口网络实现功放与负载的连接双端口网络实现功放与负载的连接:l阻抗匹配：阻抗匹配：保证放大器传输到负载的功率最大。保证放大器传输到负载的功率最大。l滤波作用：滤波作用：抑制工作频率范围以外的频率。抑制工作频率范围以外的频率。l调谐方便：调谐方便：大多数发射机为波段工作。大多数发射机为波段工作。l 61第61页，共82页，编辑于2022年，星期二1.LC匹配网络匹配网络几种常见的LC匹配：(a)L型;(b)T型;(c)型62第62页，共82页，编辑
28、于2022年，星期二图330L型匹配网络(a)L-I型网络;(b)L-型网络63第63页，共82页，编辑于2022年，星期二Rp为负载，对于L 型网络做串并联阻抗的等效互换串并联阻抗的等效互换64第64页，共82页，编辑于2022年，星期二对于L-型网络同样做串并联阻抗的等效互换串并联阻抗的等效互换有65第65页，共82页，编辑于2022年，星期二P31 P31 例例3 33 3 略略66第66页，共82页，编辑于2022年，星期二图3 29是一超短波输出放大器的实际电路,它工作于固定频率。图332一超短波输出放大器的实际电路67第67页，共82页，编辑于2022年，星期二2耦合回路耦合回路
29、图3 33是一短波发射机的输出放大器，它采用互感耦合回路作输出电路,多波段工作。图333短波输出放大器的实际线路68第68页，共82页，编辑于2022年，星期二3、两级推挽高频功率放大器、两级推挽高频功率放大器69第69页，共82页，编辑于2022年，星期二3.4.3高频功放的实际线路举例高频功放的实际线路举例 工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路,它向50 外接负载提供25W功率,功率增益达7 dB。(a)50 MHz谐振功放电路;70第70页，共82页，编辑于2022年，星期二图338高频功放实际线路(b)175MHz谐振功放电路71第71页，共82页，编辑于2022年，星期二3
30、.5 高频功放、功率合成与射频模块放大器3.5.1D类高频功率放大器类高频功率放大器1.电流开关型电流开关型D类放大器类放大器 图3 32是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图，线路通过高频变压器T1,使晶体管V1、V2获得反向的方波激励电压。72第72页，共82页，编辑于2022年，星期二图332电流开关型D类放大器的线路和波形73第73页，共82页，编辑于2022年，星期二由此可得集电极回路两端的高频电压有效值为集电极回路两端的高频电压峰值为74第74页，共82页，编辑于2022年，星期二lV1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形,它的基频分量振幅等于(2/)Ic0。V1、V2的i
31、c1、ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗RL将式(335)代入式(337),得输出功率为(339)(338)(337)75第75页，共82页，编辑于2022年，星期二集电极损耗功率为(342)(341)(340)输入功率为76第76页，共82页，编辑于2022年，星期二2 电压开关型电压开关型D类放大器类放大器图333为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。两个同型(NPN)管串联,集电极加有恒定的直流电压Ec。77第77页，共82页，编辑于2022年，星期二图333电压开关型D类功放的线路及波形78第78页，共82页，编辑于2022年，星期二 由图可见,因ic1、ic2都是半波余弦脉冲(=90),所以两管的直流电压和负载电流分别为两管的直流输入功率为负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波电压分量。对uce2分解可得79第79页，共82页，编辑于2022年，星期二负载上的功率为可见此时匹配的负载电阻为80第80页，共82页，编辑于2022年，星期二81第81页，共82页，编辑于2022年，星期二作作业业lP111：32；33；34；36；37；38；lP112:311；312；316；317；318；32182第82页，共82页，编辑于2022年，星期二