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1、第二章第二章 射频电子系统中的射频电子系统中的放大器设计放大器设计2.2 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器 （2.2.12.2.6）上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器谐振功率放大器功能：将直流功率转换为交流信号功率。功能：将直流功率转换为交流信号功率。主要指标：输出功率与效率主要指标：输出功率与效率分析方法：分析方法：折线近似分析法。折线近似分析法。(大信号大信号)工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器谐振功率放大器的主要技术指标的主要技术指标高效率、大输出功率。高效率、
2、大输出功率。谐波、杂散波。4 4甲、乙、丙类三种工作状态下的转移特性分析 为了实现丙类工作，基极偏基极偏量电压量电压UBB应设置在功率管应设置在功率管的截止区。的截止区。上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器谐振功率放大器5 5l丙类工作状态l导通角定义为集电极电流在一个周期内导通时间的一半。l 丙类上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器谐振功率放大器6 6l采用LC谐振回路 l滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量l实现阻抗匹配丙类工作效率高上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器谐振功率放大器上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器原理谐振功率放大
3、器原理输入、输出方程？输入、输出方程？ic从原理图可以看出，谐振高频功率放大器的特点是：从原理图可以看出，谐振高频功率放大器的特点是：1、为了提高效率，、为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由VBB来保证。流来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；过晶体管的电流为失真的脉冲波形；2、负载为谐振回路，除了确保从电、负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。匹配。lowhigh3n2 20VBZ上节内容回顾
4、与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器的折线分析法谐振功率放大器的折线分析法VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。理想化晶体管的导通电压或称截止电压。gc 正向传输特性的斜率正向传输特性的斜率该斜线称为饱和临界线，其斜率为该斜线称为饱和临界线，其斜率为gcr9 9丙类状态下的转移特性集电极电流是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。折线近似分析法：折线近似分析法：功率放大电路是大信号工作,而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性,这样将使分析比较复杂。为简化分析,可以将晶体管特性曲线理想化,即用一条或几条直线组成折线来代替。10102.5 丙类高频谐振放大器性能分析丙类高频谐振放
5、大器性能分析iC的傅里叶级数展开:n次谐波的分解系数假设LC谐振回路具有理想滤波特性，也即谐振回路调谐于基波，对基波呈现大的阻抗，而对其他分量呈现的阻抗很小。11112.5 丙类高频谐振放大器性能分析丙类高频谐振放大器性能分析l假设：谐振回路具有较好滤波特性。各谐波电压相对基波电压很小，可忽略不计。谐振电阻：直流功率：输出功率：其中损耗功率：集电极效率：集电极电源电压利用系数：因此导通角 决定了上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器的折线分析法谐振功率放大器的折线分析法尖顶余弦电流分解系数图倍频器：倍频器：2倍频器，倍频器，3倍频器。倍频器。谐振功率放大器的分析谐振功率放大器的分析
6、上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器的动态特性谐振功率放大器的动态特性集电极效率集电极效率c和输出功率和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于是否能最佳实现最终取决于功放的电路参数功放的电路参数Rp和电压和电压 VBB、Vb、VCC。分析四个参数分析四个参数Rp和电压和电压VCC、VBB、Vb的变化的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展谐振功率放大器的动态特
7、性谐振功率放大器的动态特性A (Vcemin，Vbemax)Q（Vcc,IQ）虚拟的静态工作点IQ=gc(VBB-VBZ)V0gd 用截距法画用截距法画动态负载线动态负载线。用两点（用两点（A,Q）确定动态负载线。）确定动态负载线。vceicVoAVCCQVcm1vcemingdV02.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性1、动态负载线、动态负载线0VbemaxA (Vcemin，Vbemax)Q（Vcc,IQ）虚拟的静态工作点IQ=gc(VBB-VBZ)建立建立由由Rp和和VCC、VBB、Vb所所表示的输出动态负载表示的输出动态负载曲线。（曲线。（Ic与与Uce的关系曲线。）
8、的关系曲线。）vceicVoAVCCQVcm1vcemingdV02.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性1、动态负载线、动态负载线B当RP 时，2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性一、负载特性一、负载特性vBEiCVBBVBZvbeiCgCVbmvbemaxiCmaxvceiCVCCQvcemin1Vcesgdvbemax过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区vbemaxA1A5A3A4A2V0V0V0A (Vcemin，Vbemax)R RP P变化对集电极余弦脉冲的影响变化对集电极余弦脉冲的影响2.
9、2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性一、负载特性一、负载特性2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性一、负载特性一、负载特性欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压：恒流，欠压：恒流，Vcm变化，变化，Po较小，较小，c低，低，Pc较大；较大；过压：恒压，过压：恒压，Icm1变化，变化，Po较小，较小，c可达最高；可达最高；临界：临界：Po最大，最大，c较高；较高；最佳工作状态最佳工作状态发射机末级发射机末级中间放大级中间放大级恒流源恒压源2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态
10、特性二、调制特性二、调制特性（1）集电极调制特性（Vcc的影响）不变不变不变不变不变不变不变负载线斜率 不变或2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（1）集电极调制特性（Vcc的影响）2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（1）集电极调制特性（Vcc的影响）2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（1）集电极调制特性（Vcc的影响）2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（2）基极调制特性（VBB的影响）向正向增加增加下降增加增加下
11、降下降虚拟工作点电流下降虚拟工作点向上平移，状态从欠压到临界，甚至虚拟工作点向上平移，状态从欠压到临界，甚至到达过压工作状态。到达过压工作状态。A (Vcemin，Vbemax)Q（Vcc,IQ）IQ=gc(VBB-VBZ)2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（2）基极调制特性（VBB的影响）过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（2）基极调制特性（VBB的影响）2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性二、调制特性二、调制特性（2）基极调制特性（VBB的影响
12、）2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性三、放大特性三、放大特性增加增加减小增加增加不变减小减小A (Vcemin，Vbemax)Q（Vcc,IQ）IQ=gc(VBB-VBZ)2.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性三、放大特性三、放大特性高频谐振功放的例题高频谐振功放的例题高频谐振功放的例题高频谐振功放的例题高频谐振功放的例题高频谐振功放的例题2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈电线路馈电线路的作用？馈电线路的作用？l1、保证集电极合适的工作电压、保证集电极合适的工作电压l2、保证基极偏置使工作于丙类、保证基极偏置使工作于丙类交流电路的设计要求
13、？交流电路的设计要求？l1、交流分量需通过谐振回路、交流分量需通过谐振回路l2、外电路对直流应近似短路、外电路对直流应近似短路l3、外电路应保证波形不失真，对交流谐波短路。、外电路应保证波形不失真，对交流谐波短路。2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈电线路l1、谐振功放的组成、谐振功放的组成直流馈电和各种不同用途的输入输出端电路直流馈电和各种不同用途的输入输出端电路l2、管外电路、管外电路输入电路（基极经外电路到发射极的电路）输入电路（基极经外电路到发射极的电路）输出电路（从功率三极管集电极经外电路到发射极的电路）输出电路（从功率三极管集电极经外电路到发射极的电路）l3、组成规律
14、、组成规律集电极集电极基极基极l4、集电极电路对不同频率、集电极电路对不同频率 信号的等效电路信号的等效电路l5、阻隔元件的作用、阻隔元件的作用Ic0,Ic1,IcnIb0,Ib1,Ibn2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈电线路6、集电极馈电线路、集电极馈电线路-串馈串馈 2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈电线路6、集电极馈电线路、集电极馈电线路-串馈串馈 直流电源的一端必须必须接地！2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈电线路6、集电极馈电线路、集电极馈电线路-并馈并馈 ABDC+VC _+VC _2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈
15、电线路7、基极馈电线路、基极馈电线路 +Vb _+Vb _+Vb _ABVBB如何产生？如何产生？2.2.4 高频谐振功放的馈电线路高频谐振功放的馈电线路7、基极馈电线路、基极馈电线路自给偏压自给偏压 VBB如何产生？如何产生？2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络工作在所需状态时的匹配网络滤波度：愈大，匹配网络滤波效果愈好。匹配网络同时又是选频网络。匹配网络同时又是选频网络。匹配网络还可起到隔离作用。匹配网络还可起到隔离作用。2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹
16、配网络l射频功率放大器中，阻射频功率放大器中，阻抗匹配网络是为了实现抗匹配网络是为了实现有效的能量传输。有效的能量传输。匹配网络也会引起损耗：中介回路效率为：实际放大器的效率为：存在中介回路效率:匹配网络应保证一定的通频带，匹配网络应保证一定的通频带，结构要简单，调整要方便。结构要简单，调整要方便。2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络中介回路效率：中介回路效率：Ik为回
17、路电流有效值见P129图2-382.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络中介回路效率：中介回路效率：10欠压欠压末级射频谐功放应工作末级射频谐功放应工作在略欠压状态在略欠压状态末级功放匹配的概念？末级功放匹配的概念？2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络型匹配网络2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络T型匹配网络型匹配
18、网络2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络2级间匹配网络级间匹配网络中间级输出级应保证负载变化，输出电压恒定应保证负载变化，输出电压恒定欠压过压0临界Rp恒流源恒压源恒压源恒压源中间级工作于中间级工作于恒压源状态恒压源状态过压状态过压状态2.2.6 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 实际电路实际电路要求第一级基极零偏，第二级基极负偏。要求第一级基极零偏，第二级基极负偏。电路图中有几处错误？电路图中有几处错误？电路图中有电路图中有4处错误，已改如下图。处错误，已改如下图。第二章第二章 射频电子系统中的射频电子系统中的放大
19、器设计放大器设计2.2 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器 （2.2.12.2.6）2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络工作在所需状态时的匹配网络滤波度：愈大，匹配网络滤波效果愈好。匹配网络同时又是选频网络。匹配网络同时又是选频网络。匹配网络还可起到隔离作用。匹配网络还可起到隔离作用。2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络l射频功率放大器中，阻射频功率放大器中，阻抗匹配网络是为了实现抗匹配网络是为了实现有效的能量传输。有效的能量传输。匹配网络也会引起损耗：
20、中介回路效率为：实际放大器的效率为：存在中介回路效率:匹配网络应保证一定的通频带，匹配网络应保证一定的通频带，结构要简单，调整要方便。结构要简单，调整要方便。2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络中介回路效率：中介回路效率：Ik为回路电流有效值2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网
21、络中介回路效率：中介回路效率：10欠压欠压末级射频谐功放应工作末级射频谐功放应工作在略欠压状态在略欠压状态末级功放匹配的概念？末级功放匹配的概念？2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络型匹配网络2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络1输出匹配网络输出匹配网络T型匹配网络型匹配网络2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络2级间匹配网络级间匹配网络中间级输出级应保证负载变化
22、，输出电压恒定应保证负载变化，输出电压恒定欠压过压0临界Rp恒流源恒压源恒压源恒压源中间级工作于中间级工作于恒压源状态恒压源状态过压状态过压状态3.滤波匹配网络（输入与输出）实例分析L型：型：T型：2.2.5 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络输出匹配网络与级间匹配网络丙类谐振功放电路实例分析：丙类谐振功放电路实例分析：2.2.6 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 实际电路实际电路2.2.6 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 实际电路分析实际电路分析 解：两级功放的输入馈电方式均为自给负偏压,输出馈电方式均为并馈。此电路输入功率Pi=1W,输出
23、功率Po=12W,信号源阻抗Rs=50,负载RL=50。其中第一级输出功率Po1=4W,电源电压VCC=13.5 V。两级功放管分别采用3DA21A和3DA22A,均工作在临界状态,饱和压降分别为1V和15V。各项指标满足安全工作条件。可以计算出各级回路等效总阻抗分别应该为:2.2.6 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 实际电路分析实际电路分析 由于3DA21A和3DA22A的输入阻抗分别为R2=7 和R4=5,故RsR2,R1R4,R2RL,即不满足匹配条件,所以在信号源与第一级放大器之间、第一级放大器与第二级放大器之间分别加入T型选频匹配网络(C1、C2、L1和C3、C4、L2),
24、在第二级放大器与负载之间加入倒L型选频匹配网络(C5、L3、C6)。三个选频匹配网络的输入阻抗分别是R1、R3和R5。匹配网络中各电感与电容的值可根据相应的公式计算得出。由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响,C1C6均采用可变电容器,其最大容量应为计算值的23倍。通过实验调整,最后确定匹配网络元件的精确值。2.2.6 高频谐振功率放大器的实际电路分析高频谐振功率放大器的实际电路分析 电路中四个高扼圈的电感量为0.1H0.2 H,其中两个作为基极直流偏置的组成元件,另外两个在集电极并馈电路中对iC中的高次谐波分量起阻挡作用,并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容C7和C9的值均为0.05F,
25、穿心电容C8和C10为1500pF,它们使高次谐波分量短路接地。一般来说,在400MHz以下的甚高频(VHF)段,匹配网络通常采用集总参数LC元件组成,而在400 MHz以上的超高频(UHF)段,则需使用分布参数的微带线组成匹配网络,或使用微带线和LC元件混合组成。2.2.6 高频谐振功率放大器的实际电路分析高频谐振功率放大器的实际电路分析功率放大器小结功率放大器小结 1.高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下,丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类大,但效率高,节约能源,所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。2.丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小,也就是晶体管导通时
26、间短,集电极功耗减小。但导通角越小,将导致输出功率越小。所以选择合适的角,是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。3.折线分析法是工程上常用的一种近似方法。利用折线分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析,得出它的负载特性、放大特性和调制特性。若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时,应该工作在临界状态；若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时,应该工作在临界状态；若用来放大非等幅信号(如调幅信号)时,应该工作在欠压状态；若用来进行基极调幅,应该工作在欠压状态；若用来进行集电极调幅,应该工作在过压状态。折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的作用。4 丙类谐振功放的
27、输入回路常采用自给负偏压方式,输出回路有串馈和并馈两种直流馈电方式。为了实现和前后级电路的阻抗匹配,可以采用LC分立元件、微带线或传输线变压器几种不同形式的匹配网络,分别适用于不同频段和不同工作状态。功率放大器小结功率放大器小结 5 谐振功放属于窄带功放谐振功放属于窄带功放。宽带高频功放采用非调谐方式,工作在甲类状态,采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配,并可利用功率合成技术增大输出功率。6 目前出现的一些集成高频功放器件如M57704系列和MHW系列等,属窄带谐振功放,输出功率不很大,效率也不太高,但功率增益较大,需外接元件不多,使用方便,可广泛用于一些移动通信系统和便携式仪器中。功率放大器小结功率放大器小结2.2.6 高频谐振功率放大器的高频谐振功率放大器的 实际电路实际电路 (P 216-217)l2-9 l2-11l2-12l2-13l2-14l2-15l2-18l2-19Please hand your home work on time！