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1、第4章 高频谐振功率放大器本讲稿第一页，共四十三页4.2丙类高频谐振功率放大器的工作原理丙类高频谐振功率放大器的工作原理特点：特点：组成：组成：BJT、LC谐振回路谐振回路、馈电电源馈电电源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT一、基本电路构成及工作原理一、基本电路构成及工作原理1、NPN高频大功率晶体管，高高频大功率晶体管，高fT；改变；改变UBB可以改变放大器的工作类可以改变放大器的工作类型；型；3、发射结在一个周期内只有、发射结在一个周期内只有部分时间导通部分时间导通，iB、iC均为一系列均为一系列高频脉冲高频脉冲；2、大信号激励：、大信号激励：12V；4、谐振回路谐振回路作负
2、载可以作负载可以滤除高频脉冲电流滤除高频脉冲电流iC中的谐波分量中的谐波分量，同时实现，同时实现阻抗匹配阻抗匹配。本讲稿第二页，共四十三页二、二、工作原理的折线分析工作原理的折线分析uCE0ic输出特性输出特性uBE0ibUD输输入入特特性性转转移移特特性性uBE0icUDgm1、三极管特性曲线的折线化、三极管特性曲线的折线化本讲稿第三页，共四十三页2、各极电流、电压波形、各极电流、电压波形uBEib tUim-UBBUBZ-uBEib t-t-icuBEic t-图解可见，图解可见，iB和和iC的都是余弦脉冲的都是余弦脉冲，定义，定义为通角，三极管为通角，三极管只在（只在（，）内导通）内导通
3、，当，当90o时，功率放大器工作于时，功率放大器工作于丙类状态丙类状态。本讲稿第四页，共四十三页iC t-0ic1Ic1m t0ucUc1m t0.2coscos2m1m0+tItIIiiccccc 余弦脉冲展开余弦脉冲展开为傅立叶傅立叶级数：级数：将将 当当iC流过流过LC谐振回路时，在回路两端产生电压谐振回路时，在回路两端产生电压uC。由于谐振回路的选频特性，由于谐振回路的选频特性，uC中只有基波分量幅度最大中只有基波分量幅度最大，其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。设设Re并联回路谐振时的等效负载电阻并联回路谐振时的等效负载电阻，包括，包括BJT的输的
4、输出电导和等效的出电导和等效的RL。从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使iC是不连续的脉冲是不连续的脉冲电流，在电流，在谐振回路两端也会得到余弦电压谐振回路两端也会得到余弦电压。即能。即能对输入信号进行不失真放大对输入信号进行不失真放大。如果振荡回路的如果振荡回路的 0=n，则在回路两端可得到频率为，则在回路两端可得到频率为n 的电压的电压:u0=Umcosn t；相当于实现了对输入信号的相当于实现了对输入信号的n倍倍频。倍倍频。还可以利用选频特性还可以利用选频特性实现倍频器实现倍频器。本讲稿第五页，共四十三页3、ic余弦脉冲的分
5、解余弦脉冲的分解icicmax-/2-/2 tgcUimgcUim cos 本讲稿第六页，共四十三页其中其中 0()、1()、n()为尖顶余弦脉冲的为尖顶余弦脉冲的分解系数分解系数；/1/0=g1 0 1 2 30,1,2,32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170另定义另定义 g1()=Ic1m/Ic0=1()/0()为为波形系数波形系数，随，随 减小而增大。减小而增大。本讲稿第七页，共四十三页4、能量关系与效率、能量关系与效率2）集电极电源提供功率：）集电极电源提供功率：1）集电极输出功率：）集电极输出功率：3）集电
6、极损耗功率：）集电极损耗功率：4）集电极效率：）集电极效率：本讲稿第八页，共四十三页5）对效率的影响对效率的影响电压利用系数电压利用系数 c=Uc1m/UCC1，c1，g1 随随 而变化；而变化；乙类功放：乙类功放：=/2 ，g1=/2，max=/4=78.5%；丙类功放丙类功放：/2 ，减小，减小 ，g1 提高，提高，c提高；但是提高；但是 很小时，很小时，g1提高提高不多，输出功率却降低很多。故不多，输出功率却降低很多。故 通常选在通常选在60o90o之间。之间。6）放大器的激励功率：放大器的激励功率：7）功率放大倍数：功率放大倍数：本讲稿第九页，共四十三页三点法作图：三点法作图：t=0，
7、uBE=-UBB+Uim；uCE=UCC-Uc1m 得到得到C点点 t=/2，uBE=-UBB；uCE=UCC 得到得到 B点点 t=，uBE=-UBB-Uim 串联电阻串联电阻Rs。本讲稿第二十六页，共四十三页ReRLReRLRLReCL(Xs)ReCL(Xp)(a)RLReC(Xp)L ReC(Xs)L(b)1、型网络型网络本讲稿第二十七页，共四十三页(a)型网络型网络XsXs1Xs2RLRL2、型和型和型网络型网络XpXp1Xp2(b)T型网络型网络RLRL本讲稿第二十八页，共四十三页C1C245pFCcC3C410pFLb280 HL1L2VT50 50 17pF16 H0.01 F9
8、7 H16pFUCC (28V)Lc280 H三、三、高频谐振功率放大器电路高频谐振功率放大器电路本讲稿第二十九页，共四十三页4.5 丁类功率放大器丁类功率放大器 在丙类高频功放中，提高集电极效率是靠在丙类高频功放中，提高集电极效率是靠减小集电极电流的导通角减小集电极电流的导通角实实现的，但这样同时会现的，但这样同时会减小输出功率减小输出功率。丁类功率放大器的丁类功率放大器的晶体管晶体管工作于开关状态工作于开关状态，管子导通时进入饱和区，器件内，管子导通时进入饱和区，器件内阻接近于阻接近于0，截止时电流为，截止时电流为0，这样可以使集电极功耗大为减小，这样可以使集电极功耗大为减小，效率大大提高
9、效率大大提高，在在理想情况下，效率可达理想情况下，效率可达100%，实际情况下也可达实际情况下也可达90%左右左右。但由于开关管。但由于开关管转换频率越高，损耗越大，故其转换频率越高，损耗越大，故其上限工作频率受限上限工作频率受限。丁类功放分为丁类功放分为电流开关型电流开关型和和电压开关型电压开关型两种电路。两种电路。本讲稿第三十页，共四十三页UCC VT1 VT2 A LCRL uL iC1 iL (a)uA iC2 Cc tiC1 uA uL iC2 (b)t t t 两个同型的三极管两个同型的三极管VT1、VT2相串联，输入变压器为相串联，输入变压器为VT1、VT2提供相位相反的驱提供相
10、位相反的驱动电压，使两管动电压，使两管交替饱和导通交替饱和导通，A点处的电压为方波，振幅为点处的电压为方波，振幅为 相应的电流电压波形如图（相应的电流电压波形如图（b）所示。负载电阻）所示。负载电阻RL与与L、C构成高构成高Q串联谐振回串联谐振回路，当它调谐于输入信号频率时，在负载上得到电压路，当它调谐于输入信号频率时，在负载上得到电压uA的基波分量，实现高频放大的基波分量，实现高频放大的目的。的目的。本讲稿第三十一页，共四十三页RL上基波电压振幅：上基波电压振幅：基波电流振幅：基波电流振幅：输出功率：输出功率：通过电源的平均电流分量：通过电源的平均电流分量：电源供给功率：电源供给功率：效率：
11、效率：实际工作中，三极管在饱和、截止之间的转换需要一定的时间，实际工作中，三极管在饱和、截止之间的转换需要一定的时间，uA不是理想方波，而是存在不是理想方波，而是存在着上升沿和下降沿，转换期间存在一定的电压和电流，使管耗增加，效率降低，所以着上升沿和下降沿，转换期间存在一定的电压和电流，使管耗增加，效率降低，所以应选择应选择开关时间短的高频开关三极管开关时间短的高频开关三极管或或无电荷存储效应的无电荷存储效应的VMOS场效应管场效应管，并，并减小电路中的分布电容减小电路中的分布电容。本讲稿第三十二页，共四十三页4.6 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 由于宽带放大器没有选频作用，一般只由于
12、宽带放大器没有选频作用，一般只工作于非线性失真较小的甲类或甲乙类工作于非线性失真较小的甲类或甲乙类，所以宽带放大器的所以宽带放大器的效率一般不高效率一般不高（20%左右）。左右）。常用的宽带匹配网络：常用的宽带匹配网络：传输线变压器。传输线变压器。主要要求：主要要求：通频带要宽通频带要宽；失真要小失真要小；放大倍数要大放大倍数要大。一、传输线变压器一、传输线变压器1.传输线变压器工作原理传输线变压器工作原理传输线模型传输线模型变压器模型变压器模型RL Us 1 3 2 U1 Rs 4 U2 1 2 3 4 U2 Us I1 I2 I4 I3 U1 Rs RL 本讲稿第三十三页，共四十三页 传输
13、线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，将传输线绕制在高磁导率、低传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，将传输线绕制在高磁导率、低损耗的磁环上就构成传输线变压器。因此它兼有损耗的磁环上就构成传输线变压器。因此它兼有传输线传输线和和高频变压器高频变压器两者的特点，相应的有两两者的特点，相应的有两种工作方式（模式），种工作方式（模式），传输线方式传输线方式和和变压器方式变压器方式。低频工作时，传输线就是两根普通连接线。高频工作时，由于分布电感和线间分布电容的影响，能量低频工作时，传输线就是两根普通连接线。高频工作时，由于分布电感和线间分布电容的影响，能量是通过分布电容中的电场能量和分
14、布电感中的磁场能量不断相互转换而传送到负载的。以是通过分布电容中的电场能量和分布电感中的磁场能量不断相互转换而传送到负载的。以L0、C0表示单表示单位长度传输线的电感和电容，传输线的特性阻抗是一个与频率无关的电阻位长度传输线的电感和电容，传输线的特性阻抗是一个与频率无关的电阻 1 2 3 4 l ZiZCI1 I1 I2 I2 普通连接线普通连接线 示意图示意图Us U1 Rs RL U2 1 2 3 4 U1 I1 I1 I2 I2 传输线等效图传输线等效图 RL U2 Us Rs 本讲稿第三十四页，共四十三页1 2 3 4 U1 高频倒相器高频倒相器Us Rs RL U2 UL 2、传输线
15、变压器的应用、传输线变压器的应用（1）高频倒相器）高频倒相器 端点端点2、3相连并接地，相连并接地，1、3端加高频电压端加高频电压U1，负载上得到的电压，负载上得到的电压UL与与U1反相。反相。（2）不平衡、平衡变换器）不平衡、平衡变换器 1 2 3 4 Us Rs RL/2 RL/2 不平衡、平衡变换器不平衡、平衡变换器U1 U2/2 U2/2 U2 信号源一端接地，称为信号源一端接地，称为“不平衡不平衡”，转换后，转换后的负载上两电压大小相等、方向相反，称为平衡的负载上两电压大小相等、方向相反，称为平衡输出。输出。（3）阻抗变换）阻抗变换1 2 3 4 1:4阻抗变换器阻抗变换器RL/4R
16、L U2 U1 Us Rs UL I 2I 4:1阻抗变换器阻抗变换器1 2 3 4 2I RL U2 U1 Us Rs UL 4RLI 本讲稿第三十五页，共四十三页+28VLbT3T2T127 470 47 27 2.7k 0.01 0.01 0.01 0.01 1800 1200 27 180 12 0.01 5 0.01 1000p0.01 5 330 Lb0.01 输入输入输出输出VT1VT2二、宽带功率放大电路二、宽带功率放大电路 宽频带变压器耦合放大电路，工作频率在宽频带变压器耦合放大电路，工作频率在150kHz30MHz。图中。图中T1、T2、T3都是宽带传输都是宽带传输线变压器
17、，线变压器，T1与与T2串接是为了实现阻抗变换，将串接是为了实现阻抗变换，将VT1的低输入阻抗变换为的低输入阻抗变换为VT2所需要的高负载阻抗。所需要的高负载阻抗。为改善放大器性能，每级都加了电压负反馈支路；为避免寄生耦合，每级的集电极电源都加有电容滤波。为改善放大器性能，每级都加了电压负反馈支路；为避免寄生耦合，每级的集电极电源都加有电容滤波。未采用调谐回路，放大器应工作于甲类状态。未采用调谐回路，放大器应工作于甲类状态。本讲稿第三十六页，共四十三页1W 4W 11W 5W 11W 10W 5W 11W 5W 5W 11W 11W 11W 5W 19W 40W 35W 19W 10W 10W
18、 10W 10W 5W 11W 4.7 功率合成技术功率合成技术一、功率合成器的组成一、功率合成器的组成 在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率时，可以将多个电子器件的输出功率叠加起来，这就是功率合成技术。时，可以将多个电子器件的输出功率叠加起来，这就是功率合成技术。下图是一个输出功率为下图是一个输出功率为35W的功率合成器的组成框图，三角形代表功率放大器，菱的功率合成器的组成框图，三角形代表功率放大器，菱形代表功率分配或合成网络。形代表功率分配或合成网络。本讲稿第三十七页，共四十三页A DCBRA
19、RB RC RD(a)A DCBRA RB RD RC(b)利用利用1:4传输线变压器组成的传输线变压器组成的魔魔T混合网络混合网络，可以实现功率的合成与分配。混合网络有，可以实现功率的合成与分配。混合网络有A、B、C、D四个端点，为了满足网络匹配的条件，取四个端点，为了满足网络匹配的条件，取RA=RB=ZC=R，RC=ZC/2=R/2，RD=2ZC=2R，ZC为传输线变压器的特性阻抗。为传输线变压器的特性阻抗。二、功率合成与分配网络二、功率合成与分配网络魔魔T混合网络混合网络本讲稿第三十八页，共四十三页A、B端输入两大小相等、极性相反的电压时，端输入两大小相等、极性相反的电压时，C端无输出，
20、输入功率在端无输出，输入功率在D端合成。端合成。所以所以C端无输出，而端无输出，而D点的输出功率为：点的输出功率为：RA RB RC RD A DCBII2I2I1I1I2I1US1US22U U U 1、反相功率合成、反相功率合成2、同相功率合成、同相功率合成A、B端输入两大小相等、极性相同的电压时，端输入两大小相等、极性相同的电压时，D端无输出，输入功率在端无输出，输入功率在C 端合成。端合成。本讲稿第三十九页，共四十三页IdRA RB RC IaIdIbIdIcADDBCUd/2 II反相功率分配电路反相功率分配电路Ud/2 RDUd IaIdADIIIcRA RB BDCIbId同相功
21、率分配电路同相功率分配电路将功率合成器输入输出位置交换，即可得到功率分配器。将功率合成器输入输出位置交换，即可得到功率分配器。3、功率分配、功率分配本讲稿第四十页，共四十三页例例1：在图（：在图（a）所示电路中，）所示电路中，R1=R2=R3=R4，Rs=50，信号源向网络提供的功，信号源向网络提供的功率为率为100W，试指出，试指出R1 R4电阻上的电流方向，计算电阻上的电流方向，计算R1 R4各电阻所得的功率，计各电阻所得的功率，计算算Rd1 Rd3、R1 R4各电阻的数值。各电阻的数值。本讲稿第四十一页，共四十三页DABCT2T3T4T5T6T125 12.5 12.5 6 10 10
22、LL1 H1 H6 1500pF1500pFDBAC12.5 12.5 1000pF8 F+24V输出输出25 VT1VT2三、功率合成电路实例三、功率合成电路实例 右图是一个反相右图是一个反相功率合成器的典型电功率合成器的典型电路，它是一个输出功路，它是一个输出功率为率为75W、带宽为、带宽为3075MHz的放大电路的放大电路的一部分。的一部分。T2为反相为反相功率分配网络，功率分配网络，T5反相功率合成网络，反相功率合成网络，T1 与与T6 是是1:1传输线传输线变压器，实现平衡变压器，实现平衡不平衡转换；不平衡转换；T3与与T4是是4:1阻抗变换器。阻抗变换器。反相功率合成器电路反相功率
23、合成器电路本讲稿第四十二页，共四十三页100 T2T3T4T5T6T1CDABDABC50 1.1 1.1 22 22 200 200 0.033 0.033 100 100 25 25 400 200 UCCVT1VT2 T1为同相功率分配网络，为同相功率分配网络，T6为同相功率合成网络，为同相功率合成网络，T2、T3与与T4、T5 分别是分别是4:1与与1:4阻抗变换器。阻抗变换器。晶体管发射极接入的电阻以产生负反馈，提高输入阻抗。各基极串联的电阻，可提高输入电阻，并防止寄生晶体管发射极接入的电阻以产生负反馈，提高输入阻抗。各基极串联的电阻，可提高输入电阻，并防止寄生振荡。振荡。D端所接的电阻是端所接的电阻是T1 与与T6的假负载电阻。的假负载电阻。同相功率合成器电路同相功率合成器电路 反相功率合成器的优点：反相功率合成器的优点：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边时高，因而引线电感的输出没有偶次谐波，输入电阻比单边时高，因而引线电感的影响减小。在同相功率合成器中，由于偶次谐波在输出端是相加的，因此输出中有偶次影响减小。在同相功率合成器中，由于偶次谐波在输出端是相加的，因此输出中有偶次谐波存在。谐波存在。本讲稿第四十三页，共四十三页