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1、第六章 高頻功率放大器,知識(shí)結(jié)構(gòu)：,6.1 概述 6.2 高頻功率放大器的工作原理 6.3 高頻功率放大器的折線近似分析法 6.5 高頻功率放大器的電路組成 6.9 功率合成器 6.10 晶體管倍頻器,學(xué)習(xí)目標(biāo)：,掌握高頻功率放大器的工作原理 掌握高頻功率放大器的折線近似分析法 熟悉高頻功率放大器的電路組成原則 掌握功率合成器的工作原理 了解倍頻器的工作原理,本章重點(diǎn)：,諧振功率放大器的工作原理 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性和負(fù)載特性 高頻功率放大器的電路組成 功率合成器的工作原理,本章難點(diǎn)：,高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性和負(fù)載特性的分析 功率合成器的工作原理,6.1 概述,6.1.1 功放的分類 6

2、.1.2 高頻功放的分類和特點(diǎn) 6.1.3 高頻功放的技術(shù)指標(biāo)和分析方法 6.1.4 高頻功放與其他放大器的比較,6.1.1 功放的分類,按工作狀態(tài)分：,按工作頻率分：,低頻功率放大器 高頻功率放大器,甲類放大器適用于小信號(hào)低功率放大；乙類和丙類適用于大功率放大；甲乙類放大器當(dāng)小信號(hào)時(shí)工作在甲類，當(dāng)大信號(hào)時(shí)工作在乙類。,高頻功放分類：1）窄帶型：以諧振回路作為負(fù)載，選頻范圍 很窄。主要用于放大等幅信號(hào)，例如載波信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)； 2）寬帶型：采用工作頻帶很寬的傳輸線變壓器或者其他寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載。主要用于實(shí)現(xiàn)功率合成。,高頻功放特點(diǎn)：1)放大高頻大信號(hào)； 2)工作在丙類狀態(tài)會(huì)伴隨嚴(yán)重的失真問

3、題; 3)重點(diǎn)解決失真與效率問題； 4)采用諧振負(fù)載解決失真。,6.1.2 高頻功放的分類和特點(diǎn),放大器處于非線性工作狀態(tài)，高頻小信號(hào)諧振放大器的一套線性模型在這里已完全不能用，只能用圖解法或折線近似分析法來(lái)分析功率放大器。,技術(shù)指標(biāo)：,功率與效率,分析方法：,6.1.3 高頻功放的技術(shù)指標(biāo)和分析方法,6.1.4 高頻功放與其他放大器的比較,與低頻功放的比較：,共同點(diǎn)：輸出功率大、效率高,不同點(diǎn)：,與高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器比較：,共同點(diǎn)：放大的都是高頻信號(hào)，且負(fù)載均為諧振網(wǎng)絡(luò),不同點(diǎn)：,6.2 高頻功率放大器的工作原理,6.2.1 基本電路結(jié)構(gòu) 6.2.2 工作原理分析 6.2.3 功率關(guān)系,晶

4、體管的工作情況與頻率有極其密切的關(guān)系，把其工作頻率范圍劃分為三個(gè)區(qū)域：,低頻區(qū)：,中頻區(qū)：,高頻區(qū)：,中頻區(qū)要考慮晶體管各個(gè)結(jié)電容的作用,高頻區(qū)需進(jìn)一步考慮引線電感的作用,分析和計(jì)算相當(dāng)困難。,低頻區(qū)可以不考慮其等效電路中的電抗分量等影響，可以用與分析電子管高頻功率放大器類似的方法來(lái)分析。,6.2.1 基本電路結(jié)構(gòu),大功率晶體管，能承受高電壓，大電流。,1.功率放大器的作用原理： 利用輸入到基級(jí)的信號(hào)，來(lái)控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率輸出出去。,假設(shè)：P=直流電源供給的直流功率 Po=交流輸出信號(hào)功率 Pc=集電極耗散功率,則，由能量守恒定律可得：P=Po+Pc,

5、為了說(shuō)明放大器的轉(zhuǎn)換能力，采用集電極效率c ，其定義為：,兩點(diǎn)結(jié)論： 1）降低Pc則c提高， P=一定時(shí)， Po增大 2）若Pc不超過(guò)規(guī)定值，則c提高，將使Po大為增加， P=也相應(yīng)提高。,6.2.2 工作原理分析,Vb,+ VBE _,2.集電極電流ic,Vb,2.集電極電流ic,2.集電極電流ic,例題：試求高頻功率放大器的基本電路中并聯(lián)諧振回路各次諧波與基頻的阻抗值之比。已知回路Q10，回路諧振于基頻。,解：并聯(lián)諧振回路的諧振阻抗為：,對(duì)于諧波n的阻抗為：,可知，回路對(duì)高次諧波呈電容性阻抗。且各次諧波的阻抗與基頻阻抗之比很小，可認(rèn)為是短路的。,結(jié)論： iC呈脈沖狀，且包含很多諧波，失真很

6、大。 集電極電路內(nèi)采用并聯(lián)諧振回路，如使其諧振于基頻，那么將對(duì)基頻呈現(xiàn)很大的純電阻性阻抗，而對(duì)諧波的阻抗則很小，可視為短路。 并聯(lián)諧振回路由于iC所產(chǎn)生的電壓降vC也幾乎只包含基頻。 能得到正弦波形的輸出。,3.集電極輸出電壓,4.集電極電壓、電流和基級(jí)電壓的波形,晶體管集電極電壓：,晶體管基級(jí)電壓：,晶體管集電極的電流：,6.2.3. 高頻功放的功率關(guān)系,當(dāng)晶體管允許的耗散功率一定時(shí)，,6.3 晶體管諧振功率放大器的 折線近似分析法,6.3.1 晶體管特性曲線的理想化及其解析式 6.3.2 集電極余弦電流脈沖的分解 6.3.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性 6.3.4 高頻功率放大器的負(fù)載特性

7、6.3.5 各極電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響,6.3.1 晶體管特性曲線的理想化 及其解析式,1、折線法 所謂折線法，是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管特性曲線后進(jìn)行分析和計(jì)算的方法。 實(shí)質(zhì)：用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解析式來(lái)代表電子器件的特性曲線。 2、工程上都采用近似估算和實(shí)驗(yàn)調(diào)整相結(jié)合的方法對(duì)高頻功率放大器進(jìn)行分析和計(jì)算。 關(guān)鍵在于求出電流的直流分量和基頻分量。,3、晶體管靜態(tài)特性曲線折線化 兩種曲線：輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線。 輸出特性曲線：基極電流（電壓）恒定，集電極電流與集電極電壓的關(guān)系曲線。 轉(zhuǎn)移特性曲線：集電極電壓恒定，集電極電流與基極電壓的關(guān)系曲線。,4、折線分析法的主要步驟：

8、測(cè)出晶體管的輸出特性曲線與轉(zhuǎn)移特性曲線，并將這兩組曲線作理想化折線處理 作出動(dòng)態(tài)特性曲線 根據(jù)激勵(lì)電壓的大小在已知理想特性曲線上作出對(duì)應(yīng)電流脈沖iC和輸出電壓vC的波形 求出iC的各次諧波分量，結(jié)合給定的負(fù)載諧振阻抗的大小，求得放大器的輸出電壓、輸出功率、直流供給功率、效率等指標(biāo)。,5、晶體管特性曲線的理想化及其解析式,6.3.2 集電極余弦電流脈沖的分解,1、余弦電流脈沖的表達(dá)式 2、余弦電流脈沖的分解系數(shù),6.3.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,1、動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性 1）晶體管的靜態(tài)特性是在集電極電路內(nèi)沒有負(fù)載阻抗的條件下獲得的。例如vC不變，iCvB的關(guān)系曲線就是靜態(tài)特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線

9、。 2）動(dòng)態(tài)特性：如果集電極電路有負(fù)載阻抗，則當(dāng)改變vB使iC變化時(shí)，由于負(fù)載上有電壓降，就必然引起vC的變化。即在考慮了負(fù)載的反作用后，所獲得的vC、vB與iC的關(guān)系曲線就是動(dòng)態(tài)特性曲線。最常用的是當(dāng)vC、vB同時(shí)變化時(shí)， iCvC關(guān)系的動(dòng)態(tài)特性曲線。,2、當(dāng)晶體管靜態(tài)特性曲線理想化為折線而且放大器工作于負(fù)載回路諧振狀態(tài)（即負(fù)載為純電阻性）時(shí)，動(dòng)態(tài)特性曲線也是一條直線。,證明：放大器負(fù)載諧振時(shí)外部電路關(guān)系為,整理可得：,將其代入內(nèi)部關(guān)系式,其中：,表示斜率（放大器相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電阻/一個(gè)交流電能發(fā)生器，輸出電能至負(fù)載）,表示截距,在靜態(tài)特征曲線的vc軸上取B點(diǎn)，使OB=V0，由B點(diǎn)作斜率為gd

10、的直線BA，即得動(dòng)態(tài)特征曲線。,3、動(dòng)態(tài)特性曲線,動(dòng)態(tài)特性曲線的畫法：,取Q（t=900 ，vc=VCC，vb=VBB ）、A（t=00 ，vc=VCCVcm，vb=VBB Vbm）兩點(diǎn)，連成直線,4.同理，可求出iC-vB平面內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性曲線。在實(shí)際工作中，晶體管工作于放大區(qū)和截止區(qū)時(shí)，iC幾乎不受集電極電壓變化的影響，因而在iC-vB平面上的動(dòng)態(tài)特性曲線幾乎和靜態(tài)特性曲線重合。因此在iC-vB平面上可以用靜態(tài)特性來(lái)表示動(dòng)態(tài)特性。,5、關(guān)于動(dòng)態(tài)特性曲線的幾點(diǎn)討論,1）動(dòng)態(tài)特性曲線是直線還是直線段？ 答：直線段 2）隨著集電極電壓的變化，集電極電流如何變？ 答：隨著集電極電壓的減小，集電極電流

11、增大。 3）A點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)著什么？ 答：橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著集電極電壓的最小值，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)著集電極電流的最大值。,4）Q點(diǎn)和A點(diǎn)橫坐標(biāo)的差代表什么？ 答：交流輸出電壓的振幅。 5）隨著動(dòng)態(tài)特性曲線斜率的變化，集電極電流的最大值和集電極電壓的最小值以及交流輸出電壓的振幅將發(fā)生什么樣的變化？ 答：|gd|動(dòng)態(tài)特性曲線遠(yuǎn)離橫軸，iCmax，vCmin，Vcm。,6、對(duì)應(yīng)于不同負(fù)載阻抗值Rp的動(dòng)態(tài)特性曲線,動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率和Rp 有關(guān)，Rp越大，Vcm越大，則 越小，故放大器的工作狀態(tài)會(huì)隨著Rp的變化而變化。,Rp和斜率、iCmax、Vcm、vcmin以及晶體管工作狀態(tài)的關(guān)系。,1定義,2特性

12、,6.3.4高頻功率放大器的負(fù)載特性,指VBB、Vbm和 VCC一定，放大器性能隨Rp的變化特性。,Rp 的增加勢(shì)必將引起 Vcm 增大(Vcm = RpIcm),Rp Vcm vCEmin iCmax ICm1和 IC0 功放欠壓 過(guò)壓 iC 波形出現(xiàn)凹陷。,據(jù)此可以畫出 Ic0 和 Icm1 和Vcm隨 Rp 變化的特性。,3 Po、P=、PC、C 隨 Rp 變化的曲線,Vcm = RpIcm1 ， Po = VcmIcm1/2 P = VCCIC0 ， PC = PPo C = Po/ P,4討論,(1) 欠壓區(qū),Rp ，iC 脈沖高度略有減小，相應(yīng)的 IC0、Ic1m 也略有減小，因而

13、 Vcm(= RpIcm1)和 Po( )近似線性增大，而 P=(= VCCIC0略有減小，C 增大，PC 減小。,(2)過(guò)壓區(qū),Rp ，電流脈沖高度迅速減小，凹陷加深，相應(yīng)的 IC0、Ic1m 迅速減小，結(jié)果使 Vcm 略有增加，Po、P= 減小，且 Po 比 P=減小的慢，從而 C 略有增加，PC 略有減小。,5.結(jié)論： 1)、欠壓時(shí)Icm1幾乎不變，過(guò)壓時(shí)Vcm幾乎不變。因而可以把欠壓狀態(tài)的放大器當(dāng) 作一個(gè)恒流源，把過(guò)壓狀態(tài)的放大器當(dāng)作一個(gè)恒壓源。 2)、三種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)： 臨界狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)：輸出功率最大，效率較高，是最佳工作狀態(tài)。主要用于發(fā)射機(jī)末級(jí)。 過(guò)壓狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)：Rp變化時(shí)，輸出電壓

14、比較平穩(wěn)，弱過(guò)壓時(shí)，效率最高。但輸出功率有所下降。常用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場(chǎng)合，發(fā)射機(jī)的中間放大級(jí)。 欠壓狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)：輸出功率和效率都很低，而且集電極耗損功率大，一般很少采用。,6.3.5 各極電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響,1.VCC對(duì)工作狀態(tài)的影響,Rp、VBB、Vbm保持不變，當(dāng)VCC發(fā)生變化時(shí)，對(duì)晶體管工作狀態(tài)的影響。 因?yàn)镽p、VBB、Vbm保持不變，所以動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率保持不變，vBmax保持不變。 VCC變化時(shí)，Q點(diǎn)的位置產(chǎn)生變化，對(duì)晶體管的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。,假如晶體管工作在臨界狀態(tài)，VCC變大時(shí)，動(dòng)態(tài)特性曲線右移，晶體管由臨界狀態(tài)變?yōu)榍穳籂顟B(tài)， iCmax基本不變稍有增大；變小

15、時(shí)，左移，變?yōu)檫^(guò)壓狀態(tài)，iCmax迅速減小。,Q1,Q2,VCC1,VCC2, 過(guò)壓狀態(tài)：隨 VCC 減小，集電極電流脈沖的高度迅速降低，凹陷加深，因而 IC0、Icm1、Vcm 將迅速減小。,VCC對(duì)工作狀態(tài)的影響, 欠壓狀態(tài)：隨 VCC 減小，集電極電流脈沖高度略有減小，因而 IC0 和 Icm1 也將略有減小，Vcm(= RpIcm1)也略有減小。,故，集電極調(diào)幅應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)。,2.VBB或Vbm對(duì)工作狀態(tài)的影響,Rp、 Vbm 、VCC保持不變，當(dāng)VBB 發(fā)生變化時(shí)，對(duì)晶體管工作狀態(tài)的影響。 因?yàn)镽p、 Vbm 、VCC保持不變，所以動(dòng)態(tài)特性曲線暫時(shí)不會(huì)發(fā)生變化。 若晶體管工作在臨

16、界狀態(tài)， -VBB或vBmax變大，所對(duì)應(yīng)的iCvC靜態(tài)特性曲線上移，晶體管由臨界狀態(tài)變?yōu)檫^(guò)壓狀態(tài)，iCmax稍微變大； 當(dāng)變小時(shí)，下移，變?yōu)榍穳籂顟B(tài)，iCmax迅速下降。,vBmax2=-vBB2+vbm,vBmax1=-vBB1+vbm,故，基極調(diào)幅應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)。, 過(guò)壓狀態(tài)：隨 Vbm 變大，IC0 和 Icm1、Vcm 均增加緩慢，可認(rèn)為近似不變。, 欠壓狀態(tài)：隨 Vbm 變大，集電極電流脈沖高度變化顯著，從而IC0 和 Icm1、Vcm增加幅度大。,6.5 高頻功率放大器的電路組成,6.5.1 饋電線路 1.饋電方式的分類 2.饋電線路的組成三原則 3.集電極饋電 4.基級(jí)饋電

17、6.5.2 耦合回路,要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有：,直流饋電線路：為晶體管各級(jí)提供合適的偏置； 交流匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號(hào)有效地傳輸。,并聯(lián)饋電線路：直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體管三者形成并聯(lián)連接的方式。,串聯(lián)饋電線路：直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體 管三者形成串聯(lián)連接的方式。,6.5.1 饋電線路,1.饋電方式的分類,根據(jù)直流電源連接方式的不同，可分為：,集電極電流的直流分量IC0是能量的來(lái)源，除了晶體管的內(nèi)阻外，應(yīng)予以短路， 以保證VCC全部加在集電極上，避免管外電路消耗電源功率，即 P= = IC0 VCC,集電極電流的基波分量Icm1通過(guò)負(fù)載回路，以產(chǎn)生所需的高頻

18、輸出功率，只應(yīng)在負(fù)載回路上產(chǎn)生電壓降，其余部分電路都應(yīng)短路。,集電極電流的的高次諧波分量Icmn不應(yīng)消耗功率，因此對(duì)晶體管外的電路應(yīng)盡可能短路。,2.饋電線路的組成三原則,ICO直流通路,ICm1交流通路,ICmn交流通路,3.集電極饋電,常用的集電極串饋和并饋電路如下圖所示：,LC： 高頻扼流圈：通直流阻交流 CC：高頻旁路電容：通交流隔直流 CC1：隔直電容：通交流隔直流,4 基極饋電,VBB,+ VBB -,(1) 使負(fù)載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。,(2) 抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波作用。,(3)

19、 在有幾個(gè)電子器件同時(shí)輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送功率到公共負(fù)載，同時(shí)又盡可能地使這幾個(gè)電子器件彼此隔離，互不影響。,輸入匹配網(wǎng)絡(luò)或級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò):是用以與下級(jí)放大器的輸入端相連接,輸出匹配網(wǎng)絡(luò):是用以輸出功率至天線或其他負(fù)載,高頻功放都要采用一定的耦合回路，以使輸出功率能有效地傳輸?shù)截?fù)載（下級(jí)輸入回路或天線回路），一般說(shuō)來(lái)，放大器與負(fù)載之間的耦合可采用下圖所示的四端網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。這個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)完成的任務(wù)是：,6.5.2 輸出、輸入與級(jí)間耦合回路,分類：,6.9 功率合成器,功率合成技術(shù)： 利用多個(gè)功率放大電路同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大, 然后設(shè)法將各個(gè)功放的輸出信號(hào)相加, 這樣得到的總輸

20、出功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)功放電路的輸出功率，這就是功率合成技術(shù)。 利用功率合成技術(shù)可以獲得幾百瓦甚至上千瓦的高頻輸出功率。,功率合成器的原理方框圖,由圖可知：功率合成器的關(guān)鍵部分是功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)。,相互無(wú)關(guān)條件：合成器各放大電路互相隔離, 即當(dāng)其中某一個(gè)功率放大器損壞時(shí), 相鄰的其它功率放大器的工作狀態(tài)不受影響, 僅僅是功率合成器輸出總功率減小一些。,功率合成電路的條件：,功率相加條件：N個(gè)同類型的放大器，它們的輸出振幅相等，每個(gè)放大器供給匹配負(fù)載以額定功率PSO ，則N個(gè)放大器輸至負(fù)載總功率為N PSO 。,要滿足上述條件，關(guān)鍵在于選擇合適的混合網(wǎng)絡(luò)傳輸線變壓器。,6.10 晶體管倍頻器,1概念,倍頻器(Frequency Multiplier)：將輸入信號(hào)的頻率倍增 n 倍的電路。,3原理,在丙類諧振放大器中，將輸出諧振回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率的 n 次諧波上，則輸出諧振回路上僅有 iC 中的 n 次諧波分量產(chǎn)生的高頻電壓，而其他分量產(chǎn)生的電壓均可忽略，因而 RL 上得到了頻率為輸入信號(hào)頻率 n 倍的輸出信號(hào)功率。,2分類,丙類倍頻器：利用丙類放大器電流脈沖中的諧波來(lái)獲得倍頻； 參量倍頻器：利用晶體管的結(jié)電容隨電壓變化的非線性來(lái)獲得倍頻。,謝謝大家！,