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6高頻功率放大器2.掌握高頻功率放大器的折線近似分析法3.熟悉高頻功率放大器的電路組成原則與匹配網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算4.掌握傳輸線變壓器的工作原理5.了解倍頻器的工作原理1.掌握高頻功率放大器的工作原理6.理解放大器的欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài) 1.功率放大電路的主要特點(diǎn)輸出功率?ABQ功率三角形⑴允許輕微非線性波形失真。要想Po大，應(yīng)使Vom和Iom都要大。非線性(大信號(hào))6.1概述 ⑵管子工作在接近極限狀態(tài)。 2.要解決的問題減小失真（線性度）管子的保護(hù)提高輸出功率提高效率 3.提高效率的途徑降低靜態(tài)功耗，即減小靜態(tài)電流。vi=0vi=V0sinωt (a)甲類class-Aamplifier(b)乙類class-Bamplifier(c)甲乙類class-ABamplifier(d)丙類class-Camplifier4.工作狀態(tài)分類 丙類(C類)放大器的效率最高，但是波形失真也最嚴(yán)重。5.效率與失真矛盾的解決ωlowhigh3ωnω2ω0 通過諧振負(fù)載，從丙類余弦周期脈沖里恢復(fù)基波完整周期信號(hào)。有源器件諧振回路窄帶諧振放大器丙類32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸出回路晶體管 6.諧振（高頻）功放與非諧振（低頻）功放的比較相同:要求輸出功率大，效率高線性(大信號(hào))不同:工作頻率與相對(duì)頻寬不同,諧振與非諧振低頻(音頻):20Hz～20kHz高頻（射頻）:（以調(diào)幅為例）已調(diào)信號(hào)lowhighωAM廣播信號(hào):535kHz～1605kHz，BW=10kHz高頻窄帶信號(hào) 7.功放設(shè)計(jì)中各方面的折中關(guān)系減小失真（線性度）管子的保護(hù)提高輸出功率提高效率（1）丙類導(dǎo)通角<180o，何時(shí)最優(yōu)？遺留問題：（2）放大、臨界、飽和，何處最優(yōu)？ 6.2諧振功率放大器的工作原理 一、獲得高效率所需要的條件丙類工作狀態(tài)。 VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe轉(zhuǎn)移特性iCVBZo理想化圖6.2.1高頻功率放大器的基本電路 (b)tw或電壓電流0VBZVCCV－BBVbmVcmvbEmaxqiCicmaxciCvCEvBEvCEmin1.iC與vBE同相，與vCE反相；2.iC脈沖最大時(shí)，vCE最??；3.導(dǎo)通角和vCEmin越小，Pc越?。籿CE電流、電壓波形 二、功率關(guān)系電路正常工作（丙類、諧振）時(shí)，外部電路關(guān)系式： 直流功率：輸出交流功率：集電極效率：電壓利用系數(shù)波形系數(shù) 6.3晶體管諧振功率放大器的折線近似分析法β00.5fβfβ0.2fTfT 為了對(duì)高頻功率放大器進(jìn)行定量分析與計(jì)算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0與基頻分量Icm1。最好能有一個(gè)明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來顯示二者與通角θc的關(guān)系，以便于電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)，對(duì)放大器工作狀態(tài)的選擇指明方向。考慮到諧振功率放大器工作于丙類（非線性、大信號(hào)）狀態(tài)，采取圖解法與數(shù)學(xué)解析分析相折中的辦法：折線近似分析法。 一、晶體管特性曲線的理想化及其解析式圖6.3.1晶體管的輸出特性及其理想化iC=gcrvCE 圖6.3.2晶體管靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ) VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe轉(zhuǎn)移特性iCVBZ0理想化集電極余弦脈沖電流：iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)=gcVbm(cosωt–cos?c)=gcVbm(1–cos?c)當(dāng)?t=0時(shí)，iC=iCmax取決于脈沖高度iCmax與通角?c當(dāng)?t=?c時(shí)，iC=0二、集電極余弦電流脈沖的分解 圖6.3.3尖頂余弦脈沖由傅里葉級(jí)數(shù)求系數(shù)，得 其中：尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)波形系數(shù)： 分析基波分量Icm1、集電極效率ηc和輸出功率Po隨通角?c變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。尖頂脈沖的分解系數(shù)當(dāng)?c≈120?時(shí)，Icm1/iCmax最大。在iCmax與負(fù)載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達(dá)到最大值。但此時(shí)放大器處于甲乙類狀態(tài)，效率太低。 圖6-9尖頂脈沖的分解系數(shù)由曲線可知：極端情況?c=0時(shí)：如果此時(shí)?=1，?c可達(dá)100%。為了兼顧功率與效率，最佳通角取70?左右。分析基波分量Icm1、集電極效率ηc和輸出功率Po隨通角?c變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。 三、高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載特性因此，下面分析四個(gè)參數(shù)Rp和電壓VCC、VBB、Vbm的變化對(duì)工作狀態(tài)的影響，即諧振功放的動(dòng)態(tài)特性，從而闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)，為工作狀態(tài)的調(diào)整提供參考。集電極效率ηc和輸出功率Po能否最佳實(shí)現(xiàn),最終取決于功放中外部電路參數(shù)Rp和電壓VBB、Vbm、VCC。 1.高頻功放的動(dòng)態(tài)特性通過折線近似分析法定性分析其動(dòng)態(tài)特性，首先，建立由Rp和VCC、VBB、Vbm所表示的輸出動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線。 vceicVo?AVCC?QVcmvcmingd 2.高頻功放的負(fù)載特性vBEiC?-VBB?VBZvbeiCgCVbm?vbemaxiCmaxvceiCVCC?QvceminVcesgd?vbemax???vcemingcr?過壓區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)vbemax iCvcevbemax過壓區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓過壓0臨界Rp欠壓過壓0臨界Rp 結(jié)論：欠壓：恒流，Vcm變化，Po較小，ηc低，Pc較大；過壓：恒壓，Icm1變化，Po較小，ηc可達(dá)最高；臨界：Po最大，ηc較高；最佳工作狀態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)中間放大級(jí)圖6.3.7負(fù)載特性曲線欠壓過壓0臨界Rp欠壓過壓0臨界Rp 四、各極電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響vceiCvbemax?QVCC??QVCC?QVCC????iC1.改變ＶCC對(duì)工作狀態(tài)的影響過壓欠壓0臨界VCC過壓欠壓0臨界VCC集電極調(diào)幅作用是通過改變VCC來改變Ｉcm1與Ｐo才能實(shí)現(xiàn)的，因此，必須工作于過壓區(qū)。 2.改變Ｖbm對(duì)工作狀態(tài)的影響vceiCvbemax1vbemax2?QVCCvbemax4????iCvbemax3??欠壓過壓0臨界Vbm欠壓過壓0臨界Vbm 3.改變ＶBB對(duì)工作狀態(tài)的影響基極調(diào)幅作用是通過改變ＶBB來改變Ｉcm1與Ｐo才能實(shí)現(xiàn)的，因此，必須工作于欠壓區(qū)。vbe?VBBvbemax1vBEiC?VBBvbemax2?VBBvbemax3vceiCvbemax1vbemax2?QVCCvbemax3????iCVBB絕對(duì)值增加等效于減少Vbm，兩者都會(huì)使vbemax產(chǎn)生相同的變化 五、工作狀態(tài)的計(jì)算(估算)舉例例6.3.1有一個(gè)用硅NPN外延平面型高頻功率管3DA1做成的諧振功率放大器，設(shè)已知ＶCC＝24Ｖ，Ｐｏ＝２Ｗ，工作頻率＝１MHz。試求它的能量關(guān)系。由晶體管手冊已知其有關(guān)參數(shù)為fＴ≥70MHz，Ap（功率增益）≥13dB，ＩCmax＝750ｍＡ,ＶCE(sat)(集電極飽和壓降)≥1.5Ｖ,ＰCM＝１W。解：１）由前面的討論已知，工作狀態(tài)最好選用臨界狀態(tài)。作為工程近似估算，可以認(rèn)為此時(shí)集電極最小瞬時(shí)電壓2） 解：3）選?c=70o，4）未超過電流安全工作范圍。5）6）7）8）9） 6.4晶體管功率放大器的高頻特性圖6.4.1在低頻和高頻工作時(shí)的發(fā)射極電流脈沖波形 圖6.4.2晶體管在高頻大信號(hào)工作時(shí)各極電流脈沖波形的關(guān)系 晶體管高頻工作時(shí)的特點(diǎn)：發(fā)射極電流出現(xiàn)負(fù)脈沖，而且主脈沖高度有所下降。發(fā)射結(jié)的有效激勵(lì)電壓小于外加激勵(lì)電壓，集電極電流減小。集電極電流基波分量落后于激勵(lì)電壓，輸入與輸出電壓的相位有附加相移?；鶚O電流直流分量減小，甚至可能出現(xiàn)反向直流電流。各極電流不能從晶體管的靜態(tài)特性曲線求出。 6.5高頻功率放大器的電路組成 一、饋電線路以上的高頻功率放大器的電路僅僅是其原理圖。欲使高頻功率放大器正常工作于丙類某一最佳狀態(tài)，與小信號(hào)諧振放大器同樣，必須有正確的直流通路和交流通路。除此之外，還要盡量減少功率傳輸中的損耗。這就涉及其饋電線路的實(shí)現(xiàn)問題。圖6.5.1對(duì)不同頻率電流的等效電路 圖6.5.2集電極電路的兩種饋電形式 圖6.5.2集電極電路的兩種饋電形式注意：直流電源一端必須接地。 圖6.5.3基極饋電的兩種形式 圖6.5.3幾種常用的產(chǎn)生基極偏壓的方法 二、輸出、輸入與級(jí)間耦合回路圖6.5.5放大器與負(fù)載之間用四端網(wǎng)絡(luò)耦合1.輸出匹配網(wǎng)絡(luò)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，即它應(yīng)有良好的濾波作用。③有效地傳送功率到負(fù)載，但同時(shí)又應(yīng)盡可能地使這幾個(gè)電子器件彼此隔離，互不影響。 圖6.5.6復(fù)合輸出回路 雖然阻抗變換網(wǎng)絡(luò)類型很多，但是，都可以等效成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的并聯(lián)諧振回路。下面就等效成的標(biāo)準(zhǔn)并聯(lián)諧振回路分析其功率傳輸效率。圖中，r’為等效到諧振回路的負(fù)載電阻，r1為諧振回路本身的損耗電阻。 圖6.5.10晶體管等效電路2.輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò)１）中間放大級(jí)工作于過壓狀態(tài)，此時(shí)它等效為一個(gè)理想電壓源，其輸出電壓幾乎不隨負(fù)載變化。２）降低級(jí)間耦合回路的效率。因?yàn)榛芈沸式档?，意味著回路本身損耗加大，這樣就使下級(jí)輸入電路的損耗功率相對(duì)來說顯得不重要，也就是減弱了下級(jí)對(duì)本級(jí)工作狀態(tài)的影響。以穩(wěn)定激勵(lì)電壓為目的，中間級(jí)應(yīng)采取措施： 圖6.5.11輸入匹配網(wǎng)絡(luò)舉例 6.8寬帶高頻功率放大器現(xiàn)代通信的發(fā)展趨勢之一是在寬波段工作范圍內(nèi)能采用自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)，以便于迅速轉(zhuǎn)換工作頻率。為了滿足上述要求，可以在發(fā)射機(jī)的中間各級(jí)采用寬帶高頻功率放大器，它不需要調(diào)諧回路，就能在很寬的波段范圍內(nèi)獲得線性放大。最常見的寬帶高頻功率放大器是利用寬帶變壓器做耦合電路的放大器。寬帶變壓器有兩種形式：一種是利用普通變壓器的原理，只是采用高頻磁心，可工作到短波波段；另一種是利用傳輸線原理與變壓器原理二者結(jié)合的所謂傳輸線變壓器，這是最常用的一種寬帶變壓器。 圖6.8.1低頻變壓器及其頻率特性示例1、低頻變壓器頻率特性 2、展寬變壓器工作頻帶的措施（1）盡量減小線圈的漏電感與分布電容。將初、次級(jí)線圈繞在環(huán)形鐵氧體的磁芯上，匝數(shù)要少，匝間距離要大。（2）減小磁芯的功率損耗。采用高頻鐵氧體作磁芯。（3）為了展寬低頻響應(yīng)，要求初級(jí)線圈的電感大。采用高磁導(dǎo)率磁芯，加大環(huán)形磁芯截面積，適當(dāng)增加匝數(shù)。 圖6.8.21∶1傳輸線變壓器3、傳輸線變壓器傳輸線繞在高磁導(dǎo)率的鐵芯磁環(huán)上，磁芯用高頻鐵氧體磁環(huán)。 特點(diǎn)：初、次級(jí)都有一端接地（1、4或2、3）。由信號(hào)源端1、3看來的阻抗等于負(fù)載阻抗。輸出電壓與輸入電壓大小相等、方向相反，即為1：1阻抗方向變壓器。 4、變壓器的工作模式（1）傳輸線模式（2）變壓器模式每個(gè)線圈中通過大小相等、方向相反的電流，磁芯中的磁場相互抵消，磁芯無功率損耗。線圈中有激勵(lì)電流，并在磁芯中產(chǎn)生公共磁場，磁芯有功率損耗。 圖6.8.3１∶4傳輸線變壓器最佳特性阻抗： 圖6.8.6寬頻帶變壓器耦合放大器電路舉例 6.10晶體管倍頻器倍頻器是一種輸出頻率等于輸入頻率整數(shù)倍的電路，用以提高頻率。晶體管倍頻器有兩種主要形式：丙類倍頻器：利用丙類放大器電流脈沖中的諧波來獲得倍頻。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獲得倍頻。 圖6.10.1倍頻器的應(yīng)用 圖6.10.2倍頻器中電流與電壓的關(guān)系 圖6.3.4尖頂脈沖的分解系數(shù)