高频电子技术6.ppt

高频功放：将高频信号进行功率放大的电路，实质是在输入 高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。
主要功用: 放大高频信号, 以高效率输出大功率，并且尽量保 证非线性失真小。
分类：低频功放：甲类（3600导通，效率50%） 乙类（1800导通，效率78.5%） 甲乙类（大于 1800导通，效率75%）
欠压状态。电压利用率低但可变， 临界状态。 A点在临界饱和线上；
临界状态时的负载电阻 记为：ROPT。
过压状态 A点在饱和区；
Rp 斜率gd 谐振放大器的工作状态由欠压 过压 逐步过渡。
临界
U,I Ic1m Ic0
o 欠压
U cm
P,
临界 过压 Rp
o
ROPT
欠压
Pd P0
Pc 临界 过压 Rp ROPT
6.1 高频功率放大概述
因为工作频率很高，相对频带却很窄，因此一般 都采用选频网络作为负载回路，工作状态选用丙 类、丁类。对于需要在很宽的范围内变换工作频 率的情况，还可采用宽带高频功率放大电路，它 不采用选频网络作负载，而是以频率响应很宽的 传输线变压器作负载。由于受功放管的限制，单 个功率放大电路输出功率是有限的，在大功率无 线电信号发射装置中，采用功率合成技术来增大 输出功率。
结论： 随着负载的增大，电路的工作状态经历了从欠压状
态到临界状态又到过压状态的变化 ； 临界状态：效率与输出功率最佳，是谐振放大器的
最佳工作状态； 欠压状态：效率低，恒流源； 过压状态：效率高，损耗小，恒压源。
图6-12 谐振功率放大电路的测试电路
例6.1 某高频谐振功率放大电路工作于临界状态，输出 功率为15W，且UCC=24V，导通角θ=70°，ξ=0.91。试 问：
❖ 6.4.2传输线变压器的性能和匹配电路 ❖ 传输线变压器是用传输线（双导线或同轴电缆）在高磁导率、
端网络来表示。
该双端口网络应具有这样的几个特点:
(1) 以保证放大器传输到负载的功率最大, 即起到阻 抗匹配的作用;
(2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率, 即有良好 的滤波作用;
(3) 大多数发射机为波段工作 ,便于调谐,互不影响。
1. LC匹配网络 下图是几种常用的LC匹配网络。
R1
R2
(a)
g1
Ic1m Ic0
1( ) 0 ( )
g1 集电极电流波形系数
❖
Ucm
❖
Ec
集电极电压利用系数
❖ 结论：提高效率的两种途径：
提高电压利用系数ξ，通过提高谐振电阻实现，同时尽量使放 大管工作在尽限运用状态；
提高波形系数g1(θ) ，降低导通角，一般取65-75度，使放大 器工作在丙类工作状态。
❖ 输出回路：放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率ω0 等于激励信号频率ω时，回路对ω频率呈现一大的谐振阻抗 ， 因此Rp集电极电流基波分量在回路上产生电压；对远离ω的直流和 谐波分量2ω、3ω、……等呈现很小的阻抗，因而输出很小，几
乎为零。 ❖ 因此有：
uce Ec uo Ec Ucm cost uo Rp Ic1m cost Ucm cost
2 基极馈电电路
自给偏压:由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。 其优点是偏压能随激励大小而变化，工作较稳定。
二、 匹配网络 输入匹配网络的作用：自前级放大器或信号源区获取
最大的激励功率。 输出匹配网络的作用：保证放大器的输出功率有效的
加到负载（天线）上。 放大器与负载之间所用的匹配网络可用下图所示的四
➢ 电源功率Pd为： Pd Ic0Ec
➢ 输出功率P0为：
P0
1 2
I c1mU cmFra bibliotek1 2
I R 2 c1m p
1 2
U c2m Rp
(4-9)
➢ 集电极损耗功率Pc为： Pc Pd P0
❖ 集电极效率η为：
❖
P0 1 Ic1m Ucm
Pd 2 Ic0 Ec
1 2 g1
❖ ❖
其中：
串联馈电线路 晶体管、 电源、 谐振回路三者串联 并联馈电线路 晶体管、 电源、 谐振回路三者并联
图6-15 集电极馈电电路的两种形式
❖ 经扼流圈LBL的作用: 阻止高频电流流过电源，因为电源总有内阻，
所以高频电流流过电源会损耗功率.
旁路电容CB的作用: 提供交流通路，CB的值应使它的阻抗远小于
图6-5 尖顶余弦脉冲的分解系数 与波形系数
❖ 根据图中所示，当θ=0°时，g1（θ） =2达到 最大值。如果ξ值接近1，那么效率几乎可达 100%。虽然这时效率最高，但=0，输出功率 等于零，显然并非理想工作状态。从α1（θ） 曲线看，当θ≈120。 时，成分达到最大值，意 味着输出功率最大，但g1（θ） ≈1.3，ξ<65%，
(4)若回路失谐，则会有何危险？
❖ （2）若输入信号振幅增加一倍，则根据功放的振 幅特性，放大器将工作到过压状态，此时输出功率 基本不变。
❖ （3）若负载电阻增加一倍，则根据功放的负载 特性，放大器工作到过压状态，此时输出功率约为 原来的一半。
❖ （4）若回路失谐，则功率放大器将工作到欠压状 态，此时集电极损耗将增加，有可能烧坏晶体晶体 管。
图6-25 电压开关型功率放大电路原理图
❖ 6.4宽带高频功率放大电路
一、窄带高频功率放大器，它适用于固定频率或者频率变化较小的 信号处理。
二、在多频道通信系统及频段通信系统中，一般采用宽频带功率放 大电路，它不需要调谐回路，以非调谐宽带网络作为输出匹配网 络，能在很宽的波段范围内对载波或已调波信号进行线性放大。 但是此类放大电路工作效率较低（20%左右）。实际上此类放大 电路是以低效率换取宽频带的。
高频功放： 丙类（ 小于1800导通，效率92%） 丁类、戊类（开关型，理论上效率100％）
特点：工作频率高，相对带宽小，大信号非线性状态，采用 选频网络作为负载（故称谐振功率放大器）。
技术指标：输出功率、效率、功率增益、带宽、谐波抑制度。
6.1 丙类谐振功率放大电路的工作原理
一、丙类谐振功率放大电路的结构 图所示的是高频谐振功率放大器的原理线路图。
➢ 余弦电流脉冲的分解：
ic Im (cost cos ), t 2k ic 0, t 2k
余弦脉冲的分解：
Ico
1 2
icdt
ic max
sin cos (1 cos )
ic max 0 ( )
Ic1m
1
ic
cos tdt
ic max
sin cos (1 cos )
(b)
(c)
几种常见的LC
(a) L型;
(b) T型;
(c) π型
图6-18 L型匹配网络
图6-21 互感耦合输出回路
图中，介于电子器件与天 线回路之间的L1C1回路 就叫做中介回路；RACA 分别代表天线的辐射电阻 与等效电容；Ln、cn为 天线回路的调谐元件，它 们的作用是使天线回路处 于串联谐振状态，以获得 最大的天线回路电流iA， 亦即使天线辐射功率达到 最大。
ic max 1( )
Icnm
1
ic
cos ntdt
ic max
2sin n cos 2nsin cos n n (n2 1)(1 cos cos )
ic max n ( )
(n 1)
2θ 为导通角， θ=1800，甲类, θ>900，甲乙类, θ=900，乙类, θ<900，丙类。 αi（ θ ）:各次波的分解系数。
电压。
结论：只有基波可通过，无失 真。
ic
＋
ib T
＋
uce C
ub ube － －
uc Rp L
Eb
Ec
谐振功率放大器的原理线路
❖ 3.电流、
❖
设输入信号为 ub Ubm cost
❖则由图4-2得基极回路电压为
ube Eb Ubm cost
ic
ic max
ic
ic max
o o ube
❖ 6.3.1 电流开关型功率放大电路 ❖ 在电流开关型电路中，电源通过一个大电感L，供给一个恒定电
流IC0。两个晶体管轮流饱和导通，因而回路中的电流方向也随 之轮流变换，如图6-23所示。每管的电流波形都是矩形脉冲。
图6-23 电流开关型功率放大电路原理图
❖ 6.3.2电压开关型功率放大电路
回路高频阻抗。
串馈的特点： a、与“地”间的散杂电容较大，但对回路的影响较小。 b、馈电支路分布参数对回路影响小。 c、回路处在直流高点位上，安装不便。 所以，这种电路适合于频率较高的场合。
并馈的特点： a、馈电支路分布参数直接影响信号回路的谐振频率。 b、信号回路处于直流低电位上，安装调整方便。 c、C、E间分布参数影响较大。 所以，适合于频率较低的场合。
构成：电源、偏置电路、晶体管、谐振回路和输入回路。。 谐振回路： 1、减小失真，丙、丁、戊类的电流失真大 ；
2、实现阻抗匹配。 3、对窄带系统，实现滤波；
二、工作原理
1.工作条件 ➢ 工作在丙类状态Eb倒置，使 T在截止区； ➢ LC回路为集电极负载，调 谐在输入信号中心频率上； ➢ Rp为考虑实际负载与抽头
ube
o
ic
o
icmax Ic1
ub Vth
2
t
Eb
2
t
uce
uc
U cm
Ec
o
uce min
2
t
结论：1、icmax、ubemax 、 ucemin
出现在同一时刻；
2、集电极功耗= ic uce 很低，
效率高；
丙类谐振功率放大器的电压、电 流波形
❖ 4. 高频功放的能量关系
➢ 电源功率（直流功率）=输出功率（基波功率）+集电 极耗散功率
三、宽带功率放大电路适用于中、小功率级。对于大功率设备来说， 可以采用宽带功放作为推动级。
四、常用的宽带匹配网络是宽带变压器，宽带变压器有两种形式： ①高频变压器。
②常用的传输线变压器（transmission line transformer）。
五、现在也有采用共射-共基级联电路来实现宽带功率放大的。
等效后的并联谐振电阻。
ic
＋
ib T
＋
uce C
ub ube － －
uc Rp L
Eb
Ec
谐振功率放大器的原理线路
2.工作过程：
无输入
T截至；
ui+Eb>Vth
T导通
ib(周期性)
ic(周期性)
ic的基波分量通过谐振电 阻产生uo输出，回路失谐时， 电抗小， ic的谐波分量直接通
过，直流分量通过电感，均无
(1)直流电源提供的功率Pd、功率放大管的集电极损耗功 率Pc、效率ηc和临界负载电阻RL各是多少 (α0(70°)=0.253，α1(70°)=0.436)？ (2)若输入信号振幅增加一倍，功率放大电路的工作状态 如何改变？此时的输出功率大致为多少？
(3)若负载电阻增加一倍，则功率放大电路的工作状态如 何改变？
变换效率较低，因此兼顾功率与效率，最佳通 角取70°左右。
❖ 从图6-5还可以看出，当θ=60°时，α2达到最 大值；当θ=40°时，α3达到最大值，这些数值 是后面设计倍频器的参考值。
6.2.2 丙类谐振功率放大器的特性分析
高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区
可以分为欠压、 临界和过压三种状态 。
6.2.3谐振功率放大器的电路组成和输出匹配网络
线路构成:直流馈电线路:提供放大器正常工作所必需的电压偏 置;提供集电极电流的直流和基波分量的正常通路。
匹配网络:阻抗匹配,使信号高效传送。 连接原则:直流有通路:直流支路加扼流电感,并旁路电容。
交流有通路:交流支路前端加隔直电容。 直流电源:
一、 直流馈电线路 1、集电极馈电线路
Eb
V u th bemax
t
o
ub
ic ib
Ubm
o
t
t 2 3 4 5
ib、ic 周期性脉冲，可以分解成直流、 基波(信号频率分量)
和各次谐波分量, 即
ib Ibo Ib1m cost Ibnm cos nt
(4-2)
ic Ico Ic1m cost Icnm cos nt
❖ 6.3丁类高频功率放大电路
❖ 丁类放大电路中， ❖ 晶体管处于开关状态。 ❖ 理想情况下，晶体管丁类高频功放电路的效率可达100%。 ❖ 晶体管丁类放大电路都是由两个晶体管组成，它们轮流导通来完
成功率放大任务。 ❖ 输入信号可以是正弦信号，也可以是方波信号。 ❖ 丁类放大电路有电流开关型和电压开关型两种电路。
❖ 在图6-25所示的电压开关型电路中，两晶体 管是与电源电压UCC串联的。当上面的晶体 管导通时，下面的晶体管截止，A点对地电压 UA=UCC-UCES；当上面的晶体管截止时， 下面的晶体管导通，UA=UCES。因而A点的 电压为矩形波，其幅值等于UCC-2UCES，它 的基波电压振幅等于2（UCC-2UCES ）/π。