高頻第六章高頻功率放大器.ppt

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1,第六章高頻功率放大器,6.1概述,6.2諧振功率放大器的工作原理,6.3晶體管諧振功率放大器的折線近似分析法,6.4晶體管功率放大器的高頻特性,6.5高頻功率放大器的電路組成,6.6丁類高頻功率放大器,6.7寬頻帶高頻功率放大器,6.8功率合成器,6.9晶體管倍頻器,2,6.1概述,1、使用高頻功率放大器的目的,放大高頻大信號(hào)使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足夠大的發(fā)射功率。,2、高頻功率信號(hào)放大器使用中需要解決的兩個(gè)問(wèn)題,①高效率輸出,②高功率輸出,高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高。,聯(lián)想對(duì)比：,3,3、諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處,相同之處：它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)，而且放大器的負(fù)載均為諧振回路。,不同之處：激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同；晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。,4,4、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同,共同之處:都要求輸出功率大和效率高。,功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量，能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。,諧振功率放大器通常用來(lái)放大窄帶高頻信號(hào)(信號(hào)的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(?c＜90?)，為了不失真的放大信號(hào)，它的負(fù)載必須是諧振回路。,非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無(wú)調(diào)諧負(fù)載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載。,5,三極管四種工作狀態(tài),根據(jù)正弦信號(hào)整個(gè)周期內(nèi)三極管的導(dǎo)通情況劃分,乙類：導(dǎo)通角等于180,甲類：一個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通,甲乙類：導(dǎo)通角大于180,丙類：導(dǎo)通角小于180,6,晶體管的工作狀態(tài),甲類工作狀態(tài)晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期都導(dǎo)通靜態(tài)IC較大，波形好,管耗大效率低。,乙類工作狀態(tài)晶體管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，靜態(tài)IC=0，波形嚴(yán)重失真,管耗小效率高。,甲乙類工作狀態(tài)晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期，靜態(tài)IC?0，一般功放常采用。,7,工作狀態(tài),功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。,諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路,功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率,8,,5.高頻功放在發(fā)射機(jī)中的位置,9,6.2諧振功率放大器的工作原理,1、原理電路,諧振功率放大器的基本電路,晶體管的作用是將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用。,諧振回路LC是晶體管的負(fù)載,電路,工作在丙類工作狀態(tài),外部電路關(guān)系式：,晶體管的內(nèi)部特性：,,,正值,10,故,諧振功率放大器轉(zhuǎn)移特性曲線,故得：,必須強(qiáng)調(diào)指出，集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。,,諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖如下圖所示,11,,高頻功率放大器中各分電壓與電流的關(guān)系,（a）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,V,BZ,,–,V,B,B,,w,t,,V,CC,,w,t,,w,t,,w,t,,v,B,,i,b,,i,c,,v,c,V’,cm,,V’,cm,,v,b,,12,高頻功率放大器中各部分電壓與電流的關(guān)系,13,2、諧振功率放大器的功率關(guān)系和效率,功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(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)功率輸出去。,由前述所知：,有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。,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；,根據(jù)能量守衡定理：,故集電極效率：,14,由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：,1)設(shè)法盡量降低集電極耗散功率Pc，則集電極效率?c自然會(huì)提高。這樣，在給定P=時(shí)，晶體管的交流輸出功率Po就會(huì)增大；,2）由式,可知,如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過(guò)規(guī)定值，那么提高集電極效率?c，將使交流輸出功率Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來(lái)提高輸出功率與效率的。,15,如何減小集電極耗散功率Pc,可見(jiàn)使ic在vc最低的時(shí)候才能通過(guò)，那么，集電極耗散功率自然會(huì)大為減小。,晶體管集電極平均耗散功率：,故：要想獲得高的集電極效率，諧振功率放大器的集電極電流應(yīng)該是脈沖狀。導(dǎo)通角小于180?，處于丙類工作狀態(tài)。,諧振功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)時(shí)?c＜90?，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級(jí)數(shù)：,16,I,直流功率：,輸出交流功率：,Vcm回路兩端的基頻電壓Icm1基頻電流Rp回路的諧振阻抗,放大器的集電極效率：,,P,=,=V,CC,,c,0,功率計(jì)算：,17,集電極電壓利用系數(shù),波形系數(shù)，通角?c的函數(shù)；?c越小，g1(?c)越大,?越大(即Vcm越大或vCmin越小)，?c越小，則效率?c越高。因此，丙類諧振功率放大器提高效率?c的途徑即為減小?c角；使LC回路諧振在信號(hào)的基頻上，即ic的最大值應(yīng)對(duì)應(yīng)vc的最小值。,基極偏置為負(fù)值；半通角?c＜90?，即丙類工作狀態(tài)；負(fù)載為L(zhǎng)C諧振回路。,故諧振功率放大器的工作特點(diǎn)：,18,6.3諧振功率放大器的折線近似分析法,一、折線法,對(duì)諧振功率放大器進(jìn)行分析計(jì)算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0和基頻分量Icm1。,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。折線法就是常用的一種分析法。,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靜態(tài)特性曲線后進(jìn)行分析和計(jì)算的方法。,19,折線分析法的主要步驟：,1、測(cè)出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線iC~vB及輸出特性曲線iC~vC，并將這兩組曲線作理想折線化處理,2、作出動(dòng)態(tài)特性曲線,3、根據(jù)激勵(lì)電壓vB的大小在已知理想特性曲線上畫出對(duì)應(yīng)電流脈沖iC和輸出電壓vC的波形,4、求出iC的各次諧波分量Ic0、Ic1、Ic2……由給定的負(fù)載諧振阻抗的大小，即可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),20,二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線,晶體管實(shí)際特性和理想折線,根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來(lái)表示(VBZ為截止偏壓)。,21,若臨界線的斜率為gcr，則臨界線方程可寫為iC=gcrvC,1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。,在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：,由上圖可見(jiàn)，在飽和區(qū)，根據(jù)理想化原理，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無(wú)關(guān)。,放大區(qū)iC=gc(vB–VBZ)(vB＞VBZ),,22,3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過(guò)壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。,2)過(guò)壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。,23,三、集電極余弦電流脈沖的分解,當(dāng)晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態(tài)(跟過(guò)壓區(qū)不同)。,尖頂余弦脈沖,晶體管的內(nèi)部特性為：,它的外部電路關(guān)系式,當(dāng)?t=0時(shí)，ic=icmax,ic=gc(vB–VBZ),vB=–VBB+Vbmcos?t,vC=VCC–Vcmcos?t,因此，icmax=gcVbm(1–cos?c),24,若將尖頂脈沖分解為傅里葉級(jí)數(shù),由傅里葉級(jí)數(shù)的求系數(shù)法得,其中：,尖頂脈沖的分解系數(shù),,,ic,25,尖頂脈沖的分解系數(shù),當(dāng)?c≈120?時(shí)，Icm1/icmax達(dá)到最大值。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。這樣看來(lái)，取?c=120?應(yīng)該是最佳通角了。但此時(shí)放大器處于甲乙類工作狀態(tài)效率太低。,右圖可見(jiàn)：,26,尖頂脈沖的分解系數(shù),由于：,－波形系數(shù),由曲線可知：極端情況?c=0時(shí)，,此時(shí)如果?=1，?c可達(dá)100%，但電流等于零，輸出功率為零。不可用,因此，為了兼顧功率與效率，最佳通角取70?左右。,27,1.諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵(lì)電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個(gè)參量決定的。,為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個(gè)參量的變化會(huì)使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。,如果VCC、VBB、vb3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。,四、諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載特性,28,當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時(shí)，它的外部電路關(guān)系式為,vB=–VBB+Vbmcos?t,vC=VCC–Vcmcos?t,消去cos?t可得，,vB=–VBB+Vbm,另一方面，晶體管的折線化方程為,ic=gc(vB–VBZ),得出在iC–vC坐標(biāo)平面上的動(dòng)態(tài)特性曲線(負(fù)載線或工作路)方程：,=gd(vC–V0),動(dòng)態(tài)特性曲線斜率,動(dòng)態(tài)特性曲線在橫軸的截距,29,,,,,,,,vBmax,(4)連接ABD即得動(dòng)態(tài)特性曲線,,D,,,,30,圖中示出動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率為負(fù)值，它的物理意義是：,從負(fù)載方面看來(lái)，放大器相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電阻，亦即它相當(dāng)于交流電能發(fā)生器，可以輸出電能至負(fù)載。,用類似的方法，可得出在iC–vB坐標(biāo)平面的動(dòng)態(tài)特性曲線。,電壓、電流隨負(fù)載變化波形,31,3.功率放大器的負(fù)載特性,在其他條件不變(VCC、VBB、vb為一定)，只變化放大器的負(fù)載電阻而引起的放大器輸出電壓、輸出功率、效率的變化特性稱為負(fù)載特性。,電壓、電流隨負(fù)載變化波形,,,i,c,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,i,c,,,,,3,,2,,1,,,I,m,,0,,,180,,,,＜,90,,,半導(dǎo)通角,,w,t,,B,,A,,C,,D,,3,,2,,1,,負(fù)載增大,,v,B,=,v,B,max,,V,CC,,Q,,,v,C,min,,,V,c,m,,,1.,欠壓狀態(tài),,,2.,臨界狀態(tài),,,3.,過(guò)壓狀態(tài),,R,p,,,,,,,,V,c,m,,,,,,,,V,c,m,,32,1)vc、ic隨負(fù)載變化的波形如圖所示，放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為Vbmax，在負(fù)載電阻RP由小至大變化時(shí)，負(fù)載線的斜率由大變小，如圖中1?2?3。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。,2)欠壓、過(guò)壓、臨界三種工作狀態(tài),①欠壓狀態(tài)B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。,33,②臨界狀態(tài)負(fù)載線和vbmax正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。,③過(guò)壓狀態(tài)放大器的負(fù)載較大，在過(guò)壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。,電壓、電流隨負(fù)載變化波形,34,根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線,負(fù)載特性曲線,欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。,35,過(guò)壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過(guò)壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。,負(fù)載特性曲線,36,臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說(shuō)是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機(jī)的末級(jí)常設(shè)計(jì)成這種狀態(tài)，在計(jì)算諧振功率放大器時(shí)，也常以此狀態(tài)為例。,掌握負(fù)載特性，對(duì)分析集電極調(diào)幅電路、基極調(diào)幅電路的工作原理，對(duì)實(shí)際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標(biāo)是很有幫助的。,負(fù)載特性曲線,37,2.欠壓、臨界、過(guò)壓工作狀態(tài)的調(diào)整,調(diào)整欠壓、臨界、過(guò)壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵(lì)Vb。,(1)改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變當(dāng)負(fù)載電阻Rp由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過(guò)壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。,(2)改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變,當(dāng)集電極供電電壓VCC由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過(guò)壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。,38,VCC變化時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響,在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過(guò)壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。,39,在過(guò)壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過(guò)程的。改變VCC時(shí)，其工作狀態(tài)和電流、功率隨之變化(如上圖所示)。,40,41,(3)Vbm變化，但VCC、VBB、Rp不變或VBB變化，但VCC、Vb、Rp不變這兩種情況所引起放大器工作狀態(tài)的變化是相同的。因?yàn)闊o(wú)論是Vbm還是VBB的變化，其結(jié)果都是引起vB的變化。,由vB=-VBB+Vbmcos?tvBmax=-VBB+Vbm,當(dāng)Vbm由小到大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過(guò)壓。,當(dāng)VBB由大到小變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過(guò)壓。,42,Vbm變化時(shí)電流、功率的變化,43,使Vcm按VBB(t)的規(guī)律變化，放大器工作在欠壓狀態(tài)。,,44,六、諧振功率放大器的計(jì)算,諧振功率放大器的主要指標(biāo)是功率和效率。以臨界狀態(tài)為例：,1)首先要求得集電極電流脈沖的兩個(gè)主要參量icmax和?c,導(dǎo)通角?c,集電極電流脈沖幅值Icm,45,2)電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)?0(?c)、?1(?c)、…、?n(?c)可查表求得，并求得個(gè)分量的實(shí)際值。,3)諧振功率放大器的功率和效率,直流功率：,P==Ic0?VCC,交流輸出功率：,集電極效率：,46,4)根據(jù),可求得最佳負(fù)載電阻：,在臨界工作時(shí)，?接近于1，作為工作估算，可設(shè)定?=1。,“最佳”的含義在于采用這一負(fù)載值時(shí)，調(diào)諧功率放大器的效率較高，輸出功率較大。,可以證明，放大器所要求的最佳負(fù)載是隨導(dǎo)通角?c改變而變化的。?c小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳負(fù)載電阻值。,在實(shí)際電路中，放大器所要求的最佳電阻需要通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和終端負(fù)載(如天線等)相匹配。,47,解：,48,,80％,49,6.5高頻功率放大器的電路組成,一、直流饋電電路,二、輸出回路和級(jí)間耦合回路,集電極饋電電路,基極饋電電路,級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò),輸出匹配網(wǎng)絡(luò),50,1.集電極饋電電路,集電極饋電電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種。,一、直流饋電電路,,1、除晶體管的內(nèi)阻外，沒(méi)有其它電阻消耗直流能量；,2、只有高頻基波分量通過(guò)負(fù)載回路；,3、管外電路對(duì)高頻諧波分量短路。,51,(1)串饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。C1、LC為低通濾波電路，A點(diǎn)為高頻地電位，既阻止電源VCC中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號(hào)在LC負(fù)載回路以外不必要的損耗。,(2)并饋電路指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖LC為高頻扼流圈，C1為高頻旁路電容，C2為隔直流通高頻電容，LC、C1、C2的選取原則與串饋電路基本相同。,52,2.基極饋電電路,基極饋電電路也分串饋和并饋兩種。,基極偏置電壓VBB可以單獨(dú)由穩(wěn)壓電源供給，也可以由集電極電源VCC分壓供給。在功放級(jí)輸出功率大于1W時(shí)，基極偏置常采用自給偏置電路。,53,54,(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)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,二、輸出回路和級(jí)間耦合回路,55,1.級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò),多級(jí)功放中間級(jí)的一個(gè)很大問(wèn)題是后級(jí)放大器的輸入阻抗是變化的，是隨激勵(lì)電壓的大小及管子本身的工作狀態(tài)變化而變化的。(整個(gè)工作過(guò)程晶體管經(jīng)歷幾個(gè)狀態(tài)的變化，這些狀態(tài)對(duì)應(yīng)的阻抗是不同的，即便在同一個(gè)狀態(tài)，阻抗也有變化),這個(gè)變化反映到前級(jí)回路，會(huì)使前級(jí)放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。此時(shí)，若前級(jí)原來(lái)工作在欠壓狀態(tài)，則由于負(fù)載的變化，其輸出電壓將不穩(wěn)定。,對(duì)于中間級(jí)而言，最主要的是應(yīng)該保證它的電壓輸出穩(wěn)定，以供給下級(jí)功放穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，而效率則降為次要問(wèn)題。,二、輸出回路和級(jí)間耦合回路,,兩個(gè)過(guò)程,56,對(duì)于中間級(jí)應(yīng)采取如下措施：,1)使中間級(jí)放大器工作于過(guò)壓狀態(tài)，使它近似為一個(gè)恒壓源。,2)降低級(jí)間耦合回路的效率?；芈沸式档秃?，其本身的損耗加大。這樣下級(jí)輸入阻抗的變化相對(duì)于回路本身的損耗而言就不顯得重要了。中間級(jí)耦合回路的效率一般為?k=0.1-0.5，平均在0.3上下。,57,2.輸出匹配網(wǎng)絡(luò),輸出匹配網(wǎng)絡(luò)常常是指設(shè)備中末級(jí)功放與天線或其他負(fù)載間的網(wǎng)絡(luò)，這種匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、?型、T型網(wǎng)絡(luò)及由它們組成的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)，也有用雙調(diào)諧耦合回路的。,輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能與要求是匹配、濾波和高效率。,高頻調(diào)諧功率放大器的阻抗匹配就是在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，將負(fù)載阻抗ZL轉(zhuǎn)換成放大管所要求的最佳負(fù)載阻抗Rp，使管子送出的功率P0能盡可能多的饋至負(fù)載。這就叫做達(dá)到了匹配狀態(tài)，或簡(jiǎn)稱匹配。,58,最常見(jiàn)的輸出回路是復(fù)合輸出回路，如圖所示。,圖中，介于電子器件與天線回路之間的L1C1回路就叫做中介回路；RACA分別代表天線的輻射電阻與等效電容；Ln、cn為天線回路的調(diào)諧元件，它們的作用是使天線回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以獲得最大的天線回路電流iA，亦即使天線輻射功率達(dá)到最大。,復(fù)合輸出回路(為了簡(jiǎn)化電路，省略了直流電源及輔助元件L?、C?、C?等),這種電路是將天線(負(fù)載)回路通過(guò)互感或其他形式與集電極調(diào)諧回路相耦合。,59,可以看到：輸出網(wǎng)絡(luò)，從晶體管集電極向右方看去，等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路，如圖所示。,等效電路,由耦合電路的理論可知，當(dāng)天線回路調(diào)諧到串聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)，它反映到L1C1中介回路的等效電阻為,因而等效回路的諧振阻抗為,(2-5-10),60,改變M(晶體管電路由于元件小，實(shí)現(xiàn)可變M是較困難的，這時(shí)里為了便于說(shuō)明問(wèn)題，因而仍采用了改變M的講法)，就可以在不影響回路調(diào)諧的情況下(電感、電容未變)，調(diào)整中介回路的等效阻抗，以達(dá)到阻抗匹配的目的。,耦合越緊，即互感M越大，則反映等效電阻越大，回路的等效阻抗也就下降越多。,61,為了使器件的輸出功率絕大部分能送到負(fù)載RA上就希望反射電阻r?>>回路損耗電阻r1,衡量回路傳輸能力優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，通常以輸出至負(fù)載的有效功率與輸入到回路的總交流功率之比來(lái)代表。這比值叫做中介回路的傳輸效率?k，簡(jiǎn)稱中介回路效率。,62,從回路傳輸效率高的觀點(diǎn)來(lái)看，應(yīng)使QL盡可能地小。但從要求回路濾波作用良好來(lái)考慮，則QL值又應(yīng)該足夠大。從兼顧這兩方面出發(fā)，QL值一般不應(yīng)小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。,故有:,63,1.L型匹配網(wǎng)絡(luò),L型匹配網(wǎng)絡(luò)具有電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很低(通常Q＜10)，因此電路的濾波特性很差，所以在實(shí)際的發(fā)射機(jī)中，常常選用T型或?型網(wǎng)絡(luò)作匹配之用。,,,,,,,64,,2.?形匹配網(wǎng)絡(luò),3.T形匹配網(wǎng)絡(luò),65,在大功率輸出級(jí)，T型、Π型等濾波型的匹配網(wǎng)絡(luò)就得到了廣泛的應(yīng)用。,圖中的R2一般代表終端(負(fù)載)電阻，R1則代表由R2折合到左端的等效電阻，現(xiàn)以(a)為例進(jìn)行計(jì)算公式的推導(dǎo),將并聯(lián)回路R1C1與R2C2變換為串聯(lián)形式，由串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式可得,網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1=R2,由諧振條件得:,66,[例]有一個(gè)輸出功率為2W的高頻功率放大器、負(fù)載電阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求Π型匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值。,解:,R1應(yīng)該是功率放大器所要求的匹配電阻Rp,即,網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1=R2,改寫為：,解之得：,67,由諧振條件得:,注意，考慮到晶體管的輸出電容Co后，C1應(yīng)減去Co之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，當(dāng)L1確定之后，用C2主要調(diào)匹配，用C1主要調(diào)諧振。,實(shí)際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)。分析方法都很類似，即從匹配與諧振兩個(gè)條件出發(fā)，再加上一個(gè)假設(shè)條件(通常都是假定Q1值)，即可求出電路元件的數(shù)值。,68,6.6丁類（D類）高頻功率放大器,一、概述甲、乙、丙類放大器的比較,69,甲到乙到丙類是通過(guò)不斷減小導(dǎo)通角θc，通過(guò)減少ic的流通時(shí)間(Pc↓)，使η↑。∵θc太小時(shí),η雖高,但I(xiàn)cm↓,Po反而下降。為提高Icm，必須加大激勵(lì)電壓(太大會(huì)擊穿管子)。∴丁(D)類，戊(E)類采用固定θc=90o(Icm固定)，而盡量減小Pc的方法，提高η,即：管子工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)進(jìn)入飽和區(qū)：vc=Vces,ic=ices截止時(shí)進(jìn)入截止區(qū)：vc=Vcc,ic=0使Pc=VcIc大大減小,使η↑,理想時(shí)η接近100%。,70,電流開(kāi)關(guān)型,集電極和發(fā)射極間電壓,集電極和發(fā)射極間電壓,A點(diǎn)電壓,71,,,,,,集電極回路交流電壓峰值,A點(diǎn)平均電壓等于VCC,方均根值（有效值）,72,,,,,當(dāng)工作頻率高時(shí)，導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換時(shí)間不容忽視，工作頻率受到限制。高頻時(shí)，電壓開(kāi)關(guān)型電路要好些。,73,電壓開(kāi)關(guān)型丁類放大器,二、電壓開(kāi)關(guān)型電路,VT1和VT2輪流導(dǎo)通、截止。L、C、R串聯(lián)諧振，諧振于基波頻率(選頻)。,74,VT1導(dǎo)通：A點(diǎn)電位=Vcc-VcesVT2導(dǎo)通：A點(diǎn)電位=VcesvA（方波）經(jīng)付氏級(jí)數(shù)分解，選出基波V1,基波電壓峰值：Vo=V1=(2/π)(Vcc-2Vces)基波電流峰值：I1=Vo/R=(2/πR)(Vcc-2Vces)平均分量：(直流)Ico=I1/π=(2/π2R)(Vcc-2Vces),75,則輸出功率：Po=(V1I1)/2=(2/π2R)(Vcc-2Vces)2直流供電功率：Pdc=VccIco=(2Vcc/π2R)(Vcc-2Vces)集電極效率：ηc=Po/Pdc=1-(2Vces/Vcc)當(dāng)Vces很小時(shí)，ηc接近100%,注意：選用開(kāi)關(guān)時(shí)間短的器件，以提高ηc。,76,另外：(1)電流開(kāi)關(guān)型電路：ηc更高ηc=Po/Pdc=1-(Vces/Vcc)(2)戊(E)類：?jiǎn)喂荛_(kāi)關(guān)工作，開(kāi)關(guān)時(shí)間下降，只有器件的電流變?yōu)榱銜r(shí)管子才能導(dǎo)通或截止，減少了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的器件功耗。,第六節(jié)結(jié)束,77,本章小結(jié)：,一、諧振功率放大器的特點(diǎn)二、諧振功率放大器的工作原理1.諧振功率放大器的工作原理2.諧振功率放大器的功率關(guān)系和效率,78,三、諧振功率放大器的折線近似分析法1.折線化的適用范圍和分析步驟2.集電極余弦電流脈沖的分解三種工作狀態(tài)：欠壓、臨界、過(guò)壓狀態(tài)RP、Vcc、Vbm、VBB變化諧振放大器工作狀態(tài)的切換,臨界線方程iC=gcrvC,iC=gc(vB–VBZ)(vB＞VBZ),,79,四、晶體管功率放大器的高頻效應(yīng)基區(qū)渡越時(shí)間、rbb’、Vces、引線電感影響五、高頻功率放大器的電路組成六、丁類（D類）高頻功率放大器,