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1、第6章 高频调谐功率放大器,6.1 概述：,6.2 高频功率放大器的工作原理,6.3 高频功率放大器的动态分析,6.4 高频功放的高频特性,6.5 高频功率放大器的电路组成,6.6 宽带功率放大器与功率合成电路,6.1 概述：,6.2 高频功率放大器的工作原理,+ub-,Rp,C,L,+uCE-,ic,EC,-UBB,(b)等效电路,+uc1-,-UBB,C,EC,L,+uS-,+ub-,(a)原理电路,+ub-,Rp,C,L,+uCE-,EC,-UBB,+uc1-,常数,=,D,D,=,ce,u,BE,c,c,u,i,g,2 工作原理分析,ub,有,+uBE _,(,),BZ,bm,BB,c
2、,c,U,t,U,U,g,i,-,+,-,=,w,cos,又,Q,当,时，,ic,3.高频功放的功率关系,4 D类和E类功率放大器简介,1.D类功率放大器的原理分析,D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路,ui,ub1,ub2,uL,uA,ub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压,ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1）。,ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷
3、供给，uA=UCES20,uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。,尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高,丙类倍频器,丙类倍频器,丙类倍频器,+uce-,-Ec+,-uc2+,6.3 高频功率放大器的动态分析,o,+ub-,C,L,EC,-UBB,+uc1-,Rp,+uCE-,+uBE _,1 高频功率放大器的动态特性,ubemax,2 高频功率放大器的负载特性,ub
4、,2 高频功率放大器的负载特性,3 高频功率放大器的调制特性,3 高频功率放大器的调制特性,进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢,饱和区,放大区,截止区,当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角c增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。,4 高频功率放大器的放大特性,饱和区,放大区,截止区,固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情况类似，它们都使基极输入电压uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均
5、增大，放大器的工作状态由欠压进入过压。当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映输入信号振幅Ubm的变化，放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在Ubm变化的范围内工作在过压状态。,5 高频功率放大器的调谐特性,实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C时，功放的外部电流Ico、Icml和相应的Ucm等随C的变化特性称为调谐特性。,设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而
6、Ucm将下降。,应该指出，回路失谐时直流输入功率PD=IcoEC随Ico的增加而增加，而输出功率Po=UcmIcmlcos将主要因cos因子而下降，因此失谐后集电极功耗PC将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。,6.4 高频功放的高频效应,6.4高频功放的高频特性,f2f1,6.4 高频功率放大器的实用电路,要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：,直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。,6.5高频功率放大器的电路组成,6.5高频功率放大器的电路组成,以上两个电路匀满足：,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,
7、2 基极馈电线路,UBB,+UBB-,二 高频功放的耦合回路,(1)使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。,(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。,(3)在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接,输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载,二 高频功放的耦合回路,介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效
8、电容；,L2、C2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，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线幅射功率达到最大。,从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中Rp为折合到晶体管输出回路的等效负载。,1.输出匹配电路,(1)并联谐振回路型的匹配电路,当天线回路调谐在串联谐振状态时，它反映到L1C1中介回路的等效电阻为,设初级回路的接入系数为 p，则晶体管输出回路的等效负载为：,(1)并联谐振回路型的匹配电路,L1C1中介回路的等效谐振阻抗为,QL为有载品质因素，,改变互感系数M和接入系数 p就可以在不影响回路调谐的情况下。调整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp
9、，以达到阻抗匹配的目的。,由于高频功率放大器工作在非线性(丙类)工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配(负载阻抗与电源内阻相等)概念也就失去了意义。,k：中介回路的传输效率。,(1)并联谐振回路型的匹配电路,如果设：,要想回路的传输效率高，则空载Qo越大越好，有载QL越小越好，也就是说，中介回路本身的损耗越小越好,但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。,在大功率输出级，T型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。
10、,图中的R2一般代表终端(负载)电阻，R1则代表由R2折合到左端的等效电阻，现以(a)为例进行计算公式的推导,(2)滤波器型的匹配网络,将并联回路R1C1与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得,网络匹配时，R1=R2,由谐振条件得:,例 有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求型匹配网络的元件值。,解:,(2)滤波器型的匹配网络,R1应该是功率放大器所要求的匹配电阻 Rp,即,网络匹配时，R1=R2,改写为：,解之得：,由谐振条件得:,注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，C1应减去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。
11、一般，当L1确定之后，用C2主要调匹配，用C1主要调谐振。,实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件(通常都是假定Q1值)，即可求出电路元件的数值。,1 宽带高频功率放大器,以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/fo只有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制。,6.6宽带高频功率放大器与功率合成,近年来一种新颖的，能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功率放大器得到了迅速的推广。,宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大
12、器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路。,宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的。,1.普通变压器不能在较宽频内工作的原因,图(b)中L、Ls1、r1是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；Ls2、r2 是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；C是变压器各分布电容折合到初级后的总和；RL是折合到初级后的等效负载电阻。,在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感L是开
13、路，如图(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和损耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容C开路，如图(d)；,可见工作频率越低，电感L的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将。在高频端负载RL接在Ls和C组成的串联谐振回路容抗元件的两端，在串联谐振频率fs的附近，负载两端的电压急剧增加，并在fs上达到最大值。但是，偏离谐振频率fs，电压将急剧减小,2.宽频带传输线变压器的工作原理,传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。,传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电
14、压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。,两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。,在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。,(1)1：1传输线变压器,3.常用传输线变压器分析,1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。,us,RL,Rs,u1,u2,如果传输线的特性阻抗：,传输线输出端的等效阻抗为：,输入端（1、3端）的等效阻抗为：,为了实现传输线变压器与
15、负载的匹配，要求：,为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：,1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足：,满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：,1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换。,u1,u1,u2,u2,i2,i1,i1+i2,(2)1：4和4：1传输线变压器,3.常用传输线变压器分析,1：4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有 u1=u2=u和，i1=i2=i,由于变
16、压器的1端与4端相连，输入端1端与3端的电压为u，负载RL上的电压为u1+u2=2u，输入端1的电流为i1+i2=2i，且,u1,u1,u2,u2,2u,+2u-,传输线变压器的输入阻抗为：,传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。,如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1传输线变压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有4：1的阻抗变换作用。,功率合成 利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。利用功率合成技术可以获
17、得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能,还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离,即当其中某一个功率放大器损坏时,相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响,仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。图给出了一个功率合成器原理方框图。,由图可见,采用7个功率增益为2,最大输出功率为10 W的高频功放,利用功率合成技术,可以获得40W的功率输出。其中采用了三个一分为二的功率分配器和三个二合一的功率合成器。功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干份,然后分别提供给后级若干个功放电路。利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器,且具有频带宽
18、、结构简单、插入损耗小等优点,然后可进一步组成宽频带大功率高频功放电路。,4 集成高频功率放大电路及应用简,在VHF和UHF频段,已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件体积小,可靠性高,外接元件少,输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列便是其中的代表产品。表列出了Motorola公司集成高频功率放大器MHW系列中部分型号的电特性参数。图给出了其中一种型号的外形图。,MHW系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的,可用于移动通信系统中的功率放大,也可用于工商业便携式射频仪器。使用前,需调整控制电压,使输出功率达到规定值。在
19、使用时,需在外电路中加入功率自动控制电路,使输出功率保持恒定,同时也可保证集成电路安全工作,避免损坏。控制电压与效率、工作频率也有一定的关系。三菱公司的M57704系列高频功放是一种厚膜混合集成电路,同样也包括多个型号,频率范围为335 MHz512 MHz(其中M57704H为450 MHz470 MHz),可用于频率调制移动通信系统。它的电特性参数为：当VCC=12.5V,Pin=0.2 W,Zo=ZL=50时,输出功率Po=13 W,功率增益Gp=18.1dB,效率35%40%。,图是M57704系列功放的等效电路图。由图可见,它包括三级放大电路,匹配网络由微带线和LC元件混合组成。图是
20、TW-42超短波电台中发信机高频功放部分电路图。此电路采用了日本三菱公司的高频集成功放电路M57704H。TW-42电台是采用频率调制,工作频率为4577MHz458 MHz,发射功率为5W。由图可见,输入等幅调频信号经M57704H功率放大后,一路经微带线匹配滤波后,再经过V115送多节LC的型网络,然后由天线发射出去；另一路经V113、V114检波,V104、V105直流放大后,送给V103调整管,然后作为控制电压从M57704H的第脚输入,调节第一级功放的集电极电源,可以稳定整个集成功放的输出功率。第二三级功放的集电极电源是固定的138 V。,小结,1.高频谐振功率放大电路可以工作在甲类
21、、乙类或丙类状态。相比之下,丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类大,但效率高,节约能源,所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。2.丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小,也就是晶体管导通时间短,集电极功耗减小。但导通角越小,将导致输出功率越小。所以选择合适的角,是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。3.折线分析法是工程上常用的一种近似方法。利用折线分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析,得出它的负载特性、放大特性和调制特性。若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时,应该工作在临界状态；,若丙类谐振功放用来放大等幅信号(如调频信号)时,应该工作在临界状态；若用来放大非
22、等幅信号(如调幅信号)时,应该工作在欠压状态；若用来进行基极调幅,应该工作在欠压状态；若用来进行集电极调幅,应该工作在过压状态。折线化的动态线在性能分析中起了非常重要的作用。4 丙类谐振功放的输入回路常采用自给负偏压方式,输出回路有串馈和并馈两种直流馈电方式。为了实现和前后级电路的阻抗匹配,可以采用LC分立元件、微带线或传输线变压器几种不同形式的匹配网络,分别适用于不同频段和不同工作状态。,5 谐振功放属于窄带功放。宽带高频功放采用非调谐方式,工作在甲类状态,采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配,并可利用功率合成技术增大输出功率。6 目前出现的一些集成高频功放器件如M57704系列和MHW系列等,属窄带谐振功放,输出功率不很大,效率也不太高,但功率增益较大,需外接元件不多,使用方便,可广泛用于一些移动通信系统和便携式仪器中。,
