第三章 高频功率放大电路

第三章高频功率放大电路第一节概述高频功率放大电路的三个最主要的技术指标是：输出功率、效率和非线性失真。根据放大器集电极电流在输入信号周期内的导通时间，高频功放分为：1、A（甲）类：在输入信号的整个周期内集电极都有电流流通；2、B（乙）类：只有在输入信号的半个周期内集电极有电流流通；3、C（丙）类：在小于输入信号半个周期内集电极有电流流通。根据被放大信号的相对频带的宽窄：1、窄带高频功放：；丙类，LC谐振回路为选频网络；2、宽带高频功放：；甲类，传输线变压器为匹配网络。1.0/207.0ff3.0/207.0ff第二节线性高频功率放大器A类和推挽电路形式的B类高频功放工作在线性放大状态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或相位。A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真；B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。一、A类线性高频功率放大器第三节丙类谐振功率放大电路一、工作原理假定输入信号是单频正弦波,输出回路调谐在输入信号的相同频率上。uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcosω0tuCE=VCC+uc=VCC-Ic1mRΣcosω0t=VCC-Ucmcosω0tPD=VCCIC0RURIUIPcmcmmcmC22102121211CCcocmmcDVIUIPP1021PC=PD-Po增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。PD=VCCIC0在Ucm=VCC时效率最高：%5.78412121cmcmII在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲,可以用傅氏级数展开为:...2cos32cos211...2coscos0002010twItwIItwItwIIicmcmcmmcmccc功率放大电路是大信号工作,而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性,这样将使分析比较复杂。为简化分析,可以将晶体管特性曲线理想化,即用一条或几条直线组成折线来代替,称为折线近似分析法。集电极电流iC的分段表达式：iC=g(uBE-Uon)uBE≥Uon0uBE＜Uon如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2θ来表示,则称θ为导通角。可见,0°≤θ≤180°。在放大区,iC=g(VBB+Ubmcoswt-Uon)当ωt=θ时,iC=0，可求得:bmBBonUUUarccos当ωt=0时,iC=ICm,可求得:cos1cmbmIgUcos1coscoscoswtIUVUwtgUicmbmBBonbmC...cos...2coscos210nwtIwtIwtIIicnmmcmccCIC0=ICmα0(θ),Ic1m=ICmα1(θ),Ic2m=ICmα2(θ),…其中α0(θ),α1(θ),α2(θ),…被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。波形系数)()()(011aag若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/VCC,可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式:)(2121101gVIUICCccmmcRaIpcm)(212120)(2121101gVIUICCccmmcRaIpcm)(212120增大ξ和g1的值是提高效率的两个措施,增大α1是增大输出功率的措施。然而,增大g1与增大α1是互相矛盾的。导通角θ越小,g1越大,效率越高,但α1却越小,输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面,选取合适的导通角θ。若取θ=70°,此时的集电极效率可达到85.9%,而θ=120°时的集电极效率仅为64%左右。因此,一般以70°作为最佳导通角,可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。例3.1在图3.2.3中,若Uon=0.6V,g=10mA／V,ICm=20mA,又VCC=12V,求当θ分别为180°,90°和60°时的输出功率和相应的基极偏压VBB,以及θ为60°时的集电极效率。(忽略集电极饱和压降)解：由图3.2.4可知:α0(60°)=0.22,α1(180°)=α1(90°)=0.5,α1(60°)=0.38因为Ucm=VCC=12V所以,当甲类工作时(θ=180°),mAIIcmmc105.020)180(011VgIUUcmonBB6.1210206.02mWUIPcmmc601210212110mAIIcmmc6.738.020)60(011mAIIcmmc105.020)90(011当乙类工作时(θ=90°),VUUonBB6.0当丙类工作时(θ=60°),mAIIcmc4.422.020)60(000%8686.0124.4126.7212101ccccmmccUIUI)cos1(gIUcmbmmWUIPcmmc601210212110mWUIPcmmc6.45126.7212110VgIUUUUcmonbmonBB4.1)60cos1(1060cos206.0)cos1(coscos00二、性能分析若丙类谐振功放的输入是振幅为Ubm的单频余弦信号,那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系?Ucm的大小受哪些参数影响?CmCECCbmBBBEUuVUVuiC=-gd(uCE-U0)bmcmoncmBBbmcccmbmdUUUUVUVUUUgg0,)cos1(CmcmdUIg因为Ic1m=ICmα1(θ)，mccmIUR1RagRdd)cos1)((111负载特性若VBB、VCC和Ubm三个参数固定,RΣ发生变化,动态线、Ucm以及Po、η等性能指标会有什么变化呢?这就是谐振功放的负载特性。晶体管工作在饱和区、放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同,这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态,而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。随着RΣ的逐渐增大,动态线的斜率逐渐减小,由欠压状态进入临界状态,再进入过压状态。在临界状态时,输出功率Po最大,集电极效率η接近最大,所以是最佳工作状态。2放大特性若VBB、VCC、RΣ三个参数固定,输入Ubm变化,此时输出Ucm以及Po、η等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。3调制特性(1)基极调制特性若VCC、RΣ和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随基极偏压VBB变化的规律被称为基极调制特性。基极调制的目的是使Ucm随VBB的变化规律而变化,所以功放应工作在欠压状态,才能使VBB对Ucm有控制作用。(2)集电极调制特性若VBB、RΣ和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随集电极电压VCC变化的规律被称为集电极调制特性。在欠压状态时,当VCC改变时,Ucm几乎不变。在过压状态时,Ucm随VCC而单调变化。所以,此时功放应工作在过压状态,才能使VCC时对Ucm有控制作用,即振幅调制作用。4小结(1)若对等幅信号进行功率放大,应使功放工作在临界状态,此时输出功率最大,效率也接近最大。比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大。(2)若对非等幅信号进行功率放大,应使功放工作在欠压状态,但线性较差。若采用甲类或乙类工作,则线性较好。比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大。(3)丙类谐振功放在进行功率放大的同时,也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上,功放应工作在欠压状态；若调制信号加在集电极电压上,功放应工作在过压状态。(4)回路等效总电阻RΣ直接影响功放在欠压区内的动态线斜率,对功放的各项性能指标关系很大,在分析和设计功放时应重视负载特性。例3.2某高频功放工作在临界状态,已知VCC=18V,gcr=0.6A／V,θ=60°,RΣ=100Ω,求输出功率Po、直流功率PD和集电极效率η。解：由式(3.2.14)可求得:Rd=α1(60°)(1-cos60°)×100=19Ω191dg由图3.2.6可以写出以下关系式:ICm=gcr(VCC-Ucm)=gdUcm(1-cosθ)AggUgUgIcrdcccrcccrcm45.0])cos1([46.110038.045.021)(21222120RaIPcmWVaIPCCcmD78.11822.045.0)(0%8278.146.10DPP三、直流馈电线路与匹配网络1.直流馈电线路直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联,后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式,直流偏压与交流电压总是串联迭加的,假定交流电压是单频信号,即满足uBE=VBB+Ubmcoswt,uCE=VCC-Ucmcoswt的关系式。(1)集电极馈电线路串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位,它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率,缺点是电容器C的动片不能直接接地,安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位,它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率,但回路处于直流地电位,L、C元件可接地,故安装调整方便。(2)基极馈电线路在无输入信号时,自给偏压电路的偏置为零。随着输入信号的逐渐增大,加在晶体管be结之间的偏置电压向负值方向增大。由此可见,乙类功放不能采用自给偏压方式。2匹配网络匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换(根据实际需要使功放工作在临界点、过压区或欠压区),并充分滤除无用的杂散信号。一般来说,在400MHz以下的甚高频(VHF)段,匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成,而在400MHz以上的超高频(UHF)段,则需使用分布参数的微带线组成匹配网络,或使用微带线和LC元件混合组成。第四节宽带高频功率放大电路与功率合成电路一、传输线变压器的特性及其应用1宽频带特性传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的,以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。传输线变压器与普通变压器的传递能量方式不同，前者是在两导线间介质中传播，而后者是通过磁力线感应的能量传递给负载。如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟,两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的,则传输线的特性阻抗CLZC其中ΔL、ΔC分别是单位线长的分布电感和分布电容当Zc与负载电阻RL相等,则称为传输线终端匹配。在此无耗、匹配情况下,若传输线长度l与工作波长λ相比足够小(l＜λmin／8)时,可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等,且输入阻抗Zi=Zc=RL,故为1∶1变压器。可见,此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。传输线输入阻抗)2tan()2tan(11LccLcijRZjZRZIUZ•当低频工作时,LiRZ12表明信号直接加到负载上，即传输功率与频率无关,下限频率为零.2阻抗变换特性当高频工作时,,RL上得到的功率也是频率的函数,即传输线有一定上限频率,要扩展上限频率,途径如下:)(fZi使Zi与频率无关,带宽趋于无穷大.CLZR结论：传输线变压器依靠传输线传递能量，其上限条件取决于传输线、终端的匹配程度和传输线长度，下限条件取决于初级绕阻线圈电感量。在无耗且传输线长度很短的情况下,传输线变压器输入端与输出端电压相同,均为U,流过的电流均为I。由此可得到特性阻抗Zc和输入端输入阻抗Zi分别为：LLcRIIRIUZ22LciRZIUZ422两级功放都工作在甲类状态,并采用本级直流负反馈方式展宽频带,改善非线性失真。三个传输线变压器均为4∶1阻抗变换器。前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络,总阻抗比为16∶1,使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高