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1、第第4章章 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器南通大南通大学学电子信息子信息学学院院目目 录 4.1 概概 述述4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理4.3 高高频谐频谐振功率放大器的振功率放大器的实实践践电电路路4.4 高效率高高效率高频频功率放大器功率放大器4.5 宽带宽带功率放大器功率放大器4.1 概概 述述 高高频谐振功率放大器用于各种无振功率放大器用于各种无线电发送送设备中，中，对高高频载波或高波或高频已已调波波进展功率放大。展功率放大。窄窄带高高频功率放大器：以功率放大器：以谐振回路振回路为负载，所以又称，所以又称 谐振功率放大器振功率放大器宽带高高频功
2、率放大器：采用非功率放大器：采用非选频性性负载，如，如传输线 变压器或其他器或其他宽带匹配匹配电路路4.1 概概 述述任务形状：任务形状： A，B，AB，C；甲、乙、甲乙、丙；甲、乙、甲乙、丙D，E，S； 开关型开关型F，G，H ；特殊技术型；特殊技术型 目的：使目的：使电信号可以有效地信号可以有效地进展展远间隔隔传输特点：高特点：高频、大信号、非、大信号、非线性任性任务要求：要求：输出功率大出功率大PE=PO+PC、转换效率高效率高分析方法：折分析方法：折线法近似分析法近似分析4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理4.2.1 根本电路构成根本电路构成 组成：组成：B
3、JT、LC谐振回路、馈电电源谐振回路、馈电电源特点：特点：1、NPN高高频大功率晶体管，大功率晶体管，高高fT；改；改动UBB可以改可以改动放大器的任放大器的任务类型；型；2、大信号鼓励：、大信号鼓励：12V；3、发射射结在一个周期内只在一个周期内只需部分需部分时间导通，通，iB、iC均均为一系列高一系列高频脉冲；脉冲；4、谐振回路作振回路作负载可以可以滤除高除高频脉冲脉冲电流流iC中的中的谐波分量，同波分量，同时实现阻抗匹阻抗匹配。配。UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT4.2.2 任务原理及性能目的任务原理及性能目的忽略高频效应忽略高频效应-按照低频特性分析；按照低频特性分析；
4、忽略基区宽变效应忽略基区宽变效应-输出特性程度、输出特性程度、 平行、等间隔；平行、等间隔；忽略管子结电容、载流子基区渡跃时间；忽略管子结电容、载流子基区渡跃时间；忽略穿透电流忽略穿透电流-截止区截止区ICEO=0；分析与计算大大简化，但误差也大；分析与计算大大简化，但误差也大；实际分析与计算只是为电路参数的实际分析与计算只是为电路参数的选择与调整提供根据与指点，实践选择与调整提供根据与指点，实践电路任务时需求调整。电路任务时需求调整。uCE0ic输出特性输出特性uBE0ibUD输入入特特性性静静特特性性曲曲线线折折线线近近似似转移移特特性性uBE0icUDgm一、特性曲一、特性曲线的折的折线
5、化化4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理二、各极电流、电压波形：二、各极电流、电压波形：uBEib tUimUBBUD- uBEib t- t- icuBEic t- 图解可解可见，iB和和iC的都是余弦脉的都是余弦脉冲，定冲，定义为导通角，三极管只在通角，三极管只在-,内内导通，当通，当90o时，功，功率放大器任率放大器任务于丙于丙类形状。形状。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理iC t- 0ic1Ic1m t0ucUc1m t0 tuCE1UCC0Uc1m.2coscos210+ + + + tItIIiiccccc 余弦脉冲展开为
6、傅立叶级数：余弦脉冲展开为傅立叶级数：将将当当iC流流过LC谐振回路振回路时，在回路两端，在回路两端产生生电压uC。由于。由于谐振回路的振回路的选频特性，特性， uC中只需基波分量幅度最大，其它中只需基波分量幅度最大，其它频率率的信号的信号电压幅度幅度较小可以忽略。小可以忽略。设Re并并联回路回路谐振振时的等效的等效负载电阻，包括阻，包括BJT的的输出出电导和等效的和等效的RL。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理 假假设振振荡回路的回路的 0=n ，那么在回路两端可，那么在回路两端可得到得到频率率为n 的的电压:u0=Umcosn t;相当于相当于实现了了对输入信
7、号的入信号的n倍倍频 从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使用，即使iC是不延续的脉冲电流，在谐振回路两端也是不延续的脉冲电流，在谐振回路两端也会得到余弦电压。还可以利用选频特性得到倍频器。会得到余弦电压。还可以利用选频特性得到倍频器。4.2 高频谐振功率放大器的任务原理高频谐振功率放大器的任务原理ic余弦脉冲的分解余弦脉冲的分解:icicmax-/2 - /2 tIMIMcos4.2 高频谐振功率放大器的任务原理高频谐振功率放大器的任务原理4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理 定定义:0()、1() 、n ()
8、为谐波分解波分解系数。系数。 / 1 / 0 = 1 0 1 2 30 , 1 , 2 , 32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170定定义：1=Ic1m/Ic0= 1() / 0()为波波形系数，随形系数，随减小而增大。减小而增大。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理三、高频功放中的能量关系与效率：三、高频功放中的能量关系与效率：2集电极电源提供功率：集电极电源提供功率：1集电极输出功率：集电极输出功率：3集电极损耗功率：集电极损耗功率：4集电极效率：集电极效率：4.2 高高频谐频谐振功率放
9、大器的任振功率放大器的任务务原理原理5对效率的影响对效率的影响电压利用系数利用系数c=Uc1m/UCC1， c1， 1 随随而而变化；化；乙类功放：乙类功放：= /2 ，1 = /2 ，max=/4=78.5%；丙类功放：丙类功放： /2 ，减小，减小 ，1 提高，提高， c提高；但是提高；但是很小时，很小时， 1提高不多，输出功率却降低很多。故提高不多，输出功率却降低很多。故 通常通常选在选在60o90o之间。之间。6放大器的鼓励功率：放大器的鼓励功率：7功率放大倍数：功率放大倍数：4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理三点法作图：三点法作图： t=0, uBE=U
10、BB+Uim, uCE=UCC-Uc1m 得得到到C点点 t= /2, uBE=UBB, uCE=UCC 得到得到 B点点 t= , uBE=UBB-Uim 0-iC=0, uCE=UCC+Uc1m 得得到到D点点直直线BC与横与横轴交于交于A点点一、一、动态特性分析：特性分析：iC、uBE和和uCE的关系曲的关系曲线，称，称动特性特性曲曲线 即交流即交流负载线4.2.3 任务形状分析任务形状分析uCECBD UBE=UBB+UimUBE=UBBUCC0icUc1mA折折线CAD即即为谐振功率放大器的振功率放大器的动态特性曲特性曲线4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原
11、理动态负载动态负载RC：动态特性曲线斜率的倒数：动态特性曲线斜率的倒数4.2 高频谐振功率放大器的任务原理高频谐振功率放大器的任务原理二、高频谐振功率放大器的任务形状二、高频谐振功率放大器的任务形状任务形状根据任务形状根据uBE=uBEmax， uCE=uCEmin 时，动特性上时，动特性上瞬时任务点瞬时任务点C的位置确定。的位置确定。C点在输出特性放大区点在输出特性放大区-欠压形状欠压形状C点在输出特性放大区和饱和区的临界点点在输出特性放大区和饱和区的临界点-临界形状临界形状C点在输出特性饱和区点在输出特性饱和区-过压形状过压形状4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原
12、理uce0iciCuBEmax欠欠压和和临界形状：界形状： iC是一是一样的余弦脉冲；但的余弦脉冲；但临界形状界形状UC1m大；大；过压形状：形状：iC中中间凹陷；凹陷；UC1m较临界略有增大。界略有增大。tuceUC10RL=RLcrRL增大RL减小t4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理比较三种任务形状：比较三种任务形状：1临界形状：临界形状：P1最大；最大；较高；最正确任务形状较高；最正确任务形状 (对对应最正确负载应最正确负载Recr)；主要用于发射机末级。；主要用于发射机末级。2过压形状：过压形状： 较高弱过压形状较高弱过压形状最高最高)；负载；负载阻抗变化
13、时，阻抗变化时，UC1根本不变；用于发射机中间级根本不变；用于发射机中间级3欠压形状：欠压形状： P1较小；较小； 较低；较低；PC大；输出电压大；输出电压不够稳定；很少采用，基极调幅电路任务于此形状。不够稳定；很少采用，基极调幅电路任务于此形状。4.2 高频谐振功率放大器的任务原理高频谐振功率放大器的任务原理CBD UBE=UBB+UimUBE=UBBUCCuCE0icA临界饱和线斜临界饱和线斜率记为：率记为：SC如图，对应于临界形状的如图，对应于临界形状的动特性曲线动特性曲线CAD，那么有，那么有根据转移特性，又有根据转移特性，又有 这样，利用三极管的特性参数这样，利用三极管的特性参数SC
14、和和gm就可以求就可以求解功率放大器的相应目的。解功率放大器的相应目的。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理4.2.4 4.2.4 谐振功率放大器的外部特性谐振功率放大器的外部特性 当鼓励源当鼓励源Uim)、负载、负载(RL，主要影响，主要影响Uc1m)或直流电源或直流电源(UBB、 UCC)发生变化时，都会影响到功放的任务形状，改发生变化时，都会影响到功放的任务形状，改动输出功率与效率；动输出功率与效率；4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理 另一方面可以经过调整这些外部参量来改动功率放大器的另一方面可以经过调整这些外部参量来改动功率放大
15、器的性能。将外部参量变化时对功率放大器任务形状及性能目的性能。将外部参量变化时对功率放大器任务形状及性能目的的影响称为外部特性，包括的影响称为外部特性，包括负载特性负载特性-RL的影响的影响放大特性放大特性- Uim 的影响的影响调制特性调制特性- UBB、 UCC的影响的影响4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理一、负载特性一、负载特性UBB 、UCC 及及Uim 固定时，固定时，ic(IC0 IC1)都确都确定；定；RL直接影响输出电压振幅直接影响输出电压振幅 :RL增大，增大， UC1增大。增大。欠压欠压 临界临界 过压形状过压形状RLRecrIC1mUC1mI
16、C0欠压欠压过压过压RLRecr欠压欠压过压过压P1P0PC 4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理二、调制特性二、调制特性1集电极调制特性：集电极调制特性：UCC的影响的影响减小减小UCC：欠压欠压 临界临界 过压形状过压形状UBB Uim 不变：那么不变：那么ubemax 、不变不变RL 不变：那么动特性斜率不变不变：那么动特性斜率不变UCC改动：引起动特性平移改动：引起动特性平移uce0icUCCUC1muce04.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理UC1mIc1mIc0过压过压 临界临界 欠压欠压过压过压 临界临界 欠压欠压UCCUC
17、C P1P0在过压区，输出电压振幅在过压区，输出电压振幅UC1与与UCC近似呈线性关近似呈线性关系：用一输入信号调制信号替代系：用一输入信号调制信号替代UCC ，可完成，可完成振幅调制振幅调制-集电极调幅。集电极调幅。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理2基极调制特性：基极调制特性：UBB的影响的影响增大增大UBB：放大器的任务形状变化放大器的任务形状变化:欠压欠压 临界临界 过压过压uce0icUBB增大增大4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理uC1mIC1mIC0欠压欠压 0 临界临界 过压过压UBB P0P1欠压欠压 0 临界临界
18、过压过压UBB在欠在欠压区，区，输出出电压振幅振幅UC1m与与UBB近似近似呈呈线性关系：用一性关系：用一输入信号入信号调制信号替制信号替代代UBB ，可完成振幅，可完成振幅调制制-基极基极调幅。幅。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理三、放大特性三、放大特性uce0icube以以 为为例例放大器的任务形状变化放大器的任务形状变化:欠压欠压 临界临界 过压过压Uim增大：增大：4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理uC1MIC1MIC0 P0P1欠压欠压 临界临界 过压过压欠压欠压 临界临界 过压过压UimUim在欠在欠压区，区，输出出电压
19、振幅振幅UC1m与与输入入电压振幅振幅Uim近近似呈似呈线性关系：可以性关系：可以实现对振幅振幅变化信号的化信号的线性放大。性放大。在在过压区，区，输出出电压振幅振幅UC1m近似呈近似呈现恒恒压特性，特性，可以可以实现对振幅振幅变化信号的限幅。化信号的限幅。4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理四、外部特性在电路调试过程中的运用四、外部特性在电路调试过程中的运用例：一丙例：一丙类谐振功放，振功放，设计任任务在在临界形状，假界形状，假设发现实践践电路的路的P0和和C均未到达要求，均未到达要求，应如何如何进展展调整？整？方法：方法： P0未达要求，未达要求，阐明任明任务于
20、欠于欠压或或过压形状；再形状；再对四个特性曲四个特性曲线图，根据，根据临界形状情况确定界形状情况确定P0和和C 都都下降的形状；最后找出下降的形状；最后找出调整方法。整方法。留意：减小留意：减小UCC，Uc1m也减小，也减小，输出功率减小。出功率减小。增大增大Re 调整思绪：调整思绪：增大增大UBB增大增大Uim4.2 高高频谐频谐振功率放大器的任振功率放大器的任务务原理原理4.3 高高频频功率放大器的高功率放大器的高频频特性特性晶体管的静特性曲线近似表示晶体管特性的条件f1/2f 时，晶体管电压、电流之间的关系不能再用静特性来表示了。此时，基区非平衡少子渡越时间、集电结的漂移时间、晶体管的引
21、线电感和极间电容等要素的影响区域显著，不可忽略。4.3 高高频频功率放大器的高功率放大器的高频频特性特性晶体管任务时，鼓励电压加于输入端后，发射极发射载流子，经基区分散至集电极，构成集电极电流，即集电极电流iC比iB、 iE均要落后一个相角。任务频率较高时，该滞后效应更加明显，且由于电子运动不规那么，引起渡越的分散性，从而呵斥集电极电流脉冲峰值减小，脉冲展宽，导致ic1m减小，输出功率减小，集电极效率降低。4.3.1 4.3.1 基区渡越效应基区渡越效应4.3 高高频频功率放大器的高功率放大器的高频频特性特性频率增高时，由于集电极电流滞后于发射极电流，且最大值降低，将使基极电流增大，导致ib1
22、m增大，发射结阻抗显著减小，此时rbb影响相对增大。假设要求加至发射结上的输入电压坚持不变，必需增大输入电压，导致输入功率增大，功率增益下降。4.3.2 rbb4.3.2 rbb影响影响4.3.3 4.3.3 饱和压降影响饱和压降影响任务频率升高加上大注入的影响，将使功率管的跑和压降增大。在电源电压不变的情况下，饱和压降增大，导致集电极临界输出电压减小，使输出功率、效率和功率增益均减小。4.3 高高频频功率放大器的高功率放大器的高频频特性特性任务频率更高时，引线电感、极间电容的影响更加显著。共射放大电路中，发射极引线电感呵斥反响效应加强，导致增益和输出功率的下降。极间电容将是输入阻抗减小，寄生
23、反响添加，呵斥任务不稳定。设计谐振放大器时，应保证特征频率fT远高于任务频率。4.3.4 4.3.4 引线电感和极间电容的影响引线电感和极间电容的影响馈电电源的衔接方式：馈电电源的衔接方式：集电极馈电：串连馈电三极管、负载集电极馈电：串连馈电三极管、负载 回路和直流电源串连回路和直流电源串连 并联馈电三部分并联并联馈电三部分并联基极馈电：串连馈电基极馈电：串连馈电 并联馈电并联馈电根本原那么：使交、直流信号有各自正常的通路，相互间的影根本原那么：使交、直流信号有各自正常的通路，相互间的影响尽能够的小，且要减小不用要的功率损耗。响尽能够的小，且要减小不用要的功率损耗。组成：高频功放的实践馈电线路
24、和各种不通用途的高频功放的组成：高频功放的实践馈电线路和各种不通用途的高频功放的输入、输出端的匹配电路。输入、输出端的匹配电路。4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路4.4.1 直流直流馈电电馈电电路路一、集一、集电电极极馈电馈电 uCE=UCC-Uc1mcost(a) 串联馈电电路串联馈电电路UCCLcCcLCVT直流通路直流通路UCCLcLVT分布电容影响小；分布电容影响小；但但LC处于直流高处于直流高电位上，网络元电位上，网络元件安装不方便。件安装不方便。交流通路交流通路LcCcLCVT4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路(b) 并联馈电电路并联馈电
25、电路UCCLcCc1Cc2LCVT直流通路直流通路UCCLcVTLC处于直流地处于直流地电位上，网络元电位上，网络元件安装方便；但件安装方便；但分布参数直接影分布参数直接影响网络的调协。响网络的调协。交流通路交流通路LcCc1LCVT4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路二、基极二、基极馈电 uBE=UBB+Uimcost(a) 串联馈电电路串联馈电电路UBBCcVT(b) 并联馈电电路并联馈电电路UBBCc1Cc2VTLcCc2Cc1LcRbVT自给偏压电路自给偏压电路丙类功放的基极偏置电压丙类功放的基极偏置电压UBB为负偏压，为负偏压，实践电路中常采用自给偏压的方法来产生
26、实践电路中常采用自给偏压的方法来产生UBB从而省去一个直流源。从而省去一个直流源。优点：能自动维持放大器的稳定性。有利优点：能自动维持放大器的稳定性。有利于稳定输出电压，但对于要求具有线性放于稳定输出电压，但对于要求具有线性放大特性的放大器来说那么不利。大特性的放大器来说那么不利。4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路4.4.2 输出匹配网络输出匹配网络一、匹配网络概述一、匹配网络概述输输入入回回路路RsRLRiReIs输输出出回回路路匹配网络的作用：匹配网络的作用：1在输入端：实现信号源输出阻抗与在输入端：实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗的匹配，以获得最大的鼓励功率；放大
27、器输入阻抗的匹配，以获得最大的鼓励功率；2在在输出端：将外界的负载电阻输出端：将外界的负载电阻RL变换为放大器所需的最正确变换为放大器所需的最正确负载电阻负载电阻Re，以保证输出功率最大；还应具有较好的滤波，以保证输出功率最大；还应具有较好的滤波才干；才干；3传输效率尽能够高，损耗尽能够小。传输效率尽能够高，损耗尽能够小。实现方法：实现方法：LC变换网络实现调调和阻抗匹配变换网络实现调调和阻抗匹配衔接方式：接方式：型、型、型和型和型三种型三种4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路二、串、并联阻抗变换二、串、并联阻抗变换RsXsXpRp转换前后电抗值转换前后电抗值Xs和和Xp相
28、差相差很小，但转换前后并联电阻很小，但转换前后并联电阻Rp串联电阻串联电阻Rs。4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路图图a中中求得：求得：只适于只适于ReRL的情况的情况图图b中中求得求得:只适于只适于ReRL的情况的情况三、三种不同方式的匹配网络三、三种不同方式的匹配网络RLReCL (Xs)ReCL(Xp)(a)RLReC (Xp)L ReC(Xs)L (b)1、L型网络型网络4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路(a) 型网型网络络XsXs1Xs2RLRLXpXp1Xp2(b) T型网络型网络2、型和型和型网型网络络4.4 高高频频功率放大器的功率放
29、大器的实实践践电电路路C1C245pFCcC3C410pFLb280HL1L2VT505017pF16H0.01F97H16pFUCC (28V)Lc280H4.4.3 高频功率放大器的实践电路高频功率放大器的实践电路4.4 高高频频功率放大器的功率放大器的实实践践电电路路丁类高频功率放大器简介丁类高频功率放大器简介 在丙类高频功放中，提高集电极效率是靠减小集电极电流在丙类高频功放中，提高集电极效率是靠减小集电极电流的导通角实现的，但这样同时会减小输出功率。丁类功率放大的导通角实现的，但这样同时会减小输出功率。丁类功率放大器的晶体管任务于开关形状，管子导通时进入饱和区，器件内器的晶体管任务于开
30、关形状，管子导通时进入饱和区，器件内阻接近于阻接近于0，截止时电流为，截止时电流为0，这样可以使集电极功耗大为减小，这样可以使集电极功耗大为减小，效率大大提高。丁类功放分为电流开关型和电压开关型两种电效率大大提高。丁类功放分为电流开关型和电压开关型两种电路。路。 下面以电压开关型电路为例，简要阐明丁类功下面以电压开关型电路为例，简要阐明丁类功率放大器的任务原理率放大器的任务原理4.5 高效高高效高频频功率放大器功率放大器UCC VT1 VT2 A L0 C0 RL uL iC1 iL (a) uA iC2 Cc tiC1 uA uL iC2 (b) t t t 两个同型的三两个同型的三极管极管
31、VT1 、VT2相相串联，输入变压器串联，输入变压器为为VT1 、VT2提供提供相位相反的驱动电相位相反的驱动电压，使两管交替饱压，使两管交替饱和导通，和导通，A点处的点处的电压为方波，振幅电压为方波，振幅为为 相应的电流电压波形如图相应的电流电压波形如图b所示。负载电阻所示。负载电阻RL与与L0、C0构成构成高高Q串联谐振回路，当它调谐于输入信号频率时，在负载上得到电压串联谐振回路，当它调谐于输入信号频率时，在负载上得到电压uA的基波分量，实现高频放大的目的。的基波分量，实现高频放大的目的。 4.5 高效高高效高频频功率放大器功率放大器RL上基波电压振幅：上基波电压振幅： 基波电流振幅：基波
32、电流振幅： 输出功率：输出功率： 经过电源的平均电流分量：经过电源的平均电流分量： 电源供应功率：电源供应功率： 效率：效率： 理想情况下，两管集电极损耗均为零，效率可达理想情况下，两管集电极损耗均为零，效率可达100%。假设思索饱。假设思索饱和压降不为和压降不为0，而实践任务中，三极管在饱和、截止之间的转换需求一定，而实践任务中，三极管在饱和、截止之间的转换需求一定的时间，的时间，uA不是理想方波，而是存在着上升沿和下降沿，转换期间存在不是理想方波，而是存在着上升沿和下降沿，转换期间存在一定的电压和电流，使管耗添加，效率降低，所以应选择开关时间短的高一定的电压和电流，使管耗添加，效率降低，所
33、以应选择开关时间短的高频开关三极管或无电荷存储效应的频开关三极管或无电荷存储效应的VMOS场效应管，并减小电路中的分布场效应管，并减小电路中的分布电容。电容。4.5 高效高高效高频频功率放大器功率放大器概述概述 在多通道通讯系统及频段通讯系统中，需求采用宽带高频功率放大在多通道通讯系统及频段通讯系统中，需求采用宽带高频功率放大器，它以非调谐的宽带网络作输出匹配网络，要求在很宽的波段范围器，它以非调谐的宽带网络作输出匹配网络，要求在很宽的波段范围内对信号进展尽能够一致的线性放大。内对信号进展尽能够一致的线性放大。 由于宽带放大器没有选频作用，普通只任务于非线性失真较小的甲由于宽带放大器没有选频作
34、用，普通只任务于非线性失真较小的甲类或甲乙类，所以宽带放大器的效率普通不高类或甲乙类，所以宽带放大器的效率普通不高20%左右。左右。 对宽带放大器的主要要求是：通频带要宽，失真要小，放大倍数要对宽带放大器的主要要求是：通频带要宽，失真要小，放大倍数要大。大。 常用的宽带匹配网络是传输线变压器。常用的宽带匹配网络是传输线变压器。 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器4.6.1 传输线变压器传输线变压器 一、传输线变压器简介一、传输线变压器简介 传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，传输线主要是指用来传输高频信号的双导线、同轴线，将传输线绕制在高磁导率、低损耗的磁环上就构成传输线变将传输
35、线绕制在高磁导率、低损耗的磁环上就构成传输线变压器。因此它兼有传输线和高频变压器两者的特点，相应的压器。因此它兼有传输线和高频变压器两者的特点，相应的有两种任务方式，传输线方式和变压器方式。有两种任务方式，传输线方式和变压器方式。1 2 3 4 U2 Us I1 I2 I4 I3 U1 Rs 传输线方式传输线方式Us 1 3 2 U1 Rs RL 4 U2 变压器方式变压器方式4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器 传输线等效电路如以下图，低频任务时，传输线就是两根传输线等效电路如以下图，低频任务时，传输线就是两根普通衔接线。高频任务时，由于分布电感和线间分布电容的影普通衔接线。高频任务时，由于
36、分布电感和线间分布电容的影响，能量是经过分布电容中的电场能量和分布电感中的磁场能响，能量是经过分布电容中的电场能量和分布电感中的磁场能量不断相互转换而传送到负载的。以量不断相互转换而传送到负载的。以L0、C0表示单位长度传输表示单位长度传输线的电感和电容。线的电感和电容。传输线的特性阻抗是一个与频率无关的电阻：传输线的特性阻抗是一个与频率无关的电阻： 1 2 3 4 l ZiZCI1 I1 I2 I2 普通衔接线普通衔接线 表示图表示图Us U1 Rs RL U2 1 2 3 4 U1 I1 I1 I2 I2 传输线等效图传输线等效图 RL U2 Us Rs 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大
37、器1 2 3 4 U1 高频倒相器高频倒相器Us Rs RL U2 UL 二、传输线变压器的运用二、传输线变压器的运用 1、高频倒相器、高频倒相器 端点端点2、3相连并接地，相连并接地，1、3端加高频电压端加高频电压U1，负载上得，负载上得到的电压到的电压UL与与U1反相。反相。 2、不平衡、平衡变换器、不平衡、平衡变换器 1 2 3 4 Us Rs RL/2 RL/2 平衡、不平衡变换器平衡、不平衡变换器U1 U2/2 U2/2 U2 信号源一端接地，称信号源一端接地，称为“不不平衡，平衡，转换后的后的负载上两上两电压大小相等、方向相反，称大小相等、方向相反，称为平衡平衡输出。出。 4.6
38、宽带宽带功率放大器功率放大器1 2 3 4 (a) I RL/4RL U2 U1 Us Rs UL 2I (b) 1 2 3 4 2I RL U2 U1 Us Rs UL 4RLI 3、阻抗变换器、阻抗变换器 图图a构成的是构成的是1：4阻抗变阻抗变换器，换器，1、4端相联，线圈两端电端相联，线圈两端电压相等压相等U2=U1，那么负载电压，那么负载电压UL=2U1，负载电流为，负载电流为I，那么输，那么输入端阻抗入端阻抗 假设将假设将2、3端相联，端相联，4端接地，端接地，那么可构成那么可构成4：1的阻抗变换，如图的阻抗变换，如图b 利用上述原理利用上述原理还可构成可构成1：9、1：16、1：
39、n+12的的传输线变压器。假器。假设将上述将上述电路的路的输入端、入端、输出端互出端互换即信号源与即信号源与负载互互换，相相应变为4：1、9：1的的传输线变压器，任器，任务原理是一原理是一样的。的。 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器+28VLbT3T2T12747047272.7k0.010.010.010.011800120027180120.0150.011000p0.015330Lb0.01输入输入输出输出VT1VT2三、宽带功率放大电路实例三、宽带功率放大电路实例 宽频带变压器耦合放大电路，任务频率在宽频带变压器耦合放大电路，任务频率在150kHz30MHz。图中。图中T1、T2、
40、T3都是宽带传输线变压器，都是宽带传输线变压器，T1与与T2串接是为了实现阻抗变换，将串接是为了实现阻抗变换，将VT1的低输入阻抗变换为的低输入阻抗变换为VT2所需求的高负载阻抗。所需求的高负载阻抗。 为改善放大为改善放大器性能，每级器性能，每级都加了电压负都加了电压负反响支路；为反响支路；为防止寄生耦合，防止寄生耦合，每级的集电极每级的集电极电源都加有电电源都加有电容滤波。未采容滤波。未采用调谐回路，用调谐回路，放大器应任务放大器应任务于甲类形状。于甲类形状。 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器1W 4W 11W 5W 11W 10W 5W 11W 5W 5W 11W 11W 11W 5W
41、 19W 40W 35W 19W 10W 10W 10W 10W 5W 11W 4.6.2 宽带功率合成技术宽带功率合成技术一、功率合成器的组成一、功率合成器的组成 在高频功率放大器中，当需求的输出功率超越单个电子在高频功率放大器中，当需求的输出功率超越单个电子器件所能输出的功率时，可以将多个电子器件的输出功率叠器件所能输出的功率时，可以将多个电子器件的输出功率叠加起来，这就是功率合成技术。加起来，这就是功率合成技术。 左图是一个输左图是一个输出功率为出功率为35W的功的功率合成器的组成框率合成器的组成框图，三角形代表功图，三角形代表功率放大器，菱形代率放大器，菱形代表功率分配或合成表功率分配
42、或合成网络。网络。4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器A DCBRA RB RC RD (a) A DCBRA RB RD RC (b) 利用利用1：4传输线变压器组成的魔传输线变压器组成的魔T混合网络，可以实现功率合成混合网络，可以实现功率合成与分配的功能，其根本电路如图与分配的功能，其根本电路如图a所示。混合网络有所示。混合网络有A、B、C、D四个端点，为了满足网络匹配的条件，取四个端点，为了满足网络匹配的条件，取RA = RB = ZC = R，RC = ZC / 2 =R / 2，RD = 2ZC = 2R，其中，其中ZC是传输线变压器的特性阻是传输线变压器的特性阻抗。在此根底上，利用
43、抗。在此根底上，利用A、B、C、D四个端点适当衔接，可以实现功四个端点适当衔接，可以实现功率合成与功率分配，图率合成与功率分配，图b为变压器方式的等效电路。为变压器方式的等效电路。二、功率合成与分配单元二、功率合成与分配单元 如以下图所示，将如以下图所示，将A、B两端点分别接入两个功率放大器的输出端，两端点分别接入两个功率放大器的输出端，假设两个输出电压为：假设两个输出电压为： 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器两电压大小相等、极性相反。在两电压大小相等、极性相反。在A点，有：点，有： 在在B点，有：点，有： C端无输出，而端无输出，而D点的输出功率为：点的输出功率为： 实现了功率合成，称为
44、反相合成。实现了功率合成，称为反相合成。RA RB RC RD A DCBII2I2I1I1I2I1US1US22U U U 假设两个输出电压为假设两个输出电压为 经过类似分析可以得到：经过类似分析可以得到：称为同相合成。称为同相合成。 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器RA RB RC IaIdIbIdIcADDBCUd/2 IIId(a) Ud/2 Ud IaIdADIIIcRA RB BDCIbIdRD(b) 将功率合成器输入输出位置交换，即可得到功率将功率合成器输入输出位置交换，即可得到功率分配器。如以下图所示：分配器。如以下图所示：4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器DABCT2T
45、3T4T5T6T12512.512.561010LL1H1H61500pF1500pFDBAC12.512.51000pF8F+24V输出输出25VT1VT2三、功率合成电路实例三、功率合成电路实例 右图是一个反右图是一个反相功率合成器的相功率合成器的典型电路，它是典型电路，它是一个输出功率为一个输出功率为75W、带宽为、带宽为3075MHz的放的放大电路的一部分。大电路的一部分。 图中，中，T2为反相功率分配网反相功率分配网络，T5反相功率合成网反相功率合成网络， T1 与与T6 是是1：1传输线变压器，器，实现平衡平衡不平衡不平衡转换；T3与与T4是是4：1阻抗阻抗变换器。器。4.6 宽带
46、宽带功率放大器功率放大器100T2T3T4T5T6T1CDABDABC501.11.122222002000.0330.0331001002525400200UCCVT1VT2 以下图是一个典型的同相功率合成器电路。图中，以下图是一个典型的同相功率合成器电路。图中，T1为同相功率为同相功率分配网络，分配网络，T6为同相功率合成网络，为同相功率合成网络，T2、T3与与T4、T5 分别是分别是4：1与与1：4阻抗变换器，各处的特性阻抗均已在图中注明。晶体管发射极接阻抗变换器，各处的特性阻抗均已在图中注明。晶体管发射极接入的电阻以产生负反响，提高输入阻抗。各基极串联的电阻，可提高入的电阻以产生负反响
47、，提高输入阻抗。各基极串联的电阻，可提高输入电阻，并防止寄生振荡。输入电阻，并防止寄生振荡。D端所接的、电阻是端所接的、电阻是T1 与与T6的假负载的假负载电阻。电阻。4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器 反相功率合成器的优点是：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边反相功率合成器的优点是：输出没有偶次谐波，输入电阻比单边时高，因此引线电感的影响减小。在同相功率合成器中，由于偶次谐时高，因此引线电感的影响减小。在同相功率合成器中，由于偶次谐波在输出端是相加的，因此输出中有偶次谐波存在。波在输出端是相加的，因此输出中有偶次谐波存在。 4.6 宽带宽带功率放大器功率放大器 高频功率放大器的主要作用是放大
48、高频信号，以高高频功率放大器的主要作用是放大高频信号，以高效率输出大功率。为了提高效率，高频谐振功放多任务效率输出大功率。为了提高效率，高频谐振功放多任务在丙类形状，而且普通采用选频网络作负载，完成阻抗在丙类形状，而且普通采用选频网络作负载，完成阻抗匹配和滤波的功能，不同于纯电阻负载的情况。匹配和滤波的功能，不同于纯电阻负载的情况。 丙类高频谐振功率放大器中功放管的导通角小于丙类高频谐振功率放大器中功放管的导通角小于90 ，所以输出电流为脉冲电流，但是利用了选频网络，所以输出电流为脉冲电流，但是利用了选频网络的滤波作用，可以得到正弦电压输出。的滤波作用，可以得到正弦电压输出。 本章要点：本章要
49、点： 1、丙类谐振功放的三种任务形状：、丙类谐振功放的三种任务形状： 1欠压形状，动特性线在截止区和放大区，输欠压形状，动特性线在截止区和放大区，输出电压幅度小，输出功率和效率低，集电极功耗大。出电压幅度小，输出功率和效率低，集电极功耗大。 2过压形状，动特性线进入饱和区，集电极电过压形状，动特性线进入饱和区，集电极电流脉冲出现凹陷，输出电压幅度大，且呈现恒压特性，流脉冲出现凹陷，输出电压幅度大，且呈现恒压特性，输出功率低，效率高。输出功率低，效率高。 本章小本章小结 3临界形状，动特性线到达临界饱和线，输出电压临界形状，动特性线到达临界饱和线，输出电压幅度大，输出功率和效率高，集电极功耗小，
50、是谐振功幅度大，输出功率和效率高，集电极功耗小，是谐振功率放大器理想的任务形状。率放大器理想的任务形状。 2、丙类谐振功放的外部特性：指外部参数对谐振功率、丙类谐振功放的外部特性：指外部参数对谐振功率放大器的任务形状和性能所呵斥的影响：放大器的任务形状和性能所呵斥的影响： 1负载特性：仅负载负载特性：仅负载Re变化对功放任务形状和性能变化对功放任务形状和性能的影响，的影响，Re增大，任务形状由欠压经临界向过压变化。增大，任务形状由欠压经临界向过压变化。 2放大特性：仅鼓励电压幅度放大特性：仅鼓励电压幅度Uim变化对功放任务形变化对功放任务形状和性能的影响，状和性能的影响， Uim增大，任务形状
51、由欠压经临界向增大，任务形状由欠压经临界向过压变化。任务在欠压区，对输入信号可实现线性放大。过压变化。任务在欠压区，对输入信号可实现线性放大。 3基极调制特性：仅基极偏置电压基极调制特性：仅基极偏置电压UBB变化对功放变化对功放任务形状和性能的影响，任务形状和性能的影响，UBB增大，任务形状由欠压经增大，任务形状由欠压经临界向过压变化。任务在欠压区，可实现基极调幅。临界向过压变化。任务在欠压区，可实现基极调幅。本章小本章小结4集电极调制特性：仅集电极偏置电压集电极调制特性：仅集电极偏置电压UCC变化对功变化对功放任务形状和性能的影响，放任务形状和性能的影响， UCC减小，任务形状由欠减小，任务
52、形状由欠压经临界向过压变化。任务在过压区，可实现集电极调压经临界向过压变化。任务在过压区，可实现集电极调幅。幅。 3、主要参数关系的公式：、主要参数关系的公式：1电流导通角：电流导通角： 2集电极脉冲电流：集电极脉冲电流：3输出功率：输出功率： 4直流电源提供功率：直流电源提供功率： 5集电极功耗：集电极功耗： 6集电极效率：集电极效率： 本章小本章小结 4、馈电线路为功率放大器提供直流偏置，详细分为、馈电线路为功率放大器提供直流偏置，详细分为基极馈电和集电极馈电，又各有串馈和并馈方式。基极馈电和集电极馈电，又各有串馈和并馈方式。 5、输出匹配网络主要实现阻抗变换与滤波，还可实、输出匹配网络主要实现阻抗变换与滤波，还可实现功率合成与分配。现功率合成与分配。 本章小本章小结
