《高频功率放大器》PPT课件

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1、第 四 章 、 高 频 功 率放 大 器 与 功 率合 成 技 术 主 要 内 容 ：丙类谐振功放的特点 丙类谐振功放的工作原理 丙类谐振功放的性能分析折 线 近 似 方 法 v 丙类谐振功放的动 态 特 性 和 负 载 特 性 。v 丙类谐振功放的 直 流 馈 电 线 路 。v 丙类谐振功放的 级 间 匹 配 问 题 (匹 配 网 络 )丁类高频功率放大电路简介 宽带高频功率放大器简介 4.1 概 述v 一 、 作 用 与 应 用 ：v 作 用 : 高 频 功 率 放 大 器 的 作 用 实 际 上 是 把 电 源 的直 流 能 量 转 换 成 高 频 交 流 能 量 。v 应 用 ： 发

2、射 机 发 射 无 线 电 波v 高 频 加 热 、 高 频 换 流 、 微 波 功 率 源 v 二 、 高 频 功 放 的 特 点 ：v 特 点 : 高 频 、 大 功 率 、 高 效 率 ， 电 路 属 非 线 性 三 、 与 低 频 功 放 、 小 信 号 谐 振 放 大 器比 较v 1.与 低 频 功 放 相 比 较 ：v 相 同 点 ：v 都 要 求 输 出 功 率 大 和 效 率 高v 激 励 信 号 幅 度 均 为 大 信 号v 不 同 点 ：v 工 作 频 率 和 相 对 频 带 不 同v 负 载 性 质 不 同 v 工 作 状 态 不 同 2.与 小 信 号 谐 振 放 大

3、器 比 较v相 同 点 ：v放 大 的 信 号 均 为 高 频 信 号v放 大 器 的 负 载 均 为 谐 振 回 路v不 同 点 ：v激 励 信 号 幅 度 大 小 不 同v谐 振 网 络 的 作 用 不 同v工 作 状 态 不 同 四 、 高 频 功 放 的 分 析 方 法v图 解 法 ： 利 用 电 子 器 件 的 特 性 曲 线 来 分 析 它的 工 作 状 态v解 析 近 似 分 析 法 ： 把 电 子 器 件 的 特 性 曲 线 用某 些 近 似 解 析 式 来 表 示 最 常 用 的 是 折 线法 五 、 高 频 功 放 中 用 作 放 大 的 有 源 期 间v晶 体 管 ： 千

4、 瓦 级 以 下v电 子 管 ： 千 瓦 级 以 上 六 、 高 频 功 放 管 的 主 要 技 术 指 标v输 出 功 率 大v效 率 高v谐 波 分 量 尽 量 小 4.2 谐 振 功 率 放 大 器 分 析 v 4.2.1 谐 振 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理 ：v 一 、 获 得 高 效 率 所 需 要 的 条 件 ：v 能 量 转 换 效 率 ：v 或 写 成 ： cPPP cPP PPP cPP 1 谐 振 功 率 放 大 器 的 原 理 电 路 电 路 说 明 ：三 极 管 V在 工 作 时 应 处 于 丙 类 工 作 状 态 ， 只 有 小 部 分时 间 导 通 。

5、LC谐 振 回 路 起 到 滤 波 和 匹 配 作 用 。 基 极 电源 VBB应 小 于 死 区 电 压 以 保 证 晶 体 管 工 作 于 丙 类 状 态 ，一 般 VBB略 小 于 0。 集 电 极 电 压 VCC是 功 率 放 大 器 的 能量 来 源 。三 种 工 作 状 态 ：半 导 通 角 ， 为 甲 类 工 作 状 态半 导 通 角 ， 为 乙 类 工 作 状 态半 导 通 角 ， 为 丙 类 工 作 状 态 0180 090 090 二 、 电 路 性 能 的 分 析v 1、 采 用 的 分 析 方 法 准 线 性 的 折 线 近 似 分 析 法 ：v 将 电 子 器 件 特

6、 性 曲 线 理 想 化 ， 即 将 每 一 条 特 性 曲 线用 一 条 或 几 条 (组 成 折 线 )来 代 替 ， 这 样 就 可 以 用 简单 的 数 字 解 释 或 来 代 表 电 子 器 件 的 特 性 曲 线 。v 优 点 : 物 理 概 念 清 楚 ， 计 算 比 较 简 单 ， 而 概 括 性 的理 论 分 析 、 工 程 近 似 估 算 已 满 足 要 求 。v 缺 点 : 精 度 较 低 。 二 、 电 路 性 能 的 分 析2、 工 作 原 理 （ 余 弦 脉 冲 分 解 ） ：设 输 入 ui为 一 余 弦 信 号 : 则 三 极 管 的 外 部 特 性 ：因 为

7、管 子 只 在 小 半 周 期 内 导 通 ， 因 而 iB为 脉 冲 电 流 。放 大 后 的 i C也 为 脉 冲 电 流 。 根 据 傅 氏 级 数 展 开 得 ： tnItItIIiC cos2coscos cnmc2mc1mc0 tUVuCE coscmCC tUuu bmb cosi tUVuVu bmBBBE cosiBB 2、 工 作 原 理 （ 余 弦 脉 冲 分 解 ） ：考 虑 LC谐 振 回 路 对 各 次 谐 波 的 作 用 不 同 得 ：因 而 ：见 下 页 ： tUtRIu cmC coscosPc1m tUVuVu CCE coscmCCCC 波 形 分 析 ：

8、 波 形 分 析 ： 三 极 管 输 入 特 性 基 极 脉 冲 电 流 及谐 波 分 量 集 电 极 脉 冲 电 流及 谐 波 分 量 LC谐 振 回 路 两 端电 压 波 形 晶 体 管 集 电 极 和发 射 极 之 间 的 瞬时 电 压 波 形 3、 功 率 与 效 率v 放 大 器 的 输 出 功 率 ：v 集 电 极 直 流 供 给 功 率 ：v 集 电 极 效 率 ： pcmpmccmmco RURIUIP 2211 212121 coCCDC IVP )(21)( )(2121 1211 gIV UIPP coCC cmmcDCo 4、 导 通 角 的 选 择v1） 等 幅 波

9、功 率 放 大v2） 调 幅 波 功 率 放 大v3） n次 谐 波 倍 频 4.2.2 谐 振 功 率 放 大 器 的 工 作 状 态分 析v一 、 谐 振 功 率 放 大 器 的 工 作 状 态 分 析v1、 晶 体 管 特 性 的 折 线 化临 界 线 : 左 边 饱 和 区 ， 过 压 状 态 右 边 放 大 区 ， 欠 压 状 态 cecrc ugi ceccr uig 临 界 线 方 程 : 或 ： ceccr uig 1、 晶 体 管 特 性 的 折 线 化ic与 激 励 电 压 的 关 系 : 0 bzbec Vugi （ 截 止 ) bzbe bzbe VV Vu (放 大

10、) 2、 谐 振 功 率 放 大 器 的 工 作 状 态 分 析v 1） 动 态 特 性 的 定 义 ：v 动 态 特 性 曲 线 是 在 晶 体 管 输 出 特 性 和 转 移 特 性 上画 出 谐 振 功 率 放 大 器 瞬 时 工 作 点 的 轨 迹 。 v 2） 放 大 区 动 态 特 性 方 程 :v ube = Vbb + Ubcos t (1)v uce = Vcc Uccos t (2)v ic = g(ube Vbz) (3) v由 (2)式 变 换 代 入 (1)式 可 得 ：v再 代 入 上 (3)式 得 : vic = gd(uce Vo)v式 中 : c ceccbb

11、bbe U uVUVu cbd UUgg b cbzcbbbcco U UVUVUVV 3、 动 态 特 性 直 线 的 作 法 :v两 点 确 定 一 直 线 的 方 法v 令 ic=0， 则 uce=Vo， 得 B点v令 t=/2， ube=Vbb， uce=Vcc 得 Q点 v连 接 B、 Q点 ， 并 延 长 与 临 界 线 相 交 于 A点 整 体 动 态 特 性 4） 谐 振 功 率 放 大 器 的 动 态 负 载 电 阻v动 态 负 载 电 阻 可 用 动 态 线 斜 率 的 倒 数 求 得v动 态 负 载 电 阻 既 与 导 通 角 有 关 ， 又 与 谐 振 电阻 有 关v动

12、 态 负 载 电 阻 一 般 不 等 于 负 载 电 阻 二 、 谐 振 功 率 放 大 器 的 3种 工 作 状态 高 频 功 率 放 大 器 的 负 载 特性负 载 特 性 : 即 放 大 器 Vcc、 Vbb、 Ub-定 时 ， 负 载 电 阻改 变 引 起 Ico、 Ic1和 Po、 变 化 的 特 性 。1、 3种 工 作 状 态 Vcc、 Vbb、 Ub不 变 ， Rp Recr 过 压 状 态 RP变化对集电极余弦脉冲的影响 2、 负 载 特 性 曲 线 :v Ic1、 Ico、 Uc Rp关 系 :欠 压 区 临 界 线 内临 界 过 压 区v R p Rcer过 压 区 ，

13、放 大 区 近 似 恒 压 源常数IIR cocp 1 恒定UIIR ccocp 1 Po、 P、 Pc、 Rp关 系 Rp 小 大状 态 : 欠 压 临 界 过 压P 小 大 小Po 大 小 更 小Pc 大 小 更 小 小 大 大 略降P在 临 界 有 最 大 值 、 选 放 大 器 在 临 界 状 态 三 种 工 作 状 态 比 较 v欠 压 状 态v过 压 状 态v临 界 状 态 三 、 各 极 电 压 对 工 作 状 态 的 影 响v 1、 Vcc变 化 对 放 大 器 工 作 状 态 的 影 响 集 电极 调 制 特 性v 当 Vbb、 Ubm和 Rp定 ， 放 大 器 的 性 能

14、随 Vcc变化 的 特 性 称 为 集 电 极 调 制 特 性 。 Rp=常 数 ， 特 性 1、 2、 3斜 率 不 变 调 制 特 性 : 1、 Vcc改 变 会 使 Ucm改 变 ， 即 Vcc可 控 制 高 频 振 幅 ，有 调 幅 作 用 。2、 在 过 压 状 态 区 , Vcc对 Ucm有 较 大 作 用 。 3、 集 电 极 调 幅 应 选 择 在 过 压 区 ， 此 区 域 内 Vcc对Uc控 制 灵 敏 效 率 高 。 2、 Ubm变 化 对 放 大 器 工 作 状 态 的 影 响 v动 态 线 斜 率 不 变v静 态 特 性 曲 线 UBEmax向 上 平 移 3、 Vb

15、b变 化 对 放 大 器 工 作 状 态 的 影 响vRp、 Vcc恒 定 ， Vbb变 化 对 放 大 器 的 性 能 的 影 响称 基 极 调 制 特 性 (基 极 电 压 对 输 出 的 影 响 ) 四 、 谐 振 功 率 放 大 器 工 作 状 态 的 计 算v步 骤 ：v1、 首 先 求 出 集 电 极 电 流 脉 冲 的 两 个 主 要 参 量 ：icmax、 cosv2、 求 出 电 流 余 弦 脉 冲 的 各 谐 波 分 量v3、 求 出 相 应 的 功 率 与 效 率v举 例 ： 举 例 ：v有 一 个 用 硅 NPN外 延 平 面 型 高 频 功 率 管 做 成的 谐 振

16、功 率 放 大 器 ， 设 已 知 VCC=24V，PO=2W, 工 作 频 率 f=1MHz。 试 求 其 集 电 极 耗散 功 率 、 效 率 、 基 极 激 励 功 率 。v由 晶 体 管 手 册 已 知 其 有 关 参 数 为 ：vfT 70MHz， 功 率 增 益 GP 13dB， 安 全 工 作电 流 Icmax=750mA， 集 电 极 饱 和 压 降 UCES 1.5V， 集 电 极 最 大 耗 散 功 率 P CM=1W 4.3 谐 振 功 率 放 大 器 电 路 组 成v 一 、 直 流 馈 电 线 路 ：v 馈 电 线 路 及 其 作 用v 馈 电 线 路 的 方 式 :

17、 (串 联 、 并 联 )v 馈 电 线 路 的 基 本 要 求 ：v 1） 要 保 证 Vcc、 Vbb 畅 通 无 阻 地 全 部 加 到 放 大 管 的 集电 极 或 基 极 上v 2） 直 流 馈 电 线 路 还 要 尽 可 能 不 消 耗 高 频 信 号 功 率 一 、 集 电 极 馈 电 线 路 1、 集 电 极 馈 电 线 路 的 要 求 P.111： - 2、 串 并 联 馈 电 方 式 线 路 分 析 a)串 联 馈 电 :组 件 作 用输 出 回 路 ：直 流 通 路 : Vcc L L BG C极 e 交 流 通 路 : uce ic C LC uc b) 并 联 馈 电

18、 : 组 件 作 用直 流 通 路 : Vcc L BG C极 e Vcc交 流 通 路 : BG C ic C LC e馈 电 组 件 的 选 择 ， C 和 L 的 确 定 3、 串 、 并 馈 直 流 供 电 线 路 的 优 缺 点v见 P112 二 、 基 极 馈 电 线 路 几 种 常 用 的 自 偏 电 路 4.3.2 输 入 输 出 匹 配 网 络v1、 作 用v2、 LC匹 配 网 络v3、 耦 合 回 路 4.4 丁 (D)类 高 频 功 率 放 大 电 路 简 介v丁 类 放 大 电 路 中 ， 三 极 管 处 于 开 关 状 态 ;v在 理 想 情 况 下 ， 丁 类 高

19、 频 功 率 放 大 电 路 的 效率 可 达 100%， 实 际 情 况 下 也 可 达 90%左 右 。v4.4.1 电 流 开 关 型 D类 放 大 器v4.4.2 电 压 开 关 型 D类 放 大 器 4.5 宽 带 高 频 功 率 放 大 器 简 介1.传 输 线 变 压 器 工 作 原 理传 输 线 变 压 器 的 工 作 方 式 是 传 输 线 原 理 与 变 压 器原 理 的 结 合 ， 其 主 要 特 点 是 工 作 频 带 极 宽 。如 图 1:1传 输 线 变 压 器 ： 2.传 输 线 变 压 器 的 应 用 4.6 功 率 合 成 器v定 义 ：v功率合成与分配应用举

20、例： 本章小结： 1.高 频 功 率 放 大 器 分 为 窄 带 高 频 功 率 放 大 器 和 宽 带高 频 功 率 放 大 器 。 2.为 了 提 高 效 率 ， 谐 振 功 放 一 般 工 作 在 丙 类 状 态 ，其 集 电 极 电 流 是 失 真 严 重 的 脉 冲 波 形 。 3.谐 振 功 率 放 大 器 有 欠 压 、 临 界 、 过 压 三 种 状 态 。 4.谐 振 功 率 放 大 器 电 路 包 括 集 电 极 馈 电 电 路 、 基 极馈 电 电 路 和 匹 配 网 络 等 。 5.传 输 线 变 压 器 是 以 传 输 线 原 理 和 变 压 器 原 理 相 结合 的 方 式 工 作 ， 因 此 具 有 良 好 的 宽 频 带 传 输 特 性 。 本 章 作 业vP139-140:v4.1, 4.2, 4.3(有 改 动 ） , 4.4, 4.7, 4.9