第4章高频功率放大器.ppt

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1、4.1 4.1 概概 述述1 1、使用高频功率放大器的目的、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率发射机末级获得足够大的发射功率。2 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是是输出功率大和高输出功率大和高。联想对比：联想对比：icebtooictVBZ3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处相同之处：它们放大的信号均

2、为高频信号，而且放大器的负：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQebtooicticQebtooict小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 icebtooictVBZ谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图4 4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处:都要求都

3、要求输出功率大输出功率大和和效率高效率高。功率放大器实质上是一个功率放大器实质上是一个能量转换器能量转换器，把电源供给的，把电源供给的直直流能量流能量转化为转化为交流能量交流能量，能量转换的能力即为功率放大器，能量转换的能力即为功率放大器的效率。的效率。谐振功率放大器通常用来放大谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号窄带高频信号(信号的通带信号的通带宽度只有其中心频率的宽度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选为，其工作状态通常选为丙丙类工作状态类工作状态(c c9090)，为了不失真的放大信号，它的负载，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路必须是谐振回路。非谐振放大器可

4、分为非谐振放大器可分为低频功率放大器低频功率放大器和和宽带高频功率放宽带高频功率放大器大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类甲类或或乙类乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载载。功率放大器的主要技术指标是功率放大器的主要技术指标是输出功率输出功率与与效率效率。表2-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 c=180 50%电阻 低频 乙类 c=90 78.5%推挽，回路 低频，高频 甲乙类 90c180 50%h78.5%推挽 低频 丙类 c

5、90 h78.5%选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100%选频回路 高频 工作状态工作状态 功率放大器一般分为功率放大器一般分为甲类甲类、乙类乙类、甲乙类甲乙类、丙类丙类等工等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类丁类与与戊戊类放类放大器。大器。谐振功率放大器通常工作于谐振功率放大器通常工作于丙类丙类工作状态，属于非线性电路工作状态，属于非线性电路4.2 4.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理1、原理电路原理电路谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电晶体管的作用是在将供电电源的源的直流能量直流

6、能量转变为转变为交流能交流能量量的过程中起开关控制作用。的过程中起开关控制作用。谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载电路工作在电路工作在丙类丙类工作状态工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：tVVetVVecmCCcbmBBbcoscos)(BZbccVegi+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEiceb故晶体管的转移特性曲线表达式：故晶体管的转移特性曲线表达式：Vbmcosc=BBV+VBZ谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：故得：bmBZBBcVVVcos注意：注意：集电极电流集电极电流i ic c虽然是脉

7、冲虽然是脉冲状，但由于状，但由于谐振回路谐振回路的这种滤波的这种滤波作用，仍然能得到作用，仍然能得到正弦波形的输正弦波形的输出出。谐振功率放大器各部分的电压与电谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示流的波形图如下页的图所示转移特性icVBZo理想化ic maxicto+cco+ccVbmVbmebvcVBBt VBZ VBB t VCC t t t eb ib ic ec Vcm Vcm vb 高频功率放大器中各分电高频功率放大器中各分电压与电流的关系压与电流的关系cCCcvVe（a a）+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEicebtVVetVVecmCCcbmB

8、Bbcoscos)(BZbccVegit或电压电流VBZoic maxec miniccecVcmVCCicvceb max2ppVBZvBVbmvb23p2p25p(b)高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEicebtVVetVVecmCCcbmBBbcoscos)(BZbccVegiLCLC回路能量转换过程回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从回路的这种滤波作用也可从能量能量的观点来解释。的观点来解释。回路是由回路是由L L、C C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由当晶体管由截止转入导截止

9、转入导通通时，时，由于回路中电感由于回路中电感L L的电流不能突变，的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过因此，输出脉冲电流的大部分流过电容电容C C，即使，即使C C充电充电。充电电压的方。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源向是下正上负。这时直流电源V VCCCC给给出的能量储存在电容出的能量储存在电容C C之中。过了一之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到段时间，当电容两端的电压增大到一定程度一定程度(接近电源电压接近电源电压)，晶体管，晶体管截止。截止。由于这种由于这种周期性的能量补充周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量

10、相等时，电路中就建立起荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了动态平衡，因而维持了等幅的正弦波等幅的正弦波振荡。振荡。+C+icL+iL2、谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号基极的信号来控来控制集电极的直流电源所供给的制集电极的直流电源所供给的直流功率直流功率，使之转变为，使之转变为交流交流信号功率信号功率输出去。输出去。由前述所知：由前述所知：有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集集电极耗散功率电极耗散功率。P

11、 PDCDC=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；P Po o=交流输出信号功率；交流输出信号功率；P Pc c=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故故集电极效率集电极效率：cooDCocPPPPPh由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：1)1)设法尽量设法尽量降低集电极耗散功率降低集电极耗散功率P Pc c，则集电极效率，则集电极效率h hc c自然自然 会提高。这样，在给定会提高。这样，在给定P PDCDC时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率P Po o 就会增大；就会增大；2 2）由式由式cccoP1Phh可知可

12、知 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值，那不超过规定值，那么么提高集电极效率提高集电极效率h hc c，将使交流输出功率，将使交流输出功率P Po o大为增加。谐振大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 可见使可见使i ic c在在e ec c最低的时候才能通过，那么，集电极耗散最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：dte

13、T1T0cci 故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流集电极电流应该是应该是脉冲状脉冲状。导通角小于。导通角小于180180，处于丙类处于丙类工作状态工作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c c9090，集，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：ic=Ico+Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：Vcm 回路两端的回路两端的基频电压基频电压 Icm1 基频电流基频电流Rp 回路的回路的谐振阻

14、抗谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：)(2121101ccCCcmcmDCocgIVIVPPhpcmpcmcmcmcmcmoRIRVIVIVP212112122122CCcmVV0c1cmc1II)(gCCcmVV集电极电压利用系数集电极电压利用系数0c1cmc1II)(g波形系数波形系数，导导通角通角 c c的函数；的函数；c c越小越小g g1 1(c c)越大越大 越大越大(即即V Vcmcm越大或越大或e ecmincmin越小越小)c c越小效率越小效率h hc c越高越高。因此，丙。因此，丙类谐振功率放大器类谐振功率放大器提高效率提高效率h hc c的途径即为的途径

15、即为减小减小 c c角角；使；使LCLC回路谐振在信号的基频回路谐振在信号的基频上，即上，即i ic c的最大值的最大值应对应应对应e ec c的最小值的最小值。基极偏置为负值；半通角基极偏置为负值；半通角 c c9090，即丙类工作状态；负，即丙类工作状态；负载为载为LCLC谐振回路谐振回路。故故谐振功率放大器的工作特点谐振功率放大器的工作特点：4.3 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的的直流分量直流分量Ic0和和基频分量基频分量Icm1。工程

16、上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。分析法。所谓折线法是将电子器件的所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化特性曲线理想化，用一，用一组组折线代替折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。法。折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1 1、测出晶体管的转移特性、测出晶体管的转移特性曲线曲线ic eb及输出特性及输出特性曲线曲线ic ec，并将这两组曲线作理想并将这两组曲线作理想折线化折线化处理处理2 2、作出、作出动态特性曲线动态特性曲线3 3、是根据、是根据激励激励电压电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2由给定的负载谐由给定的负载谐 振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、振阻抗的大小，即可求得放大器的输出