高频功率放大器原理详解

一周期到来重复以上过程。
LC回路能量转换过程
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。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 维持了等幅的正弦波振荡。
4、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基极的信号来控
制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流 信号功率输出去。
4.3.1 折线法
所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组 折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。
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分 析法。
对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流 的直流分量Ic0和基频分量Icm1。
ic
临界线
1)欠压工作状态：
过压区 gcr
欠压区
vBE
集电极最大点电流在临界线的右方，
交流输出电压较低且变化较大。
2)过压工作状态：
0 vCE
集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，
交流输出电压较高且变化不大。
3)临界工作状态：
是欠压和过压状态的分界点，
集电极最大点电流正好落在临界线上。
4.3.3 集电极余弦电流脉冲的分解
可见使ic在vCE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。
故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极 电流应该是脉冲状。导通角小于180，处于丙类工作状态。
谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c＜90，集电 极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：
ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+……
vCE VCC Vcm cos t
vCE
Vcm vCE
iC ic mvaxCE min
iC VCC
o c VBZ
－VBB
Vbm vBE
v BE VBB Vbm c(obs) t
v bE max
t
1
Pc T
T
0 iC vCE dt
1. iC 与vBE同相，与vCE反相； 2. iC 脉冲最大时，vCE最小； 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
式(9)即为尖顶余弦脉冲的解析式，
它完全取决于脉冲高度ic max与通角c。
若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数
ic =Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+…+Icmncosnt+…
由傅里叶级数的求系数法得
IC0 iC max0 C
Icm1 iC max(C )
Icmn iC maxn (C )
缓冲
高频振荡
倍频
高频放大
调制 传输线
声音
话筒 音频放大
（直流电源未画）
2、功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：
①高效率输出
②高功率输出
联想对比：
谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；
谐振功率放大器与低频功率放大器；
3、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：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。
0 = gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ) (5) 即
o
t
2c
尖顶余弦脉冲
cosc
VBB VBZ Vbm
(6)
t
ic
ic
转移
特性
ic max
理想化
–VBB
t
–c o VBZ o
+c
vBE –c o +c vc
Vb
m
Vbm
因此，知道了Vbm、VBB与VBZ各值，c的值便完全确定。 将式(4)与式(5)相减，即得
根据晶体管的转移特性曲线可得： ic
ic
转移
Vbmcosc= VBB +VBZ
特性
故得：
cos c
VBB VBZ Vbm
必须强调指出：
集电极电流ic虽然是脉 冲状，但由于谐振回路
ic max
理想化
–VBB
t
–c o VBZ o
+c
vBE –c o +c vc
Vbm
的这种滤波作用，仍然 能得到正弦波形的输出。
Po就会增大；
2） 由式
Po
1
c c
Pc
可知
如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值， 那么提高集电极效率c，将使交流输出功率Po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。
如何减小集电极耗散功率Pc
晶体管集电极平均耗散功率：
1 T
T
0 ic vCE dt
不同之处：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。
ic
ic
ic
ic
Q
o
VBE o
t
小信号谐振放大器t
波形图
t
o
VBE
o
t
VBZ 谐振功率放大器t 波形图
t
ic
ic
Q
o
vb o
e
2c
t
小信号谐振放大器 波形图
2c是在一周期内的集电t 极电流流通角，因此，c可 称为半流通角或截止角(意即t=c时，电流被截止)。 为方便起见，以后将c简称为通角
直流功率： P==VCC Ic0
输出交流功率：
Po
1 2 Vcm
Icm1
Vc2m 2R p
1 2
I
c2m1R
p
Vcm ----- 回路两端的基频电压
Icm1 ----- 基频电流
Rp ------ 回路的谐振阻抗
放大器的集电极效率： c
Po P
1 2
Vcm
Icm1
VCCIc0
1 2
g1
(c
)
集电极电压利用系数:
ic = gcVbm(cost–cosc) (7)
当t=0时，ic= ic max，因此 ic max= gcVbm(1–cos c) (8)
ic max
将式(7)与式(8)相除，即得
o
t
2c
ic cost cosc
ic max
1 cosc
或
ic
ic max
cost cosc 1 cosc
(9)
折线分析法的主要步骤：
1、测出晶体管的转移特性曲线ic~ vBE及输出特性曲 线ic~ vCE， 并将这两组曲线作理想折线化处理。
2、作出动态特性曲线。
3、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画 出对应电流脉冲ic和输出电压vc的波形。
4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2……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、直流供给功率、效率等指标。
ic
ic
o
vBE o
t
E
2c
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处 共同之处:都要求输出功率大和效率高。 功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给 的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率 放大器的效率。 功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率 不同之处：工作频率与相对频宽不同；
当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极 电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。
晶体管的内部特性为： ic=gc(vBE–VBZ) (1)
它的外部电路关系式
vBE= –VBB+Vbmcost (2)
vCE= VCC–Vcmcost
(3)
ic max
将式(2)代入式(1)，得
ic = gc(–VBB+Vbmcost–VBZ)(4) 当t=c时，ic=0，代入上式得
其中：
0
(c
)
sin c c cosc (1 cosc )
n
1 0
1
0.5
0
0.4 2.0
0.3 0.2 1.0
1 0 2
0.1
3
140
0
100
20 40 60 80 120 160180 c
1
(
c
)
c cosc sin (1 cosc
c
)
尖顶脉冲的分解系数
n
(c
)
2
sin
nc cosc n cos nc sin n(n2 1)(1 cosc )
+ vb
(2)谐振回路LC是晶体管的负载 –
iB VBE –
+
vcE C –
iE
L
– vc
输出
+
–+ –
+
(3)电路工作在丙类工作状态
VBB
VCC
谐振功率放大器的基本电路
外部电路关系式： vBE VBB Vbm cost
vCE VCC Vcm cost
晶体管的内部特性： ic gc (vBE VBZ )
波形系数:
g1(c )
Icm1 Ic0
Vcm VCC
为通角c的函数；c越小g1(c)越大
越大(即Vcm越大或vcEmin越小)c越小,效率c越高。因此， 丙类谐振功率放大器提高效率c的途径为：
1、减小c角； 2、使LC回路谐振在信号的基频上，
即ic的最大值应对应vcE的最小值。
故谐振功率放大器的工作特点： ·放大高频大信号,
放大器的负载不同；
放大器的工作状态不同。
5、工作状态：
功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作 方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类
表 2-1 不同工作状态时放大器的特点
半导通角
c=180 c=90 90＜c＜180 c＜90 开关状态
从晶体管集电极向右方看去等效为一个并联谐振回路如图所示等效电路由耦合电路的理论可知当天线回路调谐到串联谐振状态时它反映到l1c1中介回路的等效电阻为因而等效回路的谐振阻抗为改变m就可以在不影响回路调谐的情况下调整中介回路的等效阻抗以达到阻抗匹配的目的耦合越紧即互感m越大则反映等效电阻越大回路的等效阻抗也就下降越多为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载ra上就希望反射电阻r回路损耗电阻r1衡量回路传输能力优劣的标准通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表
4.3.2 晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线
根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于
VBZ的一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。
ic gc
ic
临界线
过压区 gcr
欠压区
vBE
理想化折线 （虚线）
0 VBZ
vBE
0
(a) 晶体管实际特性和理想折线 (b)
vCE
由上图可见，根据理想化原理，在放大区,集电极电流 只受基极电压的控制,与集电极电压无关; 在饱和区，集电极 电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。
非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频 功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作 在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输 线为负载。
谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法
4.2 谐振功率放大器的工作原理
ic
1、原理电路
(1)晶体管的作用是在将供电
电源的直流能量转变为交流能 量的过程中起开关控制作用。
电 流
或 电 压
vCE Vcm
vc
属于非线性工作状态；
ic
vcE VCC
ic
·基极偏置为负值,半通角c＜90，ic maxvcEminLeabharlann o c即丙类工作状态；
VBZ
2
3
–VBZ 2
vB
2
vBE max
5 2
t
·电流脉冲是尖顶余弦脉冲；
Vbm vb
·负载为LC谐振回路。 (b)
4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
Chapter4 谐振功率放大器
4.1 概述
4.2 谐振功率放大器的工作原理
4.3 晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法
4.4 晶体管功率放大器的高频特性 4.5 高频功率放大器的电路组成 4.6 晶体管倍频器
4.1 概 述
1、使用谐振功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。
电 流
或 电 压
Vcm
vc
ic
VCE VCC
ic
ic maxvcE min
VBZ
VBE max
t
o c
3
2
–VBB 2
2
5 2
vBE
Vbm vb
高频功率放大器中各部
(b)
分电压与电流的关系
3、LC回路的能量转换过程
回路是由L、C二个储能元件组成。
回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。
–+
当晶体管由截止转入导电时，由于回路中
电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电 流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电 压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给
–+ C
+–
iL
L
出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，
当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源
ic + –
电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下
有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集
电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集 电极效率ηc
P==直流电源供给的直流功率； 根据能量守衡定理：
Po=交流输出信号功率；
Pc=集电极耗散功率；
P== Po+ Pc
故集电极效率：
c
Po P
Po Po Pc
由上式可以得出以下两点结论：
1) 设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率c自 然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功率
t
Vbm
谐振功率放大器转移特性曲线
2、电流与电压波形：
vBE
谐振功率放大器中各部分 电压与电流的关系
vb ib ic
vCE
VBZ Vcm
–VBB
t
ic
+
iB
vcE C
+ t vb
–
VBE
–
– iE
L
– vc
输出
+
–+ VBB
–
+
VCC
t
Vcm
VCC
t
11
（a）vCE VCC vc
或电压 电流
则转移特性方程可写为 ic =gc(vBE–VBZ) (vBE＞VBZ) (1)
gc
i c vBE
vCE
常数
则临界线方程可写为
ic=gcrvCE
(2)
gc-转移特性方程的斜率 gcr为临界线的斜率
式(1)和(2)是折线近似法的基础，应很好地掌握。
在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进
入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：
理想效率
50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100%
负载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路
应用 低频 低频，高频 低频 高频 高频