高频谐振功率放大器

比较三种工作状态：
（1）临界状态：P1最大；较高；最佳工作状态 (对应最佳负载Recr)；主要用于发射机末级。
（2）过压状态： 较高（弱过压状态最高)； 负载阻抗变化时，UC1基本不变；用于发射机中 间级
（3）欠压状态： P1较小； 较低；PC大；输出 电压不够稳定；很少采用，基极调幅电路工作 于此状态。
当iC流过LC谐振回路时，在回路
ic1
两端产生电压uC。由于谐振回路的选频特
性， uC中只有基波分量幅度最大，其它频
Ic1m
t
率的信号电压幅度较小可以忽略。
0
设Re——并联回路谐振时的等效 负载电阻，包括BJT的输出电导和等效的RL。
uc
uc Uc1m cost Ic1m cost Re Uc1m
第4章 高频谐振功 率放大器
2008-12-9
4.1 概述 4.2 高频谐振功率放大器的工作原理 4.3 高频谐振功率放大器的实际电路
4.1 概 高频谐振功述率放大器用于各种无线电发送设
备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。
窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称 谐振功率放
大器 宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线 目的：能够使电信号能够有效地进行远距变离压传器输或其 特他点宽：带高匹频配、电大路信号、非线性工作 要求：输出功率大、转换效率高
功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。
4.2 高频谐振功率放大器的工作原理
4.2.1 基本电路构成 组成：BJT、LC谐振回路、馈电电源
特点：
1、NPN高频大功率晶体管，
高fT；改变UBB可以改变放 大器的工作类型；
2、大信号激励：1—2V；
3、发射结在一个周期内只
有部分时间导通，iB、iC均 为一系列高频脉冲；
0
(
)
sin cos (1 cos )
1
Ic1m 2
－ iC costdt iC max 1( )
cos sin 1 ( ) (1 cos )
1
Icnm 2
n (
) 2 sin n cos n cosn sin
n(n2 1)(1 cos )
－ iC cos ntdt iC max n ( )
0
还可以利用选频特性得到倍频器。
ube vb
ib
ic
VD t
–VBB t
uce Vcm
t
Vcm
VCC
uce VCC vcm cost
t
高频功率放大器中各分电压与电流的关系
12
ic余弦脉冲的分解
ic I M cost I M cos
icmax I M I M cos
ic
ic max
cost cos 1 cos
乙类
pO 1
1I c1m0
((12iC2mI))ac2x1m1R(112e
2
)
2
理想c=1
6）交流电源提供的功率称为放大器的激励
功率：
Pi
1 2
Ib1m
Uim
7）功率放大倍数：AP
PO Pi
• 丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的 负载？谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？
❖ 答：这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极 电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负 载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用 谐振回路作为集电极的负载。
在过压区，输出电压振幅UC1m近似呈现恒压特性，可以 实现对振幅变化信号的限幅。
式中C＝UUcC1Cm 为集电极电压利用系数。
1
I c1m Ic0
1( ) 为波形系数 0 ( )
5）对效率的影响
电压利用系数c=Uc1m/UCC， c≤1， 1 随而变化；
乙类功放：= /2 ，1 = /2 ，max=/4=78.5%； 丙类功放： < /2 ，减小 ，1 提高， c提高；但是很小 时， 1提高不多，输出功率却降低很多。故 通常选在 60o~90o之间。
1
iC max
cos
，U
c1m
Ic1m Re代入上式，得0
Rc
I c1m
Re (1 cos )
iC max
1( )
Re
(1 cos )
Uc1m
表明：丙类功放的动态电阻由
A UCC D uCE B UBE=UBB
R（e 等效负载电阻）和（导通角）
共同决定。
二、高频谐振功率放大器的工作状态
工作状态根据uBE=uBEmax， uCE=uCEmin 时，动特性上 瞬时工作点C的位置确定。
欠压 临界 过压状态
IC1m IC0
UC1m
欠压 Recr 过压 Re
P0
PE PC
欠压 Recr 过压
Re
二、放大特性 放大器的工作状态变化:
Uim增大：
欠压
iC
临界 过压
ic
ube
t
0
0
uce
以为例
uC1M IC1M IC0
Uim 欠压 临界 过压
P0 P1
Uim 欠压 临界 过压
在欠压区，输出电压振幅UC1m与输入电压振幅Uim近似呈 线性关系：可以实现对振幅变化信号的线性放大。
其中0(θ)、1(θ) 、…、n (θ)为谐波分解系数； 另定义1=Ic1m/Ic0= 1(θ) / 0(θ)为波形系数，随 减小而增大。
0 , 1 , 2 , 3
1 /0 = 1
0.5
1
0.4
0
2.0
0.3
0.2
1.0
0.1
3
2
0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-0.05 10 30 50 70 90 110 130 150 170
参量来改变功率放大器的性能。将外部参量变化时
对功率放大器工作状态及性能指标的影响称为外部
特性，包括
负载特性----Re的影响
放大特性---- Uim 的影响 调制特性---- UBB、 UCC的影响
一、负载特性
UBB 、UBB 及Uim 固定时，ic(IC0 IC1)都确定； Re直接影响输出电压振幅 :Re增大， UC1增大。
(ic
0)
IM
将ic余 弦 脉 冲 展 开 为 傅 立 叶级 数 ： -/2 -
ic Ic0 Ic1 cost Ic2 cos 2t ......
其 中 各 次谐 波 分 量 的 振幅 为:（ 区 间－， ）
ic icmax
/2
t
IMcos
1
Ic0 2
－ iC dt iC max 0 ( )
t
集电极输出电压为：
0
uce UCC uc UCC Uc1m cost
uC
E1
功冲可电放得流由到，于在选频从谐频如图率振作果中用回为可振路，以n两即荡看端使的出回也iC，电是会路丙不压得的类连到:高续余u频00的弦==谐脉nU电振mc，os则Unc1m在UtC;C回相路当两于端实
t
压现。了对输入信号的n倍频。
cos
U D U BB U im
iC max gmU im (1 cos )
这样，利用三极管的特性参数SC和gm就 可以求解功率放大器的相应指标。
4.2.4 谐振功率放大器的外部特性
当激励源（Uim)、负载(Re)或直流电源(UBB、 UCC)发生变化时，都会影响到功放的工作状态，改变 输出功率与效率；另一方面可以通过调整这些外部
4、谐振回路作负载可以滤
除高频脉冲电流iC中的谐 波分量，同时实现阻抗匹
配。
iC
iB
VT uBE uCE
C
L
RL
ui
UBB
UCC
4.2.2 工作原理及性能指标
一、特性曲线的折线化：
ic
输 ib 入 特 性
0 UD
uBE 0 输出特性
转 ic 移 特 性
uCE
0 UD
gm uBE
分析与计算大大简化，但误差也大；
分析方法：折线法近似分析
联想对比：
高频功率放大器和低频功率放大器的 共同特点都是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。
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。
临界饱和线斜
如图，对应于临界状态的 率记为：SC 动特性曲线CAD，则有
ic C UBE=UBB+Uim
iC max ScuCE min Sc (UCC Uc1m )
根据转移特性，又有
A UCC D
uCE
0
B
UBE=UBB
iC max gm (uBE max U D ) gm (U BB U im U D )
❖ 调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集 电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量， 从而得到不失真的输出电压。
❖ 例：已知谐振功率放大器VCC＝20V，Ic0＝250mA，Po ＝4W，Ucm＝0.9VCC，试求该放大器的PE、Pc、ηC和 Ic1m为多少？
解：PE= VCCIc0＝20×0.25=5W Pc= PE－Po=5－4=1W ηC = Po/PE =4/5=80% Ucm＝0.9VCC=0.9×20=18V Ic1m＝2Po /Ucm＝2×4/18≈444.4mA
/
三、高频功放中的能量关系与效率：
1）集电极输出功率：
pO
1 2
I U c1m c1m
1 2
I
2 c1m
Re
1
U
2 c1m
2 Re
2）集电极电源提供功率： PE Ic0UCC
3）集电极损耗功率： Pc PE PO
4）集电极效率：C
PO PE
1 2
I c1m Ic0
U c1m U CC
1 2
1C
工作状态 甲类
乙类 甲乙类
丙类 丁类
半导通角
c=180
c=90 90＜c＜180
c＜90 开关状态
理想效率
50%
78.5% 50%＜＜78.5%
＞78.5% 90%~100%
负载 电阻
应用 低频
推挽，回路 推挽
选频回路 选频回路
低频，高频 低频 高频 高频
谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于 非线性电路。
C点在输出特性放大区和饱和区的临界点----临界状态
C点在输出特性放大区----欠压状态 C点在输出特性饱和区----过压状态
iC
ic Re=Recr
uBEmax
Re减小
Re增大 t
0
0
uce
UC1
欠压和临界状态： iC是
相同的余弦脉冲；但临界
uce
状态UC1m大；
t
过压状态：iC中间凹陷；UC1m较临界略有增大。
直线BC与横轴交于A点
t= ， uBE=UBB-Uim <0, iC=0； uCE=UCC+Uc1m 得到D点
A UCC D uCE B UBE=UBB
折线CAD即为谐振功率放大器的动态特性曲线
动态负载RC：动态特性曲线斜率
1 RC
的倒数的绝对值
ic
RC
U c1m IM
C UBE=UBB+Uim
将I M
若保持Po不变，将ηC提高到80％ ，则
Pc′= PE′Po=Po/ηC′－Po=4/0.8－4=5－4=1W △ Pc =Pc － Pc′= 3.67－1=2.67W △Ic0 = Ic0 －Ic0′= 6.67/20 －5/20 = 0.083（A）=83mA
4.2.3 工作状态分析
一、动态特性分析：
UBB
-
UD
Uim
U D U BB U im cos
cos U D U BB
U im
t ic
U im、U BB 和U D决 定，
且U im 越 小 或U BB 越 负越 小
ib
uBE - uBE
t
ic
uBE -
t
iC
将ic余弦脉冲展开为傅立叶级数：
t
ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+… - 0
理论分析与计算只是为电路参数的选择与调整提 供依据与指导，实际电路工作时需要调整。
二、各极电流、电压波形： ib
ui Uim cost,
发射结电压为：
uBE U BB Uim cost
图解可见，iB和iC的都是余弦脉 冲，定义θ为半导通角，三极管只在（－ θ ，θ）内导通，当θ<90o时，功率放大器 工作于丙类状态。
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
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
ib
ic
o
eb o
t
VD
谐振功率放大器 波形图
t
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。
不同工作状态时放大器的特点
• 例：已知谐振功率放大器输出功率Po＝4W，ηC＝60％，VCC ＝20V，试求Pc和Ic0。若保持Po不变，将ηC提高到80％，试 问Pc和Ic0减小多少？
解：Po＝4W，ηC＝60％，VCC＝20V，则 PE=Po/ηC =4/0.6≈6.67W Pc= PE －Po=6.67－4=3.67W Ic0= PE /VCC =6.67/20（A）≈333.3mA
ic
iC、uBE和uCE的关系曲线，称动特性曲线
——即交流负载线
C UBE=UBB+Uim
uBE U BB Uim cost uCE UCC Uc1m cost
3点法作图：
t=0，uBE=UBB+Uim； uCE=UCC-Uc1m 得到C点
0 Uc1m
t=/2，uBE=UBB； uCE=UCC 得到 B点