高频功率放大器(13)

I Cm 1 I CO
1 0
( c ( c
) )
称为波形系数，是导通角
c
的函数，通
常可查表求出。
c
Po P
Po Po Pc
1 2
VCm
1
I
Cm
1
VCC ICO
1 2
g1
c
VCm 1
VCC
g1 c
ICm 1 I CO
1 ( c ) 0 ( c )
讨论： (1)
VCm1 VCC
I cm1R p c ost Vcm1 c ost
iC
+ VBE _
4.集电极电压、电流和基级电压的波形
晶体管集电极电压：VCE VCC Vcm1 cost
晶体管基级电压： VBE VBB Vbm cost
晶体管集电极的电流： ic
ic max
cost cos c 1 cos c
高频功率放大器
6.1.2 高频功放的分类和特点
高频功放分类：1）窄带型：以谐振回路作为负载，选频范围
很窄。主要用于放大等幅信号， 例如载波信号、调频信号； 2）宽带型：采用工作频带很宽的传输线变 压器或者其他宽带匹配网络作为 负载。主要用于实现功率合成。
高频功放特点：1)放大高频大信号；
2)工作在丙类状态会伴随严重的失真问题; 3)重点解决失真与效率问题； 4)采用谐振负载解决失真。
折线近 将电子器件的特征曲线用折 物理概念清楚，分
似分析 线段来表示，然后对放大器 析工作状态方便
法
的工作状态进行分析计算
缺点
对工作状态的 分析不方便， 手续较复杂
计算准确度较 低
6.1.4 高频功放与其他放大器的比较
与低频功放的比较：
共同点：输出功率大、效率高
不同点：
工作频率 相对带宽 工作状态 负载 效率
(R jnL) 1
对于谐波nω的阻抗为：
(Z p )n
p2
R
jnC j(nL 1 )
nC
由于Q L / R 10 1，故nL R，同时2LC 1，所以上式可化简为：
jnL 1
(Z p )n
p2
jnC jp2 j(nL 1 )
nL nC(nL
1
j
np2LQ
)
nC(nL 1
)Q
nC
ICm1 RP VCC
， RP
c
(2)
g1c
ICm1 ICO
，一般有：c
g1
c
c
(3) c
Po Po Pc
Po
c
1 c
Pc
当晶体管允许的耗散功率一定时， c Po
6.3 晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法
• 6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 • 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解 • 6.3.3 高频功率放大器的动态特性 • 6.3.4 高频功率放大器的负载特性 • 6.3.5 各极电压对工作状态的影响
本章重点：
1. 谐振功率放大器的工作原理 2. 高频功率放大器的动态特性和负载特性 3. 高频功率放大器的电路组成 4. 功率合成器的工作原理
本章难点：
1. 高频功率放大器的动态特性和负载特性的分析 2. 功率合成器的工作原理
6.1 概述
6.1.1 功放的分类 6.1.2 高频功放的分类和特点 6.1.3 高频功放的技术指标和分析方法 6.1.4 高频功放与其他放大器的比较
③ 并联谐振回路由于iC所产生的电压降vC也几乎只 包含基频。
④ 能得到正弦波形的输出。
3.集电极输出电压
ic 经 LC 并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻 RP
（最大值），而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因而回路选出 基波电压Vc1 ，而滤除各次谐波电压。
故回路输出的基波电压：
Vc1 ic1 R p
低频 低 功放 （20Hz-
30KHz）
宽
fmax / fmin 1000
甲类、甲 无调谐 低 乙类、推 负载
挽乙类
高频 高（一个
窄
功放 工作中心 f / f0
频率 f0） 百分之零点几 到百分之几
丙类
选频网 高 络
与高频小信号调谐放大器比较：
共同点：放大的都是高频信号，且负载均为谐振网络
不同点：
ic m ax 0
c
Icm1
1
2
c c
ic
costd (t)
ic
m
ax
(
1
c
imc cosc 1 cosc
)
ic max1
c
Icmn
1 2
c c
ic
c
osntd
(t)
ic
max
2
sin
nc cosc c cosnc
n n2 1 1 cosc
sin
c
)
ic
max
n
c
式中：(1) 0 c ，1c ，…，nc 称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
ic max
cos t cos c 1 cos c
若对ic 分解为付里叶级数为：
ic Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
iC
iC1
ICO
其中各系数分别为：
iC2
1
Ic0 2
ic
d
(t
)
ic m
ax
s
in
c c cosc 1 cosc
② 作出动态特性曲线
③ 根据激励电压的大小在已知理想特性曲线上作出对应电流脉冲iC和输 出电压vC的波形
④ 求出iC的各次谐波分量，结合给定的负载谐振阻抗的大小，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。
5、晶体管特性曲线的理想化及其解析式
iC gc (vB VBZ )
iC gcrvC
gC
VBE C C Vb
2.集电极电流ic
iC
ic gc VBB Vbm cost VBZ
由于当 t c 时， ic 0
+ VBE _
Vbm cosc VBB VBZ
ic gc Vbm cost (VBB VBZ )
gc Vbm cost Vbm cos c gcVbm cost cos c
iC
+ VBE _
6.2.3. 高频功放的功率关系
(1) 集电极电源提供的直流功率：P VCC I C 0
(2) 集 电 极 输 出 交 流 功 率 （ 负 载 上 得 到 的 功 率 ）
P0
1 2 VCm1 I Cm1
1 2
I2 Cm1
RP
V 2Cm1 2RP
（注意 RP
为回路谐振阻抗）
(3) 集电极耗散功率Pc ， Pc P Po
1.功率放大器的作用原理： 利用输入到基级的信号，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出去。
假设：P==直流电源供给的直流功率 Po=交流输出信号功率 Pc=集电极耗散功率
则，由能量守恒定律可
得：P==Po+Pc
为了说明放大器的转换能力，采用集电极效率η ，其定义为： c
nC
nC
j
n Q(n2
1)
(Z
p
)
iC
可知，回路对高次谐波呈电容性阻 抗。且各次谐波的阻抗与基频阻抗
+ VBE _
之比很小，可认为是短路的。
结论：
① iC呈脉冲状，且包含很多谐波，失真很大。 ② 集电极电路内采用并联谐振回路，如使其谐振
于基频，那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻 抗，而对谐波的阻抗则很小，可视为短路。
c
Po P
Po Po Pc
两点结论：
Po
( c 1c
) Pc
1）降低Pc则ηc提高， P=一定时， Po增大 2）若Pc不超过规定值，则ηc提高，将使Po大为增加， P=
也相应提高。
2.集电极电流ic
设输入信号电压:
Vb Vbm cost
则加到晶体管基极,发射级的
有效电压为:
VBE Vb VBB VBB Vbm cost
6.1.1 功放的分类
按工作状态分：
A（甲）类：导通角为 180o
AB（甲乙）类：导通角为 90 o
B（乙）类：导通角为 90o
C（丙）类：导通角为 90 o
甲类放大器适用于小信号低功率放大；乙类和丙类适用于 大功率放大；甲乙类放大器当小信号时工作在甲类，当大信 号时工作在乙类。
按工作频率分： 低频功率放大器
6.1.3 高频功放的技术指标和分析方法 技术指标：
功率与效率
分析方法：
放大器处于非线性工作状态，高频小信号谐振放大 器的一套线性模型在这里已完全不能用，只能用图解 法或折线近似分析法来分析功率放大器。
分析方法
优点
图解法 利用电子器件的特性曲线来 从客观实际出发， 对它的工作状态进行计算 计算结果比较准确
(4) 集电极能量转换效率c ：
c
Po P
Po Po Pc
n
,
1 0
1
1 2
VCm
1
I
Cm
1
VCC ICO
1 2
g1
c
0.5
0.4 0.3 0.2
其中：
VCm 1 VCC
0.1
为集电极电压利用系数；0
0
2 1 0
20o 40o60o 80o103 0o120o140o160o180o
g1 c
6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解
• 1、余弦电流脉冲的表达式 • 2、余弦电流脉冲的分解系数
6.3.3 高频功率放大器的动态特性
• 1、动态特性和静态特性
1）晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻 抗的条件下获得的。例如vC不变，iC－vB的关系曲 线就是静态特性曲线－转移特性曲线。
2）动态特性：如果集电极电路有负载阻抗，则当改 变vB使iC变化时，由于负载上有电压降，就必然引 起vC的变化。即在考虑了负载的反作用后，所获 得的vC、vB与iC的关系曲线就是动态特性曲线。最 常用的是当vC、vB同时变化时， iC－vC关系的动态 特性曲线。
一般可以根据 c 的数值查表求出各分解系数的值。
(2) Ic0 ， Icm1 ， Icm2 ，…，Icmn …为直流及基波和各次谐波的振幅。
例题：试求高频功率放大器的基本电路中并联谐振回路各次谐波
与基频的阻抗值之比。已知回路Q＝10，回路谐振于基频。
解：并联谐振回路的谐振阻抗为：(Z p ) Rp p2QL
﹜ 中频区要考虑晶体管各个结电容的作用
高频区需进一步考虑引线电感的作用
分析和计算 相当困难。
6.2.1 基本电路结构
除电源和偏置电路外， 主要由三个部分组成： 晶体管：
大功率晶体管， 能承受高电压，大 电流。
输入激励电路：提供所需信号电压；
输Baidu Nhomakorabea谐振回路：（1）滤波选频，(2)阻抗匹配。
6.2.2 工作原理分析
• 3、晶体管静态特性曲线折线化 两种曲线：输出特性曲线、转移特性曲线。
输出特性曲线：基极电流（电压）恒定，集电极电流与集 电极电压的关系曲线。
转移特性曲线：集电极电压恒定，集电极电流与基极电压 的关系曲线。
• 4、折线分析法的主要步骤：
① 测出晶体管的输出特性曲线与转移特性曲线，并将这两组曲线作理想 化折线处理
由晶体管的转移特性曲线可以看出：
当VBE VBZ ， ic 0
ic
当VBE VBZ ，ic gc VBE VBZ
式中 gc为： 折线的斜率 gc
有
ic VBE
vce 常 数
-•VBB
C
V•BZ
ic g c V BB Vbm cos t V BZ C
Vbm
iC
+ VBE _
ic •
第六章 高频功率放大器
知识结构：
6.1 概述 6.2 高频功率放大器的工作原理 6.3 高频功率放大器的折线近似分析法 6.5 高频功率放大器的电路组成 6.9 功率合成器 6.10 晶体管倍频器
学习目标：
1. 掌握高频功率放大器的工作原理 2. 掌握高频功率放大器的折线近似分析法 3. 熟悉高频功率放大器的电路组成原则 4. 掌握功率合成器的工作原理 5. 了解倍频器的工作原理
6.2 高频功率放大器的工作原理
6.2.1 基本电路结构 6.2.2 工作原理分析 6.2.3 功率关系
晶体管的工作情况与频率有极其密切的关系，把其工 作频率范围划分为三个区域：
低频区： f 0.5 f
中频区：0.5 f f 0.2 fT
fT f
高频区：0.2 fT f fT
低频区可以不考虑其等效电路中的电抗分量等影响，可 以用与分析电子管高频功率放大器类似的方法来分析。
6.3.1 晶体管特性曲线的理想化 及其解析式
• 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 组折线代替晶体管特性曲线后进行分析和计算的方法。
实质：用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲 线。
• 2、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。
关键在于求出电流的直流分量和基频分量。
ic
ic
•
又当t 0 时， icmax gcVbm 1 cosc
gC
icmax
gcVbm
ic max
1 cos c
代入ic 有：
• • -VBB
C
-VBZ
VBE C C
ic
ic max
cos t cos c 1 cos c
C
Vbm
Vb
尖顶余弦脉冲的数学表达式
2.集电极电流ic
ic
高频功 率放大 器
高频小 信号放 大器
放大 谐振网络的作用 对象
高频 从失真的集电极电流 大信 脉冲中选出基波、滤 号 除谐波，从而得到不
失真的信号输出
高频 抑制干扰信号 小信 号
工作 状态 丙类
甲类
分析方 法
图解法 或者解 析近似 分析法
线性等 效电路
质量指标 功率和效率
增益、通频带、 选择性、稳定 性和噪声系数