严国萍版通信电子线路第四章高频功率放大器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
n 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0 1 0
≈120
1 0 1 0
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180
(2)放大器的集电极效率：
1 P0 2 Vcm I cm1 1 g1 ( c ) P VCC I C 0 2
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=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+„„
VBB VBZ cos c 故得： Vbm
ic
转移 特性 ic max 理想化 o VBZ vBE
ic
–VBB – c o +c
t –c o +c
必须强调指出： 集电极电流ic虽然是脉冲状， V bm 但由于谐振回路的这种滤 波作用，仍然能得到正弦 波形的输出。
vb vc
Vbm
L 输出
(3)电路工作在丙类工作状态：基级负偏压 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 )
谐振功率放大器的基本电路
根据晶体管的转移特性曲线可得：
Vbmcosc= VBB +VBZ
ic ic
ic ic
Q
o VBZ o
o
VBE
o
小信号谐振放大器 波形图
t
t
t t
VBE
t
谐振功率放大器t 波形图
ic
ic
Q
o
vb e
o
2c
t
小信号谐振放大器 波形图
t
2 c是在一周期内的集电极电流流通角
ic
ic
o VBZ
vBE
E
o
2c
t
谐振功率放大器 波形图
t
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
Chapter4 谐振功率放大器
4.1 4.2 概述 谐振功率放大器的工作原理
4.3
源自文库
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。
（a）vCE VCC vc
11
4.2.2 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。 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：
0 = gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ) 将式(4)与式(5)相减，即得 ic = gcVbm(cost–cosc) 当t=0时，ic= ic max，因此 ic max= gcVbm(1–cos c) (5)
ic max o 2c t
(1)
vCE= VCC–Vcmcost
(3)
将式(2)代入式(1)，得 尖顶余弦脉冲 ic = gc(–VBB+Vbmcost–VBZ) (4) 当t=c时，ic=0，代入上式得 0 = gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ) (5) 即 cos VBB VBZ
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： 1)欠压工作状态： 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。
0 ic 临界线 过压区 gcr 欠压区 vBE
2)过压工作状态： 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。
1. 保持Icm1不变 , 提高Vcm :即输入回路不变 , 调整输出 回路,通过提高RL及UCC以获得大的Vcm , P0; 2. 保持RL不变 , 提高Icm1 :即输出回路不变 , RL及VCC不 变,可调整输入回路,通过提高iCmax及调整θ以获得大的 Icm1 , Vcm , P0 。
I cm1 iC max ( )
a. 保持θ不变 , 增加iCmax ; b. 保持iCmax 不变 , 增加α1(θ) .
a. 保持θ不变 , 增加iCmax : 如提高gc , Vbm和VBB
i B / iC
转移 特性 理想化 o V
BZ
iC
-VBB
- c
+ c
t
vB
v
b
- c 0 + c
0
V bm
Vbm
t
b. 保持iCmax 不变 , 增加α1(θ) : 如调整θ=1200 .
2.0
1.0
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180
① 由上图曲线可知： 1 ( ) 极端情况=0时， g1 (c ) 2 0 ( ) 若此时=1，可达100%，但此时P0=0，无功率输出.
!
n
② 由右图可见： 由前面对功率的讨论可 知:当≈120时，Icm1 /iCmax 达到最大值。即在iCmax 与负载阻抗RL为某定值 的情况下，输出功率将 达到最大值。但此时放 大器处于甲乙类工作状 态，效率太低。
• 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 i
c
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。
(2)谐振回路LC是晶体管的负载
iB + vb – VBE – – + VBB
+ vCE – iE – VCC + C – vc +
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；
放大器的负载不同；
放大器的工作状态不同。
c
Vbm
VBB VBZ cos c Vbm
ic
(6)
转移 特性 ic max 理想化 o VBZ vBE vc
ic
知道Vbm、VBB与VBZ各值， c的值便完全确定。
Vb
m
–VBB – c o +c
t –c o +c
Vbm
t
ic = gc(–VBB+Vbmcost–VBZ) (4)
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。 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。
谐振功率放大器转移特性曲线
t
2、电流与电压波形：
vBE vb VBZ –VBB ib
谐振功率放大器中各部分 电压与电流的关系
t
ic iB + vCE VBE – – + VBB – iE – VCC + C – vc + L 输出
t ic
+ vb –
t vCE Vcm Vcm VCC t
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
谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状 态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信
号，它的负载必须是谐振回路。
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；
Vcm 2 1 1 2 输出交流功率： P V I I 0 cm cm1 cm1 RL 2 2RL 2
Vcm ——回路两端的基频电压幅度 Icm1 ——基频电流幅度 RL ——回路的负载阻抗
讨论:如何提高P0?
1 1 P0 Vcm I cm1 I cm12 RL 2 2
(2)
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。
4.3.3 集电极余弦电流脉冲的分解
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) 它的外部电路关系式 vBE= –VBB+Vbmcost (2)
!
1 0
≈70
1
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0
0 1 0
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180
因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右.
4.3
谐振功率放大器的折线近似分析法
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
折线分析法的步骤：
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、作出不同工作状态下的动态特性曲线；
3、根据激励电压vb的大小在特性曲线上画出对应电流脉
冲ic和输出电压vc的波形；
4、分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压 或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、 效率等指标的。
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。
表 2-1 不同工作状态时放大器的特点 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 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
vCE
ic gc
ic
临界线 过压区 gcr 欠压区 vBE
理想化折线 （虚线） 0
VBZ (a)
vBE
0 (b)
vCE
则转移特性方程可写为 ic =gc(vBE–VBZ) (vBE＞VBZ) (1) 则临界线方程可写为
i c gc vCE 常数 vBE
gc 为转移特性方程的斜率
ic=gcrvCE
Vcm I cm1RL 集电极电压利用系数 VCC VCC
I cm1 1 ( ) g1 (c ) 波形系数，是通角的函数；越小, I C 0 0 ( ) g1 (c ) 越大
1 P0 2 Vcm I cm1 1 g1 ( c ) P VCC I C 0 2
讨论：如何提高效率?
因此，丙类谐振功率放大器提高效率的途径有二： 一是提高电压利用系数 。即提高Vcm,使其尽量接近于VCC.
g1 (c ) . 二是提高波形系数 g1 (c )。 g1 (c ) 是 的函数，减小角可提高
n 0.5
1 0 1 0 1 0 2
=0
0.4 0.3 0.2 0.1 0
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 (a)
vBE
0 (b)
晶体管实际特性和理想折线
vCE
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控制，而与基极电压无关。
Po Po c P Po Pc
4.2.2 谐振功率放大器的功率关系和效率 (1)功率关系
直流电源所供给的直流功率P= ，一部分转变为交流 信号功率P0输出去。 另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Pc 。 根据能量守衡定理： P= =P0+Pc 直流功率：
P VCC IC 0
≈120
1 0 1 0
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180
(2)放大器的集电极效率：
1 P0 2 Vcm I cm1 1 g1 ( c ) P VCC I C 0 2
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=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+„„
VBB VBZ cos c 故得： Vbm
ic
转移 特性 ic max 理想化 o VBZ vBE
ic
–VBB – c o +c
t –c o +c
必须强调指出： 集电极电流ic虽然是脉冲状， V bm 但由于谐振回路的这种滤 波作用，仍然能得到正弦 波形的输出。
vb vc
Vbm
L 输出
(3)电路工作在丙类工作状态：基级负偏压 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 )
谐振功率放大器的基本电路
根据晶体管的转移特性曲线可得：
Vbmcosc= VBB +VBZ
ic ic
ic ic
Q
o VBZ o
o
VBE
o
小信号谐振放大器 波形图
t
t
t t
VBE
t
谐振功率放大器t 波形图
ic
ic
Q
o
vb e
o
2c
t
小信号谐振放大器 波形图
t
2 c是在一周期内的集电极电流流通角
ic
ic
o VBZ
vBE
E
o
2c
t
谐振功率放大器 波形图
t
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
Chapter4 谐振功率放大器
4.1 4.2 概述 谐振功率放大器的工作原理
4.3
源自文库
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。
（a）vCE VCC vc
11
4.2.2 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。 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：
0 = gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ) 将式(4)与式(5)相减，即得 ic = gcVbm(cost–cosc) 当t=0时，ic= ic max，因此 ic max= gcVbm(1–cos c) (5)
ic max o 2c t
(1)
vCE= VCC–Vcmcost
(3)
将式(2)代入式(1)，得 尖顶余弦脉冲 ic = gc(–VBB+Vbmcost–VBZ) (4) 当t=c时，ic=0，代入上式得 0 = gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ) (5) 即 cos VBB VBZ
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： 1)欠压工作状态： 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。
0 ic 临界线 过压区 gcr 欠压区 vBE
2)过压工作状态： 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。
1. 保持Icm1不变 , 提高Vcm :即输入回路不变 , 调整输出 回路,通过提高RL及UCC以获得大的Vcm , P0; 2. 保持RL不变 , 提高Icm1 :即输出回路不变 , RL及VCC不 变,可调整输入回路,通过提高iCmax及调整θ以获得大的 Icm1 , Vcm , P0 。
I cm1 iC max ( )
a. 保持θ不变 , 增加iCmax ; b. 保持iCmax 不变 , 增加α1(θ) .
a. 保持θ不变 , 增加iCmax : 如提高gc , Vbm和VBB
i B / iC
转移 特性 理想化 o V
BZ
iC
-VBB
- c
+ c
t
vB
v
b
- c 0 + c
0
V bm
Vbm
t
b. 保持iCmax 不变 , 增加α1(θ) : 如调整θ=1200 .
2.0
1.0
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180
① 由上图曲线可知： 1 ( ) 极端情况=0时， g1 (c ) 2 0 ( ) 若此时=1，可达100%，但此时P0=0，无功率输出.
!
n
② 由右图可见： 由前面对功率的讨论可 知:当≈120时，Icm1 /iCmax 达到最大值。即在iCmax 与负载阻抗RL为某定值 的情况下，输出功率将 达到最大值。但此时放 大器处于甲乙类工作状 态，效率太低。
• 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 i
c
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。
(2)谐振回路LC是晶体管的负载
iB + vb – VBE – – + VBB
+ vCE – iE – VCC + C – vc +
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；
放大器的负载不同；
放大器的工作状态不同。
c
Vbm
VBB VBZ cos c Vbm
ic
(6)
转移 特性 ic max 理想化 o VBZ vBE vc
ic
知道Vbm、VBB与VBZ各值， c的值便完全确定。
Vb
m
–VBB – c o +c
t –c o +c
Vbm
t
ic = gc(–VBB+Vbmcost–VBZ) (4)
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。 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。
谐振功率放大器转移特性曲线
t
2、电流与电压波形：
vBE vb VBZ –VBB ib
谐振功率放大器中各部分 电压与电流的关系
t
ic iB + vCE VBE – – + VBB – iE – VCC + C – vc + L 输出
t ic
+ vb –
t vCE Vcm Vcm VCC t
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
谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状 态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信
号，它的负载必须是谐振回路。
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；
Vcm 2 1 1 2 输出交流功率： P V I I 0 cm cm1 cm1 RL 2 2RL 2
Vcm ——回路两端的基频电压幅度 Icm1 ——基频电流幅度 RL ——回路的负载阻抗
讨论:如何提高P0?
1 1 P0 Vcm I cm1 I cm12 RL 2 2
(2)
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。
4.3.3 集电极余弦电流脉冲的分解
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) 它的外部电路关系式 vBE= –VBB+Vbmcost (2)
!
1 0
≈70
1
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0
0 1 0
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180
因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右.
4.3
谐振功率放大器的折线近似分析法
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
折线分析法的步骤：
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、作出不同工作状态下的动态特性曲线；
3、根据激励电压vb的大小在特性曲线上画出对应电流脉
冲ic和输出电压vc的波形；
4、分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压 或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、 效率等指标的。
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。
表 2-1 不同工作状态时放大器的特点 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 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
vCE
ic gc
ic
临界线 过压区 gcr 欠压区 vBE
理想化折线 （虚线） 0
VBZ (a)
vBE
0 (b)
vCE
则转移特性方程可写为 ic =gc(vBE–VBZ) (vBE＞VBZ) (1) 则临界线方程可写为
i c gc vCE 常数 vBE
gc 为转移特性方程的斜率
ic=gcrvCE
Vcm I cm1RL 集电极电压利用系数 VCC VCC
I cm1 1 ( ) g1 (c ) 波形系数，是通角的函数；越小, I C 0 0 ( ) g1 (c ) 越大
1 P0 2 Vcm I cm1 1 g1 ( c ) P VCC I C 0 2
讨论：如何提高效率?
因此，丙类谐振功率放大器提高效率的途径有二： 一是提高电压利用系数 。即提高Vcm,使其尽量接近于VCC.
g1 (c ) . 二是提高波形系数 g1 (c )。 g1 (c ) 是 的函数，减小角可提高
n 0.5
1 0 1 0 1 0 2
=0
0.4 0.3 0.2 0.1 0
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 (a)
vBE
0 (b)
晶体管实际特性和理想折线
vCE
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控制，而与基极电压无关。
Po Po c P Po Pc
4.2.2 谐振功率放大器的功率关系和效率 (1)功率关系
直流电源所供给的直流功率P= ，一部分转变为交流 信号功率P0输出去。 另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Pc 。 根据能量守衡定理： P= =P0+Pc 直流功率：
P VCC IC 0