通信电路知识-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)。
Chapter 6 高频功率放大器
§6.1 概述 §6.2 谐振功率放大器的工作原理 §6.3 晶体管谐振功率放大器的
折线近似分析法 §6.4 晶体管功率放大器的高频特性 §6.5 高频功率放大器的电路组成
§6.1 概述
1、使用高频功率放大器的目的
放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。
2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个 问题
2
–VBZ2
2
5 2
vB
Vbm vb
高频功率放大器中各部
(b)
分电压与电流的关系
回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。
回路是由L、C二个储能元件组成。
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(接近电源电压)，晶体管截止。
–
iB eb –
+
ec C –
iE
L
– +vc
输出
谐振回路LC是晶体管的负载
–+ VBB
–
+
VCC
电路工作在丙类工作状态
谐振功率放大器的基本电路
外部电路关系式： eb VBB Vbm cost ec VCC Vcm cost
晶体管的内部特性：ic gc (eb VBZ )
故晶体管的转移特性曲线表达式：
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
ic
ic
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同
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。
然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功 率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
–+
–+ C
iL
L
+–
ic + –
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。
2、谐振功率放大器的功率关系和效率
由前述所知：
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。
谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带 宽度只有其中心频率的1%或更小)，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。
①高效率输出 ②高功率输出
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。
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：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。
ic
ic
有一部分功率以Baidu Nhomakorabea能的形式消耗在集电极上，成为集 电极耗散功率。
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；
根据能量守衡定理： 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
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
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
功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率
§6.2 谐振功率放大器的工作原理
1、原理电路
ic
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。 vb
Vbmcosc= VBB +VBZ
ic
ic
转移
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，但由于谐振回路的这
ic max
理想化
–VBB
t
+c o VBZ o
–c
eb +c o –c vc
Vbm
Vbm
t
种滤波作用，仍然能得到正弦波 形的输出。
谐振功率放大器转移特性曲线
T0
ic ecdt
可见使ic在ec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+……
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
)
越大(即Vcm越大或ecmin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的途径即为减小c角；使LC 回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应ec的最小值。
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
eb vb
ib
ic
VBZ
t –VBB
t
t ec
Vcm
Vcm
VCC
高频功率放大器中各分
t 电压与电流的关系
（a） ec VCC vc
11
电 流
或 电 压
Vcm
vc
ic
ec VCC
ic
ic max ec min
VBZ
eb max
t
o c
3
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%
§6.1 概述 §6.2 谐振功率放大器的工作原理 §6.3 晶体管谐振功率放大器的
折线近似分析法 §6.4 晶体管功率放大器的高频特性 §6.5 高频功率放大器的电路组成
§6.1 概述
1、使用高频功率放大器的目的
放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。
2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个 问题
2
–VBZ2
2
5 2
vB
Vbm vb
高频功率放大器中各部
(b)
分电压与电流的关系
回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。
回路是由L、C二个储能元件组成。
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(接近电源电压)，晶体管截止。
–
iB eb –
+
ec C –
iE
L
– +vc
输出
谐振回路LC是晶体管的负载
–+ VBB
–
+
VCC
电路工作在丙类工作状态
谐振功率放大器的基本电路
外部电路关系式： eb VBB Vbm cost ec VCC Vcm cost
晶体管的内部特性：ic gc (eb VBZ )
故晶体管的转移特性曲线表达式：
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
ic
ic
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器 波形图
t
4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同
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。
然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功 率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
–+
–+ C
iL
L
+–
ic + –
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。
2、谐振功率放大器的功率关系和效率
由前述所知：
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。
谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带 宽度只有其中心频率的1%或更小)，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。
①高效率输出 ②高功率输出
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。
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：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。
ic
ic
有一部分功率以Baidu Nhomakorabea能的形式消耗在集电极上，成为集 电极耗散功率。
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；
根据能量守衡定理： 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
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
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
功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率
§6.2 谐振功率放大器的工作原理
1、原理电路
ic
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。 vb
Vbmcosc= VBB +VBZ
ic
ic
转移
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，但由于谐振回路的这
ic max
理想化
–VBB
t
+c o VBZ o
–c
eb +c o –c vc
Vbm
Vbm
t
种滤波作用，仍然能得到正弦波 形的输出。
谐振功率放大器转移特性曲线
T0
ic ecdt
可见使ic在ec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+……
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
)
越大(即Vcm越大或ecmin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的途径即为减小c角；使LC 回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应ec的最小值。
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
eb vb
ib
ic
VBZ
t –VBB
t
t ec
Vcm
Vcm
VCC
高频功率放大器中各分
t 电压与电流的关系
（a） ec VCC vc
11
电 流
或 电 压
Vcm
vc
ic
ec VCC
ic
ic max ec min
VBZ
eb max
t
o c
3
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%