高频功率放大器原理详解

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 – + L 流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电 C + – iL 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， ic + – 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，电容通过电感放电，下 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。
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。
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
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
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。
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 ic=gcrvCE (2)
(b) cos t
电或 流电 压
ic ic max
vcE min
Vcm vc VCE VCC vBE
–VBB
ic VBE max t
o c
VBZ
2
3 2
2
5 2
Vbmvb
高频功率放大器中各部 分电压与电流的关系
(b)
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。
集电极电压利用系数:
I cm1 波形系数: g1 (c ) I c0
Vcm ----- 回路两端的基频电压 Icm1 ----- 基频电流 Rp ------ 回路的谐振阻抗
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, 属于非线性工作状态； i · 基极偏置为负值,半通角c＜90， 即丙类工作状态； · 电流脉冲是尖顶余弦脉冲； · 负载为LC谐振回路。
ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+„„
直流功率： P==VCC Ic0 输出交流功率：
2 Vcm 1 2 1 Po Vcm I cm1 I cm1 R p 2 2R p 2
1 Po 2 Vcm I cm1 1 放大器的集电极效率： g1 (c ) c P VCC I c 0 2
c
Po Po P 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 Po就会增大； c 2） 由式 Po 1 Pc 可知 c 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。
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。
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
L – vc + 输出
谐振功率放大器的基本电路
外部电路关系式： vBE VBB Vbm cos t vCE VCC Vcm cos t 晶体管的内部特性： ic g c (vBE VBZ )
根据晶体管的转移特性曲线可得： ic
Vbmcosc= VBB +VBZ
转移 特性 ic max 理想化 o VBZ vBE vc
ic
故得： cos c
VBB VBZ Vbm
–VBB –c o +c Vbm Vbm
t
t –c o +c
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
2、电流与电压波形：
vBE vb VBZ –VBB ib
ic 临界线 过压区 gcr 欠压区 vBE
0 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。
vCE
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 vCE= VCC–Vcmcost (2) (3)
ic max o 2c
尖顶余弦脉冲
(1)
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 0 = gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ) (5) 即
t
V VBZ cos c BB Vbm
ic
(6)
转移 特性 ic max 理想化 o VBZ vBE vc
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。
i c gc vCE 常数 vBE
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： 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。
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；宽带高频功率放大器以宽带传输 线为负载。
谐振功率放大器中各部分 电压与电流的关系
t
ic iB + vcE C – vc + L 输出
t ic
+ vb –
VBE – – + VBB
– iE – VCC +
t vCE Vcm Vcm VCC t
（a）vCE
VCC vc
11
v CE VCC Vcm cos t
v CE iC Vcm vCE
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
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 4.3
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。
电或 流电 压
ic
vcE min
CE v
Vcm vc
vcE
VCC
ic vBE max t
c max
o c
VBZ
2
–VBZ 2
3
2
5 2
vB Vbmvb
(b)
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。
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 + iB (1)晶体管的作用是在将供电 vcE C 电源的直流能量转变为交流能 + VBE – 量的过程中起开关控制作用。 vb – i E – (2)谐振回路LC是晶体管的负载
(3)电路工作在丙类工作状态
– + VBB – VCC +
t
ic
ic
o VBZ
vBE
E
o
2c
t
t
谐振功率放大器 波形图
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；
如何减小集电极耗散功率Pc
1 T 晶体管集电极平均耗散功率： 0 ic vCE dt T 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
–VBB –c o +c Vb
m
t –c o +c
Vbm
t
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 ic = gcVbm(cost–cosc) (7) 当t=0时，ic= ic max，因此 ic max ic max= gcVbm(1–cos c) (8)
ic ic
ic ic
Q
o
o
VBE
o
小信号谐振放大器 波形图
t
t t
o VBZ
VBE
t
谐振功率放大器t 波形图
t
ic
ic
Q
o
vb e
o
2c
t
小信号谐振放大器 波形图 2c是在一周期内的集电极电流流通角，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
– +
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。 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：
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。
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。
v ic maxCE min
或电压 电流 o c
iC VCC VBZ
－ BB V
Байду номын сангаас
v bE max
t
1 Pc T

T 0
iC v CE dt
vBE
Vbm
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；
v BE VBB Vbm