高频课件 第4章讲解

第 4 章 高频功率放大器
4.1 概述 4.2 谐振功率放大器的工作原理 4.3 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
4.1 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
c
)
1
0.5 0.4 2.0
0
0.3 0.2 1.0
01 2
0.1 0
3100° 140° 20°40°60°80° 120° 160°180° c
尖顶脉冲的分解系数
n
(c
)

2
p

sin
nc cosc n cos nc sin n(n2 1)(1 cosc )
c
–
iB eb –
+
ec C –
iE
L
– +vc
输出
谐振回路LC是晶体管的负载
–+ V BB
–
+
V CC
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 )
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hc，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
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
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%＜h＜78.5% h＞78.5% 90%~100%
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。
Vcm VCC
g1(c )

Icm1 Ic0
集电极电压利用系数 波形系数，通角c的函数；c越小g1(c)越大
故谐振功率放大器的工作特点： 基极偏置为负值；半通角c＜90，即丙类工作状态；负
载为LC谐振回路。
4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
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。
4.2 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
一、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。
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。
根据能量守衡定理： PDC= Po+ Pc
故集电极效率：hc

Po PDC

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hc自然 会提高。这样，在给定PDC时，晶体管的交流输出功率Po 就会增大；
2）
由式 Po


1
hc hc
Pc
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。
三、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。
尖顶脉冲的分解系数
四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性
1. 谐振功率放大器的动态特性
高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、 供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。
为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就 应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎 样的变化。
如果VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工作 状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电 压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负 载特性。
方程：
ic
gc VBB

Vbm
(VCC ec ) Vcm
VBZ
右图可见：
当c≈120时，Icm1/icmax 达到最大值。在Ic max与 负载阻抗Rp为某定值的 情况下，输出功率将达 到最大值。这样看来， 取c=120应该是最佳通 角了。但此时放大器处 于甲级工作状态效率太 低。
n 10
1
0.5
0
0.4 2.0
0.3 0.2 1.0
01 2
故晶体管的转移特性曲线表达式：
Vbmcosc= VBB +VBZ
ic 转移
ic
特性
故得：
cos c

VBB VBZ Vbm
必须强调指出，集电极电流ic虽
ic max
–VBB
理想化
+c
o VBZ
eb
o
–c
vc
t +c o –c
Vbm
然是脉冲状，但由于谐振回路的
Vbm
t
这种滤波作用，仍然能得到正弦 谐振功率放大器转移特性曲线 波形的输出。
当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为
eb= –VBB+Vbmcost ec= VCC–Vcmcost
消去cost可得， eb=
–VBB+Vbm
VCC ec Vcm
另一方面，晶体管的折线化方程为 ic = gc(eb–VBZ)
得出在ic–ec坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)
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。
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。
PDC=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；
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
o
eb o
t
V BZ
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。
晶体管的内部特性为： ic=gc(eb–VBZ)
它的外部电路关系式 eb= –VBB+Vbmcost ec= VCC–Vcmcost
当t=0时，ic= ic max 因此，ic max= gcVbm(1–cos c)
ic max
o
t
2c
尖顶余弦脉冲
若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数
ic =Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+…+Icmncosnt+…
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–+ C
iL
L
+–
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
ic + – LC回路能量转换过程
截止。
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。
0.1 0
3100° 140° 20°40°60°80° 120° 160°180° c
尖顶脉冲的分解系数
由于：
hc

Po P

1 VcmIcm1 2 VCCIc0

1 1(c ) 2 n (c )

1 2
g1(c
)
n
10
g1(c )

1(c ) 0 (c )
直流功率：
PDC=VCCIc0
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：
hc

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hc越高。因此，丙 类谐振功率放大器提高效率hc的途径即为减小c角；使LC
由傅里叶级数的求系数法得
n 10
IC0 iC max0 C Icm1 iC max(C ) Icmn iC maxn (C )
其中：
0
(c
)

sin c p (1
c cosc cosc )
1
(
c
)

c cosc sin p (1 cosc
折线分析法的主要步骤：
1、测出晶体管的转移特性曲线ic~ eb及输出特性曲线ic~ ec， 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、是根据激励电压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
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
二、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 g cr
欠压区
eb
理想化折线 （虚线）
0
eb
V BZ
0
ec
( a)
( b)
晶体管实际特性和理想折线
由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流 只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。
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+……
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
V BZ t
–VBB t
t ec
V cm
V cm
V CC
（a） ec VCC vc
高频功率放大器中各分电
t
压与电流的关系
或电压 电流
Vcm
vc
ic
ec VCC
ic
ic max ec min o c
VBZ
p 2
则 ic =gc(eb–VBZ) (eb＞VBZ)
gc

i c e b
ec
常数
若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrec
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。
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
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。
－波形系数
0.5 0.4 2.0
1 0
由曲线可知：
极端情况c=0时，
g1(c )

1(c ) 0 (c )

2
此时=1，hc可达100%
0.3 0.2 1.0
01 2
0.1 0
3100° 140° 20°40°60°80° 120° 160°180° c
因此，为了兼顾功率与效率， 最佳通角取70左右。
p 3p
–VBZ 2
2p
eb max
5p 2
t
vB
Vbmvb
( b)
高频功率放大器中各部分 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