第5章-高频功率放大器

2019/11/1
3
三、高频功率放大器与低频功率放大器的区别
共同点是：输出功率大和效率高
不同点是： 1、低频功率放大器的工作频率低，20Hz～20kHz，相对 频带宽。因此都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等； 高频功率放大器的工作频率高，几百kHz～几百MHz，相 对频带窄。因此，一般都采用选频网络作为负载回路。
注意, 在过压状态时, iC波形的顶部发生凹陷, 这是由于 进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。
2019/11/1
22
P=
RP
RP
2019/11/1
23
三种工作状态的优缺点：
临界状态的优点是输出功率最大，效率也较高，可以说是最佳工作 状态。这种工作状态主要用于发射机末极。
过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱 过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。它常用于需要维持输出 电压比较平稳的场合。例如发射机的中间放大器。

cos cos )
ic maxa0 ( )
I c1

ic
m
a
x
sin cos (1 cos )
ic maxa1( )

Icn

ic
m
a
x
2
sin n cos 2n sin n (n2 1)(1 cos

c
cosn os )
1）在给定的 P=时，降低PC，则 c 自然会提高。这样，晶体管的交流输出功率
PO就会增大。
2）维持晶体管的集电极耗散不超过规定值，提高集电极效率，将使交流输出功 率大为增加。
2019/11/1
5
如何减小集电极耗散？
集电极耗散的瞬时功率为：
pC iCvC
如果使iC只有在vC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。iC需是脉冲状。 电流通角2C 180o 即工作在丙类状态
欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输 出电压又不稳定，因此一般较少采用。但在基极调幅可以使用。
2019/11/1
24
三、各级电压对工作状态的影响
1
若VBB、VCC、Rp三个参数固定, 输入Vbm变化, 此时输出Vcm以 及Po、η等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。
2019/11/1
ic maxan ( )
(n 1)
2019/11/1
9
2019/11/1
10
2、功率关系
由于负载调谐在基波上，所以输出端只有基波分量，并且
v o
Vcm cost

Rp Icm1 cost
（Rp

p2
L ，R为电感的损耗电阻） CR
vC VCC Vcm cost
vBE VBB Vbm cost
(3) 丙类谐振功放在进行功率放大的同时, 也可进行振幅调制。若调制 信号加在基极偏压上, 功放应工作在欠压状态； 若调制信号加在集电极 电压上, 功放应工作在过压状态。
(4) 回路等效总电阻Rp直接影响功放在欠压区内的动态线斜率, 对功放 的各项性能指标关系很大, 在分析和设计功放时应重视负载特性。
1、前者放大的是大信号，后者放大的是小信号 2、前者为非线性电路（分析方法为折线分析法）；后者 为线性电路（用y参数等效电路分析法） 3、前者通常工作于丙类状态，后者工作于甲类状态 4、质量指标不同：前者为输出功率大、效率高以及输出 中的谐波分量应尽量小，以免对其他频道产生干扰；后者 有增益、选择性、通频带、稳定性、噪声系数等。
25
利用折线化转移特性分析丙类工作时iC波形随Vbm变化的关系，并给出 了Vcm、Icm1和Ic0与Vbm的关系曲线。 由于Vbm的变化将导致θ的变化，从 而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化，所以利用输出特性分析
放大特性不方便。
由图可以看到, 在欠压状态时，Vcm随Vbm增大而增大, 但不成线性关系， 因为θ也会随之增大，使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类 或乙类工作状态时，θ固定为180°或90°, 不会随Vbm的变化而变化，此 时Vcm与Vbm才成正比关系。在过压状态, 随着Vbm增加，Vcm几乎保持不 变。
2019/11/1
26
2 调制特性
(1) 集电极调制特性。
若VBB、Rp和Vbm固定, 输出电压振幅Vcm随集电极电压 VCC变化的规律被称为集电极调制特性。
由图可以看到, VCC的变化使得静态工作点左右平移, 从 而使欠压区内的动态线左右平移, 动态线的斜率不变。 在 欠压状态时, 当VCC改变时，Vcm几乎不变。 在过压状态时， Vcm随VCC而单调变化。所以, 此时功放应工作在过压状态, 才能使VCC时对Vcm有控制作用， 即振幅调制作用。
则
iC gc (VBB Vbm cost VBZ )
当t C时，iC 0
则
VBB Vbm cosC VBZ 0
故得
cosC

VBZ VBB Vbm
iC gcVbm (cost cosC )
iC max gcVbm (1 cosC )
则
iC
2、低频功率放大器工作于甲类、甲乙类或乙类状态； 高频功率放大器则一般都工作于丙类。
2019/11/1
4
§5.2 谐振功率放大器的工作原理
一、获得高效率所需要的条件
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
P PO PC
c

PO P

PO PO PC
第5章 高频功率放大器
1、熟练掌握高频谐振功率放大器的工作原理、特性分 析 2、正确理解馈电电路和匹配网络在高频谐振功率放大 器中的应用 3、了解丙类倍频器的工作原理 4、了解传输线变压器的工作原理
2019/11/1
1
§5.1 概述
一、高频功率放大器的分类
2019/11/1
2
二、高频功率放大器与高频小信号放大器的比较
2019/11/1
20
过压 vBE max vBB Vbm
欠压
临界
2019/11/1
三种不同斜率情况下的动态线及波形分析
21
动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和 放大区的交点处(此点称为临界点), 相应的输出电压振幅 Ucm2增大,晶体管工作在临界点、放大区和截止区。
动态线A3B3的斜率最小, 即对应的负载Rp最大, 相应的 输出电压振幅Ucm3比Ucm2略为增大, 晶体管工作在饱和区、 放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同, 这三种 工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态, 而放 大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。
直流电源VCC所供给的直流功率为
P VCC IC0
回路可吸取的基频功率为
PO

1 2
Vcm
I
cm1

Vc2m 2Rp

1 2
I
2
cm1
Rp
集电极耗散功率为
2019/11/1
PC P PO
11
放大器的集电极效率为：
C

PO P

1 2
Vcm
Icm1
VCC ICO

1 2

g1
(c
基极调制的目的是使Vcm随VBB的变化规律而变化, 所以功放应工作在欠压状态, 才能使VBB对Vcm有控制作 用。
2019/11/1
29
2019/11/1
30
4 小结
(1) 若对等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在临界状态, 此时输出 功率最大, 效率也接近最大。
(2) 若对非等幅信号进行功率放大, 应使功放工作在欠压状态, 但线性较 差。若采用甲类或乙类工作, 则线性较好。
2019/11/1
6
谐振功率放大器的基本工作原理
1、原理电路
u ()
＋
ibB V ＋
uce
ub
ube － －
ic －
uc CL
＋
2019/11/1
VEBbB
VCECc
R
7
2019/11/1
vBE VBB Vbm cost
iC gc (vBE VBZ )
( t 2k ) C )
2019/11/1
27
2019/11/1
28
(2) 基极调制特性 若VCC、Rp和Vbm固定, 输出电压振幅Vcm随基极偏
压VBB变化的规律被称为基极调制特性。 由于V的振幅Vbm的变化对输出电流iC 和输出电压振幅Vcm的影响是类似的。
)
Vcm (集电极电压利用系数）
VCC
g1(c )

I cm1 ICO

iiCCmmaaxx（（10 cc））
（1 c）（波形系数） （0 c）
2019/11/1
12
2019/11/1
13
增大ξ和g1的值是提高效率的两个措施, 增大α1是增大 输出功率的措施。然而增大g1与增大α1是互相矛盾的。 导通角θ越小, g1越大, 效率越高, 但α1却越小, 输出功率 也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面, 选取 合适的导通角θ。若取θ=70°, 此时的集电极效率可达 到85.9%, 而θ=120°时的集电极效率仅为64%左右。因此, 一般以70°作为最佳导通角, 可以兼顾效率和输出功率 两个重要指标。
串联馈电方式的优点：Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地 的分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片 不能直接接地, 安装调整不方便。
而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于Lc和Cc1不处于 高频地电位, 它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、C元件可接地, 故安装调整方便。

iC max
cost cosC 1 cosC
周期性的余弦尖脉冲
8
用傅立叶级数展开得：

iC Ik cos kt IC0 Icm1 cos t Icm2 cos 2t k 0
Ik iC max k (C ) 波形分解系数
Ico

ic
m
ax
sin (1
2019/11/1
18
uBe
VBB
Ubm
VCC uCE UCm
2019/11/1
19
1
由图可知, VBB和VCC固定意味着Q点固定, Vbm固定进一 步意味着θ也固定。放大区动态线斜率将仅随Rp而变化。图 中给出了三种不同斜率情况下的动态线。
动态线A1B1的斜率最大,即对应的负载Rp最小, 相应的输 出电压振幅Vcm也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。
2019/11/1
14
2019/11/1
15
§5.3、晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法
一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式
折线近似分析法，是将电子器件的特性曲线理想化， 每一条特性曲线用一条或几条直线（组成折线）来代替。 可以用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。 优点是简单，缺点是准确度较低。
vB=-VBB+Vbmcosωt, vC=VCC-Vcmcosωt的关系式。
2019/11/1
32
(1) 集电极馈电线路。 集电极馈电线路的两种基本形式:
2019/11/1
33
高频扼流圈Lc和高频短路电容Cc、Cc1、Cc2的作用在于阻 止高次谐波流过直流电源并为其提供短路通道, 以免高次谐波 影响直流电源的稳压性能。
2019/11/1
31
§5.5 高频功率放大器的电路组成
一.
在高频功放的输入回路和输出回路应分别加上合适的直 流偏压, 有关的直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种 基本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串 联, 后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式, 直流偏压 与交流电压总是串联迭加的, 假定交流电压是单频信号, 即满 足
2019/11/1
16
输出特性的理想化
在高频功率放大器中，又常根据集电极电流是否进 入饱和区，将它的工作状态分为三种： 欠压工作状态：集电极电流最大点电流在直线1的 右方，交流输出电压较低； 过压工作状态：集电极电流最大点电流在直线1的 左方饱和区，交流输出电压较高； 临界工作状态：集电极电流最大点电流在直线1上。
临界线方程可写为：
iC gcrvC
2019/11/1
17
二、高频功率放大器的动态特性与负载特性
高频功率放大器的工作状态取决于负载阻抗Rp和电压VCC、VBB、Vbm四个参数。
负载特性曲线：如果维持三个电压参数不变，此时各种电流、 输出电压、功率和效率等随Rp而变化的曲线。
动态特性曲线：在输出特性图中, 表示输出电压vC、vB与iC的关系曲 线又称为交流负载线。由于谐振功放的负载是选频网络, 故输出交流电压 vc必然是一个完整的余弦信号。由图可以看到, 截止区和饱和区内的动态 线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为gcr), 而放大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。