高频功率放大器

c
t
尖顶余弦脉冲
(4.2.8)
当t=0，则iC= iCmax(表示脉冲高度) ，代入上式得： iCmax=GUbm (1–cosc) (4.2.9)
建立ic与icmax和c的关系
i (4.2.8)÷(4.2.9)可得：C iC max
cos ωt cos θc .2.10) (4 1 cos θc
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小知识
晶体管的极限参数
使用晶体管来获得最大效率时，不能超过其规定的极 限参数。为此，通常选用具有两倍左右余量的晶体管。 但在电感负载时振幅会达到电源电压的两倍，故若打算 留有两倍余量则应选用承受四倍电源电压这种极限参数 的晶体管。
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2. 功率管的运用Байду номын сангаас性
sin c c cos c 0 ( c ) (1 cos c )
0(c)称作 直流分量的 分解系数 1(c)称作 基波分量的 分解系数
1 ( c )
c cos c sin c (1 cos c )
2 sin n c cos c n cos n c sin c n ( c ) n ( n 2 1)(1 cos c )
熟悉高频功率放大器的组成原则和匹配
网络的计算 了解丁类、戊类功率放大器的工作原理 掌握功率合成器的工作原理 了解倍频器工作原理
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4.1 概述
功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大 电路，是发送设备的重要组成部分。在工作一般性原理 上，它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下，将 直流电源转换为输出功率（当然，在性能要求和运行特征上不同）。 输出功率、效率和非线性失真是高频功率放大电路 （又称谐振功率放大电路）的三个最主要的技术指标。作
此，采用负电源作基极偏置，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。
② 为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采 用LC谐振回路作为选频网络。 故这样的电路称为丙类谐振功率放大电路。
问题： （1） 丙类导通角<180o，多少角度最优？
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（2） 放大区、临界点、饱和区，何处最优？
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准线性折线分析法的条件
忽略晶体管的高频效应，可以认为在工作频率下只显示 非线性电阻特性，而没有电抗效应。因此，功率管的特性 用输入和输出静态伏安特性曲线表示。
功率管的静态伏安特性可近似用折线表示。 输入和输出滤波(谐振回路)具有理想的滤波特性，其上 只产生基波电压。尽管集电级电流iC是脉冲波，但集电级 回路电压uCE及其产生的回路电流却是余弦波。
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在通信系统中, 高频功率放大电路作为发射机的重 要组成部分, 用于对高频已调波信号进行功率放大, 然 后经天线将其辐射到空间, 所以要求输出功率很大。输 出功率大, 从节省能量的角度考虑, 效率相对显得更加 重要。 另外，输出信号功率越大，相应的动态电压和动态 电流就越大，由器件特性非线性引起的非线性失真也 会越大。实践中，还必须限制输出功率，使失真在允 许范围之内。
n(c)称作 谐波分量的 分解系数
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显然，只要知道电流脉冲最大值和导通角就可计算直流 分量、基波分量及其它谐波分量。 19 退出
4.2.2 集电极余弦电流脉冲的分解
根据前面建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集 电极余弦脉冲电流iC中的各个频率分量。 cos ωt cosθc iC iC max .2.10) (4 1 cos θc 直流分量
iC I c 0 I c1m cos ωt I c 2 m cos 2ωt I cnm cos nt .2.11) (4
基波分量系数
可以看出功率管输出电流为余弦脉冲, 含有直流、基波 (信号频率分量) 和各次谐波分量, 由于功率管输出负载是 谐振回路, 设计回路选出基波分量, 就实现了功率的放大。
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高频功率放大器希望输出的谐波分量尽可能小， 以免对其它频道产生干扰。国际对谐波辐射规定是： (1) 对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强不得超 过基波场强的0.02%。 (2) 无论电台的功率有多大，在距电台一公里处的谐波 场强不得大于50V/m。在一般情况下，假如任一谐波 的辐射功率不超过25mW，即可认为满足上述要求。
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4.2 谐振功率放大器分析
4.2.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 4.2.2 集电极余弦电流脉冲的分解 4.2.3 高频功率放大器的工作状态分析
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4.2.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式
在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器 的分析、计算，通常采用准线性的折线分析法。 准线性放大是指仅考察集电级输出电流中的基波分量 在负载两端产生输出电压的放大作用。 折线近似分析法(简称折线法)，这是一种图解法与数 学解析分析相折中的办法，指用几条直线来代替晶体 管的实际特征曲线，然后用简单的数学解析式写出它 们的表示式。缺点是准确度低，但计算比较简单，易 于进行概括性的理论分析。
由傅里叶级数求系数，得 1 Ic0 (4 iC d (t ) iC max 0 ( c ) .2.12) 2 1 I cnm iC cos ntd (t ) iC max n ( c ) .2.14) (4 尖顶余弦脉冲的分解系数：
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1. 特性曲线的折线化
iC Gcr
vCE = 0V vCE 1V
斜率G
过 压 区
uBE
欠压区
发射结的截止偏压
Von/VBZ
uBE
uCE /V
a)
晶体管实际特性和理想折线
b)
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功率管的静态特性曲线主要用的是转移特性曲线 和输出特性曲线。转移特性曲线是以集电极电压uCE 为常量的集电极电流iC和基极电压uBE的关系曲线，如 图a。输出特性曲线是以基极电压uBE为参量的集电极 电流iC和集电极电压uCE的关系曲线，如图b。 16
在功率放大器中，往往选择静态工作点，使功率管 运用在特性的不同区段上，实现甲类、乙类、甲乙类、 丙类等不同运行状态。 根据正弦波激励下整个周期内的导通情况，可分为 四个工作状态：
low
甲类(A)：一个周期内均导通，360 ° 甲乙类(AB)：导通角大于180° 乙类(B)：导通角等于180° 丙类(C) ：导通角小于180°
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4. 高频功率放大器的分类
高频功率放大器可分为窄带功率放大器和宽带功率 放大器两类。例如, 中波段调幅广播的载波频率为(5351605)kHz，而传送信息的相对带宽只有0.6%-1.7%，发 射机中的高频功率放大器一般采用窄带选频网络为负载。
由于调谐系统复杂，窄带高频功率放大器的应用就受到很大的限制。而对某些特殊要求的通信机，要求 频率相对变化的范围大。

high
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丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最 严重。 8 退出
3. 高频功率放大器与小信号谐振放大器
高频小信号谐振放大器与谐振功率放大器的区别： ① 工作状态分别为：小信号-甲类，大信号-丙类。也 就是说，除了输入信号幅度不同外，晶体管的工作点 和晶体管动态范围都不相同。 高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，因
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这就是集电极余弦脉冲电流随时间变化的解析式。它取 决于脉冲高度iCmax和半导通角c 。 返回 18 退出
iC I c 0 I c1m cos ωt I c 2 m cos 2ωt I cnm cos nt .2.11) (4
直流分量、 基波及各次 谐波的幅值
第四章 高频功率放大器 与功率合成技术
4.1 概述 4.2 谐振功率放大器分析 4.3 谐振功率放大器电路组成 4.5 宽带高频功率放大电路 4.6 功率合成 4.7 集成高频功率放大电路及应用简介 *4.8 晶体管倍频器 4.9 小结
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掌握高频功率放大器的工作原理
掌握高频功率放大器的折线近似分析法
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2. 折线化特性曲线的数学解析式--iC
Gcr
转移特性曲线 斜率G
过 压 区
斜率gcr uBE
欠压区
Von
a)
uBE
uCE b)
晶体管实际特性和理想折线
振幅
设输入信号ub =Ubmcost，
发射结电压uBE =-VBB+Ubmcost，(4.2.1) 晶体管折线化后的转移特性为：
直流 小写字母、大写 下标, 表示包含 直流的总瞬时值
(4.2.4)
iC max
当t=c，则iC=0，代入上式得： 0 = G (-VBB+Ubmcosc–Von) (4.2.5)
c
图
半导通角由 晶体管基级 偏置电压和 输入信号的 幅值确定。
VBB Von cos θc .2.6) (4 U bm
(4.2.4)-(4.2.5)可得： iC = GUbm (cost–cosc)
宽带高频功率放大电路采用非谐振宽带网 络作为匹配网络，能在很宽的频率范围内获得线性放大。 常用的宽带匹配网络是传输变压器，只能工作在甲类状 态。宽带高频功放是牺牲效率来换取工作频带的加宽。
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问题：为什么低频功率放大器不能工作于丙类， 而高频放大器却可以？
答： 低频信号的相对频率范围一般很宽(如人耳 可以听到音频信号20Hz~20kHz，人说话声音频 率范围是300Hz到3400Hz)，而工作在丙类的输 出信号是尖顶余弦脉冲，将严重产生失真；这 种尖顶的余弦脉冲会带来丰富的谐波余量，这 些谐波成分可能会对原低频信号产生干扰。 而对高频信号一般只对频带很窄的FM或 AM波进行放大，产生的谐波一般落在频带范 围之外，利用谐振网络只取出有用的基波信号。 但是对频率范围很宽的高频信号（如电视发射 机），其功放一般也工作在甲类状态。
高频谐振（丙类）功率放大器
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放大器输出功率PO 等于集电极电流基波分量在有载谐振 电阻R(RP)上的功率(负载吸收的基频功率) 。集电极直流电 源供给功率PDC 等于集电极电流直流分量与VCC的乘积；放大 器集电极效率c 等于输出功率与直流电源供给功率之比。 1 1 2 2 Po I c21m R iC max 1 ( c ) R ( 4.2.15) 2 2 PDC VCC I co ( 4.2.16 )
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L
+
u
c
-
iC =
0 uBE Von G (uBE–Von) uBE> Von
(4.2.3) (4.2.4)
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代(4.2.1)入(4.2.3)得： iC = G (-VBB+Ubmcost –Von)
半导通角， 一个信号周 期内集电极 电流导通角 的一半
iC = G (-VBB+Ubmcost –Von)
为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与安全和效率的要求相比，却是第二位的。功率增益低，可以用增加
安全工作却是必须首先考虑的问题。 为获得大的输出信号功率，放大管就必须运用大信号， 包括大的动态电压和大的动态电流，并往往接近管子的 极限运用，因此必须选用合适的功率管以保证其安全工 作。
前置级的级数或提高相应增益来弥补。
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2. 功率管的主要性能参数
U om I om 1 输出功率 Po： o P U om I om (4.2.15) 2 2 2 要想Po大，应使Uom 和Iom都要大。为了进一步提高 输出电压和电流，所以管子工作在接近极限状态，并且允许轻 微非线性波形失真。
功率放大器的集电极效率 c，等于输出功率Po与 直流电源供给功率PDC 之比。它是衡量功率放大器转 换能力的性能指标，也是功率放大器发展进程中人们始终关注的研究方向。 PDC 等于集电极电流直流分量与VCC 的乘积，主要包含晶 体管输出功率PO与耗散功率PT。 高频功率放大器的其他主要技术指标：功率增益 (输出功率 Po/输入功率 Pi)、带宽、谐波抑制度（、信 号失真度，要求失真在允许的范围内）