第四章 谐振功率放大器讲解

第4章 谐振功率放大器
4.1 概述 4.2 谐振功率放大器的原理 4.3 晶体管线形分析放大器的折线
近似分析法
4.4 谐振功率放大器电路
4.5 谐振功率放大器实例 4.6 晶体管倍频器
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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？
Vb
m
Vbm
t
图4－4 谐振功率放大器转移特性曲线
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eb vb
ib
ic
VBZ
ec Vcm
Vcm
(a) ec=VCC–vc
t –VBB
t
图4-5
高频功
t 率放大
器中各
分电压
与电流
VCC
的关系
t
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电 流
或 电 压
Vcm
vc
ic
ec VCC
ic
ic max ec min
VBZ
eb max
高效率输出 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。
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4.1 概述（续）
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。
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。 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。
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4.2 谐振功率放大器工作原理
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。
谐振回路LC是晶体管的负载
电路工作在丙类工作状态
iB
+ vb
eb –
–
–+ VBB
+
ec C –
iE
L
– +vc
输出
–+ VCC
谐振功率放大器的 基本电路
外部电路关系式： eb= -VBB+ Vbmcost
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。
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集电极平均散 功率：
1
T
T
0 iC uCE dt
集电极电流 流通角的一 半 （c）称 为通角，根 据通角大小 的不同区分 晶体管的工 作状态
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4.2 谐振功率放大器工作原理
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。
P==直流电源供给的直流功率；
Po=交流输出信号功率；
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4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线
由只2根 一 则13)在否))过图受据 条欠临非进若i压5集理直压界c-=线入临7工电想线工工g(b性饱界c作极(化 来作作)e可谐 和线b状电原 表状 状–见V振 区的态压理 示态 态B，功 ，斜Z：的晶(： ：)V在率 将集控流 大和体(集是Be饱Z放放为b电制输点为区管电欠＞和大大g极i，出电截的极压cVcr区=器区，最B而电流止交静最和gZ，c中的则)大r与压正偏流态大过e根c，工临点基较好压输转点压据g常作界电极低落)出移电状c。理状常线流电且在特流态想态根方进压变临性在的化分据程e入无i化界较可临 分cb原为集可临关较 线高用界 界e理三电写界。c大 上且交线 点，种极为线。 。变横的 ，集常 ：是之化轴右 集电数 左不于方 电极的大V， 极电B饱。交 最Z流的
t
o c
2
3
–VBZ 2
2
5 2
vB
Vbm vb
图4-5 高频功率放大器中各部分电 压与电流的关系
(b)
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4.2 谐振功率放大器工作原理
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
+ C
–
iL
L
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
ic + –
图4-6 LC回路能量转换过程
增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止。 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。
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
Ic2m1R p
Vcm 回路两端的基频电压幅值 Rp 回路的谐振阻抗。
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3.大信号激励下功率晶体管的静态伏安特性可近似 用折线表示
转移特性
退出
退出
三极管的三种状态 电路工作特点如下： 1） 截止状态 ： uB＜0，两个PN结均为反偏，
iB≈0,iC≈0,uCE≈UCC。三极管呈现高阻抗，类似于 开关断开。 2）放大状态 ： uB＞0，发射结正偏，集电结反偏， iC=βiB。 3）饱和状态 ： uB＞0，两个PN结均为正偏， iB≥IBS(基极临界饱和电流)≈UCC/βRc ,此时 iC=ICS(集电极饱和电流)≈UCC/Rc 。三极管呈现 低阻抗，类似于开关接通。
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
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4.2 谐振功率放大器工作原理
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 如2式会）果增由维大持；晶体Po 管 1的c集c 电Pc 极可耗知散功率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。
ic
ic
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
退出
4.1 概述（续）
ic
ic
Q
o t
eb
o
t
图4-1 小信号谐振放大器波形图 线性放大.swf
退出
4.1 概述（续）
ic
ic
o t
eb
o
VBZ
图4-2 谐振 概述（续）
Icm1 基频电流幅值
退出
4.2 谐振功率放大器工作原理
g1(放Vccm大) 器IIc的cm01集波电形极系效c数率，：PPo通角12VcV的cCmC函IcI数0cm；1 c12越小g1g(1(c)c)越大 VCC 集电极电压利用系数； 越大(即Vcm越大或ecmin越
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折线近似分析法条件：
1.输入输出回路（或滤波网络）具有理想滤波特性。晶体 管基极－发射极间电压和集电极－发射极间电压仍是余 弦波形且相位相反。
eb= –|VBB|+Vbmcost
ec= VCC– Vcmcost
2.忽略晶体管的高频效应。功率晶体管在工作频率下呈非 线性电阻特性，管子的极间电容和引线电感等影响可忽 略不计，功率晶体管的静态伏安特性可以代表它在工作 频率下的特性。
c=180 c=90 90 ＜ c＜180 c＜90 开关状态
50% 78.5% 50%＜ ＜78.5% ＞78.5% 90%~100%
电阻 推挽，回路
推挽 选频回路 选频回路
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
大点电流正好落在临界线上。
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4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线
若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为
ic=gcrec
晶体管折线化转移特性可表示为：
ic gc (eb ic 0
–
VBZ ) ((eebbVVBBZZ))
式中
gc

i c e b
如何减小集电极耗散功率Pc呢？1
晶体管集电极平均耗散功率：
T
T
0 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。
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4.2 谐振功率放大器工作原理
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。
的输出。
ic
ic
转移
特性
ic max
理想化
–VBB
t
+c
o VBZ
o
–c
eb +c o –c eb
Vb
m
Vbm
t
图4－4 谐振功率放大器转移特性曲线
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
退出
ic
ic
转移
特性
ic max
理想化
–VBB
t
+c
o VBZ
o
–c
eb +c o –c eb
甲类 50% 乙类 78% 丙类 100%
退出
4.1 概述—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。高频放大器工作状态的划分.swf
表 4-1 不同工作状态时放大器的特点
工作状态
半导通角
理想效率
负载
应用
甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类
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。 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
ic gc
ic
临界线
过压区 gcr
欠压区
eb
理想化折线 （虚线）
0 VBZ
eb
0
(a)
(b)
图5-7 晶体管实际特性和理想折线
ec
退出
4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线
由图5-7(b)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。
它的外部电路关系式
退出
4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
一、折线法 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。
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。 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。
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。
ec
常数
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)。
退出
4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法
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。
晶体管的内部特性为 ic=gc(eb–VBZ)
晶体管的内部特性： ec= VCC– Vcmcost
ic= gc(eb–VBZ)
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4.2 谐振功率放大器工作原理
故晶体管的转移特性曲线表达式：
Vbmcosc= VBB +VBZ
故得：
cosc

VBB VBZ Vbm
必须强调指出，集电极电
流ic虽然是脉冲状，但由 于谐振回路的这种滤波作
用，仍然能得到正弦波形
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。 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。
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4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法