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1、1,高频功率放大器,2,小组成员 罗仪凡与陈衍文，完成的是对电路参数的确认以及分析 陈斯铭完成的是对电路的焊接与元件的选择以及后续的调节和分析 黄路瑶完成的是对电路的仿真,3,学习目的：,1、高频功率放大器的电路组成 2、谐振功率放大器的工作原理 3、高频功率放大器的外部特性,4,高频（谐振）功率放大器在发射机中的位置,从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分,概述,5,在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。,窄带高频功率放大器：,宽带高频功率放大器：,通常以LC并联谐振回路作负载，又称为谐振功率放大器。,以传输线变压器为负载，因此又称为非谐振功率
2、放大器。,高频功率放大器按工作频带的宽窄可分：,6,1、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、放大的实质：,实质是一种能量转换。将电源提供的直流功率转变成交流信号功率输出。,3、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题,高效率输出,高功率输出,7,4.工作状态,1、甲类：工作点设置在放大区； 输入信号ui在整个周期都有集电极电流ic产生，如图。,优点：无失真，波形好,； 缺点：静态IC较大，管耗大，效率低。转换效率约为50%。,8,2、乙类：工作点设置在截止点上； 晶体管只在输入信号的半个周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。,优点： 静态IC=0
3、，管耗小效率高。效率约为78.5%。 缺点：输出脉冲电流，波形严重失真。,9,4、丙类：工作点设置在截止区以内； 晶体管导通的时间小于半个周期，在输入信号的小半个周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。,优点：静态IC=0，管耗小，效率高。效率78.5%。 缺点：输出电流波形严重失真。,10,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。,谐振功率放大器通常工作于丙类状态，属于非线性电路,11,我们选择的是让功放工作在丙类，后面我们会介绍为什么要选择丙类的功放状态。,12,一、基本电路原理,1、电路组成,晶体管 谐振回路 输入回路 偏置电
4、路,VCC、VBB为集电极和基极的直流电源电压。为使晶体管工作在丙类状态，VBB应小于晶体管的导通电压uBE（on），在没有输入信号时，晶体管处于截止状态，ic=0。,13,由于RL比较大，所以，谐振回路的品质因数比较小；但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。,L、C为滤波匹配网络，与RL构成并联谐振回路，作为晶体管集电极负载。,选频滤波 阻抗匹配,完成以下功能：,14,2、电流、电压波形,设输入一高频余弦信号为,则,当uBE的瞬时值大于基射间导通电压UBE(on) 时，晶体管导通，产生基极脉冲电流iB，相应产生集电极脉冲电流ic，如图所示。基极电流和集电极电流为周期性非正弦函数。,15,用傅
5、里叶级数展开得,式中：,Ico为直流电流分量,iC1为基波分量； iC1=Icm1COSct,iC2为二次谐波分量；iC2=Icm2COS2ct,iCn为n次谐波分量； iCn=IcmnCOSnct,16,当集电极回路调谐在输入信号频率上时（即与高频输入信号的基波谐振时）： 谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻Re ； 对其他各次谐波，回路因失谐呈现很小的电抗，可看成短路； 所以我们可以通过选频网络来将我们所需的基波信号选出来，只要将谐振频率设置为基波信号的频率就可 直流分量只能通过回路电感线圈，直流电阻较小，可看成短路。,这样，脉冲电流ic流经谐振回路时只有基波电流才产生压降。,17,可见，
6、利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。,晶体管集射间的电压为:,其中，Ucm为基波电压振幅。,若回路谐振电阻为Re，则,18,谐振功放工作原理小结：,设置VBB UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。,19,二、 输出功率与效率,1.放大器的输出功率PO,2.集电极直流电源供给功率PD,3.集电极耗散功率PC,4.放大器效率c,其中,集电极电流利用系数，又称波形系数。,为集电极电压利用系数。,20,值越小，g1()值越大，效率越高。,效率：
7、,若=1时，,甲类工作状态：,乙类工作状态：,丙类工作状态：,设,可见，丙类工作状态的效率最高，当=60时，效率可达90，随着的减小，效率还会进一步提高。但当40后,波形系数的增加很缓慢，也就是说 过小后，放大器效率的提高就不显著了，此时的 下降迅速，为了达到一定的输出功率，所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大，从而对前级提出过高的要求。,谐振功率放大器一般取为70左右。,下图就是我们设计的高频功率放大器，它由两级组成，为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定，前一级为甲类放大器，后一级为丙类放大器。这样能够获得比较高的效率和比较大的输出功率,图上主要的元件就是R,C,L，以及三极管,这两
8、张图就是2N5551的参数,左边为第一级的甲类放大器，R1，R2为一个分压偏置，L1，C4组成第一集谐振回路，有着选频的特性，选出基波。,右边的为第二级的丙类放大器，如图，L2，R5，C3在基极产生负偏压馈电，R6，R7为射极馈电，改变R7的大小就可以改变丙类功放的增益，L3，C6，C7为谐振回路，同样为选频功能，C6的调节可以微调谐振频率，可以调节输出波形更好,可见此时的波形输出并不好，通过C6的调节可以使输出波形变更好,调节了R7后，使得输出的增益变大,28,谐振功率放大器的特性分析,29,放大器工作状态的分类：,丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分：,欠压（不进入饱和区）,过压（进入饱和
9、区）,临界（达到临界饱和）,30,一、高频功率放大器的工作状态,1.高频功放的动态特性,即当加上激励信号及接上负载阻抗时，晶体管集电极电流iC与uBE、uCE的关系曲线。,31,A1点处于放大区称为欠压（Undervoltage）状态,A2点处于临界区称为临界（Critical）状态,A3点处于饱和区称为过压（Overvoltage）状态,功率放大器三种工作状态和状态波形,32,2.欠压、临界和过压工作状态,（1）欠压：uCEmin 对应的动态点处于放大区,晶体管处于放大状态。ic为尖顶余弦脉冲。,33,（2）临界:uCEmin 对应的动态点处于放大区和饱和区之间的临界点，晶体管处在放大区与饱
10、和区的临界点上。ic仍为余弦脉冲，但幅度有所减小，顶端变化平缓。,放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率 也就较大。所以我们要让放大器工作在临界状态,34,（3）过压，uCEmin 对应的动态点处于饱和区，ic为中间凹陷的脉冲波，随着Ucm增大，uCE的减小脉冲波的凹陷加深，高度减小。,35,iC 凹陷的原因： 谐振回路作负载。 饱和时，uBE对iC的影响很小，随着饱和深度的加深，uCE继续减小，使iC迅速减小，从而出现凹陷。 Ucm越大， uCEmin越小，凹陷越深，脉冲高度越小。,36,二、影响放大器工作状态的因素,高频放大器的工作状态是由负载阻抗Re、激励电压Ui
11、m、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。,1、负载特性,（1）含义：谐振功放的负载特性是指 VBB、Uim 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。,（2）特性,37,Re 的增加 （1）将引起 Ucm ( )，UCEmin,iC高度略有下降。,（2） ReUcmUCEmin放大器欠压过压 iC 由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。,iC 电流,所以我们选择了一个相对合适的谐振网络，使RE为合适的值并使得放大器工作在临界状态,38,据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。,Ucm = ReIc1m Po = UcmIc1m/2 PD = VCCIC0 PC
12、= PDPo C = Po/ PD,由 IC0 和 Ic1m 的变化就可以画出 Ucm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线。,39,(2) 临界状态：,临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态。 发射机的末级常设计成这种状态。,40,(4) 匹配负载：如果 Re 的取值使管子工作在临界状态，则 Po 最大，且 C 较大，PC 较小，放大器性能接近最佳性能。将此时的 Re 称为谐振功放的匹配负载，用 Reopt 表示。,41,包括集电极调制和基极调制两种特性。,(1) 集电极调制特性,含义：VBB、Uim 和 Re一定，放大器性能随 VCC变化
13、的特性。, 特性：,2、调制特性,42,VCC的增加 （1）VBB、Uim一定，UBEmax一定,iC脉宽一定，高度略有增加。,（2） VCCUcemin放大器过压欠压 iC 由中间有凹陷的脉冲波转变为余弦电流脉冲。,iC 电流,43,过压状态：随 VCC减小，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因而IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。,44,集电极调幅原理电路,图中：, 输入高频载波电压,c 载波频率, 调制信号电压， 为调制频率,为谐振回路上的输出电压。,放大器工作在过压状态。,45,由图可见此时工作在过压状态,46,(2) 基极调制特性, 含义：Uim、VCC、Re 一定，放大器性能随
14、 VBB 变化的特性。,特性：,47,VBB的增加 （1）VCC、Uim一定，VBB则 UBEmax ，iC脉宽和高度均。,（2） VBBUcemin放大器欠压过压 iC 由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。,iC 电流,48,过压状态：随VBB 增大，集电极电流的宽度和高度均增加，凹陷加深，IC0 和 Ic1m、Vcm 缓慢增大，近似不变。,欠压状态：随 VBB 增加，集电极电流的宽度和高度均增加，IC0 和 Ic1m ，Ucm( = ReIc1m)近似线性增加。,49,基极调幅原理电路, 基极偏置电压,放大器工作在欠压状态。,50,（1）含义：当 VBB、VCC 和 Re 一定，放大器
15、性能随Uim 变化的特性。,（2）特性：固定 VBB，增大 Uim 与上述固定 Uim 增大 VBB （基极调制特性）的情况类似，它们都使 iC 的宽度和高度增大，放大器由欠压进入过压，图 (a)。,3、放大特性(振幅特性),51,Uim的增加 VCC、VBB一定，Uim则 UBEmax ，iC脉宽和高度均。, UimUcemin放大器欠压过压 iC 由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。,iC 电流,Uim,52,谐振功放作为线性功放时,为了使输出信号振幅 Vcm 反映输入信号 Vim 的变化，放大器必须在 Vim 变化范围内工作在欠压状态，图 (b)。,(3) 应用,53,谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter),作用：将 Vim 在较大范围内的变化转换为振幅恒定的输出信号。,特点：根据放大特性，放大器必须在 Vim 的变化范围内工作在过压状态，或 Vim 的最小值应大于临界状态对应的 Vim 限幅门限电压。,54,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。 不同点：工作频率和带宽、负载、工作状态,联想对比：,
