第4章高频功率放大器

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1、通信电子电路 第4章 高频功率放大器,张鏖烽 计算机与通信学院 51269402,2,第4章 高频功率放大器,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,2,3,4.1 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？,高效率输出与高功率输出,3,4,4.1 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

2、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。,谐振功率放大器 波形图,小信号谐振放大器 波形图,4,5,4.1 概述（续）,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(c90)，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

3、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。,5,6,4.1 概述（续）,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输出效率,6,7,4.2 谐振功率放大器工作原理,1、原理电路,图4-3 谐振功率放大器的基本电路,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,外部电路关系式：,晶体管的内部特性：,7,8,4.2

4、 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：,图4-4 谐振功率放大器转移特性曲线,故得：,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的输出。,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,8,9,图4-5高频功率放大器中各分电压与电流的关系,9,10,图4-5 高频功率放大器中各 部分电压与电流的关系,10,11,4.2 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,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。,由前述所知：,有一部分功率

5、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； Pc=集电极耗散功率；,根据能量守衡定理：,故集电极效率：,11,12,4.2 谐振功率放大器工作原理,由上式可以得出以下两点结论：,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就会增大；,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。,如何减小集电极耗散功率Pc呢？,晶体管集电极平均耗散功率：,可见使ic在ec低的时

6、候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。,12,13,4.2 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。,谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c90，集电极余 弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：,直流功率：,输出交流功率：,Vcm1 回路两端的基频电压 ;Icm1 基频电流 ; Rp 回路的谐振阻抗。,13,14,4.2 谐振功率放大器工作原理,放大器的集电极效率：,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,越大(即Vcm越大或ecmin越小)c越小效率c越高。因此，丙类谐振功率放

7、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。,基极偏置为负值；半通角c90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。,故谐振功率放大器的工作特点：,14,15,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,一、折线法,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。,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。,折线分析法的主要步骤：,1、测出晶体管的转移特

8、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,15,16,4.3 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,图4-7 晶体管实际特性和理想折线,由图4-7(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。,在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电

9、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 大点电流正好落在临界线上。,若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrec,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)。,则 ic =gc(ebVBZ) (ebVBZ),16,17,4.3 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

10、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。,图4-8 尖顶余弦脉冲,晶体管的内部特性为:,它的外部电路关系式:,当 t=0时，ic= ic max,ic=gc(ebVBZ),eb= VBB+Vbmcost,ec= VCCVcmcost,因此 ic max= gcVbm(1cos c),17,18,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,图4-9 尖顶脉冲的分解系数,18,19,图4-9 尖顶脉冲的分解系数,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,当c120时，Icm1/icmax 达到最大

11、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。,右图可见：,19,20,图4-9 尖顶脉冲的分解系数,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,由于：,波形系数,由曲线可知：极端情况 c=0时，,此时=1，c可达100%,因此，为了兼顾功率与效 率，最佳通角取70左右。,20,21,四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,1. 谐振功率放大器的动态特性,2. 谐振功率放大器的负载特性,21,22,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,1.

12、 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。,22,23,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,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= VCCVcmcost,消去cost可得，,eb=

13、 VBB+Vbm,另一方面，晶体管的折线化方程为,ic = gc(ebVBZ),得出在icec坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路) 方程：,= gd( V0),23,24,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,图中示出动态特性曲线的斜 率为负值，它的物理意义是：,从负载方面看来，放大器相 当于一个负电阻，亦即它相 当于交流电能发生器，可以 输出电能至负载。,用类似的方法，可得出在 ic eb坐标平面的动态特性 曲线。,图4-11 电压、电流随负载变化波形,24,25,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,2. 功率放大器的负载特性：,在其他条件不变(VCC、VBB、vb为一定)，只变

14、化 放大器的负载电阻而引起 的放大器输出电压、输出 功率、效率的变化特性称 为负载特性。,1) vc、ic随负载变化的波形 vc、ic随负载变化的波形如 图2-11所示，放大器的输入 电压是一定的，其最大值为 Vbemax，在负载电阻RP由小 至大变化时，负载线的斜率 由小变大，如图中123。 不同的负载，放大器的工作 状态是不同的，所得的ic波 形、输出交流电压幅值、 功率、效率也是 不一样的。,图4-11 电压、电流随负载变化波形,25,26,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,2) 欠压、过压、临界三种 工作状态, 欠压状态 B点以右的区 域。在欠压区至临界点的 范围内，根据Vc=R

15、pIc1， 放大器的交流输出电压在 欠压区内必随负载电阻RP 的增大而增大，其输出功 率、效率的变化也将如此。, 临界状态 负载线和 eb max正好相交于临界线的 拐点。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。, 过压状态 放大器的负 载较大，在过压区，随着 负载Rp的加大，Ic1要下降， 因此放大器的输出功率和 效率也要减小。,图4-11 电压、电流随负载变化波形,26,27,根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,图4-12 负载特性曲线,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

16、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，在计算谐振功率放大器时，也常以此状 态为例。,过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平 稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率 有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状 态。,欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大， 输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体 管基极调幅，需采用这种工作状态。,掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的 工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标 是很有帮助的。,27,28,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,五、放大器工作状态及导通角的调整,1. 导通角c的调整,由,若保持Vb不变增大偏置VBB；或保持VBB不变增大激励、电 压振幅Vb；或同时增大VBB和Vb，这三种情况均可使导通角 c增大，若相反，则可使c减小。但是采取上述三种方法中 的任一个方法，当c增大时，ic脉冲电流