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1、第3章 高频功率放大器,3.1 谐振功率放大器工作原理 3.2 谐振功率放大器的性能分析 3.3 谐振功率放大器电路 3.4 高频功率放大器,概述,高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。,顾名思义,高频功率放大器用于放大高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器。 它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。,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、高频功率放大器的分类,窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称 谐振功率放大器 宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线 变压
2、器或其他宽带匹配电路,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。,联想对比：,5、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。,小信号谐振放大器 波形图,谐振功率放大器 波形图,6.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。,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。,3.1 谐振功率放大器的工作原理,谐振功
3、率放大器的基本电路,3.1.1 丙类谐振功率放大器,LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。,组成：,谐振网络的谐振频率 为信号的中心频率。,作用：滤波、匹配。,谐振功率放大器的基本电路,EB:基极直流电压,作用:保证三极管工作在 丙类状态,EC：集电极直流电压,作用:给放大管合理的静态偏置， 提供直流能量。,谐振功率放大器的基本电路,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提供 的直流功率，使之转变为交流 功率输出去。,直流电源提供的功率：,一部分变为交流输出功率 另一部分以热能消耗在集电极上,特点： 1、NPN高频大功率晶体管；改变EB可以改变放大器的工作类型； 2、大信号激
4、励：12V； 3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，iB、iC均为一系列高频脉冲； 4、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流iC中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。,2. 工作原理 要了解高频谐振功率放大器的工作原理，首先必须了解晶体管的电流、电压波形及其对应关系。晶体管转移特性如图3.2中虚线所示。由于输入信号较大，可用折线近似转移特性，如图中实线所示。图中UB为管子导通电压，gm为特性斜率。,图3.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形,图2.1 谐振功率放大器原理电路,设输入电压为一余弦电压，即 ub=Ubmcost 则管子基极、发射极间电压uBE为 uBE=-EB+ub=-EB+Ubm
5、cost 在丙类工作时，EBUB，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2，通常称为集电极电流的导通角，丙类工作时，/2 。,图3.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形,把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波，因此，集电极电流iC可写为,iC=IC0+ic1+ic2+ =IC0+Ic1mcost+Ic2mcos2t+ 式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐波电流幅度。,式中，直流分量Ic0为 基波或一次谐波分量幅值为 n次谐波分量幅值为,上式中0(c)、1(c)、n(c)是c的函数，分别称为集电极电流
6、的分解系数，即余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数,谐振功率放大器的集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，如果选取谐振角频率0等于输入信号ub的角频率，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压，,谐振回路两端的电压近似为基波电压，为 uc= Ic1m cost Rp= Ucmcost 式中，Ucm=Ic1mRp，Rp=R0RL/( R0+RL)。注意，R0是回路空载谐振阻抗，此处RL是负载电阻等效到谐振回路两端的电阻，若接入系数为p，则RL前要乘以1/p2。,晶体管集电极、发射极间电压uCE等于 uce=
7、EC-uc=EC-cmcost,图2.3 电流、电压波形,3.1.3功率和效率的计算,集电极电源EC供给的直流输入功率PE为：,放大器的输出功率P0 ：LC振荡回路得到的高频功率,PE = EC Ic0,3.1.3功率和效率的计算,Pc = PEPo,集电极耗散功率PC：直流输入功率PE与集电极输出高频功率Po之差为：,集电极效率C：即输出高频功率Po与直流输入功率PE之比，,它是表示集电极回路能量转换的重要参数。谐振功率放大器就是要获取尽量大的Po和尽量高的C。,式中， ，称为集电极电压利用系数； ，称为波形系数,4晶体管放大器导通角与效率的关系 由式（314）可知，要提高集电极效率c，关键
8、是提高集电极电压利用系数和增大波形系数g1(c) 。 放大器工作在甲类 ： c=180，g1(c)=1，cmax=50% 工作在乙类 ： c=90，g1(c)=/2 ，cmax=78.5% 工作在丙类 ： c78.5%,g1(c)随c减小而增大， 极限情况下（c=0），g1(c)=2，cmax=100% 实际上，c不可能等于0（此时Po=0），因此效率也不可能达到100%。丙类功率放大器可以获得比甲类、乙类更高的效率。c的减小，会引起输出功率的减小，为了兼顾效率与输出功率，实际中一般取c=6075左右。,已知集电极电流余弦脉冲 ，试求通角， 时 , 集电极电流的直流分量和基波分量；若 ，求出两
9、种情况下放大器的效率各为多少？,PE,3.2谐振功率放大器的工作状态分析,1、 解析分析法 解析分析法首先要解决的问题是找到器件的数学模型。由于晶体管处于大信号非线性工作区，特性曲线可用折线近似，,3.2.1谐振功率放大器的动态特性,谐振功率放大器的工作状态是根据uBE=uBEmax、uCE=uCEmin时瞬时工作点A在静特性曲线上所处位置确定的。 当A点落在输出特性的放大区时，为欠压状态； 当A点正好落在临界点上时，为临界状态； 当A点落在饱和区时，为过压状态。,3.2.2谐振功率放大器的三种工作状态及其判别方法,从上面动特性曲线随RP变化的分析可以看出： （1）RP增大，工作状态由欠压变到
10、临界再进入过压。 （2） RP增大，相应的集电极电流减小，波形由余弦脉冲变成凹陷脉冲。,（3） RP增大，uCE减小，输出电压uc波形不变，仍然是余弦脉冲，幅值Ucm增大。,一、 负载特性 负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变RP时，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率C随之变化的曲线。,3.2.3 四个电压量对性能影响的定性分析,图2.8 电流波形随Re的变化及其负载特性 (a)电流波形；(b)、(c)负载特性,从上面动特性曲线随RP变化的分析可以看出：,RP增大，工作状态由欠压变到 临界再进入过压。 RP增大
11、，相应的集电极电流ic减小,iC =IC0+Ic1mcost+Ic2mcos2t+,IC0、Ic1m随着RP增大而减小,Ucm=Ic1mRp,由于PE=ECIC0，因此，PE的变化 规律与IC0相同。,临界时：Po最大。,表 三种工作状态的比较,2.调制特性集电极调制特性,特点：随着EC减小，放大器的工作状态先后经历：欠压临界过压。 集电极电流减小，波形由余弦脉冲变成凹陷脉冲。,指EB、Ubm、 RP固定，EC变化对放大器性能的影响。,作为集电极调制时应工作于过压区,uCE=EC-uc=EC-cmcost,2.调制特性集电极调制特性,特点：随着EC减小，放大器的工作状态先后经历：欠压临界过压。
12、 集电极电流减小，波形由余弦脉冲变成凹陷脉冲。,作为集电极调制时应工作于过压区,2.调制特性基极调制特性,ube=- EB +Ubmcost,特点：随着EB 增 大，先后经历： 欠压临界过压 且 增大。,作为基极调制时 应工作于欠压区。,指 EC 、Ubm、 RP固 定， EB 变化对放 大器性能的影响。,3.振幅特性,特点：随着Ubm的增 大，先后经历： 欠压临界过压 且增大。,指EC 、 EB 、 RP固 定， Ubm变化对放 大器性能的影响。,欠压时用于放大，过 压时用于限幅。,ube=- EB +Ubmcost,4、调谐特性 功放的外部电流Ic0、Ic1m和电压Ucm等随回路电容C的变
13、化特性称为调谐特性。,例31 有一个用硅NPN高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，已知EC=24V，Po=2W，工作频率f0=1MHz。查晶体管手册知参数为特征频率fT70MHz，功率增益Ap13dB，集电极最大允许电流Icmax=750mA，饱和压降VCE(SAT)1.5V，集电极最大耗散功率PCM=1W。 试求它的能量关系。 分析：根据前面提到，晶体三极管工作在临界状态， g1(c) 则近似为1，兼顾效率与输出功率，取c=70,解：（1）工作状态为临界状态时，有ucmin=VCE(SAT)=1.5V。 于是 Ucm=ECucmin=24-1.5=22.5V,（2）由式（311）得 A=
14、178 mA,（3）由附录A可查得 0(70) = 0.253，1(70) = 0.436 （4）由式（38b）得 icmax= Ic1m/1(70) = 178/0.436 = 408 mA Icmax (750 mA,（5）Ico= icmax0(70)=4080.253=103 mA （6）由式（312）得 PE = EC Ic0 = 24103 = 2472mW = 2.472W （7）由式（313） Pc = PEPo = 2.472-2 = 0.472W PCM (1W),（8）由功率增益的定义 以上计算可以作为实际谐振功率放大器设计的依据。,3.3 谐振功率放大器电路,前面，我们
15、对谐振功率放大器的原理电路进行了分析，但实际的谐振功率放大器电路，往往要比原理电路复杂得多。它通常包括直流馈电(包括集电极馈电和基极馈电)和匹配网络(包括输入匹配网络和输出匹配网络)两个部分，现分别介绍如下。,3.3.1直流馈电电路 所谓馈电是指直流通路。为了使功率放大器能工作于所需要的状态（如丙类状态），各电极必须有相应的馈电电源。 直流馈电电路分为基极馈电电路和集电极馈电电路，按连接形式可分为串联馈电和并联馈电两种形式。,一.谐振功放的集电极馈电原则 1)保证集电极电流iC中的直流分量IC0只流过集电极直流电源EC(即：对直流而言，EC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管； 直流分量IC0是产生能量的源泉，它由EC经过晶体管电路输送至集电极，它应该除了晶体管的内阻外，没有其他内阻消耗能量；,2) 还应保证谐振回路两端仅有基波分量压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c ,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载； 换句话说：高频基波分量Ic1m应通过负载回路产生所需的高频功率。因此， Ic1m只应在负载回路上产生电压降，其余的部分对于Ic1m来说，都应是短路的。,3)另外也应保证外电路对高次谐波分量icnm呈现短路，以免产生附加损耗。,2. 集电极馈电线路形式 集
