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1、单元四 高频功率放大器,第 1 章功率电子线路,第 2 章谐振功率放大器,第 1 章功率电子线路,1.1功率电子线路概述,1.2功率放大器的电路组成和工作特性,第 1 章 功率电子线路,1.1功率电子线路概述,1.1.1功率放大器,1.1.2电源变换电路,1.1.1功率放大器,特点：工作在大信号状态。,一、功率放大器的性能要求, 安全。输出功率大，管子在极限条件下运用。, 高效率。,C 集电极效率(Collector Efficiency),Po 输出信号功率 ；PD 电源提供的功率；,PC 管耗 (Power Dissipation)/集电极耗散功率；,Po 一定，C 越高，PD 越小 PC
2、 小， 既可选 PCM 小的管子，以降低费用，也节省能源。, 失真小。,尽管功率增益也是重要的性能指标，但安全、高效和小失真更重要，前者可以通过增加前置级祢补。,二、功率管的运用特点,1功率管的运用状态,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。, 甲类：功率管在一个周期内导通 ，c = 。, 乙类：功率管仅在半个周期内导通，c = /2。, 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通， /2 c 。, 丙类：功率管在小于半个周期内导通，c /2。,功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。,功率管的运用状态,根据下列曲线说出功率管的应用状
3、态：,图 111各种运用状态下的输出电流波形,2不同运用状态下的 C,管子的运用状态不同，相应的 Cmax 也不同。,减小 PC 可提高 C。,假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为,讨论：若减少 PC，则要减少 iC vCE,方法 1：由甲类 甲乙类 乙类 丙类，即减小管子在信号周期内的导通(增大 iC = 0)的时间。,方法 2：管子运用于开关状态(又称丁类)，即一周期内半饱和半截止。 饱和时，vCE VCE (sat) 很小 PC 很小； 截止时，iC 很小，iC vCE 也很小 PC 很小。,总之：为提高 C，管应用状态可取乙类、丙类或丁类。但集电极电流波形失真
4、严重，电路需采取特定措施(见 1.2 节)。,1.1.2电源变换电路,按变换方式不同：,(1)整流器(Rectifier)：交流电-直流电。 应用：电子设备供电。,(2)直流-直流变换器(DC-DC Converter)：直流电-直流电。 应用：开关电源。,(3)逆变器(Inverter)：直流电-交流电。 应用：不间断电源、变频电源。,(4) 交流-交流变换器(AC-AC Converter)：交流电-交流电。 应用：变压等。,第 2 章谐振功率放大器,2.1谐振功率放大器的工作原理,2.2谐振功率放大器的性能特点,2.3谐振功率放大器电路,2.4高频功率放大器,概述,1、使用高频功率放大器
5、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,高功率输出,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：,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：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,小信号谐振放大器 波形图,谐振功率放大器 波形图,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
6、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。,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
7、器的主要技术指标是输出功率与效率,第 2 章 谐振功率放大器,谐振功放：一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。,图 2-2-1(a)谐振功率放大器 原理电路,特点：负载匹配网络为谐振系统,应用状态：丙类(或丁类、乙类),用途：对载波或已调波进行功率放大,种类：丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放 倍频器,本章内容：工作原理、性能分析、电路。,第 2 章谐振功率放大器,2.1谐振功率放大器的工作原理,2.1.1丙类谐振功率放大器,2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器,2.1.3倍频器,2.1.1丙类谐振功率放大器,1电路组成,图 211谐振功率放大器原理电路,ZL 外接负载，呈阻抗性，用 CL 与
8、RL 串联等效电路表示。,Lr 和 Cr 匹配网络，与 ZL 组成并联谐振回路。调节 Cr 使回路谐振在输入信号频率。,VBB 基极偏置电压，使功率管 Q 点设在截止区，以实现丙类工作。,2集电极电流 iC,图 212,输入vb(t) = Vbmcos st,据vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st,由静态转移特性(iC-vBE)，得集电极电流 iC 波形：脉宽小于半个周期的脉冲序列。傅里叶级数展开,为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。,3输出电压 vo,(1)对基波分量,阻抗最大，为谐振电阻 Re(谐振回路调谐在输入信号频率上，因而对 iC 中的基波分量呈
9、现的阻抗最大，且为纯电阻)。,在高 Q 回路中，其 Re 近似为,式中，, 回路总电容, 回路谐振角频率, 回路有载品质因数,(2)对非基波分量,阻抗很小(谐振回路对 iC 中的其他分量呈现的)，产生的电压均可忽略。,既然仅有由基波分量产生的电压 vc 输出，负载获得的信号功率不失真。,因此，丙类谐振功率放大器谐振回路的功能：, 选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出电压。, 阻抗匹配：调节 Lr 和 Cr ，谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻 Re，并阻抗匹配。,所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹配负载的双重作用。,4功率特性分析,(1
10、)丙类功放的问题,图 213脉冲宽度变化的示意图,若提高 C，管子导通角 c 应继续减小；但引起 iC 中基波分量 Icm1 减小，导致输出功率减小。,(2)解决方法,VBB 负向增大(c 减小)同时，提高输入激励电压 Vbm，以维持输出功率不变。但需警惕管发射结反向击穿。,为进一步提高效率，可采用开关工作的丁类、戊类谐振功率放大器。,2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器,1丁类谐振功率放大器,(1)电路,Tr 二次侧两绕组相同，极性相反。,T1 和 T2 特性配对，为同型管。,(2)原理,若 vi 足够大，则,vi 0 时，T1 饱和导通，T2 截止， vA1 = VCC VCE(sat),v
11、i 0 时，T2 饱和导通，T1 截止， vA2 = VCE(sat),A 点最大振幅值：,vA = vA1 vA2 = VCC 2VCE(sat),加到串联谐振回路，若谐振回路工作在输入信号角频率上，可近似认为输出电流 iL 是角频率为 的余弦波，RL 上获得不失真输出功率。,(3) 讨论, VCE(sat)小，管耗小，放大器的效率高 (90% 以上) ；, 因结电容、分布电容等影响，实际波形不理想，使管耗增大，丁类功放效率受限。,2戊类放大器,为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计的集电极回路，保证 vCE 为最小值的一段期间内，才有集电极电流流通戊类放大器。,3实现办法,(
12、1)晶体管倍频器,倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频。原因：, 效率。集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度随着 n 的增加而迅速减小。倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低。, 滤波。谐振回路需滤除高于 n 和低于n 的各次分量。低于 n 的分量幅度较大，滤除较难。倍频次数越高，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。,(2)变容二极管、阶跃二极管构成参量倍频器，适用于倍频次数较高时。,2.1.3倍频器,1概念,倍频器(Frequency Multiplier)：将输入信号的频率倍增 n 倍的电路。,2原理,在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入信号频率的 n 次谐波上，则输出
13、谐振回路上仅有 iC 中的 n 次谐波分量产生的高频电压，而其他分量产生的电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号频率 n 倍的输出信号功率。,第 2 章谐振功率放大器,2.2谐振功率放大器的性能特点,2.2.1近似分析方法,2.2.2欠压、临界和过压状态,2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论,2.2.1近似分析方法,1使用条件两假设, 谐振回路滤波特性理想，即尽管集电极、基极电流为脉冲波，但两回路只产生基波(余弦)电压，其他分量的电压均可忽略。有, 功率管特性用输入和输出静态特性曲线表示，其参变量采用 vBE(而不是通常的 iB) 。,2分析步骤,图 221谐振功率放大器的近似分
14、析方法(b), 求动态点，画波形； 连动态线，画 iC 波形； 图解积分求分量； 计算功率性能。,谐振功率放大器的分析,(1)求动态点，画波形,图 221谐振功率放大器的近似分析方法(a),设定 VBB、Vbm、VCC、Vcm ，将 t 按等间隔(t = 0， 15， 30， ) 给定数值，由 便可确定 vBE 和 vCE (图 a)。,(2)连动态线，画 iC 波形：,图 221谐振功率放大器的近似分析方法(b),根据 vBE 和vCE 值，在输出特性曲线上(以 vBE 为参变量)找对应的动态点，画动态线(动态点的连线)，由此可确定 iC 的波形。,不到 VCC，因为导通角小于 ,(3) 图
15、解积分求得分量 IC0 和 Ic1m,谐振电阻,(4) 计算功率性能,四变量 VBB、Vbm、VCC、Vcm 不同，iC 的波形和数值就不同，由此求得的 Re 及相应的功率性能就不同。应了解四变量的影响。,2.2.2欠压、临界和过压状态,1当 VBB、Vbm、VCC 不变， Vcm 由小变大，动态点左移, 欠压状态,Vcm 的取值，使所对应的动态点均处在放大区。, 临界状态,Vcm 增大，使 t = 0 所对应的动态点 A处在临界点，iCmax 略微减小。, 过压状态,Vcm 继续增大，使 A(t = 0)动态点处在饱和区，iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，Vcm 增大，凹陷加深。,谐振功放的
16、工作状态,2 iC 的平均分量 IC0 与基波分量 Ic1m,iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大。如果出现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小。,由此可求功率性能,2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论,一、负载特性,1定义,指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。,2特性,Re 的增加势必将引起 Vcm 增大(Vcm = ReIcm),Re Vcm vCEmin 功放欠压 过压 iC 波形出现凹陷。,据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。,谐振功放的负载特性,3 Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线,图 2-2-4负载特性,Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPo C = Po/ PD,3讨论,(1) 欠压区,Re ，iC 脉冲高度略有减小，相应的 IC0、Ic1m 也略有减小，因而 Vcm(= ReIc1m)和 Po( )近似线性增大，而 PD(= VCCIC0)略有减小
