高频功率放大器5

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1、第2章 高频功率放大器,任务：实现高频信号的功率放大。窄带高频功率放大器（以LC并联谐振回路作负载），又称为谐振功率放大器。,原理组成：谐振功率放大器是如何工作的，那些参数直接关系到它的效率和输出功率。,目标：达到高效率，大功率，高稳定性输出。,实现方法：如何保证上条件得到满足-直流馈电和输出 匹配网络。,分析：在什么条件下能实现高效率和高功率输出。,关键问题：与器件功耗联系的功率管温升受限。,本章内容,2.1 谐振功率放大器基本工作原理 2.2 丙类功率放大器的工作状态分析 2.3 谐振功率放大器的高频特性 2.4 谐振功率放大器电路 2.5 高效率高频功率放大器及 功率合成技术,2.1 谐

2、振功率放大器基本工作原理,功率放大器与信号放大器的异同点。 共同点：放大器，在结构上相似。 不同点：器件，工作状态：低频信号放大器工作于甲类或乙类；高频功放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。 负载特性：低频信号放大器工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，因此用谐振回路作负载。 分析方法：低频信号放大器利用晶体管实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲电流，因此用折线近似法。,2.2.1 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理电路。,图2.1 谐振功率放大器原理电路, 设输入信号为,则由图2.

3、1得基极回路电压为：,(2.1 1),设三极管发射极的导通电压为UB，在 时，iC0；只有在uBEUB 时，集电极才有电流输出， iCgm(uBE-UB) 所以集电极电流将是余弦脉冲。,(2.1 2),图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形,2.1.2 工作原理,集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，谐振角频率0等于输入信号的角频率。回路两端的电压：uc,晶体管集射极间的电压,ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。, 90o，丙类工作状态 =90o，乙类工作状态 =180o，甲类工作状态,图2.3 电流、电压波形,由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC

4、并联谐振回路的选频滤波作用，集电极电压仍为余弦波形，且uCE与uBE反相。 另外，已知集电极电流iC中有很多谐波分量，如果将LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即0=n，则在回路两端将得到n的电压 uc=IcnmRencos(nt) 的输出信号，它的频率是激励信号频率的n倍，所以这种谐振功率放大器称为倍频器。,2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系 高频平均功率 直流输入功率,直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极 损耗功率PC, 即,定义集电极效率C为 波形系数 集电极电压利用系数,可知，当Po一定时，减小PC可提高C。PC可表示为,(2.112),因此，减小iCuce及导通角可

5、减小PC，由图2.3可看出，iC的最大值与uce的最小值对应，通角越小，iC越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。,丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看。由,提高效率：1) 减小导通角； 2）减小ucemin 。,(2.113),可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，C越 高，输出功率Po越大。,在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量提高输出功率。因为,例1：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率Po=5W，晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压幅值Uc=22.5V,试求：直流输入功率PE；集电极效率c；谐振电阻Re；基波电流IC1m。,解：直流

6、输入功率PE=IcoEc=6(w) 集电极效率c=Po/PE83% 谐振电阻Re=Uc2/2Po=50.6() 基波电流IC1m=Uc/Re 445(mA),分析方法： 解析法简单，概念清楚，可给出定量的近似结果。 图解法形象直观，但要获得定量的结果比较麻烦。 2.2.1 解析分析法（两处近似）,(a)理想化的转移特性 (b)理想化的输出特性,2.2 丙类谐振放大器的工作状态分析,晶体管工作在放大区 晶体管工作在截止区 晶体管工作在饱和区,当ic=0时的导通角满足,集电极余弦脉冲电流的解析表示式为,0()、 1()、 n()分别称为余弦脉冲的直流、 基波、 n次谐波的电流分解系数。,图2.5

7、余弦脉冲分解系数与的关系曲线,波形系数：,2.2.2 动特性曲线图解分析法 小信号电压放大器仅仅在放大区工作，负载是纯电阻，因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。 谐振功率放大器不是仅工作在线性区，各个区的特性曲线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，工作点的轨迹就不是一条直线，所以瞬时工作点的轨迹称为动特性曲线。iC uCE,已知放大区集电极电流表示式为,又根据uCE=EC-Ucmcost写出：,所以,动特性曲线在放大区部分是直线。,在取 iC=0 时，得到线性区的另一点A，对应的t= 。,在t=0时，有：,对应于输出特性上的C点。,在

8、谐振功率放大器的输出特性上求出的两个瞬时工作点，就得到在放大区的动特性曲线。,t继续增加时，就表现为非线性，集电极电流维持为0，但集电极电压继续增大。瞬时工作点在横坐标轴上向右移动。,图2.6 动特性曲线与集电极电流波形,动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶体管集电极电流iC与电压 uCE 的关系曲线, 它在输出特性上 iCuCE （转移特性上 iCuBE ）是一条折线。,当t=/2 时,瞬时工作点为EC点。,当t= 时，瞬时工作点为D点,虽然动特性是折线，晶体管输出电流时余弦脉冲，但放大器输出电压是完整的余弦波形。,2.2.3 谐振功率放大器的工作状态 1)欠压状态：C点在放大区，

9、余弦脉冲高度最大，但Ucm 比较小 2)临界状态： C点在放大区与饱和区的边界上，余弦脉冲 高度同上，Ucm 接近最大 3)过压状态： C点在饱和区，集电极电流波形出现凹陷明 显下降， Ucm 略大于临界状态。 谐振功率放大器的工作状态是根据瞬时工作点C在动特性曲线上所处位置来确定的。谐振功率放大器的输出功率和效率由EB、Ubm、 EC、 Re 、UB 和 gm 六个参量决定。,图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形,要点回顾： 关键问题 原理结构 负载不同 实现高效率的方法，导通角如何实现高功率与高效？ 三极管的工作状态，解析分析法：导通角，最大电流的表达式 动特性曲线(四点)从输出特

10、性上寻找同时实现高功率与高效的状态 放大器的工作状态由六个参数确定，对应着一动特性 曲线。S(Eb,Ubm;Ec,Re;gm,UB)。 需要记住的四个图：结构，输入输出（电压电流），三极管特性，动特性曲线 负载特性,2.2.4 负载特性,负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re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。,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,Recr称为临界电阻。此时输出功率最大，所以临界状态为最佳工作状态。功放一般工作在临界或弱过压状

11、态。,处于过压状态时，三极管会工作在那几个区？,高频功放三种工作状态的特点：,表2.1 三种工作状态的比较,2.2.5 EC、EB、Ubm对谐振功率放大器性能的影响 集电极调制特性,集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改变EC时, 放大器电流、 电压、 功率及效率的变化特性。,集电极调幅时，谐振功放工作于过压区。,图2.9 集电极调制特性,2. 基极调制特性,基极调制特性是指当保持EC、Ubm、Re不变而改变EB时，放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。,在基极调制特性中，应选择在欠压状态工作,3. 放大特性,放大特性是指当保持EC 、EB、Re不变而改变Ubm时, 放大器电流、

12、 电压、 功率及效率的变化特性。,4. 高频功放的调谐特性 高频功放的外部电流ICO、IC1和电压UC等随回路电容C的变化特性称为调谐特性，利用这种特性可以指示放大器是否调谐。,高频功率放大器的调谐特性,例2 某高频功率放大器，当输入 时，作出的动特性如图中ABC所示。已知功放管临界饱和线的斜率Scr1.5S。试解答以下问题： （1）判断功放工作于何种工作状态； （2）计算Ec、Ucm、EB、Ubm、Po、Pc及； （3）画出输出的波形； （4）为获得最大输出功率，应如何调整谐振电阻Re？并求出此时的Recr、Pomax、 。,例3：某谐振功率放大器， EB=-0.2V， UB=0.6V， S

13、cr=0.4S，Ec=24V，Re50， Ubm=2V，Po1W，试求：Ucm、icmax、 ，并判断放大器工作于什么状态。,例4：某谐振功率放大器， Ec=30V， Scr=1.5S。若要求 导通角为70o，最大输出功率Po20W，试问： 1）功放应调整在什么状态？此时 Re？ 2）功放管的效率和功耗各为多少? 3）若将负载减小一半或增大一倍，输出功率=？ 4）若将输入电压减小一半或增大一倍，则功放的工作状态和输出功率分别有何变化。,要点回顾： 四个特性：负载、集电极和基极调制、放大特性。 由输出特性的动特性曲线-特性参数,2.3 谐振功率放大器的高频特性,1. 基区的渡越时间效应 晶体管本

14、质上是电荷控制器件。少数载流子的注入和扩散是晶体管能够进行放大的基础。少数载流子在基区扩散到达集电极（形成集电极电流iC）需要的时间称为载流子渡越时间 。 当工作频率较高时，即渡越时间可以与信号周期相比拟时，集电极电流iC比iB、iE均要落后一相角，且由于电子运动不规则，引起渡越的分散性，从而造成集电极脉冲电流峰值减小，脉冲展宽，最终导致Ic1m减小，输出功率P0减小，集电极效率降低。,载流子渡越效应对电流波形的影响 （a）低频时；（b）高频时,影响 当频率增高时，由于iC的最大值下降且滞后于iE ，因此使iB增大，将导致ib1 m增大 ，发射结的阻抗显著减少， 的影响相对增大，最终导致加在发

15、射结的有效输入电压下降。若要求加在发射结的输入电压保持不变，必须使基极的输入电压增加，从而输入功率增大，功率增益下降。,3. 饱和压降的影响 工作频率升高加上大注入的影响，将使功率管的饱和压降uCES增大（工作频率为几十兆赫时， uCES 3V，工作频率为几百兆赫时， uCES 5V ）。在EC相同时，导致集电极临界输出电压ucmcr减少，从而使放大器的输出功率、效率、功率增益均相应减小。,晶体管的饱和特性,4. 引线电感、极间电容的影响,在共射极放大电路中，发射极引线电感的影响最为严重，因为发射极电流在其上产生的反馈电压将导致增益和输出功率的下降。极间电容将使输入阻抗减小，寄生反馈增加，造成

16、放大器工作不稳定。,在设计谐特功率放大器时，必须选取特征频率远高于工作频率，以保证正常工作。,2.4 谐振功率放大器电路,2.4.1 直流馈电线路 1.馈电原则 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。 集电极馈电线路： 集电极电流iC中的直流分量ICO只流过集电极直流电源EC。 谐振回路两端仅有基波分量压降。 外电路对高次谐波分量ICn呈现短路。,基极馈电线路： 基极电流中的直流分量IBO只流过基极偏置电源EB。 基极电流中的基波分量Ib1只流过输入端的激励信号源。,2. 集电极馈电线路 集电极馈电线路的两种形式: 串联馈电线路和并联馈电线路。 图 2.14(b) 中晶体管、 电源、 谐振回路三者是并联连接的, 故称为并联馈电线路。,图2.14 集电极馈电线路 (a)串联馈电形式；(b)并联馈电形式,串馈与并馈的特点 并馈的优点：谐振回路两端处于直流地电位，因 而调整方便。