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1、第三章 高频功率放大器,第一节 概述 第二节 谐振式功率放大器的工作原理 第三节 谐振功率放大器的折线分析法 第四节 谐振功率放大电路 第五节 丙类倍频器 第六节 宽频带高频功率放大器 第七节 功率合成 本章附录 余弦分解系数表,第一节 概 述,高频功放在发射机中的位置,一、高频功率放大器的功能,（一）功能：用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器，将直流电源提供的能量转换为大功率的高频能量输出。其输出信号的频谱与输入信号相同。,（二）要求,1，输出功率要大（故集电极电压、电流大）2，效率要高（常采用效率较高的丙类功放）3，非线性失真要小（为滤除丙类功放的众多高次谐波分量, 采用LC谐振回路
2、作为选频网络 ）故称为丙类谐振功率放大电路,二、高频功率放大器的分类,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。高频功率放大器按工作频带的宽窄可分为,1、窄带高频功率放大器,2、宽带高频功率放大器,窄带高频功率放大器通常以LC并联谐振回路作负载，因此又称为谐振功率放大器。,宽带高频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放大器。,(a)甲类 class-A amplifier,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,三、功放的种类：甲类、乙
3、类、丙类,功率放大器的效率与其放大器件的工作状态有直接关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等。,图3-3,丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。,效率与失真矛盾的解决,采用具有滤波特性的选频网络作为负载,通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。,效率与失真矛盾的解决,丙类,采用具有滤波特性的选频网络作为负载,四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同,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。,谐振功率放大器波形图,小信号谐振放大器波形图,第二节 谐振
4、高频功率放大器的工作原理,一、谐振高频功率放大器的基本电路及特点,图3-1 谐振高频功率放大器原理电路图,中间级,输出级,它主要用于发射机中，电路形式可分为中间级和输出级,特点：,2)负载为LC并联谐振回路,1) VBB 0基极负偏压,为丙类功放,图3-2高频功率放大器原理图,从原理图可以看出，谐振高频功率放大器的特点是：1、为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由Vbb来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；2、负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。,输入回路,非线性器件,LC谐振选频回路,2、特点,设输入信
5、号为,则由上可得基极回路电压为,根据傅立叶级数展开，周期性脉冲可以分解成直流、 基波(信号频率分量)和各次谐波分量, 即,二、谐振高频功率放大器的工作原理,1、基极电流 由输入特性可得基极电流为脉冲形状,式中， 为集电极电流的直流分量； 为集电极电流的基波电流振幅； 分别为集电极电流的二次至n次谐波电流振幅。,2、集电极电流 ic 经过晶体管放大后，集电极电流ic也有相同的波形,ic,当集电极回路调谐于高频输入信号频率时， 1)由于回路的选择性，对集电极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻Rp；,2)对各次谐波来说回路失谐，呈现很小的阻抗，回路两端可近似 认为短路；3)直流分量只能通过回路电感
6、支路，其直流电阻很小，也可近似认为短路。,3、集电极输出电压,ic,图3-3,图3-3,图3-3 谐振高频功率放大器各级电压和电流的波形图,其中：基波电压振幅：,各级电压和电流的波形图(输入信号ubib ic uCE输出信号),输入信号ub,uCE输出信号,第三节 谐振高频功率放大器的折线分析方法,因为高频功率放大器是工作在大信号非线性状态，晶体管的小信号等效电路的分析方法是不适用的。通常采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析，当然会存在一定的误差。但是，用它对高频功率放大器进行定性分析是一种较为简便的方法。一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式在大信号工作条件下，理想化特性曲线的原理
7、就是认为，在放大区集电极电流和基极电流不受集电极电压影响，而又与基极电压成线性关系。在饱和区集电极电流与集电极电压成线性关系，而不受基极电压的影响。下面以图所示的3DA21型晶体管的静态特性为例来说明理想化的方法。,一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式,折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。,1，正向传输特性曲线,2，输出特性曲线,因而在实际运用时，电流较大的线段对结果影响大，故理想化的斜线应画在电流较大的几条曲线附近的中间位置上，如图中斜虚线所示。该斜线称为饱和临界线，其斜率用gcr 表示。它表示晶体管工作于饱和区时，单位集电极电压变化引起集电极电流的变化的关系。因此，可表示为,
8、输出特性曲线的理想化说明：,1、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。这样，理想化特性曲线对不同的ube值，应重合为一条通过原点的斜线。由于高频功率放大器在大电流条件下工作，,因为在大功率运用下，电流较大的特性曲影响较大，故在画理想化特性曲线时，应以高频功率放大器实际输入电流的最大值为准进行理想化。例如 ，则应使理想化特性曲线近于实际 的那一条。这样近似后与实际情况比较，误差要小些。,2、放大区：根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于uce 轴的水平线。又因为常数，故各平行线对等差的ib来说，间隔应该是均匀相等的。,图中 i
9、b=7mA，由输入特性可知，uce=0.68V时，对应的ic=180mA；而 ib=0 时，ube=0.6V，在0.60V-0.68V之间，可按每间隔0.02V画出水平线，即得到以ube为参变量的理想化特性曲线。这样的理想化特性正好满足gc为常数。,另外，为了分析方便，根据理想化输入特性，将理想化输出特性曲线中的参变量ib 改为ube。,余弦电流脉冲是由脉冲高度和导通角c来决定的。只要知道这两个值，脉冲形状便可完全确定。在已知条件下，通过理想化正向传输特性求出集电极电流脉冲，可用图3-5来说明。,图3-5丙类状态下集电极电流波形,尖顶余弦脉冲,（一）余弦电流脉冲iC的表达式,二、集电极余弦电流
10、脉冲的分解,1、iC表达式:,2, iC两参数:,将（3-10）代入（3-9）得,图3-3,将（3-12）代入（3-11）即：,得,图3-3,周期性的电流脉冲可以用傅氏级数分解为直流分量、基波分量及高次谐波分量，ic可写成为：,其中各分量的振幅：,（二）余弦电流脉冲iC的分解系数,其中为余弦电流脉冲分解系数：,三、高频功放的功率和效率,尖顶脉冲的分解系数,当c120时，1(c)最大。在ICM与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。,由曲线可知：极端情况c=0时，,如果此时=1，c可达100%。,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右，通
11、常取通角为600800。,尖顶脉冲的分解系数,例1：,答： (1)乙类、丙类放大状态的效率比甲类高。故高频功率放大器一般选乙类或丙类工作状态。 (2)因为乙类和丙类放大的集电极电流为脉冲，只有通过谐振回路选出周期脉冲电流的基波分量，产生连续的基波电压输出。 (3)回路调谐于工作频率是为了取出基波电压输出。,(1)为什么高频功率放大器一般要工作在乙类或丙类状态？(2)为什么采用谐振回路作负载？(3)为什么要调谐在工作频率？,例2:,答：低频功率放大器所放大的信号频率一般为20Hz20kHz，其相对频带宽，不可能由谐振回路取出不同的频率分量，只能采用甲类或乙类推挽的放大形式。而高频功率放大器所放大
12、的信号的相对频带很窄(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，采用一个谐振回路就可以完成选频作用，故可以工作在丙类。,为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高频功率放大器却能工作于丙类？,例3：,某谐振功率放大器，已知直流电源VCC =24V,集电极输出功率Po =5W,集电极电流的直流分量IC0 =250mA,集电极电压Ucm =22.5V,求: (1)直流电源输出功率P= (2)集电极效率 (3)谐振回路的谐振电阻Rp (4)基波电流Ic1m (5)半通角,解：,低频（音频）: 20Hz20kHz,高频（射频）:,（以调幅为例 ）,已调信号,AM广播信号:,535kHz1605kHz，
13、BW=10kHz,谐振与非谐振,高频窄带信号,（1）工作频率与相对频宽不同,总结高频功放与低频功放的异同点：,相同点：输出功率大，效率高,不同点：,（3）负载不同： 低频：电阻或变压器（非谐振）； 高频：LC回路（谐振）（4）功放种类不同： 低频：甲类、乙类；高频：丙类（5）基极偏压不同： 低频：正偏压； 高频：负偏压,调谐功放的工作状态分析,调谐功放的性能随电路外部参数变化的规律？,调谐功放的动态特性,分析出,研究目的：,四、丙类高频功率放大器的动态特性,（一）什么是静态特性：,指集电极没带负载阻抗时得到的iC = f(uBE, uCE) 的关系, 是晶体管本身固有的.理想化的静态特性如图:
14、,关系式有：,高频功率放大器的动态特性是分析功率放大器电路基础，对动态特性的含义及做法应该熟练掌握。,（二）什么是动态特性：,动态特性是指集电极带负载时，在谐振功率放大器的电路参数确定的条件下，集电极电流iC = f(uBE, uCE) 的关系。,电路参数确定是指电源电压(VCC和VBB)确定、晶体管 (即参数gC 、 UBZ确定)确定、输入信号ub = Ubmcost确定、输出电压uc = Ucmcost 确定（或谐振电阻RP确定）。,（三）动态特性的表达式：,可见动态特性(iC与uCE的关系)在导通段是一条斜率为gd(0）、截距为Uo的直线；而在截止段iC =0.,将式3-23代入导通段并
15、整理得：,由Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线:,（四）动态特性的做法：截距法和虚拟电流法,1，截距法作动态特性曲线：,若已知晶体管的理想化输出特性和外部电压VBB 、 VCC 、 Ubm和Ucm的值，如何求出动态特性和电流iC 、电压uCE的波形呢？通常可以采用截距法和虚拟电流法.,解:（1）画动态特性曲线,1)uCE轴上取截距 得到B点,2) 过B点作斜率gd = - gc Ubm/ Ucm的直线交uBEmax =VBB+Ubm线于A点.,已知量有： VBB 、 VCC 、 Ubm和Ucm的值；动态特性曲线为iC = gd (uCE U0); 方程uBE =VBB+Ubmcost、 uCE =VCC-Ucmcost,3) 在uCE轴上找出VCC点,而A点在uCE轴上的投影为uCEmin =VCC-Ucm,4) 在uCE轴上选uCEmax =VCC+Ucm为C点,折线AB-BC为动态特性曲线.,（2）画uCE：由uCE =VCC-Ucmcost 及uCEmin、uCEma可画出uCE的波形.,
