《高频电子技术 教学课件 ppt 作者 刘骋 第2章 高频功率放大器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电子技术 教学课件 ppt 作者 刘骋 第2章 高频功率放大器（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 高频功率放大器,2.1 概述,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。,2.2 高频功率放大器的工作原理,2.2.1 高频功率放大器的电路组成 高频功率放大器一般工作在发射机的末级, 以保证需要发送的信号具有足够的输出功率通过天线有效地辐射出去。图2.2所示为高频功率放大器的实际电路。,图2.2 高频功率放大器的实际电路,图2.2表明，高频功率放大器主要由以下部分组成。 电子器件。它在电路中主要起开关控制作用，控制直流能量向交流能量的转变。 电源。高频功率放大器包括两个电源，基极电源UBB和集电极电源UCC。其中UBB主要是设置合理的工作状态，即保
2、证晶体管工作在丙类状态；UCC则是提供直流能量。, 馈电电路。其作用是既保证把电流UBB和UCC馈送到晶体管的各极，又防止交流信号进入直流电源。馈电电路包括基极馈电电路（由C1、L1、C2构成）和集电极馈电电路（由C3、L2、C4构成）。, 耦合回路。主要起无损耗地传输高频信号及其能量、滤除谐波成分及阻抗匹配的作用。高频功率放大器的耦合回路可以是LC并联谐振回路，也可以是互感耦合回路或各种LC匹配网络。高频功率放大器的输入端和输出端均有耦合回路，其中，输出端的耦合回路也称为输出回路（由C5、C6、L3、L4、L5、CA、RA组成）。,输出回路是集电极负载，应调谐在推动级输出电压的频率上，且谐振
3、回路的谐振阻抗应满足工作状态所要求的负载阻抗。C5、L3构成谐振回路，其输出信号通过L4、C6、L5耦合到天线发射出去，故L4、C6、L5也称为天线回路，CA、RA为天线阻抗。,由图2.2所示的实际线路可以得出高频功率放大器的原理电路图，如图2.3所示。,图2.3 高频功率放大器原理电路图,如前所述，高频功率放大器的工作状态由基极偏置电压UBB设置，为了提高晶体管的集电极效率，通常使晶体管的发射结处于反向偏置状态，即使晶体管工作在丙类状态。,2.2.2 高频功率放大器的工作原理,若设高频功率放大器的输入电压 ub（t）为 则晶体管基-射间的总电压为,式中，UBB为负值。只有当uBE的瞬时值大于
4、晶体管的导通电压Uj时，基极导通，才产生基极电流iB和集电极电流iC。由于晶体管只在输入信号的部分周期内导通，故iB为余弦脉冲，同理，iC也为余弦脉冲。将iB和iC用傅里叶级数展开得,高频功率放大器的输出回路具有选频作用，若正好谐振在基波频率上，则其对于基波电流而言，等效为一个纯电阻；对各次谐波而言，回路失谐，呈现很小的阻抗。输出回路中有电感存在，对直流可看成短路。这样当集电极脉冲电流iC流经输出回路时，只有基波分量在回路两端产生较大的电压降，此电压为,式中，IC1m为基波电流分量的振幅值，Re为输出回路的有载谐振电阻。 集-射间的瞬时电压为,图2.4所示为高频功率放大器的工作原理示意图。 图
5、2.5所示为高频功率放大器的电流、电压工作波形。,图2.4 高频功率放大器的工作原理示意图,图2.5 高频功率放大器的电流、电压工作波形,2.3.1 折线分析法 为了对高频功率放大器进行分析和计算，通常采用折线法对晶体管的转移特性和输出特性进行处理，即将转移特性曲线和输出特性曲线用折线来近似代替，如图2.6所示。,2.3 高频功率放大器的分析,图2.6 折线化后的晶体管特性曲线,由图可见，晶体管在放大区的转移特性可用一条交横轴于Uj且斜率为gc的直线来表示，其函数式为,式中， Uj为晶体管导通电压， gc为晶体管跨导。,折线法的好处在于用直线方程取代曲线方程近似表示晶体管特性，使高频功率放大器
6、的分析和计算大为简化。由于高频功率放大器工作在大信号非线性状态，因此，工程上采用这一近似方法进行定性分析是可行的。,由前面的讨论可知，高频功率放大器的集电极电流为余弦脉冲形式，将晶体管的转移特性折线化后，iC的波形与 uBE的波形在正半周的一部分成线性关系，其电流和电压波形示意图如图2.7所示，集电极余弦脉冲波形的详细示意图如图2.8所示。,2.3.2 集电极余弦脉冲电流的分析,图2.7 晶体管转移特性折线化后的iC和uBE波形,图2.8 余弦脉冲波形,根据图2.8所示的余弦脉冲电流波形可得 且 所以 ,可见，集电极余弦脉冲电流iC 的大小和形状完全由最大值ICmax和导通角决定。利用傅里叶级
7、数将iC展开可得 ,式中，各电流分量的幅值为,将式（2-9）代入上面各积分式，积分后可得,式中， 、 、 分别称为余弦脉冲的直流、基波，n次谐波的电流分解系数。可将 ， ， ， 及 与通角 的关系制成曲线，如图2.9所示。,图2.9 余弦脉冲分解系数与关系曲线,1.直流功率 直流功率直流是指由直流供电电源 提供的功率。,2.3.3 高频功率放大器的功率和效率,输出功率p0是指由电子器件送给谐振回路的基波信号功率。,2.输出功率p0, 高频功率放大器的工作过程实际上是直流功率转换为交流功率的过程。在转换过程中，大部分直流功率变成了交流输出功率，小部分变成了热能消耗在晶体管的集电极上，集电极损耗功
8、率PC就是指消耗在集电极上的功率。,3.集电极损耗功率Pc, 为了说明高频功率放大器的能量转换能力，定义集电极效率为,4.集电极效率c,式中， 称为集电极电压利用系数，g1()为集电极电流利用系数，大小与有关。 由图2.9可见，越小， g1越大，则效率越高。但当很小时，g1增加不多，且造成1()小，使输出功率过小，因此，为了兼顾功率和效率，丙类功率放大器的导通角一般在6090之间选择。,根据效率的定义,2.3.4 提高高频功率放大器效率的途径,式中，PC为晶体管集电极损耗功率。上式说明，要提高放大器的效率，应尽可能减小集电极损耗功率PC。而,可见，减小损耗功率的有效方法有以下两种。 减小PC的
9、积分区间，即减小集电极电流的导通角，但导通角过小，会导致输出功率过低，故导通角一般不应小60。, 减小iC 与uCE 的乘积，即减小晶体管的瞬时管耗。由图2.5可以看出，当晶体管集电极电流iC为最大时，管压降uCE最小，这时它们的乘积，即瞬时管耗最小。而要达到这个要求，晶体管的集电极负载回路必须工作在谐振状态。可见，一旦负载回路失谐，将导致放大器的损耗功率增加，效率降低。,2.4 高频功率放大器的动态分析和外部特性,晶体管的转移特性和输出特性实际上是在其集电极没有外接负载的情况下获得的，也称为静态特性。由前面的讨论可知，晶体管在放大区的静态特性为,上式表明，在没有外接负载时，在放大区，晶体管集
10、电极电流主要受uBE控制，而与uCE无关。,如果集电极接有负载，则当改变uBE使iC变化时，由于负载上有电压降，就必然同时引起uCE的变化。因此，在考虑了负载的反作用后，所获得的uCE、uBE与iC的关系曲线就叫动态特性曲线。最常用的是当uCE、uBE同时变化时，表示iC-uCE关系的动态特性曲线，也称为负载线。下面推导高频功率放大器的动态线方程。,由图2.3可知，当放大器工作于谐振状态时，其外部电路的关系为,解上述方程，消去cost，得,将式（2-25）代入晶体管在放大区的特性方程式（2-23）得,显然，式（2-26）表示一个斜率为 截距为 的直线方程，即高频功率放大器的动态线为斜率为负值的
11、直线。其在坐标系中的位置如图2.10所示。,图2.10 丙类放大器的动态特性,在图2.10中，直线AB即为放大区的动态特性曲线。在动态线上可以找到放大器的静态工作点为,其中，UBB为负值，Uj为正值，即放大器的静态工作点电流为负值，即静态工作点位于横轴以下，这正是丙类状态所特有的。,高频功率放大器的动态线斜率与集电极负载有关，即,2.4.2 高频功率放大器的负载特性,当放大器直流电源电压UBB和UCC，激励电压ubm不变时，负载Re变化，会使动态线斜率改变，从而引起放大器的集电极电流IC0、IC1m、 回路电压Ucm、输出功率Po、效率c等发生变化。高频功率放大器的这个特性称为负载特性，它是高
12、频功率放大器的重要特性之一。,当Re改变时，动态线斜率会改变，但动态线上的Q点位置不变，这时，动态线会以Q点为轴发生偏转，动态线与晶体管的输出特性会有不同的相交位置。图2.11表示在三种不同负载电阻时，所对应的三条动态线及相应的电流、电压波形。,图2.11 负载电阻对动态线及电流、电压的影响,由图2.11可以得出以下结论： 动态线1与输出特性的IBmax相交，代表Re较小因而Ucm也较小的情形。此时，放大器的动态工作范围全部在放大区，称为欠压工作状态。动态线与IBmax的交点决定了集电极电流脉动的高度，显然，这时电流波形为尖顶余弦脉冲。, 动态线2与临界饱和线及IBmax相交，称为临界状态。在
13、临界状态，电流与电压满足下面的关系 式中，UCES为晶体管的临界饱和压降，gCr为晶体管输出特性的临界饱和线斜率。, 动态线3与输出特性的临界饱和线相交，表明随着负载电阻Re继续增大, 放大器的动态工作范围有一部分进入饱和区，输出电压进一步增大，称为过压状态。当动态线穿过临界点后，电流沿临界饱和线下降且顶部出现凹陷。,综上所述，当负载电阻Re从小到大变化时，放大器的工作状态将从欠压状态进入临界状态，再进入过压状态。在欠压区，电流IC0和IC1m沿IBmax略有下降；进入过压后，电流IC0和IC1m急剧下降并出现顶部凹陷，而且凹陷程度随Re增大而加深。由此可以画出IC0和IC1m随负载Re变化的
14、曲线，并根据Ucm、Po、PD、c、PC等的关系式可以依次画出它们随Re变化的曲线，如图2.12所示。,图2.12 负载特性曲线,观察图2.12可知，高频功率放大器的负载特性有以下特点。 在欠压状态，输出电流平稳，即对负载而言，高频功率放大器相当于恒流源；在过压状态，输出电压平稳，即对负载而言，高频功率放大器相当于恒压源。, 在临界状态，输出功率最大。 在弱过压状态，集电极效率最高。 在欠压状态，集电极损耗功率较大，易烧毁晶体管，当负载回路严重失谐或短路时，这种情况即可能出现。,可见，三种工作状态具有不同的负载特性，应针对其特点加以利用。例如，作为多级功放，要求足够大的输出功率和较高的效率，显
15、然，应采用临界工作状态较为合理；,过压状态具有较高的效率，并且有恒压性质，因此它较适用于中间级，这时它能为后级提供较稳定的激励电压；欠压状态的输出功率与效率都较小，而且损耗功率较大，因此较少采用，但在某些场合，如利用丙类放大器进行基极调幅时，则必须工作在欠压状态。,2.4.3 高频功率放大器的振幅特性 2.4.4 高频功率放大器的调制特性 1.基极调制特性 2.集电极调制特性 2.4.5 高频功率放大器的调谐特性,2.5.1 高频功率放大器的馈电电路 要想使高频功率放大器正常工作，各电极必须接有相应的直流馈电电路。无论是集电极电路还是基极电路，它们的馈电方式都有串联馈电和并联馈电两种。,2.5
16、 高频功率放大器的馈电电路和输出回路,我们已经知道，流经集电极回路的电流为余弦脉冲电流，它包含直流、基波和各项谐波分量。对于这些频率成分，馈电电路的组成原则如下。,1.集电极馈电电路, 要求直流电流直接经管外电路供给集电极电源以产生直流能量，除了晶体管内阻外，没有其他电阻消耗能量，其等效电路应如图2.20（a）所示。,图2.20 集电极电路对不同频率电流的等效电路, 要求基波分量IC1m应通过负载回路，以产生高频输出功率 。因此，除调谐回路外，其余部分对于IC1m来说都应是短路的，其等效电路如图2.20（b）所示。, 要求管外电路对于高次谐波均应尽可能接近短路，即高次谐波不应消耗任何能量。其等效电路如图2.20（c）所示。 图2.21所示为两种集电极
