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1、第4章 高频谐振功率放大电路 倍频高频放大调制话筒声音发射 天线调幅发射机方框图调幅发射机方框图音频放大高频振荡缓冲 调幅发射机原理框图调幅发射机原理框图1第4章 高频谐振功率放大电路 本章内容提要 概述高频功率放大器的工作原理 丙类功率放大器的状态分析 丙类功率放大电路 传输线变压器简介2第4章 高频谐振功率放大电路 概 述u 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。u 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高。联想对比： 功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转
2、化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。3第4章 高频谐振功率放大电路 第4章 高频谐振功率放大电路 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。 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号，其工作状态通常选为丙类工作状态，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。5第4章 高频谐振功率放大电路 icebtooictVBZu谐振功率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；
3、 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icQebtooict6第4章 高频谐振功率放大电路 icQebtooict小信号谐振放大器波形图 7第4章 高频谐振功率放大电路 icebtooictVBZ谐振功率放大器波形图8第4章 高频谐振功率放大电路 功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。表4-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 c=180 50% 电阻 低频 乙类 c=90 78.5% 推挽，回路 低频，高频 甲乙类 90c180 50%78.5% 推挽 低频 丙类 c90 78.5% 选频回路 高频 丁类 开关状态
4、90%100% 选频回路 高频 u 功率放大器工作状态 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9第4章 高频谐振功率放大电路 (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分类示意图导通角:一个周期内有电流流通的相角.10第4章 高频谐振功率放大电路 电压增益：电流增益：+1u 三种组态的基本放大电路CECCCB11第4章 高频谐振功率放大
5、电路 u 功率放大电路的主要特点 输入为大信号 要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状 态 效率要高 非线性失真要小 BJT的散热问题(管子的保护)12第4章 高频谐振功率放大电路 要解决的问题F 减小失真（线性度）F 管子的保护F 提高输出功率F 提高效率13第4章 高频谐振功率放大电路 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lowhigh3n2014第4章 高频谐振功率放大电路 效率与失真矛盾的解决(续)有源器件谐振回路窄带谐振放大器丙类 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。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输出回路晶体管
6、15第4章 高频谐振功率放大电路 功能：将直流功率转换为交流信号功率。主要指标：输出功率与效率工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）分析方法：折线近似分析法。(大信号)u 高频谐振功率放大器16第4章 高频谐振功率放大电路 u 获得高效率所需要的条件u 功率关系谐振功率放大器的工作原理u 原理电路17第4章 高频谐振功率放大电路 u 原理电路晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：晶体管的内部特性：谐振功率放大器的基本电路18第4章 高频谐振功率放大电路 故晶体管的转移特性曲线表达式：谐振
7、功率放大器转移特性曲线故得：必须强调指出，集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示转移特性icVBZo理想化ic maxicto+cco+ccVbmVbmebvcVBBt19第4章 高频谐振功率放大电路 VBZ VB B t VCC t t t ub ib ic uc Vcm Vcm vb 高频功率放大器中各分电压与电流的关系（a）20第4章 高频谐振功率放大电路 Vbmvbet 小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源作基极偏置。
8、tiC0-c+c-VBB0-c+cvbe转移特性iCVBZo理想化高频功率放大器的高频功率放大器的基本电路基本电路失真u 获得高效率所需要的条件21第4章 高频谐振功率放大电路 非线性工作的晶体三极管集电极电流与静态工作点 和输入信号大小的关系 (a)静态工作点处于放大区22第4章 高频谐振功率放大电路 (b)t或电压电流0VBZVCCVBBVbmVcmvbE maxiCic maxciCvCEvBEvCE min1. iC 与vBE同相，与vCE反相；2. iC 脉冲最大时，vCE最小；3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；u 功率关系23第4章 高频谐振功率放大电路 电路正常工作（丙类
9、、谐振）时，外部电路关系式：谐振回路24第4章 高频谐振功率放大电路 直流功率：输出交流功率：集电极效率：集电极电压利用系数波形系数25第4章 高频谐振功率放大电路 u 集电极余弦电流脉冲的分解u 高频功率放大器的动态特性与负载特性u放大器工作状态及导通角的调整u 工作状态的计算(估算)举例uu 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 近似分析法26第4章 高频谐振功率放大电路 uu 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 谐振功率放大器的功率关系和效率Pdc=直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；直流功率：输出交流功率：其中27第4章 高频谐振功率放大电路 为了对高频功率
10、放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。 最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与半导通角c的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。 考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取折线近似解析分析法。 基极偏置为负值；半通角c90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。 谐振功率放大器的工作特点28第4章 高频谐振功率放大电路 折线分析法的主要步骤l 测出晶体管的转移特性曲线ic vbe及输出特性曲线ic vce， 并将这两组曲线作理想折线化处理l 作出动态特性曲线l 是根据激励电压vbe的大小在已知理想特性曲线上画出对
11、应电流脉冲ic和输出电压vce的波形l 求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2，由给定的负载谐 振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、 直流供给功率、效率等指标 折线法是将晶体管特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。29第4章 高频谐振功率放大电路 晶体管晶体管的输出特性及其理想化的输出特性及其理想化iC=gcrvCE欠压临界过压30第4章 高频谐振功率放大电路 若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrecel 欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。 在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电
12、极是否进入饱和区，将工作状态分为三种： 由上图可见，在饱和区，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。而在放大区则 ic =gc(vBEVBZ) (vBEVBZ)， 31第4章 高频谐振功率放大电路 l 临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。l 过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区， 交流输出电压较高且变化不大。32第4章 高频谐振功率放大电路 晶体管晶体管静态转移特性及其理想化静态转移特性及其理想化iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) 33第4章 高频谐振功率放大电路 VbmvbettiC0-c+c
13、VBBo-c+cvbe转移特性iCVBZ0理想化 以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) =gc(VbmcostVBZVBB) =gcVbm (costcos c)= gcVbm(1cos c)当t=0时，iC= iC max 取决于脉冲高度iC max与通角c当t= c时，iC= 0u 集电极余弦电流脉冲的分解34第4章 高频谐振功率放大电路 尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得其中：尖顶余弦脉冲的分解系数波形系数35第4章 高频谐振功率放大电路 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输
14、出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。 尖顶脉冲的分解系数当c120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax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。36第4章 高频谐振功率放大电路 尖顶脉冲的分解系数由曲线可知：极端情况c=0时，如果此时=1，c可达100%。为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。37第4章 高频谐振功率放大电路 因此，下面分析四个参数负载电阻Rp和电压VCC 、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放
15、的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。 集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。u 高频功率放大器的动态特性与负载特性38第4章 高频谐振功率放大电路 高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。 为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。 如果VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫
16、做放大器的负载特性。 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。 高频功放的动态特性-为一直线39第4章 高频谐振功率放大电路 当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为vBE= VBB+Vbmcost vCE= VCCVcmcost消去cost可得，vBE= VBB+Vbm另一方面，晶体管的 转移特性折线化方程为ic = gc(vbVBZ)得出在icec坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：40第4章 高频谐振功率放大电路 l 动态特性曲线的做法 在vce轴上取点B，使OB=V0 ，从B作斜率为gd的直线BA，则BA即为丙类放大器的负载线。 在点A，wt=0，这时 vce = vcemin = Vcc Vcm ，vBE = vBEmax = VBB+Vbm ，找到此刻VBE所对应的晶体管特性曲线与vcemin所对应的交点即为A点。同理， wt=90度时，找到Q点，连接AQ即为放大器的负载线。方法一方法二vceicVoAVCCQVcm1vcmingdB41第4章 高频谐振功率放大电路 图中示出动态特性曲
