《高频功率放大器原理详解演示文稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频功率放大器原理详解演示文稿（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高频功率放大器原理详解演示文稿第一页，共九十七页。优选高频功率放大器原理详解Ppt第二页，共九十七页。2、功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：、功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出联想对比：联想对比：谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；4.1概述概述1、使用谐振功率放大器的目的、使用谐振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。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。第三页，共九十七页。3、谐振功率放大器与小信号谐
2、振放大器的异同之处、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：相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负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。载均为谐振回路。不同之处：不同之处：激励信号幅度大小不同；激励信号幅度大小不同； 放大器工作点不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图第四页，共九十七页。小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 2c是在一周期内的集电极电流流通角，因此，c可称为半流通角或截止角(意即t=c时，电流被截止)。为方便起见
3、，以后将c简称为通角 2c第五页，共九十七页。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图2c第六页，共九十七页。共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。 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化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处不同之处：不同之处：工作频率与相对频宽不
4、同；工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同。放大器的工作状态不同。第七页，共九十七页。5、工作状态：、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。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，属于非线性电路第八页，共九十七页。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状态通其工作状态通常选为丙类工作
5、状态常选为丙类工作状态( c90 )，为了不失真的放大信号，它的负，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。载必须是谐振回路。非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。非谐振功率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；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。宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法第九页，共九十七页。1、原理电路、原理电路谐振功率放大器的基本电路谐振功率放
6、大器的基本电路(1)晶体管的作用是在将供电电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源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。的过程中起开关控制作用。(2)谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：4.2谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理第十页，共九十七页。根据晶体管的转移特性曲线可得：根据晶体管的转移特性曲线可得：谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：故得：必须强调指出：必须强调指出：集电极电流集电极电流ic虽然是脉冲
7、虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。正弦波形的输出。第十一页，共九十七页。12谐振功率放大器中各部分谐振功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系（a a）2、电流与电压波形：、电流与电压波形：第十二页，共九十七页。(b)t或电压电流oVBZVCCVBBVbmVcmvbE maxiCic maxciCvCEvBEvCE min1. iC 与与vBE同相，与同相，与vCE反相；反相；2. iC 脉冲最大时，脉冲最大时，vCE最小；最小；3. 导通角和导通角和vCEmin越小，越小，Pc越小；越小；vCE第十三页
8、，共九十七页。高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系第十四页，共九十七页。LC回路能量转换过程回路能量转换过程 回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由回路是由L、C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容过电容C，即使，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源这时直流电源VCC给出的能量储存在
9、电容给出的能量储存在电容C之中。之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接接近电源电压近电源电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。一周期到来重复以上过程。由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。了等幅的正弦波振荡。3、LC回路的能量转换过程回路的能量转换过程第十五页，共九十七
10、页。4、谐振功率放大器的功率关系和效率、谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。输出去。 有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率cP=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率
11、；Pc=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：第十六页，共九十七页。由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：2） 由式由式可知可知如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，那么提不超过规定值，那么提高集电极效率高集电极效率 c，将使交流输出功率，将使交流输出功率Po大为增加。谐振功率放大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。1) 设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率，则集电极效率
12、c自然会自然会提高。这样，在给定提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；就会增大；第十七页，共九十七页。如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率Pc可见使可见使ic在在vCE最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于冲状。导通角小于180 ，处于丙类工作，处于丙类工作状状态。态。谐振功率放
13、大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c90 ，集电极余弦，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：电流脉冲可分解为傅里叶级数：第十八页，共九十七页。直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：Vcm - 回路两端的基频电压回路两端的基频电压 Icm1 - 基频电流基频电流Rp - 回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：集电极电压利用系数集电极电压利用系数:为通角为通角 c的函数；的函数； c越小越小g1( c)越大越大波形系数波形系数:第十九页，共九十七页。 越大越大(即即Vcm越大或越大或vcEmin越小越小) c越小越小,效率效率
14、c越高。因此，丙类谐越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率振功率放大器提高效率 c的途径为：的途径为：1、减小、减小 c角；角；2、使、使LC回路谐振在信号的基频上，回路谐振在信号的基频上，即即ic的最大值应对应的最大值应对应vcE的最小值。的最小值。放大高频大信号放大高频大信号, 属于非线性工作状态；属于非线性工作状态；基极偏置为负值基极偏置为负值,半通角半通角 c90 ，即丙类工作状态；即丙类工作状态；电流脉冲是尖顶余弦脉冲；电流脉冲是尖顶余弦脉冲；负载为负载为LC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：故谐振功率放大器的工作特点：vCE第二十页，共九十七页。4.3.1折线法折线法
15、所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，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。晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。4.3谐振功率放大器的折线近似分析法谐振功率放大器的折线
16、近似分析法第二十一页，共九十七页。折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线、测出晶体管的转移特性曲线ic vBE及输出特性曲线及输出特性曲线ic vCE， 并将这两组曲线作理想折线化处理。并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。、作出动态特性曲线。3、根据激励电压、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形。的波形。4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2由给定的负载谐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。供给功率、效率等指标。第二十二页，共九十七页。晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直的一条直线来表示线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。由上图可见，根据理想化原理，在放大区由上图可见，根据理想化原理
