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1、项目二 高频功率放大器主要内容： 基础知识模块介绍项目训练1 基础知识1.1 高频功率放大器概述顾名思义,高频功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率 , 常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它广泛用于发射 机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。1.2 高频功率放大器的分类根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大 类。1. 窄带型高频功率放大器通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态，近年来出 现了工作在开关状态的丁类状态的谐振功率放大器。
2、2. 宽带型高频功率放大器采用传输线变压器作负载。传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。 本项目主要研究谐振功率放大器。1.3 谐振功率放大器的特点1. 采用谐振网络作负载。2. 一般工作在丙类或乙类状态。3. 工作频率和相对通频带相差很大。4. 技术指标要求输出功率大、效率高。1.4 谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处1、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。2、不同之处：为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。:谐振功率敖尢器:渡綁小信号谱振放乂器 f渡髡團t图2-1小信号谐振放大器波形图图2-2谐振功率放大器波形图1
3、.5 高频功率放大器的技术指标 1输出功率:P。2. 效率：n3. 功率增益:Ap2 模块介绍本项目主要介绍谐振功率放大器的工作原理，涉及的模块包括丙类谐振功率放大器、丁类谐振功率放大器、倍频器和宽带功率放大器。2.1 丙类谐振功率放大器2.1.1 丙类谐振功率放大器原理电路 原理电路图如 2-1 所示图 2-3 丙类谐振功率放大器LC 谐振网络为放大器的并联谐振网络。 谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。作用：滤波、匹配。V :基极直流电压BB 作用:保证三极管工作在丙类状态。V的值应小于放大管的导通电压U，通常取V 0。BB on BBV ：集电极直流电压CC 作用：给放大管合理的静态偏置
4、，提供直流能量。2.1.2 丙类谐振功率放大器的工作原理u T u T i T i T ui BE B C Cu为余弦电压，可表示为u =U costii im贝U： u = V +u = V + U cos w tBE BB i BB im根据三极管的转移特性可得到集电极电流i ,为余弦脉冲波，如图2-4所示:C图 2-4 i 波形 C 根据傅立叶级数的理论， i 可分解为：Ci =I +i +i +i +L +i +LC C0 c1 c2 c3 cn 式中： I 为直流电流分量C0i 为基波分量， i =I cosw tc1c1 cm1 ci 为二次谐波分量， i =I cos2w tc2
5、c2 cm2ci 为 n 次谐波分量， i =I cos nw tcncn cmnc其中，它们的大小分别为：I =i a (6)C0 Cmax 0I=ia (6)cm1 Cmax 1I=ia (6)cmn Cmax ni 是i波形的脉冲幅度，a (6)、a (6)和a (6)分别为直流分解系数、基 Cmax C01n波分量分解系数和 n 次谐波分量分解系数， a (6)的大小可根据余弦脉冲分解系n数表查。I 信号的导电角可以用下面的公式进行计算Ccos9 .叮 UBBUbmU - Uarccos onbbUbm当 i 信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，可得其谐振网络压降为： Cu =RI
6、 cos t=U cos tc cm1 c cm cu =V -u =V -U cos tCE CC c CC cm c各信号的波形如图2-5所示：功率关系：直流功率：P=V IV CC CO输出功率：p= L I UO2cml cm放大管功耗：P=P-PTVO效率：n = p/pOV2.1.3 丙类谐振功率放大器的性能分析、丙类谐振功率放大器的工作状态欠压状态：管子导通时均处于放大区；临界状态：管子导通时从放大区进入临界饱和； 过压状态：管子导通时将从放大区进入饱和区；在实际工作中，丙类放大器的工作状态不但与U有关，还与V、V和R bm CC BB 有关。在丙类谐振功放中，工作状态不同，放大
7、器的输出功率和管耗就大不相同， 因此必须分析各种工作状态的特点，以及U、V、V和R的变化对工作状 bm CC BB 态的影响，即对丙类谐振功放的特性进行分析。二、丙类谐振功率放大器的动态线1. 基本概念：大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析，为此就要在输出特性曲线上 作出交流负载线。由于谐振功放的集电极负载是谐振回路，且共集电极电压与集电极电流的波 形截然不同，因此其交流负载线已不是直线了，是一条曲线，又称为动态线。2. 动态线的作法：三极管的输出特性曲线转上的参变量i换成u ，在V、V、U和U 保B BE BB CC cm bm持不变的情况下，假设W t取不同的值，根据式u = V +
8、U cost和cBE BB imu =V -u =V -U cosW t 可得以相对应的 u 和 u 值，从而确定输出特性曲线CE CC c CC cm cBE CE上的各个“动态点”，然后依次连接各个“动态点”就可以得到动态线。其图形 如 2-6 所示。图 2-6 动态线3. 不同工作状态的动态线如图 2-7 所示图 2-7 不同状态的动态线4. 根据动态线分析放大器的特性（1）放大器工作在过压状态时， i 波形会出现下凹 c5(2) 动态线、放大器的工作状态与V、V、U和U的大小有关系。 BB CC cm bm三、丙类谐振功率放大器的特性/基极调制特性J集电极调制特性(负载特性调制特性放大
9、特性1. 负载特性负载特性是指V、V和U保持不变时，放大器的性能随R变化的特性。BB CC bm(1)工作状态的变化随着R从小变大，放大器将由欠压状态一临界状态一过压状态变化(2)i 波形的变化 c随着R增大，i的变化如图2-8所示c图 2-8 i 随 R 变化的特性 c(3) U 、 I 、 I 的变化特性cm co cm1如图 2-9 所示图2-9 U 、I、I 随R的变化cm co cm1(4)P 、 P 、 P 、 的变化特性OVc图 2-10 P 、 P 、 P 、 的变化特性OVc2. 基极调制特性基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，随VBB变化的特性 (1)工作状态
10、的变化随着VBB从小变大，放大器将由欠压状态一临界状态一过压状态变化 (2儿波形的变化如图 2-11所示增大图2-11 ic随Vbb的变化特性 U 、I、I的变化特性cm co cm1如图2-12所示欠压0:檢界 过丘 怙图2-12 Um、I。、ICm1的变化特性3. 集电极调制特性集电极调制特性是指放大器在Vbb、R和Ubm不变时，随VCC变化的特性(1) 工作状态的变化随着VCC从小变大，放大器将由过压状态一临界状态一欠压状态变化(2) ic波形的变化如图 2-13所示图2-13 ic随VCC变化的特性(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-14 所示4. 放大特性放大特性是指放大
11、器在Vbb、VCC和R不变时，随Ubm变化的特性 (1)工作状态的变化 随着Ubm从小变大，放大器将由欠压状态一临界状态一过压状态变化(2) ic波形的变化如图 2-15所示(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图2-16所示图2T6 Ucm、【co、Icm1的变化特性2.1.4丙类谐振功率放大器的电路一、丙类谐振功率放大器电路的构成原则 谐振功放的集电极馈电电路，应保证集电极电流 i 中的直流分量 I 只流过 cc0集电极直流电源VCC（即：对直流而言，VCc应直接加至晶体管C、e两端），以便 直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；还应保证谐振回路两端仅有基波分量 压降（即：对基波而言，
12、回路应直接接到晶体c ,e两端），以便把变换后的交流功率传送给回路负载；另外也应保证外电路对高次谐波分量 i 呈现短路，以免产 cn生附加损耗。以图2-17示意说明VccVcc（Q0）图2-17集电极馈电电路的构成原则a直流通路 b基波通路c高次谐波通路谐振功放的基极馈电电路的组成原则与集电极馈电电路相仿。第一，基极 电流中的直流分量I只流过基极偏置电源（即V 直接加到晶体管b ,e两端）。B0BB第二，基极电流中的基波分量i只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号 bl控制晶体管的工作，实现放大。以图2-18示意说明3）图2-18基极馈电电路的构成原则a直流通路 b基波通路二、丙类谐振功率放
13、大器电路的类型：输入端的直流馈电电路和匹配网络 输出端的直流馈电电路和匹配网络三、丙类谐振功率放大器的直流馈电电路直流馈电电路是指把直流电源馈送到晶体管各极的电路。它包括：集电极馈电电路基极馈电电路厂串联馈电电路I并联馈电电路串联馈电电路并联馈电电路1.集电极馈电电路图2-19 集电极馈电电路2.基极馈电电路a串馈电路 b并馈电路图 2-20 基极馈电电路a 串馈电路 b 并馈电路图 2-21 基极自给偏置电路3. 基极自给偏置电路四、丙类谐振功率放大器的匹配网络在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功 率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配
14、网络。输入和输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图2-22所示。无论 是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为 耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分 量，使负载上只有基波电压;将外接负载RL变换成谐振功放所要求的负载电阻R, 以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹 配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路 能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。图 2-22 匹配网络2.2 丁类谐振功率放大器高频功率放大器的主要问题是如何尽可能地提高它的输出功率与效率。丙类 谐振放大器就是依靠减小管子的导通时间(或半导通0)来提高放大器效率。但是o的减小是有一定限度的，因为e太小时，效率虽然很高，但i因下降太多，cm1导致输出功率反而下降。要想维持 I 不变，就必须加大激励电压，这又可能因cm1激励电压过大，而引起管子的反向击穿。解决上述矛盾的方法就是采用丁类谐振功率放大器。在丁类谐振功放中，功率管工作于开关状
