第3章-高频功率放大器

第3章高频功率放大器3.1高频小信号放大器3.1高频功率放大器的原理和特性3.3高频功率放大器的高频效应3.423.2高频功率放大器的原理和特性主要功用是放大高频信号,以高效输出大功率为目的,主要应用于各种无线电发射机中。与其它放大器相比：输出功率大，功放管在大信号极限条件下运行。其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率转换成高频功率,因此还要求尽可能高的转换效率。功率增益是重要的性能指标，但安全、高效和小失真是第一位的。高频功放与低频功放：工作频率和相对带宽相差很大；高频功放一般用选频网络作负载，工作在丙类状态，也称为谐振功率放大器。3功率放大器分类根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类（A、B、C）等多种。功率管是功率放大电路关键器件，如何选择功率管运用状态，并保证其安全工作。必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。4甲类功率放大器5乙类推挽功率放大器6单电源供电的互补推挽电路(OTL)•电压增益小于1。要输出最大信号功率，RL上信号电压振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。7交越失真上节分析乙类推挽电路性能时，忽略了晶体管发射结导通电压的影响。实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现严重失真-交越失真。两管的合成传输特性如图所示。8克服交越失真的基本途径在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类。只要VBB取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。9常用电路①二极管偏置电路②vBE倍增电路由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短路，因此偏置电路不影响输入信号vi(t)的传输。10vBE倍增电路(1)电路直流：由T3、R1、R2组成，且由电流源IR激励，为互补功率管T1、T2提供偏置电压VBB。交流：T3、R1构成电压并联负反馈电路，反馈电路电阻小，几乎不影响输入信号传输。(2)倍增原理由图可见，若通过R1的电流I1远小于T3管的集电极电流IC3，且T1和T2管的静态基极电流又可忽略，11单电源供电的互补推挽电路(OTL)•电压增益小于1。要输出最大信号功率，RL上信号电压振幅接近电源电压(单电源接近VCC/2)。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。121.功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现甲类(A)：功率管在一个周期内导通。乙类(B)：功率管仅在半个周期内导通。甲乙类（AB）：功率管在大于半个小于一个周期内导通丙类(C)：功率管小于半个周期内导通。132.不同运用状态下的集电极效率η管子的运用状态不同，相应的ηmax也不同。甲类ηmax=50％;乙类ηmax＝78.5%11CPPP减小PC可提高η。假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和vCE，则π2oCECCdπ21tviP14讨论：若减少PC，则要减少iC×vCE途径1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大iC＝0的时间。途径2：使管子运用在开关状态(丁类)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE≈vCE(sat)很小，导通的半个周期内，瞬时管耗iC×vCE很小。截止时，不论vCE为何值，iC趋于0，iC×vCE也处在零值附近。结果PC很小，η显著增大。15甲乙丙类功放电路的工作点16为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。小结：17ucCRLuce＋－ube＋－ubEbEcu()ibic－＋V图3─12晶体管高频功率放大器的原理线路3.2.1丙类功放工作原理高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外,它由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。18工作在丙类状态,在一个信号周期内功放管导通角小于1800静态时发射结反偏,工作在截止区;输入激励大信号，一般在0.5V以上；基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号；谐振回路作负载选取有用频率分量，兼有阻抗变换作用19丙类功放折线分析法非谐振功率放大器：集电极负载为纯电阻，在特性曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压求出功率性能丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，uCE由iC产生，而uCE通过基极宽度调制效应影响iC要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐!20ucCRLuce＋－ube＋－ubEbEcuibic－＋VcosbebbuEUt1．电流、设输入信号为则基极回路电压为管子导通主要工作在线性放大区，折线化近似其转移特性。cosbbuUt21晶体管的实际特性曲线22晶体管特性曲线理想化(a)传输特性理想化(b)输出特性理想化zz)z0('z:bebcbebbebuucguuuubccbbeiugiuE是晶体管导通电压；输入特（＝性跨导即）2324余弦脉冲的表达式''')''0(t=coscoscos0coscos01csobbbbecbebebebbmbbCMcbmccccbmcCMcbbmbmbbmcuEcguEuEiuEUtEEIgigUtigEUtEUtiUIgUi设时，，则有：而当时，，可以得到：coscos1cos1cosCMCcMcitIiI结果表达式又可写做：2526max0max1max11mmaxmax21ax0coscossincos(1cos)sincos(1cos)2sincos2sincos(1)(1)(1coscos)(()()),()..()cccnccoccncoccccnciaiaiiIItIntIiIinnnIinnnaaa....()nan分别为的余直流、基波和次谐波的弦脉冲分解系数。周期性集电极电流脉冲导通角为2θ；可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即27ucCRLuce＋－ube＋－ubEbEcuibic－＋VcoscosbbbebbuUtuEUt输入信号：基极电压：＋28010coscoscLcCECcCuuIRtuEuEUt输出电压为：集电极电压：负载为并联谐振回路，使回路对激励信号频率ω谐振时阻抗最大为RL；集电极调谐时，Ubemax、Icmax、UCEmin同时出现。集电极导通角由输入决定,导通角越小效率越高292．高频功放的能量关系在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为LcLccRURIUIPc22112121211(3─22)集电极电源供给的直流输入功率P0为ccEIP00(3─23)直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc,即10PPPc(3─24)30Pc为耗散在晶体管的热能，定义集电极效率η1010111011100111122cccccccPPPPPPPPPPPPPIUPIE表明输出功率与效率的关系而+！又31110011001122ccccccccPIUPIEIIUE（）其中称为；（）称为集电波形系数电压极利用系数。要提高效率，一是提高电压利用系数，通过提高回路谐振阻抗RL;另一是提高波形系数，增加基波分量，这与导通角有关。甲类ηmax=50％;乙类ηmax＝78.5%；丙类γ1.75,效率更高。32余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线分解系数α1最大值为0.536时，导通角为1200，此时输出功率最大，在甲乙类状态，效率66%太低不可用！导通角在0~150,输出功率太小极端情况：此时输出电流为零！θ通常选在65－75002=100%,1若效率可达，33bbdUIP121(3─27)高频功放的功率放大倍数为dpPPK1(3─28)用dB表示为)(101dBPPLgKdp(3─29)设激励端基波电流振幅为Ib1,且与ub同相(忽略实际存在的容性电流),则激励功率为高频功放的功率放大倍数为343.2.21.动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶体管集电极电流ic与集电极电压(ube或uce)的关系曲线。小信号放大器中，若已知负载电阻，过静态工作点作一斜率为负的交流负载电阻值的倒数的直线，即得负载线，动特性是负载线的一部分；以ωt为变量，在ic～uce或ic～ube坐标系统中描绘ic是一条曲线。35ucCRLuce＋－ube＋－ubEbEcuibic－＋VcoscosbbbebbceccuUtuEUtuEU输入信号：基极电压：＋输出电压：－36c020()bebbceccbebcecuEUuEUuEuEccectttiuEUACBAQCABC＋点点点折线＋交横轴于点，即为动特性曲线。coscosbbbebbceccuUtuEUtuEU输入：基极：＋输出：－动特性曲线的斜率372．高频功放的工作状态高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态。在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般工作于此状态。minminmin,,,CECEsCECEsCECEsUuUuUu功放工作在欠压状态；功放工作在临界状态；功放工作在过压状态。381101112122ccoccLcPUIPEIRUP欠压状态39过压状态的集电极电流波形40A选取合适的负载电阻，使动特性曲线上端恰好在电流下降线（点）临界状态41高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态。在临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般工作于此状态。minminmin,,,CECEsCECEsCECEsUuUuUu功放工作在欠压状态；功放工作在临界状态；功放工作在过压状态。42例3－1（P80）433.2.3高频功放的外部特性高频功放是工作于非线性状态的放大器,可以看成是外部激励的高频功率发生器。外部特性指放大器的性能随外部参数变化的规律。包括负载电阻RL、激励电压UBB或Ec变化时特性；也包括负载在调谐过程中的调谐特性。441．高频功放的负载特性只改变负载电阻RL,高频功放电流、电压、功率及效率η变化的特性。图3─18(b)是根据图3─18(a)而得到的功率、效率曲线。45crmincr132LLcLLccLcececcLsRUURRUuURiURR饱和过小小压状态出现凹顶临界状欠压态较大状态增长缓慢4621112121211102U22U22cLLcLLccLccLcLccPIRPIPRPRPRIIUEiRRR欠压状态：过压状态：随增大而减小欠压状态：＝基本不便，随及近似线性变化过压状态：波形畸变输出功，减小，率集电极效率也减小47231LR过压状态效率高损耗小，近似临界状态输出功率最大，效率较高欠压状态输出电流受影响小，近似恒恒压源特性流源特性482．高频功放的振幅特性高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub时,放大器电流、电压、功率及效率的变化特性。maxmax01cosbebbbbeccccuEUtUuIIIU＋49高频功放振幅特性01maxcccCbccCbIIUUUIIUU在、、增长较快，非线性；工作状态时：在由于顶部凹陷、、增加缓慢欠压，基本状态,乙类过压状不随态,变化。503.改变某一电极的直流电压来改变高频信号的振幅1)cosbebb