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高频电子线路第三章高频功率放大器思考：高频功率放大器可能用在什么地方？下午4时37分23.1概述3.2谐振功率放大器分析3.3谐振功率放大器电路组成3.5宽带高频功率放大电路3.6功率合成3.7集成高频功率放大电路及应用简介*3.8晶体管倍频器3.9小结下午4时37分3掌握高频功率放大器的工作原理掌握高频功率放大器的折线近似分析法熟悉高频功率放大器的组成原则和匹配网络的计算了解丁类、戊类功率放大器的工作原理掌握功率合成器的工作原理了解倍频器工作原理下午4时37分43.1概述功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路，是发送设备的重要组成部分。在工作一般性原理上，它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下，将直流电源转换为输出功率（当然，在性能要求和运行特征上不同）。输出功率、效率和非线性失真是高频功率放大电路（又称谐振功率放大电路）的三个最主要的技术指标。作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与安全和效率的要求相比，却是第二位的。功率增益低，可以用增加前置级的级数或提高相应增益来弥补。安全工作却是必须首先考虑的问题。为获得大的输出信号功率，放大管就必须运用大信号，包括大的动态电压和大的动态电流，并往往接近管子的极限运用，因此必须选用合适的功率管以保证其安全工作。下午4时37分54、单级单调谐放大器2.2小信号谐振放大器单调谐放大器L谐振功率放大器基本电路图-+uc帝国大厦=xp2I_KlMKrHIWtejOPjY1zwRwlhVQRoCp04VKWA_n1njXINeJweHIZSXZSGXZ2SbfT9fwgN_XF4nwbAhSNaiXKHXd23D_pOA4TL9Zm3Ga8p3CgUGJL3QULq3pYMvcCqw在通信系统中,高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分,用于对高频已调波信号进行功率放大,然后经天线将其辐射到空间,所以要求输出功率很大。输出功率大,从节省能量的角度考虑,效率相对显得更加重要。另外，输出信号功率越大，相应的动态电压和动态电流就越大，由器件特性非线性引起的非线性失真也会越大。实践中，还必须限制输出功率，使失真在允许范围之内。下午4时37分8大功率管实物下午4时37分92.功率管的主要性能参数下午4时37分10功率放大器的集电极效率c，等于输出功率Po与直流电源供给功率PDC之比。它是衡量功率放大器转换能力的性能指标，也是功率放大器发展进程中人们始终关注的研究方向。PDC等于集电极电流直流分量与VCC的乘积，主要包含晶体管输出功率PO与耗散功率PT。)15.2.4(2122omomomomoIUIUP要想Po大，应使Uom和Iom都要大。为了进一步提高输出电压和电流，所以管子工作在接近极限状态，并且允许轻微非线性波形失真。输出功率Po：高频功率放大器的其他主要技术指标：功率增益(输出功率Po/输入功率Pi)、带宽、谐波抑制度（、信号失真度，要求失真在允许的范围内）下午4时37分11晶体管的极限参数使用晶体管来获得最大效率时，不能超过其规定的极限参数。为此，通常选用具有两倍左右余量的晶体管。但在电感负载时振幅会达到电源电压的两倍，故若打算留有两倍余量则应选用承受四倍电源电压这种极限参数的晶体管。小知识2.功率管的运用特性下午4时37分12在功率放大器中，往往选择静态工作点，使功率管运用在特性的不同区段上，实现甲类、乙类、甲乙类、丙类等不同运行状态。根据正弦波激励下整个周期内的导通情况，可分为四个工作状态：甲类(A)：一个周期内均导通，2θ=360°甲乙类(AB)：导通角大于180°乙类(B)：导通角2θ等于180°丙类(C)：导通角2θ小于180°lowhigh丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。下午4时37分133.高频功率放大器与小信号谐振放大器高频小信号谐振放大器与谐振功率放大器的区别：①工作状态分别为：小信号-甲类，大信号-丙类。也就是说，除了输入信号幅度不同外，晶体管的工作点和晶体管动态范围都不相同。高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，因此，采用负电源作基极偏置，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。②为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用LC谐振回路作为选频网络。故这样的电路称为丙类谐振功率放大电路。问题：（1）丙类导通角180o，多少角度最优？（2）放大区、临界点、饱和区，何处最优？4.高频功率放大器的分类高频功率放大器可分为窄带功率放大器和宽带功率放大器两类。例如,中波段调幅广播的载波频率为(535-1605)kHz，而传送信息的相对带宽只有0.6%-1.7%，发射机中的高频功率放大器一般采用窄带选频网络为负载。由于调谐系统复杂，窄带高频功率放大器的应用就受到很大的限制。而对某些特殊要求的通信机，要求频率相对变化的范围大。宽带高频功率放大电路采用非谐振宽带网络作为匹配网络，能在很宽的频率范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输变压器，只能工作在甲类状态。宽带高频功放是牺牲效率来换取工作频带的加宽。下午4时37分14问题：为什么低频功率放大器不能工作于丙类，而高频放大器却可以？答：低频信号的相对频率范围一般很宽(如人耳可以听到音频信号20Hz~20kHz，人说话声音频率范围是300Hz到3400Hz)，而工作在丙类的输出信号是尖顶余弦脉冲，将严重产生失真；这种尖顶的余弦脉冲会带来丰富的谐波余量，这些谐波成分可能会对原低频信号产生干扰。而对高频信号一般只对频带很窄的FM或AM波进行放大，产生的谐波一般落在频带范围之外，利用谐振网络只取出有用的基波信号。但是对频率范围很宽的高频信号（如电视发射机），其功放一般也工作在甲类状态。下午4时37分15高频功率放大器希望输出的谐波分量尽可能小，以免对其它频道产生干扰。国际对谐波辐射规定是：(1)对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强不得超过基波场强的0.02%。(2)无论电台的功率有多大，在距电台一公里处的谐波场强不得大于50V/m。在一般情况下，假如任一谐波的辐射功率不超过25mW，即可认为满足上述要求。下午4时37分16返回提问：在多级放大器设计中，为了降低整个放大器的噪声系数，对第一级放大器有何要求？为什么高频放大器可以工作于丙类而低频功率放大器却不可以？功率放大器根据晶体管的工作状态不同可以分为哪几类？高频功率放大器常工作于哪一类？下午4时37分173.2谐振功率放大器分析3.2.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式3.2.2集电极余弦电流脉冲的分解3.2.3高频功率放大器的工作状态分析下午4时37分18返回3.2.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器的分析、计算，通常采用准线性的折线分析法。准线性放大是指仅考察集电级输出电流中的基波分量在负载两端产生输出电压的放大作用。折线近似分析法(简称折线法)，这是一种图解法与数学解析分析相折中的办法，指用几条直线来代替晶体管的实际特征曲线，然后用简单的数学解析式写出它们的表示式。缺点是准确度低，但计算比较简单，易于进行概括性的理论分析。下午4时37分19准线性折线分析法的条件下午4时37分20忽略晶体管的高频效应，可以认为在工作频率下只显示非线性电阻特性，而没有电抗效应。因此，功率管的特性用输入和输出静态伏安特性曲线表示。功率管的静态伏安特性可近似用折线表示。输入和输出滤波(谐振回路)具有理想的滤波特性，其上只产生基波电压。尽管集电级电流iC是脉冲波，但集电级回路电压uCE及其产生的回路电流却是余弦波。下午4时37分21vCE=0VvCE1VuCE/VGcr1.特性曲线的折线化晶体管实际特性和理想折线过压区欠压区a)iCuBEVon/VBZ斜率G功率管的静态特性曲线主要用的是转移特性曲线和输出特性曲线。转移特性曲线是以集电极电压uCE为常量的集电极电流iC和基极电压uBE的关系曲线，如图a。输出特性曲线是以基极电压uBE为参量的集电极电流iC和集电极电压uCE的关系曲线，如图b。b)发射结的截止偏压BEu下午4时37分22直流2.折线化特性曲线的数学解析式--iC小写字母、大写下标,表示包含直流的总瞬时值晶体管实际特性和理想折线斜率gcrb)过压区欠压区uCEGcra)转移特性曲线斜率GVonuBE设输入信号ub=Ubmcost，发射结电压uBE=--VBB+Ubmcost，(4.2.1)晶体管折线化后的转移特性为：G(uBE–Von)uBEVoniC=0uBEVon(4.2.3)代(4.2.1)入(4.2.3)得：iC=G(-VBB+Ubmcost–Von)(4.2.4)振幅BEuL+-uc下午4时37分23iC=G(-VBB+Ubmcost–Von)(4.2.4)当t=c，则iC=0，代入上式得：)6.2.4(cos　　　bmonBBcUVVθ(4.2.4)-(4.2.5)可得：iC=GUbm(cost–cosc)(4.2.8)这就是集电极余弦脉冲电流随时间变化的解析式。它取决于脉冲高度iCmax和半导通角c。0=G(-VBB+Ubmcosc–Von)(4.2.5)当t=0，则iC=iCmax(表示脉冲高度)，代入上式得：iCmax=GUbm(1–cosc)(4.2.9))10.2.4(cos1coscosmax　ccCCθθωtii(4.2.8)÷(4.2.9)可得：返回半导通角由晶体管基级偏置电压和输入信号的幅值确定。图尖顶余弦脉冲cctmaxCi半导通角，一个信号周期内集电极电流导通角的一半建立ic与icmax和c的关系下午4时37分24由傅里叶级数求系数，得)12.2.4()()(210max0　　cCCcitdiI)14.2.4()()(cos1max　　cnCCcnmittdniI)11.2.4(cos2coscos210　　tnIωtIωtIIicnmmcmccC)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1(sincos)()cos1(cossin)(210ccccccnccccccccccnnnnn尖顶余弦脉冲的分解系数：显然，只要知道电流脉冲最大值和导通角就可计算直流分量、基波分量及其它谐波分量。0(c)称作直流分量的分解系数1(c)称作基波分量的分解系数n(c)称作谐波分量的分解系数直流分量、基波及各次谐波的幅值3.2.2集电极余弦电流脉冲的分解根据前面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iC中的各个频率分量。下午4时37分25)10.2.4(cos1coscosmax　ccCCθθωtii高频谐振（丙类）功率放大器直流分量可以看出功率管输出电流为余弦脉冲,含有直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,由于功率管输出负载是谐振回路,设计回路选出基波分量,就实现了功率的放大。基波分量系数)11.2.4(cos2coscos210　tnIωtIωtIIicnmmcmccC下午4时37分26cccmcmcccccVUIIθgθg：数定义集电级电压利用系：上式中，定义波形系数,)()()()(010111)17.2.4()(21)()(2121)16.2.4()15.2.4()(212110101212max21ccccCCmccmDoccoCCDCcCmcogIVIUPPIVPRiRIP显然，为了对高频功率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Ic1m。放大器输出功率PO等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻R(RP)上的功率(负载吸收的基频功率)。集电极直流电源供给功率PDC等于集电极电流直流分量与VCC的乘积