第九讲 高频功率放大器

射频通信电路信息工程学院第八讲高频功率放大器射频通信电路信息工程学院10.1概述高频功率放大器所处位置：发射机末级功能：将已调制的通带信号放大到一定功率送上天线发射不能干扰相邻信道与本接收机大功率、高效率负载阻抗固定限制频带本章内容：1.高频功率放大器的基本特点，主要性能指标2.高频功率放大器的分类3.高效率的高频功率放大器射频通信电路信息工程学院晶体管工作状态：电源VCC、负载R工作点Q最大输出状态（饱和、截止）①输出大功率、高效率②天线阻值确定（一般为50）功率放大器：小信号放大器——小信号、强调的是增益若要求输出功率1W，RVP2输出电压幅度V10mV峰峰值V20PPV电源VCC大于20V电源电压太高这些区别会造成什么影响？高频功率放大器与小信号放大器相比有哪些区别？射频通信电路信息工程学院解决办法——采用扼流圈馈电结果：输出同样功率，电源电压降低一半（10V）注意晶体管工作状态②工作点Q①直流负载＝0③交流负载R④最大输出电压=Vcc问题：晶体管承受的耐压不变——20V如何降低耐压？射频通信电路信息工程学院降低晶体管耐压方法？22VPIVIRR晶体管输出功率为：保证输出功率不变，要降低耐压增大电流减小负载电阻方法——进行阻抗变换结论：①高频功率放大器的工作特点是——低电压、大电流②高频功放基本组成单元是——晶体管、偏置电路、扼流圈、阻抗匹配网络和负载射频通信电路信息工程学院高频功率放大器的指标分析①功率根据用途而定②效率功率放大器的效率有两种定义方法(a).集电极效率——输出功率Pout与电源供给功率Pdc之比dcoutcPP——没有考虑放大器的输入功率(b).功率增加效率（power-addedefficiency）（PAE），——输出功率Pout与输入功率Pin的差与电源供给功率Pdc之比——包含了功率增益的因素CPdcinoutPAEGPPPPAE)11(射频通信电路信息工程学院③杂散输出与噪声④线性衡量功率放大器线性的主要指标：三阶互调截点（IP3），1dB压缩点，谐波等邻道功率比——衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。不能放大非恒定包络的已调波干扰相邻信道相邻信道发射信号对本接收机形成干扰接收信道线性功率放大器——不失真，效率低非线性功率放大器效率高失真频域表现：谐波、互调失真、频谱再生时域表现：包络失真、波形失真射频通信电路信息工程学院10.2高频功率放大器的分类两种分类原则按晶体管的导通角分类按晶体管等效电路分类②按等效电路分ABC属于同一类——晶体管等效为受控电流源DE属于同一类——晶体管等效为开关①按导通角分——A、B、C类A类B类C类=180度=90度90度射频通信电路信息工程学院高频功率放大器的分类不同工作状态时放大器的特点工作状态导通角理想效率负载A类c=18050%电阻B类c=9078.5%推挽，回路AB类90＜c＜18050%＜＜78.5%推挽C类c＜90＞78.5%选频回路D类开关状态90%~100%选频回路当放大器的负载是电阻且阻抗匹配网络的带宽足够宽时A、B类放大器均属于宽带放大器射频通信电路信息工程学院丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0C有源器件谐振回路窄带谐振放大器通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。射频通信电路信息工程学院10.4C类功率放大器射频通信电路信息工程学院10.4.1电路组成与特点分析内容：输入电路输出电路电流、电压波形功率、效率1.基极偏置特点：导通角90度、非线性放大器、效率高基极偏置使晶体管静态时截止BBV0BQCQII静态电流输入必须是大信号射频通信电路信息工程学院设输入电压为：tVtvimicos)(输入回路方程：cosBEBBimvVVt为使晶体管导通，应满足：onBBimVVV)(——输入为大信号结论：偏置输入信号幅度共同决定了导通角导通角imBBonVVVcos（注意可正可负）BBV射频通信电路信息工程学院2.集电极电流导通角小于90集电极电流为余弦脉冲余弦脉冲参数导通角最大幅度maxCi余弦脉冲所含频谱：3210CCCCCiiiIi将电流进行傅里叶级数分解ci0CI直流分量tIimCCcos11基波分量tIimCC2cos22二次谐波分量问题：各分量与余弦脉冲参数的关系？射频通信电路信息工程学院2601800，最大1201在最大，最大11max1cos()cosCCmCiItit22max2cos2()cosCCmCiItit基波：二次谐波：0max0()CCIi直流：与脉冲幅度导通角有关结论：控制导通角可控制各分量大小射频通信电路信息工程学院3.输出电路特点——接有LC回路——将天线阻抗变换为放大器最佳负载ArPR输出电路方程cosCECCcCCcmvVvtVVt输出电压——正弦波（回路从电流众多频率分量中只选出了基波）tVtRIRitvcmPmCPCccoscos11回路作用①选频②阻抗变换中心频率与输入信号频率相同带宽——与输入信号带宽相同0谐振功放窄带功放射频通信电路信息工程学院4.电流电压波形导通角90度集电极电流是脉冲集电极最大电压max2CECCcmCCVVVV集电极最小电压minCECCcmVVV回路输出电压是正弦幅度1cmcmPVIR射频通信电路信息工程学院10.4.2动态负载线C类放大器工作特点——输入正弦信号一周内管子轮流导通、截止动态负载线③画在晶体管的输出特性曲线上①由管子的集电极电流与电压共同决定的动态点的运动轨迹②时间——输入信号的一周期内非线性工作输出阻抗变化射频通信电路信息工程学院画动态负载线的依据①晶体管输入输出特性曲线②放大器外电路方程cosBEBBimvVVt1cosCECCcPCCcmvViRVVt晶体管的输出特性曲线是集电极的关系~CECvi外电路输出方程描述的是集电极电压与基波电流的关系？画C类放大器负载线的难点：线性放大器的负载线CECCcvViR（将外电路方程画在晶体管输出特性曲线上）射频通信电路信息工程学院逐点描C类放大器的动态负载线tBEvCicvCEvmaxBBimBEVVVmaxCicmpmcVRI1minCCcmCEVVVcosimBBVVcos1pmcRIcoscmccVV21BBVccVimBBVVcmpmcVRIcos1maxcecmccVVV23BBVccV2cosimBBVVcos1pmcRIcoscmccVV2maxbeimBBVVVmaxCicmVmincecmccVVV00000000点AABBCCD射频通信电路信息工程学院从动态负载线看出以下几点:在输入信号变化一周中，管子①动态负载线是条折线经历了导通截止导通过程③集电极最大电压值为：max2CECCcmCCVVVV2CEOCCVV选管子要求②输出电压波形如图④C类放大器是非线性放大器不适合放大非恒定包络的已调信号射频通信电路信息工程学院放大AM调幅波输入信号幅度不同导通角不同imV)(1max1cmciIci输出电流的基波分量的幅度为：输出电压幅度pmccmRIV1问题：输出电压幅度与输入调幅波幅度是否成正比？由于、的非线性关系~)(1~imV~cmimVV不成正比输出电压的包络失真结论：C类放大器只能放大恒定包络的信号射频通信电路信息工程学院10.4.3输出功率与效率1.功率与效率C类谐振功率放大器C类—集电极电流包含谐波集电极负载为选频回路输出为基波功率集电极效率为c为集电极电压利用系数，由后面的分析可知101012121CmCCCCcmmCdcoCIIVIVIPPCCcmVV（为集电极负载）PR集电极电源提供的功率：CCVCCCdcVIP0PcmPmCcmmCoRVRIVIP2211212121射频通信电路信息工程学院集电极效率主要取决于：称为波形系数)(1g1分析效率与关系：（设）)(1g0)(102)(1g①时效率可达100%但基波输出功率为0)(1g②增加，减小，效率降低1801)(1g%50C③当时，，结论：功率放大器从A类到B类再到C类，通过减少导通角获得高效率。为兼顾大的输出功率和高的效率，C类放大器取左右70~60)()()()()(1010max1max01giiIICCCmC0121CmCCII射频通信电路信息工程学院导通角减小效率提高的真正原因？dcCdcCdcdcoCPPPPPPP1集电极效率：oP－输出功率dcP－电源供给功率CP－管子消耗功率降低管耗提高效率降低管耗的两条途径：②积分区间小Cicev①与的乘积小20)(21tdviPceCC管耗：结论：Cicev减小与的乘积是提高效率的根本途径（减小导通角）射频通信电路信息工程学院2．最佳负载和功率增益C类功率放大器工作状态——导通、截止输出阻抗——变化当天线阻抗不等于最佳负载时，阻抗变换如何匹配？什么是最佳负载？最佳负载——保证输出最大功率PR则2()12CCsatpoVVRP为输出最大功率，应有：satCCcmVVV射频通信电路信息工程学院C类放大器的功率增益输入功率112ibmimPIV注意：是基波opiPGP()10logopiPGdBP或C类与A类放大器的功率增益比较——A类增益大射频通信电路信息工程学院1)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。3)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。2)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。vcicvB1vB2vB3vB4欠压区过压区临界线在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将高频功率放大器的工作状态分为三种：临界工作状态：输出功率最大射频通信电路信息工程学院10.4.4倍频与调制特性1.倍频C类功率放大器——非线性——集电极电流含有丰富的谐波输出回路谐振于基波——放大器输出回路谐振于某次谐波——倍频器倍频器应用时注意点②谐波分量随着谐波次数n的增大而迅速减小——高次倍频时，输出功率小，效率很低③合理设计选频回路Q值，滤除基波和低次谐波①注意控制导通角－,max()CmnCnIi射频通信电路信息工程学院2.调幅（普通调幅AM）信息包含在其包络的变化中不能用高效率的非线性放大器放大AM直接在高效率放大器中完成调制并放大C类放大器调幅原理是什么？决定放大器输出的4个参数：③电源CCV④负载PR①偏置BBV②输入信号幅度imV共同决定maxBEV用调制信号控制某些参数可实现调幅射频通信电路信息工程学院C类功率放大器调幅类型集电极调幅基极调幅（1）集电极调幅用调制信号控制电源电压使输出电压幅度变化——调幅BBVimVpR、、不变imBBbeVVVmax负载线斜率不变不变导通角不变A负载线的顶点A沿着曲线从放大区移动到饱和区AmaxbeVCCV当电源电压从大变小时，动态负载线向左移动CCVCCVCCV大——欠压区——变化不大maxCiCCV小——过压区——变化大maxCi射频通信电路信息工程学院CiCCV集电极电流脉冲随变化的波形欠压区过压区1max1()cmCIi0max0()CCIipmCCmRIV1由集电极电流直流集电极电流基波回路输出电压饱和区放大区tVVtVmCCCCcos)(tVtvmcos)(若调制信号为使且放大器工作在过压区则实现集电极调幅射频通信电路信息工程学院(2)基