高频电子线路阳昌汉版第四章-高频功率放大器

1第4章高频功率放大器概述丙类高频功率放大器的工作原理丙类高频功率放大器的折线分析法丙类高频功率放大器电路丙类倍频器24.1概述一、高频功率放大器的功能用小功率的高频信号去控制高频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出，并保证输出与输入的频谱相同。高频功率放大器ωω3二、高频功率放大器的分类(谐振功率放大器)宽带高频功率放大器分类：窄带高频功率放大器其放大信号的相对带宽一般不超过10％，通常采用LC谐振回路作负载.其放大信号的相对带宽一般可达30％，通常采用宽频带的传输线变压器作负载。4三、高频功率放大器的主要技术指标1、输出功率2、效率放大器的负载RL上得到的最大不失真功率高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值3、功率增益高频输出功率与信号输入功率的比值4、谐波抑制度是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量相对于基波分量越小越好5一、高频功率放大器工作状态的选择4.2丙类高频功率放大器的工作原理6%5.78max2θ2θ2θ甲类（θ＝180◦）乙类（θ＝90◦）丙类(θ90◦）谐振功率放大器通常工作于丙类。%50max%5.78maxQBZVUQBZVUQBZVU7二、丙类高频功率放大器的电路组成特点：（1）输入信号大，一般在几百毫伏～几伏数量级（2）一般VBBUBZ，发射结反偏，保证放大器工作于丙类状态。（3）负载为LC回路，调谐于输入信号的中心频率，选频滤波和阻抗变换作用。（4）采用近似的分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。中间级输出级8iC+uCE–+uBEiB-uc+三、丙类高频功率放大器的工作原理bbmcosuUt设BEBBbmBBBZcos,uVUtVU则Ci为尖顶余弦脉冲,可用傅立叶级数展开uBEiC•VBB•UBZubcciC•ccUbmICMgc9CECCcCCcmcosuVuVUt各级电流、电压波形cciBmaxVBBtuBE0UBZiBt0tiC0IC0cICM...ncos...2coscoscnmc2mc1mC0CtItItIIiVCCuctuCE0由LC回路的选频(选基波)作用：cc1mpcmcoscosuItRUtcmc1mp()UIR（基波）10iC+uCE–+uBEiB-uc+丙类高频功放工作原理小结：(1)设置VBBUBZ，使晶体管工作于丙类。(2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。(3)将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。谐振功放电路与小信号谐振放大器电路有何区别？11调谐功放与小信号调谐放大器的比较类型实质任务输入信号幅度工作状态性能指标小信号调谐放大器能量转换器—将直流能量转换为交流能量输出不失真地提高信号幅度小—数量级甲类—线性工作状态电压放大倍数，选频特性等高频调谐功率放大器在信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率大几百—V数量级丙类—非线性工作状态输出功率效率信号失真度等μVmVmV12折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式1.转移特性曲线（正向传输特性曲线)实际理想BZBEUu0CiBZBEUu)(BEcCBZUugiCcBEigu－称为跨导－集电极电压恒定时，集电极电流与基极电压的关系曲线4.3丙类高频功率放大器的折线分析法132.输出特性曲线－是以基极电压（或基极电流）为参量的集电极电流与集电极电压的关系曲线。临界饱和线放大区饱和区临界线方程：CcrCEigu为临界线的斜率crg14二、集电极余弦电流脉冲的分解)cos1(cbmcCMUgICcbmc(coscos)igUtBZBEUu0CiBZBEUu)(BZBEcCUugi当t=c时，iC=0，则BZBBcbmcosUVUBEBBbmcosuVUtCcBBbmBZ(cos)igVUtU当t=0时，iC=ICM，则BZBBbmccosUVUCMcbmc1cosIgUcCCMccoscos1costiI15C0C12Iidtc1mC1cosIitdtCM0c()ICM1c()Ic()注：余弦电流脉冲分解系数利用傅里叶级数，可将iC的脉冲序列展开为CC0c1mcnmcoscosiIItIntcnmC1cos()IintdtcccCMcsincos(1cos)IcccCMcsincos(1cos)ICMc()nIa直流分量分解系数基波分量分解系数n次谐波分量分解系数16)()()(c0c1c1g01－波形系数最大)(,120c10c最大)(,60c20c最大)(,40c30cn0maxc12017三、功率与效率oc1mcm12PIU2c1mp12IRpcm2/21RUocPPCCcmC0c1m21VUII)(21c1cgCCcmc0c1)()(21VU（1）直流功率：C0CCPIV（2）输出功率：（3）集电极损耗功率：coPPP（4）集电极效率：cmCCUV—集电极电压利用系数18180c90cc78.5%90c甲类：乙类：丙类：在条件下，1%5.78CoP小导通角越小，效率越高，但导通角不能取得太小，因为为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600～800，1.65-1.8)(c1gc82.5%-90%小c小)(c1小c1mI（5）导通角的选择：c1c1()2gc1c1()2g则c78.5%19例1某谐振功率放大器，VCC=24V，Po=5W，c=70º，=0.9,求该功放的c、P=、Pc、ICM和回路谐振阻抗Rp。解：oc(2)PP)W(3.679.05co(3)6.351.3(W)PPPoc1mcm12PIU因为c1mCM1c0.4631.05(A)()0.44II)(65.46)5(c1mcmpIURc1c11(1)()1.750.979%22gcmCC(4)0.92421.6(V)UVoc1mcm2250.463(A)21.6PIU故201.什么是静态特性？),(CEBECuufi没有带负载阻抗的条件下得到的的关系，是晶体管本身固有的。四、丙类高频功率放大器的动态特性2.什么是动态特性？是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入信号Ubm和输出电压Ucm（或谐振电阻Rp）一定的条件下，集电极电流iC=f(uBE,uCE)的关系称为放大器的动态特性。21当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：若设：tUucosbmb输入端：tUVucosbmBBBE输出端：tUVucoscmCCCE其中：tUucoscmc由上两式消除tcos可得：cmCECCbmBBBEUuVUVu又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程）：BZBEcCUugi可得：BZcmCECCbmBBcCUUuVUVgiuBEiCgcUBZ3.动态特性的表示形式22)(bmBBBZcmCCCEcmbmcUVUUVuUUgccmCC0cosUVUcmbmcdUUgg其中：表示动态特性曲线的斜率故动态特性的表示形式：)(0CEdCUugiBZBEUuBZBEUu0Ci可见动态特性为折线，而不是一条直线。BZcmCECCbmBBcCUUuVUVgi0CEdUugccmCCCEcmbmccosUVuUUg)()(BBBZCCCEcmbmcVUVuUUg23U0•A•BVCC•UcmuCEmingd4.动态特性的画法(一）截距法（1）在输出特性的轴上取截距为点得BcosccmCC0UVUCEu（2）通过B点作斜率为gd的直线交线于A点，则BA直线即为bemaxuBZBEUu段的动态特性(3)在uCE轴上找出相应的VCC点，A点在uCE轴上投影为:cmCCCEminUVu•C(4)在uCE轴上选取得C点，BC直线即为段的动态特性，则AB-BC为总动态特性BZBEUucmCCCEmaxUVu0uCEiCubemaxube4ube3ube2ube1)(0CEdCUugi24(二）虚拟电流法QCCCCEIiVu时，在点得和）由（Q)(1BBBZcQCCVUgIV和由bmBBBEmax)2(UVu点得AcmCCCEminUVu(3)连接AQ交横轴于B点（管子导通点）(4)在UCE轴上选取得C点，cmCCCEmaxUVu则AB-BC为总动态特性Q)()cos()(BBBZcbmBBBZcmcmbmccmCCCCd0CEdQVUgUVUUUUgUVVgUugIc0uCEU0•A•BVCC•UcmuCEmingd•CiCubemaxube4ube3ube2ube1ABCQ(VCC,IQ)255．高功放的三种工作状态uCEωtQUcm1Ucm2Ucm3A1A2A3A3′M•iC欠压状态：A点在线上，但是在放大区，输出电压幅度较小，iC为尖顶脉冲。bemaxu临界状态：A点在线和临界饱和线的交点上，输出电压幅度较大，iC为尖顶脉冲。bemaxu过压状态：A点在的延长线上（实际上是不存在），进入晶体管饱和区，输出电压幅度大，iC为凹顶脉冲(不能用尖顶脉冲的分解系数)bemaxuB2B1B3VCCuCE临界线0iCubemaxube4ube3ube2ube126随Rp增大，dg减小五、丙类高频功率放大器的负载特性负载特性是指gc、UBZ、VCC、VBB、Ubm不变时，改变谐振回路的谐振电阻Rp，放大器的输出电流、电压、功率和效率等RP随变化的关系。1．什么是负载特性？2．负载特性的分析Q点))(,(BBBZcCCVUgV，不随Rp变化而变化的，以Q点为参考点Q不变bmBBbemaxUVu不变Apc1cpc1cbmcbmcpc1CMbmcpc1mbmccmbmcd)()cos1(1)()cos1()(RRUgUgRIUgRIUgUUggcosbmBBBZcUVUVCCuCE临界线0iCubemaxube4ube3ube2ube127QAgdVCCiCuCEubemaxube3ube2ube1ube4临界线OiCRp欠压过压Ic1mIc0Ucmpc1mcmRIUp2cmpc1m2o2121RURIPCCC0VIPPcPoP=cocPPPPP/oc临界状态:输出功率最大,效率也较高，是功率放大器的最佳工作状态，一般用于发射机的输出级。欠压状态：输出功率和效率都较低，Pc较大，Rp＝0，Pc最大，可能烧坏管子，应避免。但输出电流几乎不随Rp变化，放大器可视为恒流源。过压状态：在弱过压区效率最高，而输出功率下降不多，且Rp变化时，输出电压相对较平稳，常用于发射机的中间级。临界Rp欠压过压临界28六、各级电压变化对工作状态的影响1．VCC的影响Q点))(,(BBBZcCCVUgV，icuceubemaxube3ube2ube1ube4临界线OA集电极调制特性（gc、UBZ、Rp、VBB、Ubm不变）pcc1d)cos1)((1RgbmBBBZccosUVUbmBBbemaxUVu不变改变QVCCVCC欠压过压临界IcoIc1mVcmP=VCC欠压过压临界P0PCQVCCVCCQ注意：只有工作在过