通信电子线路第2章_高频功率放大器

第2章高频功率放大器第2章高频功率放大器2.1谐振功率放大器基本工作原理2.2丙类谐振功率放大器的工作状态分析2.3谐振功率放大器的高频特性2.4谐振功率放大器电路2.5高效率高频功率放大器及功率合成技术第2章高频功率放大器2.1谐振功率放大器基本工作原理2.1.1谐振功率放大器的电路组成图2.1是晶体管谐振功率放大器的原理电路。其中，V为高频大功率管，通常采用平面工艺制造的NPN高频大功率管，能承受高电压和大电流，有较高的特征频率fT。晶体管的主要功用是在基极输入信号的控制下，将集电极电源EC提供的直流能量转换为高频信号能量——即集电极回路的能量转换。第2章高频功率放大器图2.1谐振功率放大器原理电路iC＋－uCECucRe＋－LRL＋－EC＋－EBViB＋－ub第2章高频功率放大器EB是基极偏置电压，调整EB，可改变放大器的工作状态(甲类、乙类、甲乙类和丙类等)。EC是集电极电源电压。LC并联谐振回路作为集电极的负载。该电路由集电极回路和基极回路两部分组成。集电极回路由晶体管集电极、发射极、集电极直流电源和集电极负载组成。基极回路由晶体管基极、发射极、偏置电源和外加激励组成。偏置电压EB和外加激励信号控制集电极电流的大小和通断，通过晶体管的能量控制作用和谐振回路的选频作用完成直流能量转变为所需的高频交流能量。第2章高频功率放大器图2.2丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形EB00iCgmUB′uBEuBUbm－iC02iCmax－tt2.1.2工作原理图中U′B为管子起始导通电压，gm为转移特性曲线斜率第2章高频功率放大器设输入电压为余弦电压，ub=Ubmcosωt则管子基极、发射极间电压uBE为uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt(2.1―1)在丙类工作时，EBU′B，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2θ，通常称θ为集电极电流的通角，丙类工作时，θπ/2。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波，因此，集电极电流iC可写为第2章高频功率放大器iC=IC0+ic1+ic2+…=IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…(2.1―2)式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐波电流幅度…..。谐振功率放大器的集电极负载是一高Q值的LC并联谐振回路，如果选取回路谐振角频率ωo等于输入信号ub的角频率ω，则发生并联谐振。那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，谐振回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即uc=Ucmcosωt=Ic1mRecosωt(2.1―3)第2章高频功率放大器其余的谐波分量因失谐而被滤除式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC回路的谐振电阻。晶体管集电极、发射极间电压uCE等于uCE=EC-uc=EC-Ｕcmcosωt(2.1―4)ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。第2章高频功率放大器图2.3电流、电压波形ub02UbmuBE0EBUB′Ubm22iC,ic1iCic1iCmaxiclm22tttuc0Ucm2uCEEC20tt第2章高频功率放大器由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并联谐振回路的选频滤波作用，集电极电压uCE仍为余弦波形，并且与uBE反相。另外，集电极脉冲电流iC中有很多谐波分量，如果将LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即ω0=nω，则在回路两端将得到频率为nω的电压uc=IcnmRencosωt的输出信号，它的频率是激励信号频率的n倍，所以此时谐振功率放大器具有倍频器功能。ωωo=ω2ω3ω4ωIc0IcnIc1Ic2Ic3Ic4……第2章高频功率放大器2.1.3高频谐振功率放大器中的能量关系在集电极回路中，LC振荡回路得到的高频功率为2211111222cmocmcmcmeeUPIUIRR(2.1―5)集电极电源EC供给的直流输入功率为0ECCPEI(2.1―6)直流输入功率PE与集电极输出高频功率Po之差为集电极耗散功率PC，即它是耗散在晶体管集电结上的损耗功率。CEoPPP(2.1―7)第2章高频功率放大器集电极效率ηC为放大器输出的高频功率Po与直流输入功率PE之比，即1012ocmcmCECCPIUPIE(2.1―8)它是表示集电极回路能量转换的重要参数。谐振功率放大器的设计就是要获取尽量大的Po和尽量高的ηC。由式(2.1―8)可见，集电极效率ηC决定于比值Ic1m/IC0与Ucm/EC的乘积，前者称为波形系数g1(θ)，即110()cmCIgI(2.1―9)第2章高频功率放大器后者称为集电极电压利用系数ξ，即(2.1―10)因此式(2.1―8)又可写为11()2Cg(2.1―11)CcmEU第2章高频功率放大器丙类放大器的高效率还可从集电极损耗功率来看。由11oCCEoPPPP可知，当Po一定时，减小PC可提高ηC。PC可表示为12CCcePiudt(2.1―12)因此，减小iC·uce及通角θ可减小PC，由图2.3可看出，iC的最大值与uce的最小值对应，通角θ越小，iC越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。第2章高频功率放大器在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量提高输出功率。根据式(2.1―7)和式(2.1―8)，可得11CoCPP(2.1―13)可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越高，输出功率Po越大。第2章高频功率放大器2.2丙类谐振功率放大器的工作状态分析2.2.1解析分析法解析分析法需要器件的数学模型。由于晶体管处于大信号非线性工作区，特性曲线可用折线近似，例如晶体管转移特性可用图2.4(a)表示，则晶体管特性放大区的表示式可写为(2.2―1)截止区的表示式可写为0,CBEBiuU)()(''BBEBBEmCUuUugi第2章高频功率放大器图2.4理想化的转移特性和输出特性(a)转移特性；(b)输出特性0iCgmUB′uCEuBE0iCScruBEuCEuBE＝UB′(a)(b)第2章高频功率放大器晶体管的输出特性，在放大区忽略基调效应的情况下，可认为特性曲线是一组与横轴平行的水平线。在饱和区，用这些特性曲线从放大区进入饱和区的临界点相连起来的一条直线加以近似，这条直线叫临界线，其斜率用Scr表示，如图2.4(b)所示。这样，在饱和区晶体管特性的表示式可写为CcrCEiSu晶体管外部电压为：uBE=EB+UbmcosωtuCE=EC-Ucmcosωt代入式(2.2-1),得放大区晶体管集电极电流为)cos('BbmBmCUtUEgi(2.2―2)第2章高频功率放大器当ωt=θ时，iC=0，则有cosBBbmUEU(2.2―3)当,90;,';,22oBBBBBBEUEUEU根据式(2.2-2),当ωt=0时，集电极电流达到最大值max()(1cos)CCmBbmBmbmiigEUUgU(2.2―4)由此可得集电极余弦脉冲电流的解析表示式为maxcoscos,1cosCCtiit(2.2―5)第2章高频功率放大器根据傅立叶系数计算公式，iC中的直流分量为0maxmax01sincos()2(1cos)CCCCIidtiia(2.2―6a)基波分量的幅值为(2.2―6b)余弦脉冲分析步骤1.根据U’B,EB和Ubm由式2.2-3求得θ;2.根据gm,Ubm和θ,由式2.2-4求得iCmax;3.根据θ和iCmax由式2.2-6或查图表2.5求得Ic0,Ic1,Ic2……练习:推导2次谐波分量的幅值Ic2m计算公式)()cos1(22sin2cos11maxmax1aiittdiICCCmc第2章高频功率放大器图2.5余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线0,1,2,30.50.40.30.20.10－0.051030507090110130150170/°1.02.01/0＝g1()＝g1()10a1a0a2a3第2章高频功率放大器2.2.2动特性曲线——图解分析法动特性曲线是在晶体管的特性曲线上画出的谐振功率放大器瞬时工作点(uCE,iC)的轨迹。小信号电压放大器是纯电阻负载，晶体管仅仅在放大区工作，因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。谐振功率放大器是非线性工作，各个区域的特性曲线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，所以称其为动特性曲线，以示与负载线的区别。第2章高频功率放大器已知放大区集电极电流表示式为(cos)CmBbmBigEUtU又根据uCE=EC-Ucmcosωt可写出cosCCEcmEutU代入上式得()CCECmBBbmcmEuigEUUU(2.2―7a)可见，iC与uCE在放大区是直线关系，两点决定一条直线，因此只要在输出特性上求出谐振功率放大器的两个瞬时工作点，它们的连线就是晶体管放大区的动特性曲线。第2章高频功率放大器例如令式(2.2-7a)的iC=0,解得CbmBBcmCEEUUEUu)('由此可在图2.6上确定一点A。(2.2-7b)根据式(2.1―1)uBE=EB+ub=EB+Ubmcosωt和式(2.1―4)uCE=EC-uc=EC-Ｕcmcosωt，取ωt=0，则有cmCCECEbmBBEBEUEuuUEuuminmax第2章高频功率放大器代入式（2.2-7a)解得iC=gm(EB+Ubm-U’B)=gm(uBEmax-U’B)BEBCECuEuE据此在图2.6所示的输出特性上确定一点C。注:Ucm为输出高频信号的幅度,在此可视为已知数。但是如果Ucm是变化的话，则A点也是沿横轴移动的，为此我们来寻求一个相对固定点,令则确定一点B。此时iC=gm(EB-U’B)0,故B点是一与uCE无关的相对固定的虚点，位于第四象限,此时管子工作在截止区。2t第2章高频功率放大器连接CB，与横轴交于A点，CA直线即为放大区的动特性曲线。而截止区(iC=0)的动特性曲线是横轴上的一段，其端点D可这样确定：取ωt=π，则cmCCEbmBBEUEuUEu所以D点坐标为uCE=EC+Ucm,iC=0，管子工作在截止区,线段AD即为截止区动特性曲线。第2章高频功率放大器图2.6动特性曲线与集电极电流波形iCiCmax002uCEmin0iCCAuBEmaxECDuCEuCEBtuBE=U’BuBE=uBEminuBE=EBuBEmaxU’BEBuBEminUcmiC=gm(EB-U’B)0第2章高频功率放大器2.2.3谐振功率放大器的工作状态1.工作状态的确定谐振功率放大器的工作状态是根据瞬时工作点C(uBE=uBEmax、uCE=uCEmin)在输出特性曲线上所处位置确定的。当C点落在输出特性的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。2.影响工作状态的因素电源电压EC、偏置电压EB、输入信号幅度Ubm和输出信号幅度Ucm四个参量，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。第2章高频功率放大器3.Ucm的变化对工作状态的影响(其它因素不变)当Ucm从小变大时,C点从放大区临界点饱合区谐振功放的工作状态从欠压临界过压,形成三折动态特性线,如图2.7所示。4.作动态线的目的通过动态线作图可获得集电极电流iC的波形，了解放大器的工作状态。第2章高频功率放大器图2.7三种状态下的动特性及集电极电流波形iCiC①②③00EFC″③②C′C①A″A′ABEC0①③②uBEmaxuCEuct第2章高频功率放大