高频电子系统课件-高频功率放大器

第5章高频功率放大器第5章高频功率放大器5.1概述5.2谐振功率放大器工作原理5.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析5.4谐振功率放大器的高频特性5.5谐振功率放大器电路第5章高频功率放大器5.1概述1、使用高频功率放大器的目的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。由于采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗匹配等问题，因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。第5章高频功率放大器5.1概述2.功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：①高效率输出②高功率输出联想对比：谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；第5章高频功率放大器5.1概述3.谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器的异同相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振电路不同之处：激励信号幅度不同，放大器工作点不同，晶体管动态范围不同第5章高频功率放大器5.1概述4.高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处相同之处：都要求输出功率大和效率高。不同之处：工作频率与相对频宽不同放大器的负载不同放大器的工作状态不同功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转换为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。功率放大器的主要指标是输出功率和效率第5章高频功率放大器5.1概述5.功率放大器的工作状态功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器，这二类放大器是工作在开关状态谐振功率放大器通常工作与丙类，属于非线性电路第5章高频功率放大器5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形1、原理电路(1)晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。(2)谐振回路LC是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态外部电路关系式晶体管的内部特性第5章高频功率放大器5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形必须强调指出，集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于在集电极电路内采用的是并联谐振回路，因此谐振回路的这种滤波作用仍然能得到正弦波形的输出。wtwtciciBBVc000bBBZVcbmVccmaxBmaxcicg2半流通角/通角第5章高频功率放大器2、电流和电压波形关系5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形第5章高频功率放大器第5章高频功率放大器小结谐振功率放大器特点：1）用来放大窄带高频信号（通带宽度只有中心频率的1%）；2）工作于丙类工作状态（c90）；3）负载必须是LC谐振回路；4）基极偏置电压为负值；电流是尖顶余弦脉冲；5）放大器属于非线性电路，不能采用等效电路进行分析，采用折线近似分析法。第5章高频功率放大器5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。这种转换不可能是百分之百的，因为直流电源所供给的功率除了转变为交流输出功率的那一部分外，还有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入了集电极效率。设P=：直流电源供给的直流功率；Po：交流输出信号功率；Pc：集电极耗散功率；coPPP第5章高频功率放大器5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率集电极效率两点结论：1）设法降低集电极耗散功率2）维持不超过规定值，例：由此可见，提高效率对输出功率有极大的影响。cooooPPPPPcccoPP1cp,cop1220%,1/475%,3coccocpppp谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。第5章高频功率放大器5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率如何减少集电极功率？如果使ic只有在vCE最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。由此可见，要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。ic的流通角小于1800，即为丙类工作状态cicCEPiv01TccCEPivdtT第5章高频功率放大器集电极电流脉冲的傅立叶展开级数直流电源功率为回路基频功率（交流功率）为5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率tItItIIicmcmcmCCpcmpcmcmcmoRIRVIVP212121221回路两端的基频电压基频电流谐振电阻第5章高频功率放大器放大器集电极效率：集电极电压利用系数：波形系数：5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率)(2121101cCCCcmcmocgIVIVPPCCcmVV011)(CcmcIIg第5章高频功率放大器晶体管的内部特性为：晶体管外部电路关系式为：因此集电极电流为：5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率)(BZBcCVgitVVbmBBBwcostVVcmCCCwcos)cos(BZbmBBcCVtVVgiw第5章高频功率放大器5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率当时，，即集电极电流为0，得到：当时，，因此集电极电流为：因此尖顶余弦脉冲的解析式为：cosBBBZbmcVVVctw0CibmBZBBcVVVcos0twmaxCCii)cos1(maxcbmcCVgiccCCtiiwcos1coscosmaxcctwcoscosccbmcigVtw第5章高频功率放大器将尖顶脉冲分解为傅立叶级数：由傅立叶级数求得系数：5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率tnItItIIicmncmcmCC)(cos1cossin1)(21)(210maxmax0cCccccCCCCiitditdiIccww第5章高频功率放大器由傅立叶级数求得系数：5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率)(cos1cossin1)(cos11maxmax1cCccccCCcmiittdiIccww)()cos1)(1(sincoscossin2)(cos1max2maxcnCcccccCCcmninnnnnittdniIccww第5章高频功率放大器5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率余弦脉冲分解系数与c的关系曲线0,1,2,30.50.40.30.20.10－0.051030507090110130150170c/°1.02.010＝g1(c)1032第5章高频功率放大器由上图可以看出，1的最大值为0.535，此时c120°，虽然此时基波电流和输出功率达到最大，但是处于甲乙类状态放大器的集电极效率很低。5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率)(21)()(212110101cccCCCcmcmoCgIVIVPP叫波形系数)()()(011cccg第5章高频功率放大器由上图曲线可以看出，1）越小，就越大。2）在时，达到最大值。3）如果电压利用系数，则可达100%。但此时，没有功率输出。4）当c120°时，功率输出最大，但是又嫌太小，放大器的效率太低。5）为了兼顾功率与效率，最佳通角c70°。5.2.2谐振功率大器的功率关系和放大器的效率c)()()(211cccg0c2)()()(211cccgcCCcmVV0Ci)(1cg第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性和负载特性特性曲线的理想化放大区：集电极电流只受基极电压的控制饱和区：集电极电流只受集电极电压的控制第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性和负载特性转移特性方程可写为：临界线方程为gc称为跨导，一般约为几十至几百ms第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性和负载特性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，将放大区的工作状态分为三种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0CiC临界线放大区饱和区截止区第5章高频功率放大器当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。此时为欠压或者临界状态。当晶体管处于过压状态时，电流余弦脉冲为凹顶脉冲。5.3高频功率放大器的动态特性和负载特性第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性谐振功率放大器的动态特性晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。例如，维持集电极电压vC不变，改变基极电压vB，就可求出ic–vB静态特性曲线族。如果集电极电路有负载阻抗，则当改变vB使ic变化时，由于负载上有电压降，就必然同时引起vC的变化。第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性动态特性是和静态特性相对而言的。在考虑负载的反作用后，所获得的与的关系曲线就叫做动态特性（曲线）。最常用的是当同时变化时，表示关系的动态特性曲线（有时也叫做负载线或者工作路）。BC、CiBC、CCi第5章高频功率放大器当放大器工作于谐振状态时，其外部电路关系为：得，又知晶体管折线方程：5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性tVVbmBBBwcostVVcmCCCwcoscmCCCbmBBBVVVV)(BZBcCVgi第5章高频功率放大器可得出在坐标平面上的动态特性曲线方程为：其中动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义：从负载方面来看，放大器相当与一个负电阻，亦即其相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性CCi0()CdCigVbmbmdcccmcmpVVgggVIRbmcmBBcmBZCCbmVVVVVVVV0第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性动态特性直线的做法：方法1：在C轴上取B点，使OB=V0。从B点作斜率为gd的直线BA，则BA即为动态特性。方法2：1）由，求得静止点虚拟电流IQ，即，从而得到Q点。2）由求得A点。3）连接A、Q两点，即得到动态特性直线。BBBCCCVVtw，，90)(BZBBcQCVVgIibmBBBBcmCCCCVVVVtmaxmin0w，，bmbmdcccmcmpVVgggVIR第5章高频功率放大器在坐标平面上的动态特性曲线与相应的波形5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性ABCCVCcmV0VmaxCQIQCimaxCitwccc2OObmBBBVVmaxcmbmcdVVggCCiCi第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性2、功率放大器的负载特性动态特性曲线的斜率与负载阻抗有关。负载阻抗越大，其交流输出电压越大，负载线的斜率gd越小。因此放大器的工作状态随负载的不同而变化。当等维持不变时，改变会引起集电极电流脉冲的变化，同时引起等的变化。各个电流、电压、功率与效率等随而变化的曲线就是负载特性曲线。负载特性曲线是高频功率放大器的重要特性之一。cmVbmBBCCVVV、、pR与、ocmPVpR第5章高频功率放大器5.3高频功率放大器的动态特性与负载特性2ACCVCcmVminCEQCimaxCitwOOmaxBBcmVP1A4A5Acm