高频电子线路第3章高频功率放大器.

第三章高频功率放大器第一节概述第二节谐振式功率放大器的工作原理第三节谐振功率放大器的折线分析法第四节谐振功率放大电路第五节丙类倍频器第六节宽频带高频功率放大器第七节功率合成本章附录余弦分解系数表第一节概述高频功放在发射机中的位置一、高频功率放大器的功能（一）功能：用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器，将直流电源提供的能量转换为大功率的高频能量输出。其输出信号的频谱与输入信号相同。（二）要求1，输出功率要大（故集电极电压、电流大）2，效率要高（常采用效率较高的丙类功放）3，非线性失真要小（为滤除丙类功放的众多高次谐波分量,采用LC谐振回路作为选频网络）故称为丙类谐振功率放大电路高频功率放大器二、高频功率放大器的分类在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器按工作频带的宽窄可分为1、窄带高频功率放大器2、宽带高频功率放大器窄带高频功率放大器通常以LC并联谐振回路作负载，因此又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器以传输线变压器为负载，因此又称为非谐振功率放大器。(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier三、功放的种类：甲类、乙类、丙类功率放大器的效率与其放大器件的工作状态有直接关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等。c0180090090C%50%5.78%85BZBEQUVBZBEQUVBZBEQUV甲类乙类丙类半通角效率静态工作点图3-3ECICEOuCEiCO转移特性曲线输出特性曲线常量CEuBEcufi常量BEuCEcufiBBU•UBZ•Q•••QQ位于放大区B类：o90BZBBUUC类：o90,BZBBUU。BEuci•截止区饱和区A类：180丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。效率与失真矛盾的解决tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0Clowhigh3n20采用具有滤波特性的选频网络作为负载通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。效率与失真矛盾的解决有源器件谐振回路窄带谐振放大器丙类采用具有滤波特性的选频网络作为负载icebtooictVBZ四、谐振功率放大器与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回路。不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图icQebtooict第二节谐振高频功率放大器的工作原理一、谐振高频功率放大器的基本电路及特点图3-1谐振高频功率放大器原理电路图中间级输出级它主要用于发射机中，电路形式可分为中间级和输出级特点：2)负载为LC并联谐振回路1)VBB0基极负偏压,为丙类功放1、基本电路结构除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：晶体管：大功率晶体管，能承受高电压，大电流，一般工作时发射极反偏(C类)；输入激励电路：提供所需信号电压；输出谐振回路：（1）滤波选频，(2)阻抗匹配。+ub-RpCL+uCE-icVCC-VBB(b)等效电路-uc+-VBBCUCCL+uS-+ub-(a)原理电路图3-2高频功率放大器原理图从原理图可以看出，谐振高频功率放大器的特点是：1、为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由Vbb来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；2、负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。输入回路非线性器件LC谐振选频回路2、特点设输入信号为tUubmbcos则由上可得基极回路电压为根据傅立叶级数展开，周期性脉冲可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即tnItIIibnmmbbobcoscos1tUVubmbbbecos二、谐振高频功率放大器的工作原理1、基极电流由输入特性可得基极电流为脉冲形状bi式中，为集电极电流的直流分量；为集电极电流的基波电流振幅；分别为集电极电流的二次至n次谐波电流振幅。tnItIIicnmmccoccoscos10cImcI1cnmmcII...12、集电极电流ic经过晶体管放大后，集电极电流ic也有相同的波形icebtooictVBZntItItIIiccos2coscoscmncm1cm1coicωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax当集电极回路调谐于高频输入信号频率时，1)由于回路的选择性，对集电极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻Rp；2)对各次谐波来说回路失谐，呈现很小的阻抗，回路两端可近似认为短路；3)直流分量只能通过回路电感支路，其直流电阻很小，也可近似认为短路。iC频谱3、集电极输出电压ci经LC并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻PRci（最大值），而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因而回路选出基波电压1cu，而滤除各次谐波电压。23LC回路阻抗Rp故回路输出的基波电压：tUtRIRiucmpcmpcccoscos111而晶体管集电极的输出电压：tVVucmCCcecos0icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubCUbmgCC图3-3tUVuVucmcccccCEcos图3-3pmccmRIU1图3-3谐振高频功率放大器各级电压和电流的波形图其中：基波电压振幅：各级电压和电流的波形图(输入信号ubibicuCE输出信号)输入信号ubuCE输出信号第三节谐振高频功率放大器的折线分析方法因为高频功率放大器是工作在大信号非线性状态，晶体管的小信号等效电路的分析方法是不适用的。通常采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析，当然会存在一定的误差。但是，用它对高频功率放大器进行定性分析是一种较为简便的方法。一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式在大信号工作条件下，理想化特性曲线的原理就是认为，在放大区集电极电流和基极电流不受集电极电压影响，而又与基极电压成线性关系。在饱和区集电极电流与集电极电压成线性关系，而不受基极电压的影响。下面以图所示的3DA21型晶体管的静态特性为例来说明理想化的方法。一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。1，正向传输特性曲线2，输出特性曲线门坎电压跨导::)73()(0BZcBZBEBZBEcBZBECUgUuUugUui0)(:)83(CBZBEcCcrCEcrCiUugigugi截止区：放大区：饱和临界线的斜率）（饱和区：图3-43DA21型晶体管的静态特性曲线及其理想化因而在实际运用时，电流较大的线段对结果影响大，故理想化的斜线应画在电流较大的几条曲线附近的中间位置上，如图中斜虚线所示。该斜线称为饱和临界线，其斜率用gcr表示。它表示晶体管工作于饱和区时，单位集电极电压变化引起集电极电流的变化的关系。因此，可表示为输出特性曲线的理想化说明：1、饱和区：根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。这样，理想化特性曲线对不同的ube值，应重合为一条通过原点的斜线。由于高频功率放大器在大电流条件下工作，cecrCugi因为在大功率运用下，电流较大的特性曲影响较大，故在画理想化特性曲线时，应以高频功率放大器实际输入电流的最大值为准进行理想化。例如，则应使理想化特性曲线近于实际的那一条。这样近似后与实际情况比较，误差要小些。mAib7maxmAib72、放大区：根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于uce轴的水平线。又因为常数，故各平行线对等差的ib来说，间隔应该是均匀相等的。图中ib=7mA，由输入特性可知，uce=0.68V时，对应的ic=180mA；而ib=0时，ube=0.6V，在0.60V-0.68V之间，可按每间隔0.02V画出水平线，即得到以ube为参变量的理想化特性曲线。这样的理想化特性正好满足gc为常数。另外，为了分析方便，根据理想化输入特性，将理想化输出特性曲线中的参变量ib改为ube。余弦电流脉冲是由脉冲高度和导通角c来决定的。只要知道这两个值，脉冲形状便可完全确定。在已知条件下，通过理想化正向传输特性求出集电极电流脉冲，可用图3-5来说明。图3-5丙类状态下集电极电流波形cccMctIicos1coscos尖顶余弦脉冲icmaxto2c（一）余弦电流脉冲iC的表达式二、集电极余弦电流脉冲的分解)93)(cos()(cosBZbmBBcCBZBEcCbmBBBEUtUVgiUugitUVu由1、iC表达式:)103(cos930,bmBBBZcCcUVUit得：代入2,iC两参数:cCMI、)113()cos(coscbmcctUgi将（3-10）代入（3-9）得图3-3)123()cos1(93,0cbmcCMCMCUgIIit得：代入将（3-12）代入（3-11）即：)113()cos(coscbmcctUgi得cccMctIicos1coscos图3-3周期性的电流脉冲可以用傅氏级数分解为直流分量、基波分量及高次谐波分量，ic可写成为：tnItItIIicnmmcmccccos...2coscos210其中各分量的振幅：cMccccccMcccMccIItdtItdiIcc)()cos1cossin()(cos1coscos21)(2100cMccccccMcccMcmcIItdtItdiIcc)()cos1cossin()(cos1coscos1)(111cMcnccccccMcccMccnmInnnnItdtItdiIcc)())cos1)(1(cossincossin(2)(cos1coscos1)(12（二）余弦电流脉冲iC的分解系数cMccII)(00cMcmcII)(11cMcncnmII)(tnItItIIicnmmcmccccos...2coscos210)cos1(πcossin)(ccccc0)cos1(πsincos)(ccccc1)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnnnnnn其中为余弦电流脉冲分解系数：三、高频功放的功率和效率(1)集电极电源提供的直流功率：0CCCIVP(2)集电极输出交流功率（负载上得到的功率）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210（注意PR为回路谐振阻抗）(3)集电极耗散功率CP，oCPPP(4)集电极能量转换效率c：cCOCCCmCmCooocgIVIUPPPPP112121其中：CCCmVU为集电极电压利用系数；CO1Cmc1IIg)()(01cc称为波形系数，是导通角c的函数，通常可查表求出。θcαoα1α3g11.02.0α2：讨论)(211cg%5.7857.1)(,90:%5.7857.1)(,90:%500.1)(,180:73),(21,1max10max10max101maxcccc