通信电子线路讲义4-1

第4章高频调谐功率放大器补充知识：功率放大电路基础知识第1节概述第2节谐振式（C类）高频功放的工作原理第3节谐振功率放大器的折线分析法第4节谐振功率放大实用电路*第6节宽频带高频功率放大器*第7节功率合成基本要求1.掌握高频功率放大器的功能和性能指标；2.掌握C类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法；（※※）3.了解传输线变压器的工作原理和应用特点。掌握传输线变压器实现宽带阻抗变换的方法。了解传输线变压器实现功率合成、功率分配的方法；4.0功率放大电路1.功率放大电路的特点a）根据负载要求，提供尽可能大的输出功率。功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。当输入正弦信号时，在输出波形不超过规定的非线性失真范围的情况下，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积称为最大输出功率Pom，即Pom=UoIob）具有较高的效率所有的放大电路实质上都是能量变换器。负载上所得到的信号功率实际上是由直流电源通过放大器件转换而来的。当供给功率放大电路的直流电源功率一定时，为了向负载提供尽可能大的功率，就必须减小损耗，因此提高功率放大电路的能量转换效率是一个重要问题。功率放大电路的转换效率是最大输出功率与电源所提供的功率之比，用η表示，即式中,PV为直流电源所提供的功率。VomPP3）尽量减小非线性失真为了使输出功率尽可能大，三极管一般都工作在极限状态，瞬时工作点将运动到接近于管子的饱和区和截止区，输出信号不可避免地会有非线性失真，而且输出功率越大，非线性失真越严重。因此必须注意功放管的正确选择，要保证管子工作在安全工作区。由于功率放大电路中的三极管通常都工作在大信号状态，因此在进行分析时，一般不采用小信号等效电路法，而是采用图解法进行功放电路的静态和动态分析。2.功率放大电路提高效率的主要途径功率放大电路的形式很多，按放大电路不同的工作状态，可分为甲类放大、乙类放大、甲乙类放大。在前面所讨论的电压放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工作方式称为甲类放大，其工作状态如图3-1（a）所示，由图可见iC≥0。在甲类放大电路中，直流电源所提供的功率在没有信号输入时，全部消耗在管子和电阻上；当有信号输入时，一部分转化为有用的输出功率，另一部分消耗在器件上。可以证明,即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。图3-1Q(a)甲类放大iCiCOtOICQQiB＝常数uCE(a)怎样才能使电源所提供的功率尽可能多地转化为有用的信号输出功率呢？要想提高放大电路的效率，只有减小损耗。从甲类放大电路可知，静态电流是造成管耗的主要因素。如果把静态工作点向下移动，使信号等于零时，电源的输出功率也等于零（或很小），信号增大时电源供给的功率也随之增大，这样电源所提供的功率和管耗都会随着输出功率的大小而变化。利用图3-1（b）和（c）所示工作情况，可以实现上述设想。图3-1（b）中，有半个周期以上iC0，称为甲乙类放大；图3-1（c）中，一个周期内只有半个周期iC0，称为乙类放大。iCiCOICQQiB＝常数tuCE(b)O图3-1Q(b)甲乙类放大图3-1Q(c)乙类放大tiCiCuCEOQiB＝常数(c)O甲乙类和乙类放大虽然减小了静态功耗，提高了效率，但是由于工作点偏下，会出现严重的波形失真，因此：既要保持静态时管耗小，又要使波形不产生严重失真，就必须改进电路结构。4.1概述1.高频功率放大器功能是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。2.高频功率放大器分类高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分：☆窄带高频功率放大器：通常以选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器；☆宽带高频功率放大器：输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频调谐功率放大器，这是发射设备的重要组成部分。对高频功率放大器的一般要求同低频功放相同：输出功率大效率高功率放大器按工作状态分类：A（甲）类：半导通角为o180AB（甲乙）类：半导通角为o90B（乙）类：半导通角为o90C（丙）类：半导通角为90o近年来双出现了D类、E类及S类等开关功率放大器。ECICEOuCEiCO正向传输特性曲线输出特性曲线常量CEuBEcufi常量BEuCEcufiBBU•UBZ•Q•••Q甲类：θ=180oQ位于放大区乙类：o90BZBBUU丙类：o90,BZBBUU。BEuci•截止区饱和区θθθ3.调谐功率放大器的主要技术指标输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。4.调谐功率放大器的分析方法工程上普遍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。5.高频功率放大器特点：(1)工作频率高，相对频带窄(2)采用选频网络作为负载回路(3)放大器一般工作在C（丙）类工作状态，属非线性电路(4)不能用线性模型电路分析，一般采用图解法和折线法1、输出功率:放大器的负载得到的功率。2、效率:高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转换的效率。3、功率增益:高频输出功率和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，也就是谐波分量相对于基波分量越小越好。4.2丙（C）类高频功率放大器的工作原理1基本电路结构及特点无论中间级还是输出级电路都可以等效为：输入回路、非线性器件和带通滤波器。中间级放大输出级放大谐振于输入信号的频率谐振功率放大器等效原理图特点：①为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；（由Vbb保证发射结负偏置，工作在丙类）取出基波分量，获得正弦电压波形阻抗匹配②负载为谐振回路2工作原理分析uBEib•Vbb•UBZubCCIb•CC设输入信号电压:tUubmbcosUbm加到晶体管基极-发射极的有效电压为:cosBEbbbbbbmuuVVUtgbic+uBE_若对bi分解为付里叶级数为：bobm1bm2bmncoscos2cosbiIItItInticωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax若对ci分解为付里叶级数为：cocm1cm2cmncoscos2cosciIItItIntiC频谱(2)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：cosCEcccmuVUt0icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZVBBIcmaxuBEtibtictuCEuctVCCUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubCUbmgCC4.3丙（C）类高频功率放大器的折线分析法丙类高频功率放大器工作在大信号非线性状态下，晶体管的小信号分析方法不再适用。采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析会存在一定误差，但很简洁。1.晶体管特性曲线的理想化及解析式大信号工作条件下，理想化的特性曲线的原理指：（1）在放大区：集电极电流ic和基极电流ib不受集电极电压uce的影响，而于基极电压ube成线性关系；（2）在饱和区：集电极电流ic与集电极电压uce成线性关系，而不受基极电压ube的影响。bbbeigu当BZBEUu，0bi当BZBEUu，bbbebziguU折线的斜率cbcbBEBEiigguu当BZBEUu，0ci当BZBEUu，BZBEccUugi折线的斜率输出特性曲线分别对饱和区和放大区采用不同的简化方法。cecrcugiceccruig理想化的输出特性可分为饱和区、放大区和截至区。①饱和区：近似认为只受的控制，而与无关。理想的饱和临界线为一条通过原点的斜线。斜率：ceucibeuceuciceubi②放大区：近似认为与无关。各条曲线为平行于的水平线。对于等差的间隔应该是相等的。表征临界饱和线的方程：uBEic•-Vbb•UBZubCCic•CC设输入信号电压:tUubmbcosUbm则加到基极--发射级的有效电压为:cosBEbbbbbbmuuVVUt由正向特性曲线可以看出：当BZBEUu，0ci当BZBEUu，BZBEccUugigC有cosccbbbmbzigVUtUic+uBE_2.集电极余弦电流脉冲的分解cosccbbbmBZigVUtU由于当ct时，0cicosBZbbcbmUVU1cosBZbbcbmUVUcos()coscoscoscosccbmBZbbcbmbmccbmcigUtUVgUtUgUt又当0t时，cbmccUgIcos1maxvBEic•-UBB•-UBZvbCCic•CCVbmgCIcmaxccbmcIUgcos1max代入ci有：为尖顶余弦脉冲的数学表达式cccmaxccos1coscostIiic+uBE_ccmaxcccos1costcosii若对ci分解为付里叶级数为：cocm1cm2cmncoscos2cosciIItItInt其中各系数分别为：ccoIItdiI0cmaxcccccmaxc)cos1cossin()(21cccccccmIIttdiIcc1cmaxcmax1)cos1cossin1()(cos21cncccccccccmnInnnnittdniIcccmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21式中：(1)c0，c1，…，cn称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可以根据c的数值查表求出各分解系数的值。(2)coI，cm1I，cm2I，…，cmnI为直流及基波和各次谐波的振幅。icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax)cos1(cossin0)cos1(cossin1)cos1)(1()sincoscos(sin22nnnnnn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max00)(cccIImax11)(ccmcIImax)(ccncnmII011g3.高频功放的功率与效率(1)集电极电源提供的直流功率：0CCCPVI(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，CoPPP(4)集电极能量转换效率c：1101122oocoCcmcmccccPPPPPUIgVI其中：CmccUV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：(1)1max1()CmCmPcPcCCCCCCUIRIRVVV，cc(2)1110()()CmccCOcIgI，有：cccg1（ξ一定时）(3)cccocoocPPPPP1190c90c180c1)(1cg57.1)(1cg57.1)(1cg%5.78c%5.78c%50c在的条件下甲类工作状态：乙类