第五章_高频功率放大器

第五章高频功率放大器高频功率放大器的工作原理丙类谐振功率放大器工作状态的分析调谐功率放大器的电路组成倍频器丁类（D类）功率放大器宽带高频功率放大器主要内容：21、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。2、高频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高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。不同点：工作频率和带宽、负载、工作状态联想对比：3.1.1高频功率放大器的特点343、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：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：为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。icebtooictVBZ谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图icQebtooict5icQebtooict小信号谐振放大器波形图6icebtooictVBZ谐振功率放大器波形图74、谐振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。表不同工作状态时放大器的特点工作状态半导通角理想效率负载应用甲类c=18050%电阻低频乙类c=9078.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90＜c＜18050%＜＜78.5%推挽低频丙类c＜90＞78.5%选频回路高频丁类开关状态90%~100%选频回路高频谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率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85、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处:都要求输出功率大和效率高。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化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。9+–vb–iB–+VBB–+VCC–+vCC–+vcL输出iEiCvB谐振功率放大器的基本电路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。谐振回路LC是晶体管的负载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：coscosBBBbmCCCcmvVVtvVVt输入输出()ccBBZigvV转移特性方程一、获得高效率所需要的条件10故晶体管的转移特性曲线表达式：Vbmcosc=BBV+VBZ转移特性icVBZo理想化icmaxicto+c–co+c–cvBmaxVbmmvBvb–VBBt谐振功率放大器转移特性曲线故得：cosBBBZcbmVVV必须强调指出，集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下图所示11VBZ–VBBtVCCtttVBEibicVCEVcmVcmvb高频功率放大器中各分电压与电流的关系cCCceVv（a）12t或电压电流VBZoiCmaxvCminiccvCVcmVCCicvcvBmax2–VBBvBVbmvb32252(b)高频功率放大器中各部分电压与电流的关系13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。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。表示转换能力，引入集电极效率的概念。Pdc=直流电源供给的直流功率；Po=集电极交流输出基波信号功率；Pc=集电极耗散功率；根据能量守衡定理：Pdc=Po+Pc故集电极效率：oococPPPPP二、输出功率和效率计算dc14由上式可以得出以下两点结论：1)设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率c自然会提高。这样，在给定Pdc时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；2）由式1coccPP得如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，那么提高集电极效率c，将使交流输出功率Po大为增加。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。oococPPPPPdcoococPPPPPdc15如何减小集电极耗散功率Pc可见使ic在vc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。晶体管集电极平均耗散功率：01TCCvdtTi故：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。导通角小于180，处于丙类工作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c＜90，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：ic=Ico+Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+……t或电压电流VBZoiCmaxvCminiccvCVcmVCCicvcvBmax2–VBBvBVbmvb32252(b)16直流功率：Pdc=VCCIc0输出交流功率：221111222cmocmcmcmppVPVIIRRVcm回路两端的基频电压Icm1基频电流Rp回路的谐振阻抗放大器的集电极效率：110112()2cmcmoccCCcVIPgPVIdc17cmCCVV集电极电压利用系数110()cmccIgI波形系数，通角c的函数；c越小g1(c)越大越大(即Vcm越大或vmin越小)c越小效率c越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率c的途径即为减小c角；使LC回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应vc的最小值。放大高频信号；非线性工作状态；基极偏置为负值；半通角c＜90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：18ic=Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+…+Icmncosnt+…012sincos()(1cos)cossin()(1cos)sincoscossin2()(1)(1cos)ccccccccccccccnccnnnnn尖顶脉冲的分解系数0max01maxmax()()CCCcmCCcmnCnCIiIiIimaxmaxcoscoscoscos1cos1cosccccccccittiii或尖顶余弦脉冲解析式。其中icmax=gcVbm(1–cosc)19尖顶脉冲的分解系数当c≈120时，Icm1/icmax达到最大值。在Icmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取c=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲乙类工作状态效率太低。右图可见：20尖顶脉冲的分解系数110()()()cccg－波形系数由曲线可知：极端情况c=0时，110()()2()cccg此时若=1，c可达100%输出功率为0因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。110112()2cmcmoccCCcVIPgPVIdc21对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0和基频分量Icm1。这个要用前面讲的折线分析法。折线化的前提要求：工作在低频区低频区:f工作0.5fβ(可忽略内部电抗)中频区:0.5fβf工作0.2fT(考虑内部电抗)高频区:0.2fTf工作fT(考虑内部电抗、引线电感等)22理想化折线（虚线）icgcvB0VBZic过压区临界线欠压区vBvC0(a)(b)gcr晶体管实际特性和理想折线根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。23若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为iC=gcrvC1)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。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，将放大器的工作状态分为三种：由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受基极电压的控制，而与集电极电压无关。iC=gc(vB–VBZ)(vB＞VBZ)CCcBvgv常数i上述两个方程是折线分析法的基础。243)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。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。25高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。如果VCC、VBB、vb3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。3.2.1谐振功率放大器的动态特性26当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为vB=–VBB+VbmcostvC=VCC–Vcmcost消去cost可得，CCCcmVvVvB=–VBB+Vbm另一方面，晶体管的折线化方程为ic=gc(vB–VBZ)得出在iC–vC坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：()CCCccBBbmBZcmVvgVVVVibmbmCCBZcmBBcmcCcmbmVVVVVVVgvVV=gd(vC–V0)27图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。用类似的方法，可得出在iC–vB坐标平面的动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形uCEic•A•BOEC•QubemaxD28在其他条件不变(VCC、VBB、vb为一定)，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性。电压、电流随负载变化波形icic321Im0180＜90半导通角tACD321负载增大vB=vBmaxVCCQvCminVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcmB3.2.2谐振功率放大器的负载特性291)vc、ic随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由大变小，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。2)欠压、过压、临界三种工作状态①欠压状态B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。icic321Im0180＜90半导通角tACD321负载增大vB=vBmaxVCCQvCminVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcmB30②临界状态负载线和vbmax正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。③过压状态放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。电压、电流随负载变化波形icic321Im0180＜90半导通角tACD321负载增大vB=vBmaxVCCQvCminVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcmB31根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线欠压过压0临界Icm1Icm0VCmRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp负载特性曲线欠压状态的功率和效率都比较低