东华大学高频电子电路通信电子电路课件4-1

在交流、直流并存的电路中，要注意字母大小写的物理意义。（1）小写字母，小写下标，表示交流瞬时值举例：(),()ooutit（2）大写字母，小写下标，表示幅值举例：cmV（3）大写字母，大写下标，表示直流值举例：CECEOIVtV,),(（4）小写字母，大写下标，含有直流的瞬时值。举例：CECEceuVu第4章高频功率放大器4.1概述1高频功率放大器的功能高频功率放大器是是发送设备的重要组成部分。问题：PA的位置及所处理信号的特点？功率放大器是一种换能器，其基本原理就是利用输入到基极的激励信号，去控制集电极直流电源所提供的直流功率，把它转变为与输入信号频谱结构相同的交流输出。高频功率放大器功能原理图如图4—1所示。高频功放激励小信号ωω大信号图4—1高频功率放大器将高频信号进行功率放大，实质是在输入高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。输入输出信号频谱相同，但输出信号被放大。大家以前学过的放大电路还有用于增强电压幅度或电流幅度的电压放大电路和电流放大电路。无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。放大电路的共性：功率放大电路和其它放大电路没有本质的区别，都是在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，在性能要求和器件运用特性上却是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，衡量其放大性能的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，但其输出功率并不一定大。功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真或失真较小的输出功率，通常是在大信号状态下工作。从能量控制的角度来看，功率放大电路是一种能量转换电路，它是将直流电源的能量转换为输出信号的能量，因此必然存在能量损耗。2高频功率放大器的分类高频功率放大器按照工作频带的范围，可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器用于放大以载频为中心，相对带宽窄的信号。相对带宽是指发送有用信号的频带宽度与载波中心频率之比。例如调频广播载波频率范围88～108MHz，载波中心频率为0.588+108MHz98MHz（），信号频带宽度为(10888)MHz=20MHz，相对带宽为20MHz/98MHz=0.2；窄带高频功率放大器一般都采用具有选频功能的谐振回路作负载，所以又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，又称为非谐振功率放大器。由于不采用调谐网络，因此这种高频功率放大器可以在很宽范围内变化工作频率而不必调谐。宽带高频功率放大器只能选用甲类和乙类推挽放大工作状态。谐振功率放大器与非谐振功率放大器共同点：都要求输出功率大，效率高；不同点：二者的工作频率与相对带宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。放大器可以按照电流导通角的不同分为甲类（A类）、乙类（B类）、甲乙类（AB类）和丙类（C类）。导通角是指一个信号周期内集电极电流导通角的一半，导通角满足：0180。放大器的导通角是由什么确定的？饱和区截止区-UBBUBZuBEicicuCEQICEOECQA类：θ=180°Q位于放大区B类：θ=90°UBB=UBZC类：θ＜90°，UBB＜UBZ转移特性曲线ic=f(uBE)|uCE=常量输出特性曲线ic=f(uCE)|uBE=常量图4—2静态工作点的设置与工作状态的关系导通角的大小是由静态工作点确定的，如图4—2所示。图中UBZ为截止电压或起始导通电压。硅管U0.50.7BZV；锗管U0.30.4BZV。甲类功率放大器在整个周期内导通，180,ω相同，输出波形不失真，极限效率50％。考虑到晶体管的饱和压降影响，实际的集电极效率只有35％。为了提高效率，低频放大器工作在乙类推挽。乙类功率放大器在半个周期内导通，90。输出电流为余弦脉冲，含有丰富谐波。为保证不失真输出，采用乙类推挽形式（正半周一个管子导通，负半周另一个管子导通，然后二个管子叠加得到一个完整的正弦波形）。极限效率78％，实际效率60％左右。为了防止交越失真，常工作在甲乙类推挽。甲乙类功率放大器在大于半个周期小于一个周期内导通，90180。丙类功率放大器晶体管仅在小于半个周期内导通，90。输出电流为余弦脉冲电流，有丰富谐波，由于负载为谐振网路，其选频作用使输出电压波形与输入激励信号的电压波形相同。在上述几类功率放大器中，丙类功率放大器的效率最高，可高达85.9%。为了提高效率，谐振功放常工作于乙类或丙类，甚至丁类或戊类状态。图4—3给出各种状态下集电极输出电流的波形。0000(a)(c)(d)(b)icicicicICQICQωtωtωtωt图4—3各种状态下集电极输出电流的波形3高频功率放大器的性能指标高频功率放大器的主要性能指标是输出功率和效率。在功放中，效率的提高就显得非常重要。表现在1）放大器输出相同功率时，放大器效率高可以节约直流电源的电能，2）采用相同器件的条件下，效率高的放大器可以输出更大的功率。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输出的交流能量。当然这种转换不可能是百分之百的，直流电源提供的功率一部分转换为交流输出功率，另一部分功率主要以热能的形式消耗在集电极上，我们称之为集电极耗散功率。1）集电极效率c效率定义为功率放大器负载获得的输出功率oP和电源提供的直流功率DP之比。ocDPP（4.1.1）根据能量守恒定律有DcoPPPcP为集电结的耗散功率。1=+1ooccocDoPPPPPPP（4.1.2）由式（4.1.2）可得出两方面的结论：当要求输出功率oP保持不变时，减小集电极耗散功率cP可提高效率。如果维持晶体管的耗散功率cP不超过允许值，那么提高效率c，就可增加输出功率oP，例如20%c，/4ocPP；当80%c，4ocPP。显然，提高效率可显著增加输出功率。2）集电结耗散功率cP12ccCEpiudt（4.1.3）式中ci为晶体管集电极电流瞬时值；CEu为晶体管集射极间电压瞬时值；为晶体管集电极电流导通角。3）集电极电源的直流功率DPDCCCOPVI（4.1.4）注意：式中的COI的物理意义：对于甲类功率放大器而言，为直流偏置电流；对乙类和丙类功率放大器而言，为集电极电流瞬时值Ci（小写字母，大写下标，含有直流的瞬时值）中的平均直流分量。4）输出功率oPoP是指由电子器件送给谐振回路的基波信号功率，也就是输出的基波功率。2211111222cmocmcmcmUPIVIRR（4.1.5）什么是基波？研究功率放大器的设计要解决的重要问题：较大的输出功率和较高的效率，而增加输出功率和提高效率的关键是降低耗散功率，因此设法减少耗散功率是高频功放设计的重要目标。4.2高频谐振功率放大器的工作原理4.2.1高频谐振功率放大器的电路组成通常发送设备的功放由多级构成。C1L1VBBVCCL2C2C3C4C5L3L4RLuiubCBCCLrrCrCAVCCrA(a)(b)LCVCCuBEuCEreubVBBVCCuCLCRΣ(c)(d)图4—4高频谐振功率放大器电路图4—4（a）为发送设备的中间放大级电路。（b）为末级放大器，Ar、AC为天线等效电路，AC为天线对地的等效电容；Ar为天线等效辐射损耗电阻；rr为电感线圈的损耗电阻，L、tC匹配网络，通过调节tC，使回路谐振在输入信号频率。输出回路实质是谐振回路。假设回路有载品质因数eQ1，把Ar折合到电感支路erArrr，如图(c)，然后利用串并联互换关系，等效为典型的并联谐振回路（d）。以图（a）为例，分析高频功率放大器基本组成。1）电子器件是高频大功率管，能承受高电压大电流，并具有较高的特征频率Tf。它在电路中主要起开关控制作用，控制直流能量转变为交流输出能量。2）电源。高频功率放大器包括两个电源，基极电源BBV和集电极电源CCV。其中基极供电电源画成独立的电源BBV，是为了讲述原理的方便，实际电路中则由集电极电源CCV通过偏置电路产生工作于丙类功放所需的偏置电压。注意BBV和CCV的作用调整BBV可以改变放大器工作状态（如工作在甲类、乙类、甲乙类和丙类），使BBBZVV或BBV为负值，即能保证晶体管工作在丙类状态。CCV则用于提供直流能量。3）馈电电路。其作用是既保证把电压BBV和CCV馈送到晶体管的各极，又防止交流信号进入直流电源影响系统的稳定性。馈电电路包括基极馈电电路（由C1、L1、C2构成）和集电极馈电电路（由C3、L2、C4构成）。L1、L2为高频扼流圈；C2、C3为电源退耦电容；C1、C4分别为输入、输出回路的耦合电容，起到隔直通交的作用。4）输出谐振回路。主要起无损耗地传输高频信号及其能量、滤除谐波成分及阻抗匹配的作用。高频功率放大器的输出回路可以是LC并联谐振回路，也可以是互感耦合回路或各种LC匹配网络。图（a）所示中间级放大器的负载通过互感耦合与谐振回路连接；图（b）所示末级功放则通过L、tC匹配网络与天线负载连接。无论是中间级还是末级放大器，最终都可等效为下图所示并联谐振电路。图中2200eeeLLRQLrCr，式中eQ为有载品质因数0eeLQr，总电容tAtACCCCC，回路谐振角频率01LC。这部分电路有两个作用。首先，利用它的谐振特性，从众多电流分量中选出有用的基波分量，起到选频作用；其次，将负载电阻变换成晶体管集电极所需的最佳负载电阻。4.2.2晶体管特性曲线的折线近似丙类功率放大器工作在大信号状态，因此不能采用线性等效电路来分析。工程上通常采用解析近似法，也就是折线分析法来简化该分析过程。折线分析法首先是将晶体管的特性曲线理想化，每条曲线都用一条或几条折线来代替，然后写出理想化曲线的数学解析式。这种方法优点：简单，易于进行概括性的理论分析，且物理概念清楚；不足之处：只能进行估算，存在一定误差，在电路设计完成后还要进行必要的调整，但该方法对定性分析高频功率放大器的特性实用可行。晶体管的特性曲线包括输入特性曲线、正向传输特性曲线和输出特性曲线。下面将分别讨论晶体管三条特性曲线的理想化。1输入特性曲线理想化输入特性曲线如图4—5所示。UBZ称为晶体管的导通电压或截止电压。该特性曲线的数学表达式为0(4.2.1)()BEBZBBEBZBEBZbuUiguUuU其中，bg是折线的斜率，即BbBEiguUBZ0iBgbuBE图4—5理想化输入特性曲线由图可知，理想化的晶体管输入特性曲线包括两段，一段对应晶体管截止的情况；另一段对应晶体管导通的情况。2正向传输特性曲线将输入特性的Bi乘以就可得到理想化正向传输特性曲线如图4—6所示。UBZ0iCgcuBE图4—6理想化正向传输特性曲线理想化正向传输特性曲线的表达式为0(4.2.3)()BEBZCcBEBZBEBZuUiguUuU式中cg为曲线的斜率，即CBcbBEBEiigguu（4.2.4）cg称为理想化晶体管的跨导！它表示晶体管工作于放大区时，单位基极电压变化产生的集电极电流变化。3输出特性曲线首先对晶体管在不同区的工作特性加以讨论。晶体管有三个工作区，它们是饱和区、放大区和截止区。图4—7给出理想化的输出特性曲线。UBE0iCAuCE饱和区放大区截止区图4—7理想化输出特性曲线在OA线以左的为饱和区，晶体管工作在饱和区时有如下特点。集电极电流只受CEu控制，而与BEu无关。CEu对Ci有强烈的控制作用，CEu略微下降，导致Ci迅速减小。OA称为饱和临界线，其斜率为crg。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关系。在OA线以右的放大区，晶体管工作在该区的特点Ci基本与CEu无关，只受到BEu的控制，所以各条输出曲线均以BEu为参变量，且都近似与CEu轴平行。在截止区，BEBZuU时，Ci=0。了解晶体管的特性曲线是分析高频功率放大器的基础。4.2.3高频功率放大器的工作原理高频功率放大器