通信电路第3章

第3章高频功率放大电路３.１概述３.２丙类谐振功率放大电路３.３宽带高频功率放大电路与功率合成电路３.４集成高频功率放大电路及应用简介３.５章末小结第3章高频功率放大电路第3章高频功率放大电路在高频范围内，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：输出功率大效率高非线性失真小特点：(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)放大器一般工作在丙类工作状态，属于非线性电路(4)不能用线性模型电路分析，一般采用图解法分析和折线法功率放大器按工作状态分类：甲类：导通角为o180甲乙类：导通角为o90乙类：导通角为o90丙类：导通角为o90第3章高频功率放大电路谐振功放属于窄带功放电路。对于工作频带要求较宽,或要求经常迅速更换选频网络中心频率的情况,可采用宽带功率放大电路。本章着重讨论丙类谐振功放的工作原理、动态特性和电路组成。第3章高频功率放大电路3.2丙类谐振功率放大电路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，Tf一般工作时发射极反偏(丙类)；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。-UBBCECL+uS-+ub-(a)原理电路+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效电路+uc1-第3章高频功率放大电路3.2.1图3.2.1是谐振功率放大电路原理图。假定输入信号是角频率正弦波,输出选频回路调谐在输入信号的相同频率上。根据基尔霍夫电压定律,可得到以下表达式:uBE=UBB+ub=UBB+Ubmcosω0t(3.2.1)uCE=UCC+uc=UCC-Ic1mRΣcosω0t=UCC-Ucmcosω0t3.2丙类谐振功率放大电路(3.2.2)第3章高频功率放大电路其中uBE和uCE分别是晶体管b、e极电压和c、e极电压，ub和uc分别是输入交流信号和输出交流信号,RΣ是回路等效总电阻,IC0和Ic1m分别是集电极电流iC中的直流分量和基波振幅。UBB和UCC是直流电源。第3章高频功率放大电路oDCPPP(3.2.3)(3.2.4)(3.2.5)从式(3.2.5)可知,如果要提高效率,需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极平均电流,通过降低静态工作点可以实现)。由此可以得到集电极电源提供的直流功率PD谐振功放输出交流功率PO集电极效率ηc集电极功耗PC0CCCDIUPRURIUIPcmmccmmc22110212121CCCcmmcDocUIUIPP0121第3章高频功率放大电路功率放大电路是大信号工作,而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性,这样将使分析比较复杂。为简化分析,可以将晶体管特性曲线理想化,即用一条或几条直线组成折线来代替,称为折线近似分析法。图3.2.3用两段直线组成的折线来近似表示将晶体管的转移特性,由此来分析丙类工作状态的有关参数。第3章高频功率放大电路图3.2.3丙类状态转移特性分析如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2θ来表示,则称θ为导通角。可见,0°≤θ≤180°。第3章高频功率放大电路UCCICEOuCEiCO转移特性曲线输出特性曲线常量CEuBEcufi常量BEuCEcufiBBU•UBZ•Q•••Q乙类：o90BZBBUU丙类：o90,BZBBUU。BEuci•截止区饱和区甲类：Q位于放大区0180第3章高频功率放大电路+ub-RpCL+uCE-UCC-UBB+uc1-ic常数ceuBEcuig2工作原理分析uBEic•-UBB•Uonubic•(1)集电极电流ci设输入信号电压:tUubmbcosUbm则加到晶体管基极,发射级的有效电压为:tUUUuubmBBBBbBEcos由晶体管的转移特性曲线可以看出：当onBEUu，0ci当onBEUu，onBEcUugi式中g为：g折线的斜率有onbmBBcUtUUgicos+uBE_第3章高频功率放大电路2工作原理分析(1)集电极电流cionbmBBcUtUUgicos由于当t时，0cibmonBBUUUcosbmonBBUUUarccoscoscoscoscos)(costgUUtUgUUtUgibmbmbmonBBbmc又当0t时，cos1bmcmgUIvBEic•-UBB•-Uonvbic•VbmgCIcmcos1cmbmIgU代入ci有：尖顶余弦脉冲的数学表达式+ub-RpCL+uCE-UCC-UBB+uc1-ic+uBE_cos1coscoscmctIi第3章高频功率放大电路(1)集电极电流若对ci分解为付里叶级数为：tnItItIIiccos2coscoscnmc2mc1mco其中各系数分别为：0cmcmc)cos1cossin)(21IItdiIco1cmcm1)cos1cossin1()(cos21IIttdiIcmcncmccnmInnnnIttdniIcm2)cos11sincoscossin2)(cos21式中：(1)0，1，…，n称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可以根据的数值查表求出各分解系数的值。(2)coI，c1mI，c2mI，…，cnmI为直流及基波和各次谐波的振幅。icωtθθic1ic2ic3IcoIcmcos1coscoscmctIi第3章高频功率放大电路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：tUUucmCCCEcos0+ub-RpCL+uCE-UCC-UBB+uc1-ic+uBE_icωtθθic1ic2ic3IcoIcmubUBZUBBIcmuBEtibtictuCEuctUCCUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubCUbmgCC第3章高频功率放大电路3.高频功放的功率关系(1)集电极电源提供的直流功率：0CCCDIUP(2)集电极输出交流功率（负载上得到的功率）PCmPmCmCCmRURIIUP2212121210（注意PR为回路谐振阻抗）(3)集电极耗散功率CP，oDCPPP(4)集电极能量转换效率c：112121gIUIUPPPPPCOCCmCCmCooDoc其中：CCCmUU为集电极电压利用系数；COmCIIg11)()(01称为波形系数，是导通角的函数，通常可查表求出。讨论：(1)CCPCmCCCmURIUU1，cPR(2)COCmcIIg11，一般有：cccg1(3)cccocoocPPPPP1当晶体管允许的耗散功率一定时，ocPθcαoα1α3g11.02.0α2第3章高频功率放大电路图3.2.4尖顶余弦脉冲的分解系数α(θ)与波形系数g1(θ)第3章高频功率放大电路由图3.2.4可以看出,α1(90°)=α1(180°)=0.5,这两种情况分别对应于乙类和甲类工作状态,均比丙类(θ＜90°)的数值高,而α1的最大值是α1(120°)=0.536,处于甲乙类状态。这意味着当回路等效总电阻RΣ和脉冲高度ICm相同时,丙类的输出功率比甲类、甲乙类和乙类都要小一些,但是丙类的集电极效率比它们都要高。)(2121101gUIUICCCcmmccRIPCm)(212120θcαoα1α3g11.02.0α2第3章高频功率放大电路分析式(3.2.12)、(3.2.13)可知,增大ξ和g1的值是提高效率的两个措施,增大α1是增大输出功率的措施。然而图3.2.4告诉我们,增大g1与增大α1是互相矛盾的。导通角θ越小,g1越大,效率越高,但α1却越小,输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面,选取合适的导通角θ。若取θ=70°,此时的集电极效率可达到85.9%,而θ=120°时的集电极效率仅为64%左右。因此,一般以70°作为最佳导通角,可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。)(2121101gUIUICCCcmmccRIPCm)(212120θcαoα1α3g11.02.0α2第3章高频功率放大电路例3.1在图3.2.3中,若Uon=0.6V,g=10mA／V,ICm=20mA,又UCC=12V,求当θ分别为180°,90°和60°时的输出功率和相应的基极偏压UBB,以及θ为60°时的集电极效率。(忽略集电极饱和压降)解：由图3.2.4可知:α0(60°)=0.22,α1(180°)=α1(90°)=0.5,α1(60°)=0.38因为Ucm=UCC=12ViC斜率gUBB00uBEUonuBEUbmiCICm0tt第3章高频功率放大电路)cos1(gIUCosUUUUUUCoscmbmbmonBBbmBBon)cos1(coscosgIUUUUCmonbmonBB所以可求得:第3章高频功率放大电路所以,当甲类工作时(θ=180°),根据式(3.2.11),(3.2.4),VgIUUmWUIPmAIICmonBBcmmcoCmmc6.1210206.026012102121105.020)180(111在乙类工作时(θ=90°)，有VUUmWPmAIIonBBoCmmc6.060121021105.020)90(11第3章高频功率放大电路当丙类工作时(θ=60°),有%8686.0124.4126.721214.422.020)60(6.45126.7216.738.020)60(010101CCCcmmccCmCoCmmcUIUImAIImWPmAIIVgIUUCmonBB4.1)60cos1(1060cos206.0)cos1(cos第3章高频功率放大电路3.2.2利用图3.2.5所示折线化转移特性和输出特性曲线,借助谐振功放输入回路、输出回路和晶体管转移特性的三个表达式,分析两个问题：输出信号的振幅与输入信号的振幅有什么关系？Ucm的大小受哪些参数影响？当晶体管确定以后,Ucm的大小与VBB、VCC、RΣ和Ubm四个参数有关。在分析之前,让我们先确定动态线的情况。第3章高频功率放大电路图3.2.5折线化转移特性和输出特性分析返回1返回2第3章高频功率放大电路由式(3.2.1)和式(3.2.2)可写出：cmCECCbmBBBEUuUUUu代入式(3.2.6),经过整理可得到动态线表达式:iC=-gd(uCE-U0)其中bmcmoncmBBbmCCcmbmdUUUUUUUUUUgg0(3.2.14)第3章高频功率放大电路有关Q点位置的说明如下。甲类和甲乙类工作时，Q点位于放大区内的动态线上；乙类工作时，Q点下移到放大区与截止区交界处的动态线上。所以，丙类工作时，Q点应该沿着动态线继续下移，位于动态线的延长线上，即在第四象限内。另外，由图3.2.5中的转移特性和式（3.2.14）可知，在静态工作点，因为uBE=UBB，故有uC