高频功率放大器

6.1概述：6.2高频功率放大器的工作原理6.3高频功率放大器的动态分析6.4高频功放的高频特性6.5高频功率放大器的电路组成6.6宽带功率放大器与功率合成电路高频功率放大器6.1概述：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：A（甲）类：导通角为o180AB（甲乙）类：导通角为o90B（乙）类：导通角为o90C（丙）类：导通角为o90近年来双出现了D类、E类及S类等开关功率放大器ECICEOuCEiCO转移特性曲线输出特性曲线常量CEuBEcufi常量BEuCEcufiBBU•UBZ•Q•••QA类：o180Q位于放大区B类：o90BZBBUUC类：o90,BZBBUU。BEuci•截止区饱和区6.2高频功率放大器的工作原理1基本电路结构+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效电路+uc1--UBBCECL+uS-+ub-(a)原理电路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(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-EC-UBB+uc1-ic常数DDceuBEccuig2工作原理分析uBEic•-UBB•UBZubCCic•CC(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BZBEUu，0ci当BZBEUu，BZBEccUugi式中cg为：gC折线的斜率\有BZbmBBccUtUUgicos+uBE_(1)集电极电流ciBZbmBBccUtUUgicos由于当ct时，0cibmBZBBcUUU\cosbmBZBBcUUU1coscbmccbmbmcBZBBbmcctUgUtUgUUtUgicoscoscoscos)(cos\又Q当0t时，cbmccUgIcos1maxccbmcIUgcos1max\代入ci有：cccmaxccos1coscostIi若对ci分解为付里叶级数为：ntItItIIiccos2coscoscmncm1cm1co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。icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax3.高频功放的功率关系（注意PR为回路谐振阻抗）(4)集电极能量转换效率c：cCOCCmCmCooDocgIEIUPPPPP112121其中：CCmEU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。θcαoα1α3g11.02.0α26.3高频功率放大器的动态分析由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有关，如右图所示了与f之间的关系。而通常所说的静态特性曲线是指低频区：βo0.5fβfβ0.2fTfTf5.0f中频区：Tf2.0ff5.0高频区：TTfff2.0故直接进行高频区或中频区的分析和计算是相当困难的。本节将从低频区的静态特性来解析晶体管的高频功放的工作原理。1、放大区动态特性方程当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：若设：tUubmbcos由上两式消除tcos可得：cmceCbmBBBEUuEUUu又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程）：BZBEccUugi可得：ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEuUUgUUuEUUgi)(uBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE_1高频功率放大器的动态特性动态特性方程Ci与ceu之间关系的动态特性方程。式中：cmbmcdUUgg表示动态特性曲线的斜率，cCmCbmBZBBcmCoUEUUUUEUcos)(式中：bmBZBBcUUUcos;oU动态特性曲线在ceu轴上的截距。uceic2动态特征曲线的画法：画法一：Uo•A在静态特征曲线的ceu轴上取B点，使oUOB，由B点作斜率为dg的直线BA，即得动态特征曲线。•BO画法二：（1）作静态工作点Q：EC•Q令ot90由外部方程可得：)(,:BZBBcQcBBBECceUUgIiUuEuQ(2)作A点:令o0tbmBBbbeCmCcceUUuuUEuuAmaxmin:连接Q、A两点即得动态特性曲线。Ucmcucmingdubemax2高频功率放大器的负载特性高频功放的工作状态：动态曲线：)(ocedcUugiuceicUo•PccccCocbmcdRIUUEUUUgg1111cos而可见动态特性曲线的斜率和负载PR有关，放大器的工作状态将随负载的不同而变化。下面讨论当CE、BBU、bmU不变时，动态特性曲线与负载PR的关系。gd(1)欠压工作状态当PR减小111cbmcdPccUUggRIU较大，动态特征曲线与maxbeu所对的静态特征曲线的交点位于放大区。uBEic•-UBB•UBZubCCicCCgCUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUcescesceUumin晶体管的工作范围在放大区和截止区。ci为尖顶余弦脉冲，集电极电压利用不充分。2.过压工作状态PR较大PccRIU11较大1cbmcdUUgg较小，动态特性曲线与maxbeu所对的静态特征曲线的交点位于饱和区。gd•ubemax•••特点：cesceUumin，晶体管的动态范围延伸到饱和区。ci的波形顶部为下凹的余弦脉冲。ucemin3.临界工作状态动态特性曲线与临界饱和线以及maxbeu对应的静态特性曲线，三线相交于一点ubemaxgcr此时：cesceUumin,ci为尖顶余弦脉冲。•研究的问题：当CE，BBU，bmU不变，而PR变化时，与ccoDCCCPPPUII,,,,101的关系。（1）欠压区：icucePR由小maxci几乎不变（略减少）1C0CI,I几乎不变011CCDPccIEPRIU几乎不变1121CCoIUPCccoccEUII1121oDCPPP2高频功率放大器的负载特性PoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1Ico（2）过压区：PR进入过压区余弦脉冲顶部下凹，PccCCcRIUIIi1110max,几乎不变（略有上升）01011102121CCCCcCCoCCUUIIIUPIEP变化缓慢，oDCPPP变化缓慢。cPDPcubemax注意：①临界状态输出功率最大ocroPP，效率也较高，可以说是最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态。过压状态，效率高，但输出功率较小。②在欠压状态0CI，1CI几乎不变，功放相当于一个恒流源，而过压状态1CU几乎不变，相当于一个恒压源。Uc13高频功率放大器的调制特性当bm,URP不变，而改变BBCUE与oDCCPPII,,01之间的关系。1.集电极调制特性当bm,URP，BBU不变，压区减少功放由临界进入过压区增加功放由临界进入欠CCEEuceicubemax•QEC••QEC•QEC••••显然：在欠压区：10,CCII几乎不变ODPP,不变注意：只有工作在过压区才能有效地实现CE对1CI及oP的调制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。tic3高频功率放大器的调制特性uceicubemax•QEC••QEC•QEC••••ticEC欠压区过压区临界区EC欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPOPC2.基极调制特性tUUubmBBBEcosQ注意：如果要实现BBU对输出电流1CI的有效调制，要求功放应工作在欠压区。进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢UcmIcoIcml临界UBB过压欠压O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict饱和区放大区截止区当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角θc增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。1C2C3C4高频功率放大器的放大特性tUUubmBBBEcosQuBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict饱和区放大区截止区1C2C3CUcmIcmlIcoUbm过压临界欠压OOωticOωticUbm增大OωticωtOic当C,ERP，BBU不变，固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情况类似，它们都使基极输入电压uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压。当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm随映输入信号振幅Ubm的变化，放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在Ubm变化的范围内工作在过压状态。5高频功率放大器的调谐特性实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C时，功放的外部电流Ico、Icml和相应的Ucm等随C的变化特性称为调谐特性。设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将下降。应该指出，回路失谐时直流输入功率PD=IcoEC随Ico的增加而增加，而输出功率Po=UcmIcmlcosφ将主要因cosφ因子而下降，因此失谐后集电极功耗PC将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。UcmIcmlIco当低频时：信号周期fT1基区载流子的分布与外加瞬时电压是一一对应的。6.4高频功放的高频效应以上对高频功放是以静态特性为基础的分析，只能近似说明和估计高频功放的工作原理，无法反映高频工作时的其它现象。实际的高频功放电路，晶体管工作在“中频区”甚至“高频区”，通常会出现：输出