高频功率放大器原理详解

4.1概述4.2谐振功率放大器的工作原理4.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法4.4晶体管功率放大器的高频特性4.5高频功率放大器的电路组成Chapter4谐振功率放大器4.6晶体管倍频器2、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高功率输出联想对比：谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；4.1概述1、使用谐振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。音频放大高频振荡倍频高频放大调制缓冲传输线话筒声音（直流电源未画）3、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：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。icVBEtooicttVBZ谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图icQVBEtooictticQvbetooict小信号谐振放大器波形图2c是在一周期内的集电极电流流通角，因此，c可称为半流通角或截止角(意即t=c时，电流被截止)。为方便起见，以后将c简称为通角2cicvBEEtooictVBZ谐振功率放大器波形图2c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。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处不同之处：工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同。5、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2-1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，属于非线性电路谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,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。非谐振功率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。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法1、原理电路+–vb–iB–+VBB–+VCC–+vcEC–+vcL输出iEicVBE谐振功率放大器的基本电路(1)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。(2)谐振回路LC是晶体管的负载(3)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：tVVvtVVvcmCCCEbmBBBEcoscos)(BZBEccVvgi4.2谐振功率放大器的工作原理根据晶体管的转移特性曲线可得：Vbmcosc=BBV+VBZ谐振功率放大器转移特性曲线故得：bmBZBBcVVVcos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。转移特性icVBZo理想化icmaxicto–c+co–c+cVbmVbmvBEvc–VBBt11VBZ–VBBtVCCtttvBEibicvCEVcmVcmvb谐振功率放大器中各部分电压与电流的关系cCCCEvVv（a）2、电流与电压波形：+–vb–iB–+VBB–+VCC–+vcEC–+vcL输出iEicVBE(b)t或电压电流oVBZVCCV－BBVbmVcmvbEmaxiCicmaxciCvCEvBEvCEmin1.iC与vBE同相，与vCE反相；2.iC脉冲最大时，vCE最小；3.导通角和vCEmin越小，Pc越小；tVVbmBBBEcosvtVVcmCCCEcosvdtTPTCECc01vivCEt或电压电流VBZoicmaxvcEminiccVCEVcmVCCicvcVBEmax2–VBBvBEVbmvb23225(b)高频功率放大器中各部分电压与电流的关系–+C+–+–icL–+iLLC回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由L、C二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。3、LC回路的能量转换过程4、谐振功率放大器的功率关系和效率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。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率ηcP==直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；根据能量守衡定理：P==Po+Pc故集电极效率：cooocPPPPP由上式可以得出以下两点结论：2）由式cccoP1P可知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。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P=时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；如何减小集电极耗散功率Pc可见使ic在vCE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：dtvTTCEc01i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+……直流功率：P==VCCIc0输出交流功率：p21cmp2cm1cmcmoRI21R2VIV21P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：)(g21IVIV21PPc10cCC1cmcmocCCcmVV0c1cmc1II)(g集电极电压利用系数:为通角c的函数；c越小g1(c)越大波形系数:越大(即Vcm越大或vcEmin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的途径为：1、减小c角；2、使LC回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应vcE的最小值。·放大高频大信号,属于非线性工作状态；·基极偏置为负值,半通角c＜90，即丙类工作状态；·电流脉冲是尖顶余弦脉冲；·负载为LC谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：t或电压电流VBZoicmaxvcEminiccvcEVcmVCCicvcvBEmax2–VBZvBVbmvb23225(b)vCE4.3.1折线法所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。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。4.3谐振功率放大器的折线近似分析法折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线ic~vBE及输出特性曲线ic~vCE，并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。3、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲ic和输出电压vc的波形。4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2……由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。理想化折线（虚线）icgc0VBZic过压区临界线欠压区vBEvCE0(a)(b)gcrvBE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)。由上图可见，根据理想化原理，在放大区,集电极电流只受基极电压的控制,与集电极电压无关;在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。4.3.2晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线则临界线方程可写为ic=gcrvCE(2)gcr为临界线的斜率则转移特性方程可写为ic=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)(1)常数CEBEccvvgigc-转移特性方程的斜率式(1)和(2)是折线近似法的基础，应很好地掌握。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，将放大区的工作状态分为三种：1)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。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。3)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。ic过压区临界线欠压区vBEvCE0gcr当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。icmaxto2c尖顶余弦脉冲晶体管的内部特性为：它的外部电路关系式ic=gc(vBE–VBZ)(1)vBE=–VBB+Vbmcost(2)vCE=VCC–Vcmcost(3)将式(2)代入式(1)，得ic=gc(–VBB+Vbmcost–VBZ)(4)当t=c时，ic=0，代入上式得0=gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ)(5)即4.3.3集电极余弦电流脉冲的分解bmBZBBcVVVcos(6)转移特性icVBZo理想化icmaxicto–c+co–c+cVbmVbmvBEvc–VBBt因此，知道了Vbm、VBB与VBZ各值，c的值便完全确定。将式(4)与式(5)相减，即得ic=gcVbm(cost–cosc)(7)当t=0时，ic=icmax，因此icmax=gcVbm(1–cosc)(8)cccctcos1coscosmaxiiccmaxcccos1costcosii将式(7)与式(8)相除，即得或式(9)即为尖顶余弦脉冲的解析式，它完全取决于脉冲高度icmax与通角c。(9)icmaxto2c若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数ic=Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+…+Icmncosnt+…由傅里叶级数的求系数法得)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1(sincos)()cos1(cossin)(210ccccccnccccccccccnnnnn其中：n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数)()(maxmax10max0CnCcmnCCcmCCCiIiIiIn2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140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=