第五章高频功率放大器

第六章高频功率放大器知识结构：6.1概述6.2高频功率放大器的工作原理6.3高频功率放大器的折线近似分析法6.5高频功率放大器的电路组成6.9功率合成器6.10晶体管倍频器学习目标：1.掌握高频功率放大器的工作原理2.掌握高频功率放大器的折线近似分析法3.熟悉高频功率放大器的电路组成原则4.掌握功率合成器的工作原理5.了解倍频器的工作原理本章重点：1.谐振功率放大器的工作原理2.高频功率放大器的动态特性和负载特性3.高频功率放大器的电路组成4.功率合成器的工作原理本章难点：1.高频功率放大器的动态特性和负载特性的分析2.功率合成器的工作原理6.1概述6.1.1功放的分类6.1.2高频功放的分类和特点6.1.3高频功放的技术指标和分析方法6.1.4高频功放与其他放大器的比较6.1.1功放的分类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按工作状态分：按工作频率分：低频功率放大器高频功率放大器甲类放大器适用于小信号低功率放大；乙类和丙类适用于大功率放大；甲乙类放大器当小信号时工作在甲类，当大信号时工作在乙类。高频功放分类：1）窄带型：以谐振回路作为负载，选频范围很窄。主要用于放大等幅信号，例如载波信号、调频信号；2）宽带型：采用工作频带很宽的传输线变压器或者其他宽带匹配网络作为负载。主要用于实现功率合成。高频功放特点：1)放大高频大信号；2)工作在丙类状态会伴随严重的失真问题;3)重点解决失真与效率问题；4)采用谐振负载解决失真。6.1.2高频功放的分类和特点放大器处于非线性工作状态，高频小信号谐振放大器的一套线性模型在这里已完全不能用，只能用图解法或折线近似分析法来分析功率放大器。技术指标：功率与效率分析方法：6.1.3高频功放的技术指标和分析方法分析方法优点缺点图解法利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算从客观实际出发，计算结果比较准确对工作状态的分析不方便，手续较复杂折线近似分析法将电子器件的特征曲线用折线段来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计算物理概念清楚，分析工作状态方便计算准确度较低6.1.4高频功放与其他放大器的比较与低频功放的比较：高选频网络丙类窄百分之零点几到百分之几高（一个工作中心频率）高频功放低无调谐负载甲类、甲乙类、推挽乙类宽低（20Hz-30KHz）低频功放效率负载工作状态相对带宽工作频率maxmin/1000ff0f0/ff共同点：输出功率大、效率高不同点：与高频小信号调谐放大器比较：放大对象谐振网络的作用工作状态分析方法质量指标高频功率放大器高频大信号从失真的集电极电流脉冲中选出基波、滤除谐波，从而得到不失真的信号输出丙类图解法或者解析近似分析法功率和效率高频小信号放大器高频小信号抑制干扰信号甲类线性等效电路增益、通频带、选择性、稳定性和噪声系数共同点：放大的都是高频信号，且负载均为谐振网络不同点：6.2高频功率放大器的工作原理6.2.1基本电路结构6.2.2工作原理分析6.2.3功率关系晶体管的工作情况与频率有极其密切的关系，把其工作频率范围划分为三个区域：低频区：中频区：高频区：ff5.0Tfff2.05.0TTfff2.0ffT中频区要考虑晶体管各个结电容的作用高频区需进一步考虑引线电感的作用﹜分析和计算相当困难。低频区可以不考虑其等效电路中的电抗分量等影响，可以用与分析电子管高频功率放大器类似的方法来分析。除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：晶体管：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。6.2.1基本电路结构大功率晶体管，能承受高电压，大电流。1.功率放大器的作用原理：利用输入到基级的信号，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出去。假设：P==直流电源供给的直流功率Po=交流输出信号功率Pc=集电极耗散功率则，由能量守恒定律可得：P==Po+Pc为了说明放大器的转换能力，采用集电极效率ηc，其定义为：cooocPPPPP两点结论：1）降低Pc则ηc提高，P=一定时，Po增大2）若Pc不超过规定值，则ηc提高，将使Po大为增加，P=也相应提高。cccoPP)1(6.2.2工作原理分析常数cevBEccVigVBEic•-VBB•VBZVbCCic•CCiC设输入信号电压:tVVbmbcosVbm则加到晶体管基极,发射级的有效电压为:tVVVVVbmBBBBbBEcos由晶体管的转移特性曲线可以看出：当BZBEVV，0ic当BZBEVV，BZBEccVVgi式中cg为：gC折线的斜率有BZbmBBccVtcosVVgi+VBE_2.集电极电流iciC+VBE_BZbmBBccVtVVgicos由于当ct时，0icBZBBcbmVVVcoscbmccbmbmcBZBBbmcccostcosVgcosVtcosVg)VV(tcosVgi又当0t时，cbmcmaxccos1VgiVBEic•-VBB•-VBZVbCCic•CCVbmgCicmaxcmaxcbmccos1iVg代入ci有：ccmaxcccos1costcosii尖顶余弦脉冲的数学表达式2.集电极电流icccmaxcccos1costcosii若对ci分解为付里叶级数为：ntItItIIicmncmcmcccos2coscos210其中各系数分别为：ccccccccciitdiI0maxmax0cos1cossin)(21cccccmccccmiiittdiIcc1maxmax1)cos1cos1()(cos21cnccccccccccmninnnnittdniIccmax2max)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)0cI，1cmI，2cmI，…，cmnI…为直流及基波和各次谐波的振幅。iCiC1iC2ICO2.集电极电流ic例题：试求高频功率放大器的基本电路中并联谐振回路各次谐波与基频的阻抗值之比。已知回路Q＝10，回路谐振于基频。解：并联谐振回路的谐振阻抗为：LQpRZpp2)(对于谐波nω的阻抗为：)1(1)()(2CnLnjRCjnLjnRpZnp)()1()1()1()1(1)(2222pnpZnQnjQCnLnCnLQnpjCnLnCnLnjpCnLnjCjnLjnpZ可知，回路对高次谐波呈电容性阻抗。且各次谐波的阻抗与基频阻抗之比很小，可认为是短路的。iC+VBE_，所以上式可化简为：，同时，故由于1110/2LCRLnRLQ结论：①iC呈脉冲状，且包含很多谐波，失真很大。②集电极电路内采用并联谐振回路，如使其谐振于基频，那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻抗，而对谐波的阻抗则很小，可视为短路。③并联谐振回路由于iC所产生的电压降vC也几乎只包含基频。④能得到正弦波形的输出。3.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PR（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1cV，而滤除各次谐波电压。故回路输出的基波电压：tVtRIRiVcmpcmpcccoscos1111iC+VBE_4.集电极电压、电流和基级电压的波形tVVVcmCCCEcos1tVVVbmBBBEcos晶体管集电极电压：晶体管基级电压：晶体管集电极的电流：ccmaxcccos1costcosiiiC+VBE_6.2.3.高频功放的功率关系(1)集电极电源提供的直流功率：0CCCIVP(2)集电极输出交流功率（负载上得到的功率）P1Cm2P1Cm21Cm1Cm0R2VRI21IV21P（注意PR为回路谐振阻抗）(3)集电极耗散功率cP，ocPPP(4)集电极能量转换效率c：c1COCC1Cm1Cmcooocg21IVIV21PPPPP100123其中：CC1CmVV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。01n,00.20.30.40.10.520o40o60o80o100o120o140o160o180o讨论：(1)CCP1CmCC1CmVRIVV，cPR(2)CO1Cmc1IIg，一般有：cc1cg当晶体管允许的耗散功率一定时，Poc(3)Pc1PoPcPoPocccc1COCC1Cm1Cmcooocg21IVIV21PPPPPCC1CmVVCO1Cmc1IIg)()(01cc6.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法6.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式6.3.2集电极余弦电流脉冲的分解6.3.3高频功率放大器的动态特性6.3.4高频功率放大器的负载特性6.3.5各极电压对工作状态的影响6.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式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特性曲线后进行分析和计算的方法。实质：用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。2、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。关键在于求出电流的直流分量和基频分量。3、晶体管静态特性曲线折线化两种曲线：输出特性曲线、转移特性曲线。输出特性曲线：基极电流（电压）恒定，集电极电流与集电极电压的关系曲线。转移特性曲线：集电极电压恒定，集电极电流与基极电压的关系曲线。4、折线分析法的主要步骤：①测出晶体管的输出特性曲线与转移特性曲线，并将这两组曲线作理想化折线处理②作出动态特性曲线③根据激励电压的大小在已知理想特性曲线上作出对应电流脉冲iC和输出电压vC的波形④求出iC的各次谐波分量，结合给定的负载谐振阻抗的大小，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。5、晶体管特性曲线的理想化及其解析式CcrCigv()CcBBZigvV6.3.2集电极余弦电流脉冲的分解1、余弦电流脉冲的表达式2、余弦电流脉冲的分解系数6.3.3高频功率放大器的动态特性1、动态特性和静态特性1）晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。例如vC不变，iC－vB的关系曲线就是静态特性曲线－转移特性曲线。2）动态特性：如果集电极电路有负载阻抗，则当改变vB使iC变化时，由于负载上有电压降，就必然引起vC的变化。即在考虑了负载的反作用后，所获得的vC、vB与iC的关系曲线就是动态特性曲线。最常用的是当vC、vB同时变化时，iC－vC关系的动态特性曲线。2、当晶体管静态特性曲线理想化为折线而且放大器工作于负载回路谐振状态（即负载为纯电阻性）时，动态特性曲线也是一条直线。cosBBBbmvVVtcosCCCcmvVVt证明：放大器负载谐振时外部电路关系为整理可得：CCCBBBbmcmVvvVVV将其代入内部关系式()ccBBZigvViC+VBE_0()()()()ccBBZCCCcBBbmBZcmbmbmCCBZcmBBcmcCcmbmdCigvVVvgVVVVVVVVVVVgvVVgvV