高频电子线路阳昌汉版第3章-高频功率放大器

1第3章高频功率放大器概述丙类高频功率放大器的工作原理丙类高频功率放大器的折线分析法丙类高频功率放大器电路丙类倍频器1、使用高频功率放大器（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。2、高频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A、谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；B、谐振功率放大器与低频功率放大器；C、谐振功率放大器与非谐振功率放大器。联想对比：一、概述A、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：为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。icebtooictVBZ谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图icQebtooictB、高频功率放大器与低频功率放大器的异同共同之处：都要求输出功率大和效率高。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。工作状态甲类：工作点设置在放大区；输入信号ui在整个周期都有集电极电流ic产生，如图。ICUCEOQiCtO优点：无失真，波形好,；缺点：静态IC较大，管耗大，效率低。转换效率约为50%。乙类：工作点设置在截止点上；晶体管只在输入信号的半个周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。优点：静态IC=0，管耗小效率高。效率约为78.5%。缺点：输出脉冲电流，波形严重失真。ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO甲乙类：工作点设置在放大区靠近截止点的位置；晶体管导通的时间大于半个周期，在输入信号的大半个周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。优点：静态IC0，管耗小，效率高。效率约为50%η78.5%。缺点：严重失真。丙类：工作点设置在截止区以内；晶体管导通的时间小于半个周期，在输入信号的小半个周期内导通，有集电极电流ic产生，如图。优点：静态IC=0，管耗小，效率高。效率η78.5%。缺点：输出电流波形严重失真。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qc=180°50%电阻低频乙类qc=90°78.5%推挽，回路低频，高频甲乙类90°＜qc＜180°50%＜h＜78.5%推挽低频丙类qc＜90°h＞78.5%选频回路高频丁类开关状态90%~100%选频回路高频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。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。其分析方法有图解法和解析法。ECICEOuCEiCO正向传输特性曲线输出特性曲线常量CEuBEcufi常量BEuCEcufiBBU•UBZ•Q•••Q甲类：θ=180oQ位于放大区乙类：o90qBZBBUU丙类：o90q,BZBBUU。BEuci•截止区饱和区C、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处:都要求输出功率大和效率高。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(qc＜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。小结1.高频功率放大器功能是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。能量转换的能力即为功率放大器的效率。2.高频功率放大器分类高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分：☆窄带高频功率放大器：通常以选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器；☆宽带高频功率放大器：输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。13(谐振功率放大器)宽带高频功率放大器分类：窄带高频功率放大器其放大信号的相对带宽一般不超过10％，通常采用LC谐振回路作负载.其放大信号的相对带宽一般可达30％，通常采用宽频带的传输线变压器作负载。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：输出功率大效率高功率放大器按工作状态分类：A（甲）类：半导通角为o180qAB（甲乙）类：半导通角为o90qB（乙）类：半导通角为o90qC（丙）类：半导通角为90oq近年来双出现了D类、E类及S类等开关功率放大器。3.调谐功率放大器的主要技术指标输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。4.调谐功率放大器的分析方法工程上普遍采用近似的分析方法——折线法来分析其工作原理和工作状态。(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，属非线性电路(4)不能用线性模型电路分析，一般采用图解法和折线法1、输出功率:放大器的负载得到的功率。2、效率:高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转换的效率。3、功率增益:高频输出功率和信号输入功率的比值。4、谐波抑制度:是对非线性高频功率放大器而提出的，也就是谐波分量相对于基波分量越小越好。5.高频功率放大器特点16一、高频功率放大器工作状态的选择3.2丙类高频功率放大器的工作原理17%5.78maxh2θ2θ2θ甲类（θ＝180◦）乙类（θ＝90◦）丙类(θ90◦）谐振功率放大器通常工作于丙类。%50maxh%5.78maxhQBZVUQBZVUQBZVU无论中间级还是输出级电路都可以等效为：输入回路、非线性器件和带通滤波器。中间级放大输出级放大二、丙类高频功率放大器的电路结构及特点谐振于输入信号的频率谐振功率放大器等效原理图特点：①为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；（由Vbb保证发射结负偏置，工作在丙类）取出基波分量，获得正弦电压波形阻抗匹配②负载为谐振回路20iC+uCE–+uBEiB-uc+三、丙类高频功率放大器的工作原理bbmcosuUt设BEBBbmBBBZcos,uVUtVU则uBEiC•VBB•UBZubcqcqiC•cqcqUbmICMgc若对bi分解为付里叶级数为：bobm1bm2bmncoscos2cosbiIItItInticωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax若对ci分解为付里叶级数为：cocm1cm2cmncoscos2cosciIItItInt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：cosCEcccmuVUt0icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZVBBIcmaxuBEtibtictuCEuctVCCUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubCqUbmgCCq23CECCcCCcmcosuVuVUt各级电流、电压波形qcqciBmaxVBBtuBE0UBZiBt0tiC0IC0qcICM...ncos...2coscoscnmc2mc1mC0CtItItIIiVCCuctuCE0由LC回路的选频(选基波)作用：cc1mpcmcoscosuItRUtcmc1mp()UIR（基波）24iC+uCE–+uBEiB-uc+丙类高频功放工作原理小结：(1)设置VBBUBZ，使晶体管工作于丙类。(2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。(3)将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。谐振功放电路与小信号谐振放大器电路有何区别？25调谐功放与小信号调谐放大器的比较类型实质任务输入信号幅度工作状态性能指标小信号调谐放大器能量转换器—将直流能量转换为交流能量输出不失真地提高信号幅度小—数量级甲类—线性工作状态电压放大倍数，选频特性等高频调谐功率放大器在信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率大几百—V数量级丙类—非线性工作状态输出功率效率信号失真度等μVmVmV26折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式1.转移特性曲线（正向传输特性曲线)实际理想BZBEUu0CiBZBEUu)(BEcCBZUugiCcBEigu－称为跨导－集电极电压恒定时，集电极电流与基极电压的关系曲线3.3丙类高频功率放大器的折线分析法272.输出特性曲线－是以基极电压（或基极电流）为参量的集电极电流与集电极电压的关系曲线。临界饱和线放大区饱和区临界线方程：CcrCEigu为临界线的斜率crg理想化的输出特性可分为饱和区、放大区和截至区。①饱和区：近似认为只受的控制，而与无关。理想的饱和临界线为一条通过原点的斜线。斜率：ceucibeu②放大区：近似认为与无关。各条曲线为平行于的水平线。对于等差的间隔应该是相等的。ceuciceubi28二、集电极余弦电流脉冲的分解)cos1(cbmcCMqUgICcbmc(coscos)igUtqBZBEUu0CiBZBEUu)(BZBEcCUugi当t=qc时，iC=0，则BZBBcbmcosUVUqBEBBbmcosuVUtCcBBbmBZ(cos)igVUtU当t=0时，iC=ICM，则BZBBbmccosUVUqCMcbmc1cosIgUqcCCMccoscos1costiIqqccmaxcccos1costcosiiqq若对ci分解为付里叶级数为：cocm1cm2cmncoscos2cosciIItItInt其中各系数分别为：ccoIItdiIqqqqq0cmaxcccccmaxc)cos1cossin()(21cccccccmIIttdiIccqqqqqqq1cmaxcmax1)cos1cossin1()(cos21cncccccccccmnInnnnittdniIccqqqqqqqqqcmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21式中：(1)cq0，cq1，…，cnq称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可以根据cq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。icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax)cos1(cossin0qqqq)cos1(cossin1qqqq)cos1)(1()sincoscos(sin22qqqqqnnnnnn直流分量分解系数基波分量分解系数n次谐波分量分解系数max00)(cccIIqmax11)(ccmcIIqmax)(ccncnmIIq31)()()(c0c1c1qqqg01－波形系数最大)(,120c10cqq最大)(,60c20cqq最大)(,40c30cqqn0maxc120q三、高频功放的功率与效率(1)集电极电源提供的直流功率：0CCCPVI(2)集电极输出交流功率（负载上得到的功率）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210（注意PR为回路谐振阻抗）(3)集电极耗散功率CP，CoPPP(4)集电极能量转换效率ch：1101122oocoCcmcmccccPPPPPUIgVIhq其中：CmccUV为集电极电压利用系数；CO1Cmc1IIgq)()(01ccqq称为波形