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1、3.1,概述,一、用途,高频功率放大器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；,作用是放大信号，使之达到足够功率输出，以满足天线,发射或其他负载的要求；,作为载波发射机及无线电发射机输出级或输出前一级。,二、特点,1.,输入信号强,电压在几百毫伏,?,几伏数量级附近,;,2.,为了提高放大器的工作效率，,它通常工作在丙类，,即,晶体管工作延伸到非线性区域,饱和区,、,截止区,;,3.,要求：,输出功率大、效率高,。,三、分析方法,采用近似的分析方法,折线法,四、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同,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
2、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。,五、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,(,?,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。,3.2,调谐功率放大器的工作原理,3.2.1,原理电路
3、,E,c,、,E,b,为集电极和基极的直流电源。输入信号经变压器,T,1,耦合到晶体管基,-,射极，这个信号也叫,激励信号。,L,、,C,组,成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也叫,槽路,。,3.2.2,晶体管特性的折线化,所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化，,每,条特性曲线用一组折线来代替。,3.2.3,晶体管导通的特点、导通角,1,.,晶体管导通的特点,无信号：晶体管截止,有信号：,激励信号,E,b,+,U,j,截止,激励信号,E,b,+,U,j,导通,2.,导通角,在转移特性的放大区,i,c,?,g,(,u,be,?,U,j,),(,u,be,?,U,j,),假设输入信号
4、,u,b,?,U,bm,cos,?,t,，则加到晶体管基,-,射极的,电压为,u,be,?,U,bm,cos,?,t,?,E,b,，晶体管导通范围内集电极电流,i,c,的表达式,i,c,?,g,(,U,bm,cos,?,t,?,E,b,?,U,j,),（,1,）,通常把集电极电流导通时间相对应角度的一半称为集电,极电流的,导通角,，用,表示。在丙类工作状态下,90,。,i,c,?,0,根据导通角的定义，当,?,t,时，,?,?,即,g,(,U,bm,cos,?,?,U,j,?,E,b,),?,0,?,cos,?,?,U,j,?,E,b,U,bm,（,2,）,3.2.4,集电极余弦脉冲电流分析,
5、式（,2,）代入式,（,1,）得到,i,c,?,gU,bm,(cos,?,t,?,cos,?,),i,c,当,?,t,?,时，,为最大值，用,0,I,c,max,表示，则,I,c,max,?,gU,bm,(1,?,cos,?,),?,gU,bm,I,c,max,?,1,?,cos,?,代入得到,I,c,max,i,c,?,(cos,?,t,?,cos,?,),1,?,cos,?,若将尖顶余弦脉冲分解为傅里叶级数,其中，,直流分量幅值,1,I,c0,?,2,?,?,i,c,?,I,c,0,?,I,c,1,m,cos,?,t,?,I,c,2,m,cos2,?,t,?,L,sin,?,?,?,cos
6、,?,?,-,?,i,c,d,?,t,?,I,cmax,?,(,1,?,cos,?,),?,I,cmax,?,0,(,?,),基波分量幅值,?,?,sin,?,cos,?,I,c1m,?,?,i,c,cos,?,td,?,t,?,I,cmax,?,I,cmax,?,1,(,?,),?,-,?,?,(,1,?,cos,?,),1,?,n,次谐波分量幅值,I,cnm,?,i,cosn,?,td,?,t,?,I,?,?,?,-,c,1,?,cmax,n,?,(,?,),、,?,0,、,?,1,称作,?,2,余弦脉冲分解系数，,它们是导通角,?,的函数。,?,0,、,?,1,的特点,:,1.,?,1,
7、?,?,0,2.,?,?,?,?,?,?,?,0,?,?,1,?,从曲线可以看出：,?,谐波次数越高其振幅值越小；,?,对某一次谐波而言，总有一,个相应的值,可使振幅为最,大值。,3.2.5,槽路电压,1,.,波形,基本正弦,条件：,1,）槽路调谐于基波,2,）,Q,L,足够高,2,.,大小,u,ce,?,E,c,?,U,cm,cos,?,t,U,cm,?,I,c,1,m,R,c,R,c,抽头部分谐振电阻,N,0,2,N,1,2,N,0,2,N,0,2,R,c,?,(,),R,?,(,),Q,L,?,.,0,L,?,(,),Q,0,?,0,L,/(,),R,L,N,1,N,2,N,1,N,1,
8、R,并联回路谐振电阻,3,3,功率和效率,功率放大器输出功率大，电源供给、管子发热等问题也,大。,为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了,解功率放大器的功率和效率问题。,调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑：,1.,电源供给的直流功率,P,S,；,2.,通过晶体管转换的交流功率，即,晶体管集电极输出的,交流功率,P,o,；,3.,通过槽路送给负载的交流功率,即,R,L,上得到的功率,P,L,;,4.,晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗,功率,P,C,；,5.,槽路损耗功率,P,T,；,电源供给的功率,P,S,，一部分（,P,C,）损耗在管子，使管,子发热；另一部分（,P,
9、o,）转换为交流功率，输出给槽路。通,过槽路一部分（,P,T,）损耗在槽路线圈和电容中，另一部分,（,P,L,）输出给负载,R,L,。,1.,集电极效率,?,?,?,?,c,直流电源供给功率,P,S,?,E,c,I,c,0,集电极交流输出功率,P,o,?,1,/,2,U,cm,I,c1m,放大器的能量转换效率（集电极效率）,1,U,cm,I,c,1,m,P,o,2,1,U,cm,I,c,max,?,1,(,?,),1,U,cm,?,1,(,?,),?,c,?,?,?,?,?,?,?,P,S,E,c,I,c,0,2,E,c,I,c,max,?,0,(,?,),2,E,c,?,0,(,?,),讨论
10、：,U,cm,（,1,）,集电极电压利用系数,E,c,?,1,(,?,),（,2,）,集电极电流利用系数,?,0,(,?,),?,1,(,?,),?,P,o,，为了兼顾功率和效率，,，,c,?,0,(,?,),，,?,，但,?,?,通常取,?,?,60,80,。,2.,槽路效率,?,?,P,L,负载功率，,R,L,所吸收的功率；,P,T,槽路损耗功率，槽路空载电阻,R,0,所吸收的功率。,2,2,1,U,m,1,U,m,?,P,L,P,o,?,P,T,2,Q,L,?,L,2,Q,0,?,L,Q,0,?,Q,L,?,T,?,?,?,?,2,P,o,P,o,Q,0,1,U,m,2,Q,L,?,L,
11、?,T,取决于槽路的空载和有载品质因数。由于受到槽路元,件质量的限制，,Q,0,一般几十到几百。,Q,L,也不能太小，否则槽,路滤波效果太差，输出波形不好，一般,Q,L,=5,10,。,结论：,为了尽可能利用小功率容量的管子和电源，输出较大的,?,c,?,功率，应力求,?,和,高。,高要适当选取,?,，电压利用系数,c,T,?,T,高，要求槽路空载品质因数,Q,0,大，即应选用低,尽可能大；,损耗的电感和电容元件。,3.4,调谐功率放大器的工作状态分析,3.4.1,调谐功率放大器的动态特性,晶体管的,静态特性,，是指集电极电路没有负载阻抗条件,下电压与电流的变化关系。当考虑了负载的反作用后，得
12、到,的,u,ce,、,u,be,与,i,c,的关系曲线称为,动态特性,（即,实际放大器的工,作特性,）。,当放大器工作于谐振状态时，外部特性方程,u,be,?,?,E,b,?,U,bm,cos,?,t,?,E,c,?,u,ce,?,?,u,be,?,?,E,b,?,U,bm,U,cm,u,ce,?,E,c,?,U,cm,cos,?,t,?,在转移特性的放大区，内部特性方程,i,c,?,g,(,u,be,?,U,j,),动态特性应同时满足外部特性方程和内部特性方程。联,立可得,E,c,?,u,ce,i,c,?,g,(,?,E,b,?,U,j,?,U,bm,),U,cm,谐振功率放大器动态特性的方
13、程，它是一条直线，只需,找出两个特殊点，就可把它绘出。,Q,(,E,c,，,?,g,(,E,b,?,U,j,),),U,j,?,E,b,E,c,?,U,cm,?,E,c,?,U,cm,cos,?,，,0,),B,(,U,bm,作出动态特性曲线后，由它和静态特性曲线相应交点，,即可求出对应各种不同,?,t,值的,i,c,值，绘出相应的,i,c,脉冲波形。,阻,，用符号,i,c,i,c,I,C,u,cmax,bemax,B,E,c,A,0,?,t,0,Q,u,ce,0,u,ce,U,cm,(1-cos,?,),?,t,动态线斜率值的倒数称为谐振功率放大器的,动态负载电,R,c,?,表示,R,U,c
14、m,(1,?,cos,?,),I,c,1,m,R,c,(1,?,cos,?,),c,?,?,I,?,I,?,?,1,(,?,)(1,?,cos,?,),R,c,c,max,c,max,3.4.2,调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法,1.,调谐功率放大器的三种工作状态,根据调谐功率放大器在工作时是否进入进入饱和区，可,将放大器的工作状态分为,欠压、过压和临界三种。,1),欠压,晶体管在任何时刻都工作在放大状态；,2),临界,刚刚进入饱和区的边缘；,3),过压,晶体管工作时有部分时间进入饱和区。,2.,工作状态的判别方法,u,ce,min,?,E,c,?,U,cm,u,ce,min,（欠压）
15、,?,U,ces,u,（临界）,ce,min,?,U,ces,（过压）,u,ce,min,?,U,ces,3.4.3,R,c,E,c,E,b,和,U,bm,变化对放大器工作状态的影响,1.,R,c,变化对放大器工作状态的影响,负载特性,负载特性,是指谐振功率放大器当,E,c,、,E,b,和,U,bm,不变时，,放大器中各个电流、电压、功率和效率与晶体管等效负载电,阻,R,c,之间的变化关系。,1,）三种工作状态,u,b,e,i,c,i,c,u,bemax,A,2,A,1,R,c,A,3,1,A,3,2,3,0,?,t,E,c,u,ce,0,?,t,o,Q,0,180,0,u,ce,U,c1m,
16、U,c2m,U,c3m,?,t,2,）电流、电压、功率、效率与,R,c,的关系,（,1,）欠压状态,(,I,c,1,m,?,constant,),U,cm,?,I,c,1,m,R,c,，,U,cm,几乎随,R,c,成正比增加,1,2,P,o,?,I,c,1,m,R,c,P,随,R,增大而增加,，,输出功率,o,c,2,P,o,P,S,?,I,c,0,E,c,，,接近常量,?,c,?,，,随,R,c,增大而增加,P,S,P,C,，,?,随,P,S,R,?,c,增大而减小,P,o,（,2,）过压状态,(,U,cm,?,constant,),1,U,P,o,?,?,2,R,c,输出功率,P,o,随,
17、R,c,增大而减小。,在临界状态,P,o,最大。,2,cm,电流、电压、功率、效率与,R,c,的关系,放大器的负载特性曲线,3,）三种工作状态的比较,?,?,?,欠压状态,大而增加，损耗功率,：电流,I,c1m,基本不随,R,c,变化，输出功率,P,o,随,R,c,使,中要注意保证,P,P,增,C,随,R,c,增加而减小。当,R,c,很小时，易,C,超过晶体管,P,最大允许损耗功率,P,CM,，因此在实际使用,C,P,CM,。,临界状态,最佳工作状态,：放大器输出功率最大，效率也较高，通常称为,。,过压状态,深度过压时，,：在弱过压状态时，输出电压基本上不随,i,R,c,变化；,c,波形下凹严
18、重，谐波增多，一般应用较少,。,2.,E,c,变化对放大器工作状态的影响,集电极,调制特性,集电极调制特性是指当,E,b,、,U,bm,、,R,c,保持恒定，放大器,的性能随集电极电压,E,c,变化的特性。,集电极调制特性,u,由于只有在过压状态，,E,c,对,U,cm,才能有较大的控制作,用，所以,集电极调幅工作在过压状态,。,3.,E,b,变化对放大器工作状态的影响,基极调制特性,基极调制特性是指当,E,c,、,U,bm,、,R,c,保持恒定，放大器的,性能随基极偏置电压,E,b,变化的特性。,u,b,e,i,c,u,bemax,-E,u,bemax2,b,u,bemax1,E,0,c,u,Q,ce,?,t,0,0,u,ce,?,t,基极调制特性,u,由于只有在欠压状态，,E,b,对,U,cm,才能有较大的控制作,用，所以,基极调幅工作在欠压状态,。,4.,U,bm,变化对放大器工作状态的影响,振幅特性,调谐功放的振幅特性是指当,E,c,、,E,b,、,R,c,保持恒定，放,大器的性能随激励振幅,U,bm,变化的特性。,因为,u,bemax,=,E,b,U,bm,，,E,b,和,U,bm,决定了放大器的,u,bemax,，因此，改变,U,bm,的情况和改变,E,b,的情况类似。,图,3-13,调谐功放的振幅特性,
