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1、5 高频功率放大器,5.1 概述,5.2 谐振功率放大器的工作原理,5.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,5.4 晶体管功率放大器的高频特性,5.5 高频功率放大器的电路组成,声音,图 1.2.8 调幅发射机方框图,5.1 概述,5.1 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。2.功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：高效率输出高功率输出联想对比：高频谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；高频谐振功率放大器与低频功率放大器；,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。
2、,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。,5.1 概述,图1 非线性工作的晶体三极管集电极电流与静态工作点 和输入信号大小的关系(a)静态工作点处于放大区,小信号谐振放大器波形图,5.1 概述,高频谐振功率放大器波形图,5.1 概述,4.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较,相同:要求输出功率大，效率高,不同:,低频（音频）:20Hz20kHz,高频（射频）:,AM广播信号:,535kHz1605kHz，BW=10kHz,高频窄带信号,工作频率与相对频宽不同；,5.1 概述,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、
3、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。,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,5.1 概述,(a)甲类 class-A amplifier,(b)乙类 class-B amplifier,(c)甲乙类 class-AB amplifier,(d)丙类 class-C amplifier,半导通角:一个周期内有电流流通的相角的一半.,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(c90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。,5.1 概述,丙类(C类)放大器
4、的效率最高，但是波形失真也最严重。,6.效率与失真矛盾的解决,5.1 概述,6.效率与失真矛盾的解决,丙类,5.1 概述,5.2 谐振功率放大器的工作原理,5.2.1 获得高效率所需要的条件,5.2.2 功率关系,1、原理电路,(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)LC谐振回路是晶体管的负载,(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：,5.2.1 获得高效率所需要的条件,图 5.2.1 高频功率放大器的基本电路,5.2.1 获得高效率所需要的条件,故晶体管的转移特性曲线表达式：,故得：,必须强调指出：集电极电流iC虽然是
5、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。,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,（a）,1.iC 与vB同相，与vC反相；,2.iC 脉冲最大时，vC最小；,3.导通角和vCmin越小，Pc越小；,5.2.1 获得高效率所需要的条件,5.2.2 功率关系,电路正常工作（丙类、谐振）时，,外部电路关系式：,直流功率：,输出交流功率：,集电极效率：,集电极电压利用系数：,波形系数：,5.2.2 功率关系,集电极耗散功率：,5.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,集电极余弦电流脉冲的分解,高频功率放大器的动态特性与负载特性,各极电压对工作状态的影响,工作状态的计算(估
6、算)举例,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,5.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,0,为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。,最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与导通角c的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。,考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。,5.3 晶体管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 vB及输出特性曲线iC vC，并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。
7、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。,5.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,5.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,图 5.3.1 晶体管的输出特性及其理想化,iC=gcrvC,欠压,临界,过压,End,图 5.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化,iC=gc(vBVBZ)(vB VBZ),5.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流
8、中的各个频率分量。首先，写出其表达式。,iC=gc(vBVBZ)(vB VBZ),=gc(VbmcostVBZVBB),=gcVbm(costcos c),=gcVbm(1cos c),当t=0时，iC=iC max,集电极电流取决于脉冲高度iC max与导通角c,当t=c时，iC=0,5.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,5.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,图5.3.3 尖顶余弦脉冲,由傅里叶级数求系数，得,其中：,尖顶余弦脉冲的分解系数,波形系数,下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。,尖顶脉冲的分解系数,当c120时，Icm1/
9、iCmax最大。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。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。,5.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,图5-9 尖顶脉冲的分解系数,由曲线可知：极端情况c=0时，,如果此时=1，c可达100%。,为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,End,5.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解,5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。,集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放
10、中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm、VCC。,5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,1.高频功放的动态特性-为一直线,下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。,动态线作法：AB为动态特性曲线，也称为工作路。取B点，作斜率为gd的直线；取Q、A两点，连成直线。,特殊点说明 A点：0，vB达到最大，vC达到最小，iC达到最大；,Q点：90，vCVCC，虚拟电流IQ iC=gc（VBBVBZ）,5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：从负载方面看来，放大器相
11、当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。,5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,2.高频功放的负载特性,vB,过压区,临界区,欠压区,5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,负载增大,2.高频功放的负载特性,过压区,临界区,欠压区,5.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性,End,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,结论：,欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，c低，Pc较大；,过压：恒压，Icm1变化，Po较小，c可达最高；,临界：Po最大，c较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,2.高频功放的负载特性,5.3.3 高频功率放大器的动态特
12、性与负载特性,5.3.4 各级电压对工作状态的影响,调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vbm。(1)改变Rp，但Vbm、VCC、VBB不变 当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。(2)改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。(3)Vbm或VBB变化，VCC、Vbm、Rp不变,这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是Vbm还是VBB的变化，其结果都是引起vB的变化。,5.
13、3.4 各极电压对工作状态的影响,1.改变CC对工作状态的影响,集电极调幅作用是通过改变VCC来改变cm1与o才能实现的，因此，必须工作于过压区。,高频电子线路（第四版）张肃文主编 高等教育出版社,2.改变bm对工作状态的影响,5.3.4 各级电压对工作状态的影响,3.改变BB对工作状态的影响,基极调幅作用是通过改变BB来改变cm1与o才能实现的，因此，必须工作于欠压区。,VBB绝对值的增加等效于减少 Vbm，两者都会使vBmax产生相同的变化,5.3.4 各极电压对工作状态的影响,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。,1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量iCmax和c,导通角c,集电
14、极电流脉冲幅值iCmax,5.3.5 谐振功率放大器的计算,2)电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(c)、1(c)、n(c)可查表求得，并求得个分量的实际值。,3)谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,P=Ic0 VCC,交流输出功率：,集电极效率：,5.3.5 谐振功率放大器的计算,4)根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。“最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角c改变而变化的。c小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。在实际电路中，放大器所要求的最
15、佳电阻需要通过匹配网络和终端负载(如天线等)相匹配。,5.3.5 谐振功率放大器的计算,例5-1 有一个用硅PNP外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知VCC=24V，Po=2W,工作频率=1MHz,试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为 fT70MHz，功率增益Ap13dB，管子允许通过的最大电流ICmax=750mA，最大集电极功耗为Pcmax=1W。管子的集电极饱和压降VCE(sat)1.5V,c=70。,例5-2 某晶体管谐振功率放大器，VCC=24V,IC0=300mA,电压利用系数=0.95,VBZ=0.5V,Po=6W。试求电源供给功率P=，集电极耗散功
16、率Pc，集电极电流基波振幅Icm1，最大值iCmax与导通角c。若偏压VBB=0.5V，求输入电压信号振幅Vbm。,2)根据,求得Vbm,3)根据iCmax=gcVbm(1cosc)求得iCmax、Icm1、Ic0,c=70，cos70=0.342，,Icm1=ic max1(70)=1.90.436=0.828A Ic0=i c max0(70)=1.90.253=0.481A,1)根据图可求得转移特性的斜率gc,例5-3 某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的参数为：fT150MHz，功率增益Ap13dB，管子允许通过的最大电流ICmax=3A，最大集电极功耗为Pc max=5W。管子的VBZ=0.6V，放大器的负偏置VBB=1.4V，c=70，VCC=24V，=0.9，试计算放大器的各参数。,4)求交流电压振幅：,则,5)激励功率 因为Ap=13dB，即,例5-4 谐振功率放大器输出功率Po已测出，在电路参数不变时，为提高Po采用提高Vbm的办法。但效果不明显，试分析原因，并指出为了达到Po明显提高的目的，可采用什么措施?,负载特性曲线,采用提高Vbm提高Po效果不明显说明放大器工作在过压工作状态，为了达到Po明显提高的目的可以减小Rp或增加Vcc。,
