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1、第 3 章 高频谐振放大器,3.2 高频功率放大器的原理和特性 3.2.1 工作原理 3.2.2 高频谐振功率放大器的工作状态,作业：3-11、3-18,一、概 述,1、使用高频功率放大器的目的,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,高效率输出 高功率输出,3、低频功放与高频功放的区别,效率高低不同 相对带宽不同,低频功放为宽带，高频功放为窄带。前者为阻性负载，后者为谐振负载。,4、采用传输线作为负载的宽带高频功放,5、按电流的流通角分类功放（甲、乙、丙），按电 流或电压的开关状态分类功放（丁、戊）。,6、图解分析法和解析近似分析法,
2、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：（1）为激励信号幅度大小不同；（2）放大器工 作点不同；(3)晶体管动态范围不同。,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。,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。,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(C)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。,非谐振放大器可分为低频功
3、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(A)类或乙(B)类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。,工作状态,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.功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。,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。,非线性功率放大电路分析方法,二大类：图解法和解析近似分析法（1）图解法：利用管子的特性曲线来对它的工作状态进行计算。特点：客观、准确，但烦冗。（2）解析近似分析法：将管子的特性曲线用某些近似解析式（折线法）来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计
4、算。特点：方便、物理概念清楚，但准确度低。,3.2.1 工作原理,1、电流、电压波形,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。,谐振回路LC是晶体管的负载,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：,为发射结的导通电压（）,（集电结外部电路）,(发射结外部电路),故有：,图3-13 集电极电流的波形,故得：,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。,图3-14 高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示,高频功率放大器中各部分电压与
5、电流的关系,集电极余弦电流脉冲的分解,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。,尖顶余弦脉冲,晶体管的内部特性为：,它的外部电路关系式,当t=0时，ic=ic max 因此,ic=gc(uBEEb),uBE=VBB+Vbmcost,uCE=VCCVcmcost,ic max=gcVbm(1cos c),余弦脉冲分解：,当t=时，ic=0 即 0=gc(VBB+Vbmcos VBZ)（2）,当t=0 时，ic=ic max，即 ic max=gcVbm（1)（3）,ic=gc(VBB+Vbmcost VBZ)（1）,（1）-（2）得,ic=g
6、cVbm（cost),若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,图3-15 尖顶脉冲的分解系数,尖顶脉冲的分解系数,当c120时，Icm1/icmax达到最大值。在Ic max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=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。,右图可见：,尖顶脉冲的分解系数,由于：,波形系数,由曲线可知：极端情况c=0时，,此时=1，可达100%,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,LC回路能量转换过程,LC回路的这种滤波作用（从能量的观点来解释）,当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电
7、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。,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。,2.高频功率放大器的能量关系,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。,由前述所知：,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。,P0=IC0EC-直流电源供给的直
8、流功率P1=(IC1UC)/2=(IC12RL)/2=UC2/2RL-交流输出信号功率Pc=P0-P1-集电极耗散功率,根据能量守衡定理：,故集电极效率：,由上式可以得出以下两点结论：,设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率自然会提高。这样，在给定P0时，晶体管的交流输出功率P1就会增大；,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，将使交流输出功率P1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。,如何减小集电极耗散功率Pc 晶体管集电极平均耗散功率：,可见使ic在 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，即减小导通角。,3.
9、2.2 谐振功率放大器的工作状态,一、折线法,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。,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。,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。,折线分析法的主要步骤：,1、测出晶体管的转移特性曲线ic uBE及输出特性曲线ic uce，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、是根据激励电压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Ic
10、0、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,二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线,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，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。,若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcruCE,高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。,为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工
11、作状态发生怎样的变化。,如果VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。,1.高频功放的动态特性,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为,uBE=Eb+Ubcost,uCE=ECUccost,消去cost可得，,uBE=Eb+Ub,另一方面，晶体管的折线化方程为,ic=gc(uBEEb),得出在icuCE坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：,=gd(uCE V0),负载线的斜率为，截距为,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，
12、放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。,用类似的方法，可得出在ic uBE坐标平面的动态特性曲线。,电压、电流随负载变化波形,令 uCE=EC，为图中Q点（ic为负值），再令ic=0时，为图中的C点。,3)临界工作状态（负载线2）：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。,2)过压工作状态（负载线3）：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。,1)欠压工作状态(负载线1)：集电极最大点电流在饱和临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。,2.高频功放的工作状态,例3-1 某高频功率管工作在临界状态，通角为70，输
13、出功率为3W，EC=24v,Eb=-0.5v,所用高频功率管的临界饱和线斜率SC=0.33A/V,转移特性曲线斜率S=0.8A/V,Eb=0.65v,管子能安全工作。试计算：P0、Ub以及负载阻抗的大小。,解：（1）icm=Scuce=Sc(Ec-Uc)=Scuce=Sc(1)Ec P1=ic1Uc/2=icma1()Ec/2 所以，解得,(2)ICO=icma0()=0.158 A po=IC0EC=3.79w IC1=icma1()=0.273A pC=P0-P1=0.79w=P1/P0=79%或=/2=0.921x(a1/a0)/2 RLCr=UC/IC1=Ec/0.273=0.921X24/0.273=82欧姆,（3）Ub=icm/(1-cos)S=1.19v Eb=Eb-Ubcos=0.24v,
