丙类高频功率放大器

1、1 高频功率放大器2 小组成员 罗仪凡与陈衍文，完成的是对电路参数的确认以及分析 陈斯铭完成的是对电路的焊接与元件的选择以及后续的调节和分析 黄路瑶完成的是对电路的仿真3学习目的：学习目的：1 1、高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成2 2、谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理3 3、高频功率放大器的高频功率放大器的外部外部特性特性4 高频（谐振）功率放大器高频（谐振）功率放大器在发射机中的位置在发射机中的位置从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分5 在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高在无线电广播和通信发

2、射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。频信号，必须采用高频功率放大器。窄带高频功率放大器窄带高频功率放大器：宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器：通常以通常以LC并联谐振回路作负载，又称为并联谐振回路作负载，又称为谐振功率放大器。谐振功率放大器。以传输线变压器为负载，因此又称为以传输线变压器为负载，因此又称为非谐振功率放大器。非谐振功率放大器。高频功率放大器按工作频带的宽窄可分高频功率放大器按工作频带的宽窄可分：61 1、使用高频功率放大器的目的、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。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、放大

3、的实质：、放大的实质： 实质是一种能量转换。实质是一种能量转换。将电源提供的直流功率转变成将电源提供的直流功率转变成交流信号功率输出。交流信号功率输出。3 3、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题、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效率输出高功率输出高功率输出74.工作状态工作状态 1、：工作点设置在放大区工作点设置在放大区； 输入信号输入信号ui在整个周期都有集电极电流在整个周期都有集电极电流ic产生，如图。产生，如图。ICUCEOQiCtO优点：无失真，波形好优点：无失真，波形好,；缺点：静态缺点：静态I IC较大，管耗大，效率低。转换效率约为较大，管耗大，效率低

4、。转换效率约为50%。8 2、：工作点设置在截止点上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。产生，如图。优点：优点： 静态静态I IC=0，管耗小效率高。效率约为，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。缺点：输出脉冲电流，波形严重失真。ICUCEOQiCtO9 4、：工作点设置在截止区以内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，有集电极电流周期内导通，有集电极电流ic产生，如图

5、。产生，如图。78.5%。缺点：输出电流波形严重失真。缺点：输出电流波形严重失真。10 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方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。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状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类状态，属于非线性电路11我们选择的是让功放工作在丙类，后面我们会介绍为什么要选择丙类的功放状态。12 一、一、基本电路原理基本电路原理1、电路组成、电路组成晶体管晶体管谐振回路谐振回路输入回路输入回路偏置电路偏置电路 VCC、VBB

6、为集电极和基极的直流电源电压。为集电极和基极的直流电源电压。为使晶体为使晶体管工作在丙类状态，管工作在丙类状态，VBB应小于晶体管的导通电压应小于晶体管的导通电压uBE（on），在没有输入信号时，晶体管处于截止状态，在没有输入信号时，晶体管处于截止状态，ic=0。iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC图3.1.3丙类谐振功放原理电路13 由于由于RL比较大，所以，谐振回路的品质因数比较小；比较大，所以，谐振回路的品质因数比较小；但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。L、C为滤波匹配网络，与为滤波匹配网络，与RL构成并联谐振回路，

7、作为晶体构成并联谐振回路，作为晶体管集电极负载。管集电极负载。选频滤波选频滤波阻抗匹配阻抗匹配完成以下功能：完成以下功能：142、电流、电压波形、电流、电压波形设输入一高频余弦信号为设输入一高频余弦信号为则则 当当uBE的瞬时值大于基射间导通的瞬时值大于基射间导通电压电压UBE(on) 时，晶体管导通，产生时，晶体管导通，产生基极脉冲电流基极脉冲电流iB，相应产生集电极，相应产生集电极脉冲电流脉冲电流ic，如图所示。，如图所示。基极电流和基极电流和集电极电流为周期性非正弦函数。集电极电流为周期性非正弦函数。15用傅里叶级数展开得用傅里叶级数展开得cnccccciiiiIi3210式中：式中：I

8、co为直流电流分量为直流电流分量iC1为基波分量；为基波分量； iC1=Icm1COSCOSct iC2为二次谐波分量；为二次谐波分量；iC2=Icm2COSCOS2ct iCn为为n次谐波分量；次谐波分量； iCn=IcmnCOSCOSnct 16当集电极回路调谐在输入信号频率当集电极回路调谐在输入信号频率上时（即与高频输入信号上时（即与高频输入信号的基波谐振时）：的基波谐振时）：谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻Re ；对其他各次谐波，回路因失谐呈现很小的电抗，可看成短路；对其他各次谐波，回路因失谐呈现很小的电抗，可看成短路；所以我们可以通过选频网络来

9、将我们所需的基波信号选出来，所以我们可以通过选频网络来将我们所需的基波信号选出来，只要将谐振频率设置为基波信号的频率就可只要将谐振频率设置为基波信号的频率就可直流分量只能通过回路电感线圈，直流电阻较小，可看成短路。直流分量只能通过回路电感线圈，直流电阻较小，可看成短路。 这样，脉冲电流这样，脉冲电流ic流经谐振回路流经谐振回路时只有基波电流才产生压降。时只有基波电流才产生压降。17 可见，利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集可见，利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。晶体管集射间的电压为晶体管集射间的电压为:)c

10、os()2cos()cos(210nwtIwtIwtIIicnmmcmccc其中，其中，Ucm为基波电压振幅。为基波电压振幅。若回路谐振电阻为若回路谐振电阻为Re，则，则18谐振功放工作原理小结：谐振功放工作原理小结： 设置设置VBB UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号，使晶体管工作于丙类。当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC回路调谐在信号频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。率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC谐振功放原

11、理电路19二、二、 输出功率与效率输出功率与效率1.放大器的输出功率放大器的输出功率PO2.集电极直流电源供给功率集电极直流电源供给功率PD3.集电极耗散功率集电极耗散功率PC4.放大器效率放大器效率c其中其中 集电极电流利用系数，又称波形系数。集电极电流利用系数，又称波形系数。为集电极电压利用系数。为集电极电压利用系数。mCmCIIg011)(20值越小，值越小，g1()值越大，效值越大，效率越高。率越高。效率效率：DoCPPCCcmC0c1m21VUII )(211g CCcm01)()(21VU 若若=1时，时，)(211gc00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80

12、 100 120 140 160 180 n()g1() 3() 2() 0 ()1 ()g1 ()2.01.0甲类工作状态：甲类工作状态：180 1)(1 g%505 . 0C 乙类工作状态：乙类工作状态：90 2/)(1 g%5 .784/C 丙类工作状态：丙类工作状态：设设60 8 . 1)(1 g%90C 00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140 160 180 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( ) 可见，丙类工作状态的效率最高，当可见，丙类工作状态的效率最高，当=60时，效率可时，效率可达达90，随着，随着的减

13、小，效率还会进一步提高。但当的减小，效率还会进一步提高。但当40后后,波形系数的增加很缓慢，也就是说波形系数的增加很缓慢，也就是说 过小后，放大器效过小后，放大器效率的提高就不显著了率的提高就不显著了，此时的，此时的 下降迅速，为了达到一定下降迅速，为了达到一定的输出功率，所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大，的输出功率，所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大，从而对前级提出过高的要求。从而对前级提出过高的要求。 )(1a00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140160180 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( ) 谐振功

14、率放大器一般取谐振功率放大器一般取为为70左右。左右。显然不行但输出功率为最大0,)(, 01g效率太低但接近甲类放大器输出功率最大最大时,)(1201O成倍频器就可把功率放大器改装调到若将谐振回路中心频率利用这一特点振幅取到最大值即）最大（时从图中还可以看出2,6022cmOI下图就是我们设计的高频功率放大器，它由两级组成，为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定，前一级为甲类放大器，后一级为丙类放大器。这样能够获得比较高的效率和比较大的输出功率图上主要的元件就是R,C,L，以及三极管这两张图就是2N5551的参数左边为第一级的甲类放大器，R1，R2为一个分压偏置，L1，C4组成第一集谐振

15、回路，有着选频的特性，选出基波。右边的为第二级的丙类放大器，如图，L2，R5，C3在基极产生负偏压馈电，R6，R7为射极馈电，改变R7的大小就可以改变丙类功放的增益，L3，C6，C7为谐振回路，同样为选频功能，C6的调节可以微调谐振频率，可以调节输出波形更好可见此时的波形输出并不好，通过C6的调节可以使输出波形变更好调节了R7后，使得输出的增益变大28 谐振功率放大器的特性分析11/2/2021 7:41 AM29放大器工作状态的分类：放大器工作状态的分类：丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区饱和区分：欠压（不进入饱和区）过压（进入饱和区）临界（达到临界饱和）11/2/2021 7:41 AM3

16、0当当放放大大器器工工作作在在谐谐振振状状态态时时，其其外外部部电电路路电电压压方方程程为为：若设：若设：tUuimicos输入端：输入端：tUuimBBBEcosV输出端：输出端：tUucmCcosVCCE其中：其中：tUuCmccos 一、一、高频功率放大器的工作状态高频功率放大器的工作状态 iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC 1.高频功放的动态特性高频功放的动态特性 即当加上激励信号及接上负载阻抗时，晶体管集电极电流即当加上激励信号及接上负载阻抗时，晶体管集电极电流iC与与uBE、uCE的关系曲线。的关系曲线。11/2/2021 7:41 AM31 A A

17、1 1点处于放大区称为点处于放大区称为欠压（欠压（UndervoltageUndervoltage）状）状态态 A A2 2点处于临界区称为点处于临界区称为临界（临界（CriticalCritical）状态）状态 A A3 3点处于饱和区称为点处于饱和区称为过压（过压（OvervoltageOvervoltage）状态）状态功率放大器三种工作状态和状态波形功率放大器三种工作状态和状态波形11/2/2021 7:41 AM322.欠压、临界和过压工作状态欠压、临界和过压工作状态 （1）欠压欠压：uCEmin 对应的对应的动态点动态点处于处于放大区放大区,晶体管处晶体管处于放大状态于放大状态。ic

18、为为尖顶尖顶余弦脉冲。余弦脉冲。11/2/2021 7:41 AM33 （2）临界临界:uCEmin 对应的对应的动态点动态点处于放大区和饱和区之处于放大区和饱和区之间的间的临界点临界点，晶体管处在放大区与饱和区的临界点上。晶体管处在放大区与饱和区的临界点上。ic仍为余弦脉冲，但幅度有所减小，顶端变化平缓。仍为余弦脉冲，但幅度有所减小，顶端变化平缓。放大器工作在临界线状态时，放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放输出功率大，管子损耗小，放大器的效率大器的效率 也就较大。也就较大。所以我所以我们要让放大器工作在临界状态们要让放大器工作在临界状态11/2/2021 7:41 AM34

19、 （3）过压，过压，uCEmin 对应的对应的动态点动态点处于处于饱和区饱和区，ic为中间凹陷为中间凹陷的脉冲波，随着的脉冲波，随着Ucm增增大大，uCE的减小的减小脉脉冲波的凹陷加深，高度冲波的凹陷加深，高度减小。减小。11/2/2021 7:41 AM35iC 凹陷的原因：凹陷的原因：谐振回路作负载。谐振回路作负载。饱和时，饱和时，uBE对对iC的影响的影响很小，很小，随着饱和深度的随着饱和深度的加深，加深，uCE继续减小，使继续减小，使iC迅速减小，从而出现凹迅速减小，从而出现凹陷。陷。Ucm越大，越大， uCEmin越小，越小，凹陷越深，脉冲高度越凹陷越深，脉冲高度越小。小。36二、影

20、响放大器工作状态的因素二、影响放大器工作状态的因素 高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗R Re e、激励电压、激励电压Uim、供电电压供电电压V VCCCC、V VBBBB等等4 4个参量决定的。个参量决定的。1、负载特性、负载特性 （1）含义：谐振功放的负载特性含义：谐振功放的负载特性是指是指 VBB、Uim 和和 VCC 一一定，放大器性能随定，放大器性能随 Re 的变化特性。的变化特性。 （2）特性特性 37Re 的增加的增加（1）将引起将引起 Ucm ( )，UCEmin,iC高度略有下降。高度略有下降。c1mecmUIR （2） ReUcmUCEmin放

21、大器欠压放大器欠压过压过压 iC 由余弦由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。iC 电流电流所以我们选择了一个相对合适的谐振网络，使所以我们选择了一个相对合适的谐振网络，使RE为合适的值并使为合适的值并使得放大器工作在临界状态得放大器工作在临界状态38据此可以画出据此可以画出 I Ic0 和和 I Ic1m 随随 Re 变化的特性。变化的特性。 Ucm = ReI Ic1m Po = UcmI Ic1m/2 PD = VCCI IC0 PC = PDPo C = Po/ PD由由 I IC0 和和 I Ic1m 的变化就可以画出的变化就可以画出 Ucm、Po

22、、PD、PC、 C 随随 Re 变化的曲线。变化的曲线。 39 (2) 临界状态临界状态： 临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态。 发射机的末级常设计成这种状态发射机的末级常设计成这种状态。40 (4) 匹配负载：匹配负载：如果如果 Re 的取值使管子工作在临界状态，则的取值使管子工作在临界状态，则 Po 最大，且最大，且 C 较大较大，PC 较小，放大器性能接近最佳性能。较小，放大器性能接近最佳性能。将此时的将此时的 Re 称为谐振功放的称为谐振功放的匹配负载，

23、用匹配负载，用 Reopt 表示。表示。 o2CE(sat)CCo2cmeopt)(21U21PUVPR41包括包括集电极调制集电极调制和和基极调制基极调制两种特性。两种特性。 (1) 集电极调制特性集电极调制特性 含义：含义：VBB、Uim 和和 Re一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VCC变化变化的特性。的特性。 特性：特性：2、调制特性、调制特性42VCC的增加的增加（1）VBB、Uim一定一定，UBEmax一定一定,iC脉宽一定，高度略有增加脉宽一定，高度略有增加。 （2） VCCUcemin放大器放大器过过压压欠欠压压 iC 由由中间有凹陷中间有凹陷的脉冲波的脉冲波转变为转变为余

24、弦电流脉冲余弦电流脉冲。iC 电流电流43 过压状态：过压状态：随随 VCC减小减小，集电极电流脉冲的高度降低，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因而凹深加深，因而I IC0C0、I Ic1mc1m、V Vcm cm 将将迅速减小迅速减小。 0 0 (a) (b) 欠压状态 过压状态 VCC 欠压状态 过压状态 VCC Ic0 Icm1 Po P= Pc 44集电极调幅原理电路集电极调幅原理电路 图中：图中： tVtvcbmbcos)( 输入高频载波电压输入高频载波电压c 载波频率载波频率tVv cosm 调制信号电压，调制信号电压， 为调制频率为调制频率 ttVtvccmo)cos()(

25、为为谐振回路上的输出电压谐振回路上的输出电压。放大器工作在放大器工作在过压状态过压状态。45由图可见此时工作在过压状态46(2) 基极调制特性基极调制特性 含义：含义：Uim、VCC、Re 一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VBB 变变化的特性。化的特性。 特性：特性：47VBB的增加的增加（1）VCC、Uim一定一定，VBB则则 UBEmax ，iC脉宽和高度均脉宽和高度均。 （2） VBBUcemin放大器放大器欠压欠压过过压压 iC 由由余弦电流脉余弦电流脉冲冲转变为转变为中间有凹陷的脉冲波中间有凹陷的脉冲波。iC 电流电流48 过压状态过压状态：随随VBB 增大，增大，集集电极电流电极电流的的宽度和高度宽度和高度均增加，均增加，凹陷加深，凹陷加深，I IC0 C0 和和 I Ic1mc1m、V Vcmcm 缓慢缓慢增大增大，近似不变。，近似不变。 欠压状态：欠压状态：随随 VBB 增加增加，集电极电流集电极电流的的宽度和高度宽度和高度均增加均增加，I IC0 C0 和和 I Ic1mc1m ，U Ucmcm( = ( = R Re eI Ic1mc1m) )近似近似线性增加线性增加。 49基极调幅原理电路基极调幅原理电路 )()(BB0BBtvVtV 基极偏置电