东华大学高频电子电路通信电子电路课件4-1

1、在交流、直流并存的电路中，要注意字母大小写的物理意义。（1） 小写字母，小写下标，表示 交流瞬时值举例：（2） 大写字母，小写下标，表示 幅值举例：（3） 大写字母，大写下标，表示 直流值举例：（4） 小写字母，大写下标，含有直流的瞬时值。举例：第4章 高频功率放大器4.1 概述1 高频功率放大器的功能高频功率放大器是是发送设备的重要组成部分。问题：PA的位置及所处理信号的特点？功率放大器是一种换能器，其基本原理就是利用输入到基极的激励信号，去控制集电极直流电源所提供的直流功率，把它转变为与输入信号频谱结构相同的交流输出。高频功率放大器功能原理图如图41所示。 图41高频功率放大器将高频信号进

2、行功率放大，实质是在输入高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。输入输出信号频谱相同，但输出信号被放大。大家以前学过的放大电路还有用于增强电压幅度或电流幅度的电压放大电路和电流放大电路。无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。放大电路的共性：功率放大电路和其它放大电路没有本质的区别，都是在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率，在性能要求和器件运用特性上却是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，衡量其放大性能的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，但其输出功率并不一定大。功率放大

3、电路则不同，它主要要求获得一定的不失真或失真较小的输出功率，通常是在大信号状态下工作。从能量控制的角度来看，功率放大电路是一种能量转换电路，它是将直流电源的能量转换为输出信号的能量，因此必然存在能量损耗。2 高频功率放大器的分类高频功率放大器按照工作频带的范围，可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器用于放大以载频为中心，相对带宽窄的信号。相对带宽是指发送有用信号的频带宽度与载波中心频率之比。例如调频广播载波频率范围88108MHz，载波中心频率为，信号频带宽度为=20 MHz，相对带宽为20 MHz/=0.2；窄带高频功率放大器一般都采用具有选频功能的谐振回路作负载，

4、所以又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，又称为非谐振功率放大器。由于不采用调谐网络，因此这种高频功率放大器可以在很宽范围内变化工作频率而不必调谐。宽带高频功率放大器只能选用甲类和乙类推挽放大工作状态。谐振功率放大器与非谐振功率放大器共同点：都要求输出功率大，效率高；不同点：二者的工作频率与相对带宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。放大器可以按照电流导通角的不同分为甲类（A类）、乙类（B类）、甲乙类（AB类）和丙类（C类）。导通角是指一个信号周期内集电极电流导通角的一半，导通角满足：。放大器的导通角是由什么确定的？图42静态工作点的设置与工作状态的关

5、系导通角的大小是由静态工作点确定的，如图42所示。图中为截止电压或起始导通电压。硅管V；锗管V。甲类功率放大器在整个周期内导通，,相同，输出波形不失真，极限效率50。考虑到晶体管的饱和压降影响，实际的集电极效率只有35。为了提高效率，低频放大器工作在乙类推挽。乙类功率放大器在半个周期内导通，。输出电流为余弦脉冲，含有丰富谐波。为保证不失真输出，采用乙类推挽形式（正半周一个管子导通，负半周另一个管子导通，然后二个管子叠加得到一个完整的正弦波形）。极限效率78，实际效率60左右。为了防止交越失真，常工作在甲乙类推挽。甲乙类功率放大器在大于半个周期小于一个周期内导通，。丙类功率放大器晶体管仅在小于半

6、个周期内导通，。输出电流为余弦脉冲电流，有丰富谐波，由于负载为谐振网路，其选频作用使输出电压波形与输入激励信号的电压波形相同。在上述几类功率放大器中，丙类功率放大器的效率最高，可高达85.9%。为了提高效率，谐振功放常工作于乙类或丙类，甚至丁类或戊类状态。图43给出各种状态下集电极输出电流的波形。图43各种状态下集电极输出电流的波形3 高频功率放大器的性能指标高频功率放大器的主要性能指标是输出功率和效率。在功放中，效率的提高就显得非常重要。表现在1） 放大器输出相同功率时，放大器效率高可以节约直流电源的电能，2） 采用相同器件的条件下，效率高的放大器可以输出更大的功率。功率放大器实质上是一个能

7、量转换器把电源供给的直流能量转换为输出的交流能量。当然这种转换不可能是百分之百的，直流电源提供的功率一部分转换为交流输出功率，另一部分功率主要以热能的形式消耗在集电极上，我们称之为集电极耗散功率。1） 集电极效率效率定义为功率放大器负载获得的输出功率和电源提供的直流功率之比。 （4.1.1）根据能量守恒定律有为集电结的耗散功率。 （4.1.2）由式（4.1.2）可得出两方面的结论：Ø 当要求输出功率保持不变时，减小集电极耗散功率可提高效率。Ø 如果维持晶体管的耗散功率不超过允许值，那么提高效率，就可增加输出功率，例如，；当，。显然，提高效率可显著增加输出功率。2）集电结耗散

8、功率 （4.1.3）式中为晶体管集电极电流瞬时值；为晶体管集射极间电压瞬时值；为晶体管集电极电流导通角。3）集电极电源的直流功率 （4.1.4）注意：式中的的物理意义：对于甲类功率放大器而言，为直流偏置电流；对乙类和丙类功率放大器而言，为集电极电流瞬时值（小写字母，大写下标，含有直流的瞬时值）中的平均直流分量。 4）输出功率是指由电子器件送给谐振回路的基波信号功率，也就是输出的基波功率。 （4.1.5）什么是基波？研究功率放大器的设计要解决的重要问题：较大的输出功率和较高的效率，而增加输出功率和提高效率的关键是降低耗散功率，因此设法减少耗散功率是高频功放设计的重要目标。4.2高频谐振功率放大器

9、的工作原理4.2.1高频谐振功率放大器的电路组成通常发送设备的功放由多级构成。图44 高频谐振功率放大器电路图44（a）为发送设备的中间放大级电路。（b）为末级放大器，、为天线等效电路，为天线对地的等效电容；为天线等效辐射损耗电阻；为电感线圈的损耗电阻，L、匹配网络，通过调节，使回路谐振在输入信号频率。输出回路实质是谐振回路。假设回路有载品质因数1，把折合到电感支路，如图(c)，然后利用串并联互换关系，等效为典型的并联谐振回路（d）。以图（a）为例，分析高频功率放大器基本组成。1） 电子器件是高频大功率管，能承受高电压大电流，并具有较高的特征频率。它在电路中主要起开关控制作用，控制直流能量转变

10、为交流输出能量。2） 电源。高频功率放大器包括两个电源，基极电源和集电极电源。其中基极供电电源画成独立的电源，是为了讲述原理的方便，实际电路中则由集电极电源通过偏置电路产生工作于丙类功放所需的偏置电压。注意和的作用调整可以改变放大器工作状态（如工作在甲类、乙类、甲乙类和丙类），使或为负值，即能保证晶体管工作在丙类状态。则用于提供直流能量。3） 馈电电路。其作用是既保证把电压和馈送到晶体管的各极，又防止交流信号进入直流电源影响系统的稳定性。馈电电路包括基极馈电电路（由C1、L1、C2构成）和集电极馈电电路（由C3、L2、C4构成）。L1、L2为高频扼流圈；C2、C3为电源退耦电容；C1 、C4分

11、别为输入、输出回路的耦合电容，起到隔直通交的作用。4） 输出谐振回路。主要起无损耗地传输高频信号及其能量、滤除谐波成分及阻抗匹配的作用。高频功率放大器的输出回路可以是LC并联谐振回路，也可以是互感耦合回路或各种LC匹配网络。图（a）所示中间级放大器的负载通过互感耦合与谐振回路连接；图（b）所示末级功放则通过L、匹配网络与天线负载连接。无论是中间级还是末级放大器，最终都可等效为下图所示并联谐振电路。图中，式中为有载品质因数 ，总电容，回路谐振角频率。这部分电路有两个作用。首先，利用它的谐振特性，从众多电流分量中选出有用的基波分量，起到选频作用；其次，将负载电阻变换成晶体管集电极所需的最佳负载电阻

12、。4.2.2 晶体管特性曲线的折线近似丙类功率放大器工作在大信号状态，因此不能采用线性等效电路来分析。工程上通常采用解析近似法，也就是折线分析法来简化该分析过程。折线分析法首先是将晶体管的特性曲线理想化，每条曲线都用一条或几条折线来代替，然后写出理想化曲线的数学解析式。这种方法优点：简单，易于进行概括性的理论分析，且物理概念清楚；不足之处：只能进行估算，存在一定误差，在电路设计完成后还要进行必要的调整，但该方法对定性分析高频功率放大器的特性实用可行。晶体管的特性曲线包括输入特性曲线、正向传输特性曲线和输出特性曲线。下面将分别讨论晶体管三条特性曲线的理想化。1 输入特性曲线理想化输入特性曲线如图

13、45所示。称为晶体管的导通电压或截止电压。该特性曲线的数学表达式为其中，是折线的斜率，即图45 理想化输入特性曲线由图可知，理想化的晶体管输入特性曲线包括两段，一段对应晶体管截止的情况；另一段对应晶体管导通的情况。2 正向传输特性曲线将输入特性的乘以就可得到理想化正向传输特性曲线如图46所示。图46 理想化正向传输特性曲线理想化正向传输特性曲线的表达式为式中为曲线的斜率，即 （4.2.4）称为理想化晶体管的跨导！它表示晶体管工作于放大区时，单位基极电压变化产生的集电极电流变化。3 输出特性曲线首先对晶体管在不同区的工作特性加以讨论。晶体管有三个工作区，它们是饱和区、放大区和截止区。图47给出理

14、想化的输出特性曲线。图47理想化输出特性曲线在OA线以左的为饱和区，晶体管工作在饱和区时有如下特点。集电极电流只受控制，而与无关。对有强烈的控制作用，略微下降，导致迅速减小。 OA称为饱和临界线，其斜率为。它表示晶体管工作于饱和区时，单位集电极电压变化引起集电极电流的变化关系。在OA线以右的放大区，晶体管工作在该区的特点基本与无关，只受到的控制，所以各条输出曲线均以为参变量，且都近似与轴平行。在截止区，时，=0。了解晶体管的特性曲线是分析高频功率放大器的基础。4.2.3 高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理电路如图48所示。放大器一般都采用功率增益较大的共发射极电路。当为反向偏置电

15、压，即或时，发射结只在信号周期的部分时间内处于导通状态，只有当的瞬时值大于晶体管的导通电压，基极导通时才产生基极电流和集电极电流。基极和集电极电流的特点（很重要）。、均为一系列高频余弦脉冲，这时高频功率放大器工作在丙类（C类）状态。假定输入信号为单频正弦波，三极管发射结的电压为 （4.2.5）1 集电极电流晶体管正向转移特性曲线由曲线可看出：时，晶体管截止，集电极电流；当，发射结导通，集电极电流可表示为 （4.2.6）将式（4.2.5）代入式（4.2.6）得 （4.2.7）由图48可得，时，=0，代入式（4.2.7）可求得 （4.2.8） (4.2.9) （4.2.10）式中为晶体管的导通角。

16、注意：导通角与输出效率和输出功率密切相关，应了解如何根据电路的指标要求设置所需的导通角。特别要注意（分两种情况考虑，大于0或小于0）将式（4.2.7）减（4.2.8）得（4.2.11）当时，将代入式(4.2.11)得 （4.2.12）把式（4.2.12）与式（4.2.11）相除得 （4.2.13）式（4.2.13）是集电极余弦脉冲电流的解析表达式，取决于余弦脉冲的高度和导通角。（注意：必须正确理解该式的物理意义）2 集电极电流的傅立叶分析用傅立叶级数将式（4.2.13）表示的余弦脉冲电流展开 （4.2.14） 可以看出，可分解为直流分量、基波分量、二次谐波分量、三次谐波分量和n次谐波分量。图4

17、9集电极余弦脉冲电流与各次谐波的波形图410 集电极余弦脉冲电流的频谱图结论：谐波次数越高，谐波的幅值则越小。式（4.2.14）中的为直流、基波和各次谐波分量的振幅，可用傅立叶级数中的系数法求得直流分量： （4.2.15）基波分量幅值 （4.2.16） （4.2.17）上式中的、，称为余弦脉冲的分解系数。图411给出导通角与各分解系数的关系曲线。 图411余弦脉冲分解系数、波形系数与导通角的关系曲线。称为波形系数，是导通角的函数；研究高频谐振功率放大器需要特别关注的是和，前者与直流功率有关，后者与输出基波功率有关。3 集电极电压高频谐振功率放大器的负载为LC谐振回路，该谐振回路调谐在基波频率上

18、（输入信号的频率），因此输出回路只对集电极电流中的基波分量呈现很大的谐振电阻，而对直流分量和其它高次谐波分量呈现很小的失谐阻抗或近似短路。换句话说，集电极余弦脉冲电流经过具有选频功能的LC谐振回路，其它各次谐波和直流被滤除，只有基波电流才能在回路两端产生较大的电压 （4.2.18）式中，是基波电流分量的振幅，是输出回路的有载谐振电阻。由图48可知，集射极电压的瞬时值 （4.2.19）注意理解这几个问题；1）式(4.2.18)中的负号？2）（4.2.19）如何得到的？结论，丙类谐振功率放大器，流过晶体管各极的电流均为余弦脉冲，但利用谐振回路的选频作用，输出电压为基波正弦信号。结论： 1） 当或，

19、功放处于丙类工作状态，当时，才有基极电流产生，所以为余弦脉冲。为晶体管的截止电压或导通电压。硅管的为0.50.7 V，锗管的0.30.4V。2） 只有当基极导通后，晶体管由截止区进入放大区，才会产生集电极电流，与是具有相同的周期的余弦脉冲。3） 前面已经分析过，周期性的余弦脉冲可通过傅立叶级数展开为一系列的谐波和直流分量。丙类功放的负载是具有选频功能的LC谐振回路，通过调节回路的电抗，使其谐振频率等于输入激励信号的频率，LC谐振回路对谐振频率（也就是基波频率）呈现的阻抗为。该谐振回路对次谐波呈现的阻抗为 4.2.20）假设，则n23450.06670.03750.02670.0208可见高频功

20、率放大器的输出回路对于基波电流而言，等效为一个纯电阻，而对于高次谐波2，3，来说，回路的阻抗与基波的阻抗相比，小到可以近似地认为其短路，且输出回路中电感的存在，对直流可近似看成短路，这正是谐振回路两端电压可以被近似认为是与输入激励信号同频的正弦基波电压，高频功率放大器能实现线性放大功能的理论基础。4.2.4 高频谐振功率放大器的效率和输出功率功率放大电路实质上是依靠激励信号对基极电流以及集电极电流的控制，把集电极电源的直流功率转换为负载回路的交流功率，转换效率越高，就可以在同样的直流功率下输出更大的交流功率。追求高转换效率是功率放大电路的基本设计要求之一。高频谐振功放集电极输出电压中包含直流分

21、量与交流分量，其交流分量与波形一样，但相位相差。Knowing from（4.2.19）放大器输出的基波功率 (4.2.21）电源提供的直流功率 （4.2.22）根据能量守恒定律，集电极耗散功率 （4.2.23）集电极效率 (4.2.24）式中称为波形系数，是导通角的函数；称为集电极电压利用系数，它总是小于1的。由式（4.2.24）可知，要提高效率，有两种途径1）一种是提高集电极电压利用系数，即提高，而是输出基波电压的幅值，通过提高回路的有载品质因数来实现增大； 2) 另一种是提高波形系数。由图411可知，导通角越小，越大，效率越高，但却越小，输出功率也就越低。为了兼顾输出功率和效率，必须选取

22、合适的导通角。思考：why越小，输出功率就越低? （4.2.16）事实上，导通角越小，也就越小。如取时，达到最大值，输出功率最大，但的值相对较小，集电极的效率仅为64%左右；若取，此时虽然的值相对减小，输出功率有一定程度下降，但集电极的效率可达到85.9%。在工程设计中的取值通常在之间。左右为最佳导通角，可兼顾输出功率和效率两个重要指标。请自学课本P58的两个例题。图412 谐振功率放大器各级电压、电流波形 注意：集电极损耗，减小与的乘积，可减小晶体管的瞬时损耗。由图412可以看出，当晶体管集电极电流最大时，晶体管的集电结压降最小，这时它们的乘积最小，也即晶体管的损耗最小，而要达到这个要求，晶体管的集电极负载回路必须工作在谐振状态。可见，一旦负载回路失谐，将导致放大器的损耗功率增加，效率降低。问题：用上图描述电压电流的关系时，电路必须满足什么状态？结论：1、icmax、ubema