w第3章_1 高频功率放大器

1、高频电路高频电路第三章 高频功率放大器高频电路高频电路高频功率放大器的位址高频功率放大器的位址高频电路高频电路第一节第一节 概述概述一、高频功放功能一、高频功放功能 高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能高频功率放大器将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出量输出(称为称为功率放大功率放大）。）。其输出信号与输入信号频谱相同。其输出信号与输入信号频谱相同。二、高频功放技术指标二、高频功放技术指标 高频输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。高频输出功率、效率、功率增益

2、、带宽和谐波抑制度等。由于输出功率高，通常要求效率高，因此，高频功率放大器多由于输出功率高，通常要求效率高，因此，高频功率放大器多选择工作在选择工作在丙类丙类工作状态工作状态。三、高频功放分类三、高频功放分类 分为分为窄带放大器窄带放大器（谐振功率放大器，（谐振功率放大器，非线性放大非线性放大）和）和宽带宽带放大器放大器（传输线变压器为负载的宽频带高频功率放大器，（传输线变压器为负载的宽频带高频功率放大器，线性线性放大放大)两类。两类。 窄带信号举例：中波段调幅广播，载波频率窄带信号举例：中波段调幅广播，载波频率531-1602kHz，信息带，信息带宽宽9kHz,相对带宽相对带宽0.6 1.7

3、.高频电路高频电路第二节第二节 谐振高频功放的工作原理谐振高频功放的工作原理一、基本电路及其特点一、基本电路及其特点电路形式：电路形式：中间级（中间级（a）、输出级（）、输出级（b）实际负载是下一级放实际负载是下一级放大电路的输入阻抗大电路的输入阻抗天线是实天线是实际负载际负载 天线等效阻天线等效阻抗抗 CA 、rA中间级、输出级的负载均中间级、输出级的负载均可等效为并联谐振回路可等效为并联谐振回路高频电路高频电路高频功放高频功放特点特点特点特点1:为提高效率，放大为提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶器常工作于丙类状态，晶体管发射结为静态负偏压，体管发射结为静态负偏压，由由Vbb 0来保证。

4、流过晶来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲体管的电流为失真的脉冲波型；波型；非线性状态（非线性状态（非线非线性性电路），且输入是大信电路），且输入是大信号号；特点特点2:负载为负载为LC并联谐振回路，除了确保从电流脉并联谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。实现放大器的阻抗匹配。高频电路高频电路二、工作原理二、工作原理输入信号ub= Ubm cost发射结电压ube=Vbb+Ubm costib为脉动形状，同样ic也为脉动形状ic与ub周期相同， ic可分解成无数个正弦波之和:tnItItIIic

5、nmmcmccccos2coscos210 高频电路高频电路分析讨论分析讨论 当集电极当集电极LC回路调谐于高频输回路调谐于高频输入信号频率入信号频率时时,由于回路的选择由于回路的选择性性,对集电极电流的基波分量来说对集电极电流的基波分量来说,回路等效为纯电阻回路等效为纯电阻,且为最大值且为最大值Rp,. 对各次谐波来说对各次谐波来说,回路失谐回路失谐严重严重,呈现很小的阻抗呈现很小的阻抗,LC回路两端可近回路两端可近似认为短路似认为短路. 直流分量只能通过电感支路直流分量只能通过电感支路,其其直流电直流电阻阻很小很小,可近似认为短路可近似认为短路.111coscoscoscpc mcmpc

6、mceCCcCCpc mCCcmuR ItUR IuVuVR ItVUt振幅晶体管晶体管c、e极间压降极间压降LC并联回路并联回路两端的压降两端的压降uc电压符号的约定：电压符号的约定：下为下为+，上为，上为-+-高频电路高频电路cosceC CcmuVUt由于谐振回由于谐振回路的选频，路的选频，集电极的输集电极的输出电压（交出电压（交流部分）流部分）仍仍是与输入电是与输入电压相同的正压相同的正弦波，但相弦波，但相位相反，幅位相反，幅度增大。度增大。高频电路高频电路第三节第三节 折线分析法折线分析法一、特性曲线的理想化一、特性曲线的理想化放大器特点：放大器特点：工作在大信号、工作在大信号、非线

7、性状态非线性状态晶体管工作的三个区：晶体管工作的三个区：线性区、饱和区、截止区线性区、饱和区、截止区高频电路高频电路（一）输入特性的理想化（折线化）（一）输入特性的理想化（折线化）bi（）beu ()0.2 0.4 0.6 0.8 1.05101520=0CEu5CEu bzU对于晶体管的输入特性对于晶体管的输入特性,当集当集电极电压大于一定值后电极电压大于一定值后,输入输入特性就可用一条输入特性曲特性就可用一条输入特性曲线来表示线来表示.0()bb ebbbb eb zb eb zzbbb eiguUuUiiuguU截 止 区 ：， 当线 性 区 ：， 当用如图虚线用如图虚线,表示理想化表示

8、理想化(折线折线化化,两段两段)的输入特性曲线的输入特性曲线.输入特性表达式为输入特性表达式为:高频电路高频电路（二）正向传输特性的理想化（二）正向传输特性的理想化正向传输特性正向传输特性(转移特性曲线）转移特性曲线）是指是指ic与与ube的关系曲线。的关系曲线。因为因为ic =ib（放大区）（放大区）正向传输特性正向传输特性表达式为表达式为:ic = 0 ube Ubz 截止区 ic = gc (ube - Ubz), ube Ubz 线性区bcggUbz高频电路高频电路（三）输出特性的理想化（三）输出特性的理想化()bbbebzbebzig uUuU，当利用前面：1、饱和区、饱和区发射有余

9、，收集不足，集电极电流发射有余，收集不足，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。这样，理想化特性曲线电压无关。这样，理想化特性曲线对不同的对不同的vbe(ib )值，重合为一条通过值，重合为一条通过原点的斜线，这斜线称为饱和临界原点的斜线，这斜线称为饱和临界线，斜率用线，斜率用gcr表示。表示。ic = gcr uce ，gcr=ic/uce2、放大区、放大区收集能力充足，因此集电极电流只受收集能力充足，因此集电极电流只受基极电流的控制，而与集电极电压无关，各条特性曲线均为平行的水平线。基极电流的控制，而与集电极电压无关，各条特性曲线均为平行的水平线。

10、ic = ib ，为了下面分析方便，理想化输出特性曲线中的参变量为了下面分析方便，理想化输出特性曲线中的参变量ib改为改为ube， ic = ib = gb(ube - Ubz) =gc (ube - Ubz) 在正向传输特性已有该式高频电路高频电路总结总结饱和区：饱和区：ic = gcr uce放大区：放大区：ic = gc (ube - Ubz)截止区：截止区：ic = 0ceucibeu ？本章本章次课次课end高频电路高频电路二、集电极余弦电流脉冲的分解二、集电极余弦电流脉冲的分解bmbbbzcUVUcosc 、 ICM 结果结果1设激励信号设激励信号ub= Ubm cost，则，则u

11、be=Vbb+Ubmcost当当ubeUbz时，时，ic= gc(ube-Ubz) =gc (Vbb+Ubm cost - -Ubz)定义发射结临界导通时定义发射结临界导通时的的t为为半通角半通角c，或称，或称通角。通角。在在- -ctc 发射结导通。发射结导通。当当t =c时，时，ic=0，得得高频电路高频电路(cos),coscos(coscos)0(1cos)1cos(coscos)(1cos)ccbbbmbzbzbbccbmbbbzbmcccbmcccMcbmccMcMcbmccccMcigVUtUUVUVUUig UttiIg UIIg UtiI 已 知， 知， 代 人 最 上 式得

12、 到 ：当时 ，最 大 为 ：已 知 ， 代 人 中 间 结 果 中结果结果2中间结果中间结果结果结果3cMcIi t求、 ( )的表达式高频电路高频电路余弦电流脉冲的分解系数余弦电流脉冲的分解系数 ,ci 为 时 间 周 期 性 的 电 流 脉 冲可 用 傅 立 叶 级 数 分 解 称为余弦脉冲分解系数称为余弦脉冲分解系数,0(c) 称为称为直流分量直流分量分解系数分解系数,1(c) 称为称为基波分量基波分量分解分解系数系数,n(c) 称为称为n次谐波分量次谐波分量分解系数分解系数,以上系数均可查表获得。以上系数均可查表获得。012001coscos 2coscoscos11221cossi

13、ncos()(1cos)coscos11coscos1cossincccccccmcmcnmccccMcccccMcMccccmccMccccMiIItItInttIi dtIdtIItIitdtItdtI 12cos()(1cos)coscos11coscos1cossincoscossin2()(1)(1cos)ccccMccccnmccMccccccMcMnccItIintdtIntdtnnnIIn n高频电路高频电路g1110( )1 2cg，1.571.32甲 类乙 类甲乙类丙 类高频电路高频电路三、功率和效率三、功率和效率tnItItIIicnmmcmccccos2coscos21

14、0 1、直流电源供给的功率、直流电源供给的功率0cCCcCCIViVP平均2、输出功率、输出功率(负载得到的功率负载得到的功率)mcpcmmccmpcmpmcpmcoIRUIURURIRIP1122121212121)2(3、晶体管集电极消耗的功率、晶体管集电极消耗的功率ocPPP1101101011()22/1()/() /()ocmc mccCCccmCCcc mcccPUIgPVIUVgII 集电极电压称为，说明）称为利用系数波形系数4、集电极的效率、集电极的效率高频电路高频电路讨论效率、功率讨论效率、功率)(/)()(,/)(2121011101cccCCcmccCCmccmocgVU

15、gIVIUPP1、在=1的理想条件(输出最大)下，甲类放大c =180o，g1 (c )=1，故甲类放大器的理想效率c=50 ；乙类放大c =90o，g1 (c )=1.57，故乙类放大器的理想效率c=78.5；丙类放大c 1.57，故丙类放大器的理想效率c78.5；高频电路高频电路2、高频功率放大器在谐振电阻 Rp一定的条件下， c =120o时，输出功率最大，但集电极效率只有66 ； c =1o 15o时，输出功率很小，但集电极效率最高； 在实际中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，通常取c =60o 80o 。2111112()1()2ocmcmc McccpPIIIgR高频电路高频

16、电路g1110( )1 2cg，1 2 0,6 6 %0,1 0 0 %6 0 8 0ccc输 出 功 率 最 大 ：甲 乙 类 ， 效 率功 效 最 高 ：效 率， 输 出 功 率 为 0 ， 无 用之 间 （ 丙 类 ） ， 功 率 可 以 ， 效 率 可 以100%78.5%66%50%1.571.32cc=180,=90甲类乙类效率高频电路高频电路四、动态特性四、动态特性1、晶体管的晶体管的静态特性静态特性是是晶体管晶体管在集电极电路内没有负载阻抗的条件下得在集电极电路内没有负载阻抗的条件下得到的晶体管的输入、输出特性曲线，这是到的晶体管的输入、输出特性曲线，这是晶体晶体管本管本身所固

17、有的身所固有的, 例例ic=f(ube,uce) 2、放大器的放大器的动态特性动态特性在高频功率放大器的电路和输入、输出条件确定后，在高频功率放大器的电路和输入、输出条件确定后，也就是在晶体管、电源电压也就是在晶体管、电源电压Vcc和和Vbb、输入信号振、输入信号振幅幅Ubm和输出信号振幅和输出信号振幅Ucm（或（或Rp）一定条件下，）一定条件下， ic=f(ube,uce)的关系的关系高频电路高频电路类推 如何用图解法来分析丙类功率放大器的动如何用图解法来分析丙类功率放大器的动态特性呢？态特性呢？ 采用类似于模拟电路的图解方法采用类似于模拟电路的图解方法:找到两个找到两个ic与与uce的关系

18、方程，图解的关系方程，图解两个方程两个方程的的交线，交线，即即是丙类功率放大器的动态特性。是丙类功率放大器的动态特性。 同样我们已知三极管的输出特性，并已理同样我们已知三极管的输出特性，并已理想化线性想化线性放大区：放大区： ic = gc (ube - Ubz) 只要再找到另外一个方程即可。只要再找到另外一个方程即可。高频电路高频电路推导推导ic = f(uce)c o sc o sb eb bb mc ec cc muVUtuVUt当放大器工作在谐振状态时当放大器工作在谐振状态时晶体管外部电路晶体管外部电路约束，方程约束，方程1ubeUbz，晶体管工作在线性区时，内部约束，方程晶体管工作在

19、线性区时，内部约束，方程200()()()cos()cccebebbbmcmccbebzcccebmbmccbzcmbbcmccbbbmbzccecmcmbmbmccbzcmbbcmbzbbcccmcccmcbmbmbmdccdcecmVuuVUUig uUVuUU VU UV Uig VUUguUUUU VU UV UUVUVUVUUUUggig uUU令则 输入外回路输入外回路输出外回路输出外回路晶体管内部、外部电路共同晶体管内部、外部电路共同约束，方程约束，方程1、2的交线的交线高频电路高频电路截距法绘动态特性截距法绘动态特性cosbebbbmuVUtcoscecccmuVUt2、当、当

20、ubeUbz时时ic0，但由于谐，但由于谐振回路的作用，振回路的作用，uce0动态特性为图上动态特性为图上BC段段1、当、当ube ubz 时，时，ic = gd (uce - U0)，首先确定，首先确定B点点(U0，0)，由，由B点点作斜率为作斜率为gd = - gc Ubm /Ucm的直线，与的直线，与ubemax = Vbb+Ubm的交点即为的交点即为A点（点（ic峰值），即图上峰值），即图上BA段，为段，为ube Ubz段的动态特性段的动态特性动态特性动态特性AB -BC是折线是折线高频电路高频电路虚拟电流法虚拟电流法0()()()bmbzbbQdccccccccmcmbmQcbzbb

21、UUVIg VUgVVUUUIg UVQVVccbb点只与,管子参数有关00()coscdcecccmcbmdccmiguUUVUUggU 1、首先确定、首先确定AB延长线与延长线与Vcc线的交点线的交点Q， Q点横坐标是点横坐标是Vcc，纵坐标为虚拟电流，纵坐标为虚拟电流IQ2 2、然后确定、然后确定A A点点 A A点的横坐标点的横坐标: :ucemin=Vcc - Ucm 纵坐标纵坐标: :ubemax=Vbb + Ubm AQ AQ间连线，与横轴的交点即为间连线，与横轴的交点即为B B3、最后确定、最后确定C点点 C点的横坐标点的横坐标:ucemax= Vcc+ Ucm 纵坐标纵坐标:ic=0, (这时这时ubemin=Vbb-Ubm ，小于小于 Ubz )coscosbebbbmcecccmuVUtuVUt高频电路高频电路动态特性动态特性(折线折线)总结总结B(U0，0)C(ucemax=Vcc+ Ucm，0)Q(Vcc，IQ = - gc(Ubz-Vbb) )U0 = Vcc Ucm coscAB斜率gd = - gcUbm /Ucmubemax = Vbb +Ubmucemax