高频电子线路_第3章

1、第第3 3章章 高频功率放大器高频功率放大器 使用高频功率放大器的目的使用高频功率放大器的目的： 为了获得足够大的高频输出功率为了获得足够大的高频输出功率。高频和低频功率放大器的共同特点高频和低频功率放大器的共同特点：输出功率输出功率大，效率大，效率高。高。其区别：其区别：1）工作频率和相对频带不同：工作频率和相对频带不同：低频功率放大器：低频功率放大器：工作频率低，带宽相对较宽工作频率低，带宽相对较宽。高频功率放大器：高频功率放大器：工作频率高，带宽相对较窄。工作频率高，带宽相对较窄。因而，高频放大器一般都采用选频网络作为负载回路。因而，高频放大器一般都采用选频网络作为负载回路。 2）这两种

2、放大器所选用的工作状态不同：这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类状态；低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（特殊情况下可在乙类）高频功率放大器则一般都工作于丙类（特殊情况下可在乙类）n分类分类根据对象特点，一般采用根据对象特点，一般采用谐振功率放大器谐振功率放大器；也可采用也可采用宽带功率放大器宽带功率放大器。谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处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：相同之处：1 1）放大的信号均为高频信号放大的信号均为高频信号； 2 2）都采用谐振回路作负载都采用谐振回路作负

3、载。不同之处不同之处: : 1 1）作用与要求不同。）作用与要求不同。 小信号谐振放大器主要用于高频小信号的选频放大，要小信号谐振放大器主要用于高频小信号的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益。求有较高的选择性和谐振增益。 谐振功率放大器主要用于高频信号的功率放大。要求效谐振功率放大器主要用于高频信号的功率放大。要求效率高，输出功率大。率高，输出功率大。不同之处不同之处（续）（续） 2 2）工作状态不同。）工作状态不同。 小信号谐振放大器输入信号很小，要求失真小，故工作在小信号谐振放大器输入信号很小，要求失真小，故工作在甲类状态；甲类状态； 谐振功率放大器为大信号放大器，为了提高效率，工作在

4、谐振功率放大器为大信号放大器，为了提高效率，工作在丙类状态。丙类状态。3 3）对谐振回路要求不同。）对谐振回路要求不同。 小信号谐振放大器中谐振回路主要用来选择有用信号，抑小信号谐振放大器中谐振回路主要用来选择有用信号，抑制干扰信号，要求它有较高的选择性，故的制干扰信号，要求它有较高的选择性，故的Q Q值较高；值较高； 谐振功率放大器的谐振回路主要是用于抑制谐波，实现阻谐振功率放大器的谐振回路主要是用于抑制谐波，实现阻抗匹配，输出大功率，所以回路的抗匹配，输出大功率，所以回路的Q Q值较低。值较低。icQebtooict小信号谐振放大器波形图小信号谐振放大器波形图 icebtooictVBZ谐

5、振功率放大器波形图谐振功率放大器波形图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 放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，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。为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。工作状态工作状态半导通角半导通角理想效率理想效率负载负载应用应用甲类甲类18018050%50%电阻电阻低频低频小信号低功小信号低功率放大率放大乙类乙类909078.5%78.5%推挽，回路推挽，回路低频、高频低频、高频大功率放大大功率放大

6、丙类丙类9078.5%78.5%选频回路选频回路高频高频大功率放大大功率放大 高频功率放大器大多工作于高频功率放大器大多工作于丙类丙类，但丙类放大器的电流波形失，但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。为负载的谐振功率放大。n谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性性电路，因此不能使用线性等效电路来分析。电路，因此不能使用线性等效电路来分析。n主要分析方法主要分析方法： 1 1）图解法，利用电子器件的特性曲线来对它的工作状）

7、图解法，利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；态进行计算； 2 2）解析）解析近似分析法近似分析法，是用折线段来表示电子器件的特，是用折线段来表示电子器件的特性曲线，称为折线法。性曲线，称为折线法。n主要技术指标主要技术指标：输出功率输出功率、效率效率、中心频率中心频率3 3.1 .1 丙类丙类谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理一、基本一、基本工作原理工作原理1 1、电路组成、电路组成高频功率放大器的原理线路高频功率放大器的原理线路, , 除电源和偏置电路外除电源和偏置电路外, , 它由它由晶体管、谐振回路晶体管、谐振回路和和输入回路输入回路三部分组成的。三部分组成的。

8、 n工作在工作在丙类状态丙类状态, ,在一个信号周期内功放管导通角小于在一个信号周期内功放管导通角小于1801800 0n静态静态时发射结反偏时发射结反偏, ,工作在工作在截止区截止区; ;n输入激励输入激励大信号，大信号，一般在一般在0.5V0.5V以上；以上；n基极电流和集电极电流均为基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号高频脉冲信号；n谐振回路作谐振回路作负载选取有用频率分量负载选取有用频率分量，兼有阻抗变换作用，兼有阻抗变换作用 基极较小的激励信号基极较小的激励信号V Vb b控制三极管得到较大的集电极控制三极管得到较大的集电极电流电流iC，实现了，实现了电源直流能量到输出交流能量的转换

9、电源直流能量到输出交流能量的转换。 为了为了获得高输出效率，放大器通常工作在丙类，只有小部分获得高输出效率，放大器通常工作在丙类，只有小部分时间导通。时间导通。此时此时集电极电流集电极电流iC为一系列脉冲电流为一系列脉冲电流。谐振回路谐振回路LCLC是晶体管的负载是晶体管的负载，负载采用，负载采用LCLC谐振回路的原因谐振回路的原因：1) 1)滤波滤波/ /选频作用选频作用：滤除：滤除iC中的谐波，选出基波；中的谐波，选出基波；2) 2)阻抗匹配阻抗匹配作用作用：使输出负载经阻抗变换后与最佳谐振电阻：使输出负载经阻抗变换后与最佳谐振电阻相等，满足最大功率传输。相等，满足最大功率传输。 基极电源

10、基极电源VBBVBB应小于截止区电压应小于截止区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一以保证晶体管工作于丙类状态，一般般V VBBBB略小于略小于0 0。 集电极电压集电极电压VCCVCC是功率放大器是功率放大器的能量来源。的能量来源。2 2、电流、电压波形、电流、电压波形cos BEBBiBBimuVuVUt当基极输入一余弦高频信号当基极输入一余弦高频信号ui时时 当当uBE的瞬时值大于基极和发射极之间的导通电压的瞬时值大于基极和发射极之间的导通电压uBE(on)时，时，晶体管导通，产生基极电流晶体管导通，产生基极电流iB。 因为管子只在小半周期内导通，因而因为管子只在小半周期内导通，因而iB为

11、脉冲电流。基极为脉冲电流。基极导通后，晶体管便由截止区进入放大区，集电极将流过电流导通后，晶体管便由截止区进入放大区，集电极将流过电流iC，放大后的放大后的iC也为脉冲电流。也为脉冲电流。 iC为周期函数，可用傅立叶级数展开成包括直流、基波和为周期函数，可用傅立叶级数展开成包括直流、基波和高次谐波的表达式高次谐波的表达式01201( )coscos2cosCCcmcmCcmnnitIItItIIn t 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，谐振回路对基波上时，谐振回路对基波电流而言，等效为一纯电阻。电流而言，等效为一纯电阻。 对于其他各次谐波而言，回路失谐而呈现很

12、小的电抗，并可对于其他各次谐波而言，回路失谐而呈现很小的电抗，并可看成短路。看成短路。 直流分量只能通过回路电感线圈去路，其直流电阻较小，对直流分量只能通过回路电感线圈去路，其直流电阻较小，对直流也可看成短路。直流也可看成短路。 集电极电流流经谐振回路时，只有集电极电流流经谐振回路时，只有基波电流基波电流才产生压降，才产生压降，因而因而LCLC谐振回路两端输出不失真的高频信号电压。若回路谐振谐振回路两端输出不失真的高频信号电压。若回路谐振电阻为电阻为Re，则，则11coscos,cc mecmcmc meuIRtUtUIR 其中cosCECCcCCcmuVuVUta. a.三极管输入特性三极管

13、输入特性b. b.基极脉冲电流及谐波分量基极脉冲电流及谐波分量c. c.集电极脉冲电流及谐波分量集电极脉冲电流及谐波分量d. d.LCLC谐振回路两端电压波形谐振回路两端电压波形e. e.晶体管集电极和发射极之间晶体管集电极和发射极之间的瞬时电压波形的瞬时电压波形二、余弦电流脉冲的分解二、余弦电流脉冲的分解()cosccBBimBE onigtUVU()()() cbeBE onBEBE oncg uUuUi()0 BEBE oncuUicos BEBBiBBimuVuVUt()cosBE oBmnBiVUU余弦电流脉冲的主要参量余弦电流脉冲的主要参量 和和 ，如图，如图maxCicct0Ci

14、 当当 时，时， coscosccimig Utmax0cCtii而当时，max1cosCcimg UiOtCicm axCicmaxcoscos1 cosCCtii利用傅立叶级数可展开为利用傅立叶级数可展开为01cosCCcnmniIIn t应用傅里叶级数方法可求出各个分量，它们都是应用傅里叶级数方法可求出各个分量，它们都是 的函数。的函数。0max0( )CCIi1max1( )C mCIi max( )CnmCnIi()称为余弦脉冲电流分解系数，其大小是导通角的函数。称为余弦脉冲电流分解系数，其大小是导通角的函数。三、输出功率与效率三、输出功率与效率 由于输出回路调谐在基波频率上，输出电

15、路中的高次谐由于输出回路调谐在基波频率上，输出电路中的高次谐波处于失谐状态，相应的输出电压很小。因此，在谐振功率波处于失谐状态，相应的输出电压很小。因此，在谐振功率放大器中只需要研究直流及基波功率。放大器中只需要研究直流及基波功率。输出功率输出功率P Po o等于集电极基波分量在负载上的平均功率，即：等于集电极基波分量在负载上的平均功率，即：22cmcmc1mc1mee11222oUPUIIRR集电极直流电源供给功率集电极直流电源供给功率P PD D等于集电极直流分量等于集电极直流分量I IC0C0与与V VCCCC的的乘积，即：乘积，即：C0DCCPI V 集电极耗散功率集电极耗散功率P P

16、C C等于集电极直流供给功率等于集电极直流供给功率P PD D与基波输出与基波输出功率功率P Po o之差，即之差，即: :CDoPPP 集电极效率集电极效率 C C等于输出功率等于输出功率P Po o与直流电源供给功率与直流电源供给功率P PD D之之比，即：比，即：C1C02omcmCDCCPIUPI V110( )11( )2( )2cmCCCUgV cmCCUV其中为集电极电压利用系数为集电极电压利用系数c1m110C0( )( )=( )IgI 为波形系数为波形系数1( )g值越小，越大，放大器的效率也越高。1在时，可看不同工作状态下放大器的效率分别为:甲类工作状态甲类工作状态乙类工

17、作状态乙类工作状态丙类工作状态丙类工作状态1180 ,( )1,=50%Cg190 ,( )1.57,=78.5%Cg160 ,( )1.8,=90%Cgmax3.1.1V=245=70 , =0.9CCoCDCCeVPWPPiR如图所示，已知，求该功率放大器的、 、和谐振回路谐振电阻例：01(70 )0.25,(70 )0.44查表可得，10( )110.440.979%2( )20.25C 56.30.79oDCPPW6.351.3CDoPPPW1max1( )2oCCCPiV max121.05( )oCCCPiAV cmc1m1max46.8( )CCeCUVRIi cmc1m12oP

18、UIcmCCUVc1m1max( )CIi 3 3. .2 2 谐振功率放大器的谐振功率放大器的特性分析特性分析 谐振功率放大器的输出功率、效率及集电极损耗谐振功率放大器的输出功率、效率及集电极损耗都与集电极负载负载谐振阻抗都与集电极负载负载谐振阻抗R Rp p、输入信号的幅度、输入信号的幅度v vb b、基极偏置电压基极偏置电压V VCCCC、以及集电极电源电压、以及集电极电源电压V VBBBB等的大小密等的大小密切相关，其中集电极负载阻抗的影响尤为重要。切相关，其中集电极负载阻抗的影响尤为重要。 一、一、 谐振谐振功率放大器的功率放大器的工作状态工作状态与负载特性与负载特性谐振功率放大器的

19、工作状态是由负载阻抗谐振功率放大器的工作状态是由负载阻抗R Rp p、激励电压、激励电压v vb b、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。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应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作状态发生怎该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。样的变化。如果如果V VCCCC、V VBBBB、v vb b 3 3个参变量不变，则放大器的工作状态个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻就由负载电阻R Rp p决定。此时，放大器的电流、输出电压、决定。

20、此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随功率、效率等随R Rp p而变化的特性，就叫做放大器的而变化的特性，就叫做放大器的负载特负载特性（曲线）性（曲线）。在讨论放大器的负载特性之前，先讨论放大器的在讨论放大器的负载特性之前，先讨论放大器的动态特动态特性（曲线）性（曲线） 。动态特性是考虑了负载的反作用后获得的。动态特性是考虑了负载的反作用后获得的v vC C、v vB B 和和i iC C的关系曲线，也称的关系曲线，也称负载线负载线。1 1、欠压、临界和过压、欠压、临界和过压工作状态工作状态n高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以

21、分为欠压、可以分为欠压、 临界和过压三种状态临界和过压三种状态 。n在在临界状态临界状态，晶体管的输出功率最大，功放一般工作，晶体管的输出功率最大，功放一般工作于此状态。于此状态。minminmin,CECEsCECEsCECEsUuUuUu功放工作在欠压状态；功放工作在临界状态；功放工作在过压状态。绿线：欠压状态绿线：欠压状态为尖顶余弦脉冲。为尖顶余弦脉冲。蓝线：临界状态蓝线：临界状态仍为尖顶余弦脉仍为尖顶余弦脉 冲，但顶端变化平缓。冲，但顶端变化平缓。棕线：过压状态棕线：过压状态为中间凹陷的余为中间凹陷的余 弦脉冲。弦脉冲。n三种工作状态的比较三种工作状态的比较n欠压状态欠压状态:Ic1m

22、基本不随基本不随RP变化，可视为恒流源；变化，可视为恒流源； 输出功率与效率较低，随输出功率与效率较低，随RP增加而增大；增加而增大； 集电极耗散功率大，随集电极耗散功率大，随RP增加而减小。增加而减小。 很少工作于该状态，可用于基极调幅。很少工作于该状态，可用于基极调幅。n临界状态：输出功率最大，效率较高临界状态：输出功率最大，效率较高， 一般末级功率放大采用。一般末级功率放大采用。n过压状态：可分为强过压和弱过压两种。过压状态：可分为强过压和弱过压两种。 在弱过压状态下在弱过压状态下,Vcm基本不随基本不随RP变化，变化，可视为恒压源，效率可达最高，但输出功率有所可视为恒压源，效率可达最高，但输出功率有所下降，一般用于中间级放大。下降，一般用于中间级放大。2 2、负载特性负载特性指指V VCCCC、V VBBBB、U Uimim不变时，不变时，谐振负载谐振负载R RP P变化对放大器性能的影变化对放大器性能的影响响 min231ppccpccpcecesppcRiURRUuURUURR临界临界饱和小小过压状态出现凹顶临界状欠压态较大状态增长缓慢2211222U222UccpcpcccpcpcppcPI RPI R