3.2第三章高频功率放大器ppt课件

1、第3章 高频谐振功率放大器第一节第一节 概述概述第二节第二节 谐振式谐振式C类高频功放的工作原理类高频功放的工作原理第三节第三节 谐振功率放大器的折线分析法谐振功率放大器的折线分析法第四节第四节 谐振功率放大实用电路谐振功率放大实用电路*第六节第六节 宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器*第七节第七节 功率合成功率合成基本要求基本要求1. 了解高频功率放大器的功能和性能指标；了解高频功率放大器的功能和性能指标；2. 掌握掌握C类谐振功率放大器的工作原理、类谐振功率放大器的工作原理、分析方法、电路构成和使用方法；分析方法、电路构成和使用方法； （）3. 了解传输线变压器的工作原理和应用特了解

2、传输线变压器的工作原理和应用特点。点。1 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 放大高频大信号放大高频大信号, ,使发射机末级获得足够大的发射功率。使发射机末级获得足够大的发射功率。2 2、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A、谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；、谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；B、谐振功率放大器与低频功率放大器；、谐振功率放大器与低频功率放大器；C、谐振功率放大器与非谐振功率放大器。、谐振功率放大器与非谐振功率放大器。联想对比：联想对比：3.1 概述概述A、

3、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：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负相同之处：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。载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。ictooictUBZ谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQtooictuBuBB、高频功率放大器与低频功率放大器的异同、高频功率放大器与低频功率放大器的异同共同之处：都要求输出

4、功率大和效率高。共同之处：都要求输出功率大和效率高。不同之处：工作频率与相对频宽不同；不同之处：工作频率与相对频宽不同； 放大器的负载不同；放大器的负载不同； 放大器的工作状态不同。放大器的工作状态不同。表2-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 qc=180 50% 电阻 低频 乙类 qc=90 78.5% 推挽，回路 低频，高频 甲乙类 90qc180 50%h78.5% 推挽 低频 丙类 qc90 h78.5% 选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100% 选频回路 高频 工作状态工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工功率

5、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。大器。 谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性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。其分析方法有图解法和解析法。电路。其分析方法有图解法和解析法。ECICEO uCE iCO 常常量量 CEuBEcufi 常常量量 BEuCEcufiBBU UBZ QQo90qBZBBUU BEuci截止区截止区饱和区饱和区C、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处: :都要求输出功

6、率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号( (信号的通带信号的通带宽度只有其中心频率的宽度只有其中心频率的1%1%或更小或更小) )，其工作状态通常选为丙，其工作状态通常选为丙类工作状态类工作状态( (c c9090) )，为了不失真的放大信号，它的负，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。载必须是谐振回路。 非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放非谐振放大器可分为低频功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，工作在甲类大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类

7、工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。载。小结小结1.1.高频功率放大器功能高频功率放大器功能 是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。能量转换的能力即为功率放大转换为高频交流输出。能量转换的能力即为功率放大器的效率。器的效率。2.2.高频功率放大器分类高频功率放大器分类 高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分：高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分： 窄带高频功率放大器：通常以选频电路作为输窄带高频功率放大器：通常以选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器；出回路，

8、故又称为调谐功率放大器； 宽带高频功率放大器：输出电路则是传输线变宽带高频功率放大器：输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。大器。 3. 调谐功率放大器的主要技术指标调谐功率放大器的主要技术指标 输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度或信号失真度等。或信号失真度等。 4. 调谐功率放大器的分析方法调谐功率放大器的分析方法工程上普遍采用近似的分析方法工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析折线法来分析其工作原理和工作状态。其工作原理和工作状态。 1、输出功率、输出功率:

9、放大器的负载得到的功率。放大器的负载得到的功率。2、效、效 率率: 高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转高频输出功率与直流电源提供功率的比值。即能量转换的效率。换的效率。3、功、功 率率 增增 益益: 高频输出功率和信号输入功率的比值。高频输出功率和信号输入功率的比值。5、谐波抑制度、谐波抑制度: 是对非线性高频功率放大器而提出的，也就是谐波是对非线性高频功率放大器而提出的，也就是谐波分量相对于基波分量越小越好。分量相对于基波分量越小越好。5. 高频功率放大器特点高频功率放大器特点3.2 丙丙C类高频功率放大器的工作原理类高频功率放大器的工作原理 无论中间级还是输出级电路都可以等效为

10、：输入回路、非线无论中间级还是输出级电路都可以等效为：输入回路、非线性器件和带通滤波器。性器件和带通滤波器。中间级放大中间级放大输出级放大输出级放大谐振于输入谐振于输入信号的频率信号的频率谐振功率放大器等效原理图谐振功率放大器等效原理图特点：特点：为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，流过晶体为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；（由管的电流为失真的脉冲波形；（由Vbb保证发射结负偏保证发射结负偏置，工作在丙类）置，工作在丙类）取出基波分量，获得正弦电压波形取出基波分量，获得正弦电压波形阻抗匹配阻抗匹配负载为谐振回路负载为谐振回路2 工作原理分析工作原理分析u

11、BEiBVbbUBZubCqCqCqCqtUubmb cos UbmcosBEbbbbbbmuuVVUtgbic+uBE _(1)输入回路电压分析输入回路电压分析iBB0bm1bm2bmncoscos 2cosBiIItItIntictccic1ic2ic3IcoIcmaxC0cm1cm2cmncoscos2cosCiIItItIn tiC频谱频谱(2)集电极输出电压集电极输出电压ci经经 LC 并并联联谐谐振振回回路路后后，此此回回路路对对基基波波产产生生谐谐振振，呈呈纯纯电电阻阻PRci（最最大大值值） ，而而对对其其它它谐谐波波失失谐谐阻阻抗抗很很低低，呈呈电电容容性性。因因而而回回路路

12、选选出出基基波波电电压压1cu，而而滤滤除除各各次次谐谐波波电电压压。 2 3LC回路回路阻抗阻抗 Rp故故回回路路输输出出的的基基波波电电压压：tUtRIRiucmpcmpcc coscos111 cosCEcccmuVUt0ictccic1ic2ic3I coIcmaxubUBZVBBIcmaxuBEtibtictuCEuctVCCUcmUbmic3.3 丙丙C类高频功率放大器的折线分析法类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器工作在大信号非线性状态下，晶体管的丙类高频功率放大器工作在大信号非线性状态下，晶体管的小信号分析方法不再适用。小信号分析方法不再适用。采用静态特性曲线经过理

13、想化成为折线来进行近似分析会存采用静态特性曲线经过理想化成为折线来进行近似分析会存在一定误差，但很简洁。在一定误差，但很简洁。1. 晶体管特性曲线的理想化及解析式晶体管特性曲线的理想化及解析式分输入特性曲线和输出特性曲线分输入特性曲线和输出特性曲线BbBEiguCBcbBEBEiigguu输出特性曲线输出特性曲线分别对饱和区和放大区采用不同的简化方法。分别对饱和区和放大区采用不同的简化方法。CcrCEig uCcrCEigu饱和区：近似认为饱和区：近似认为iCiC只受只受uCEuCE的控制，而与的控制，而与uBEuBE无关。理想无关。理想的饱和临界线为一条通过原点的斜线。斜率：的饱和临界线为一

14、条通过原点的斜线。斜率：放大区：近似认为放大区：近似认为iCiC与与uCEuCE无关。各条曲线为平行于无关。各条曲线为平行于uCEuCE的的水平线。对于等差的水平线。对于等差的iBiB间隔应该是相等的。间隔应该是相等的。表征临界饱和线的方程：表征临界饱和线的方程：uBEic-VbbUBZubCqCqicCqCqtUubmb cos UbmcosBEbbbbbbmuuVVUtgCic+uBE _2. 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解cosccbbbmBZigVUtU0 cicosBZbbcbmUVUq1cosBZbbcbmUVUqcos()coscoscoscosccbmBZbb

15、cbmbmccbmcig UtUVg UtUg Utqq又又当当0t 时时， cbmccUgIq qcos1max vBEic-UBB-UBZvbCqCqicCqCqVbmgCIcmaxccbmcIUgq qcos1max 代代 入入ci有有 ： cccmaxccos1coscosq qq q tIiic+uBE _cocm1cm2cmncoscos2cosciIItItIntccoIItdiIqqqqq0cmaxcccccmaxc)cos1cossin()(21 cccccccmIIttdiIccq q q qq qq qq q q qq q1cmaxcmax1)cos1cossin1()(

16、cos21 cncccccccccmnInnnnittdniIccq q q qq qq qq qq qq q q qq qcmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21 ictccic1ic2ic3IcoIcmax)cos1(cossin0q q q qq qq q )cos1(cossin1q q q qq qq q )cos1)(1()sincoscos(sin22q q q qq qq qq q nnnnnn直流分量分解系数直流分量分解系数 基波分量分解系数基波分量分解系数 n次谐波分量分解系数次谐波分量分解系数 max00)(cccIIqmax11)(ccmcI

17、Iqmax)(ccncnmIIq011g3. 高频功放的功率与效率高频功放的功率与效率 (2) 集集 电电 极极 输输 出出 交交 流流 功功 率率 （ 负负 载载 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210 （注注意意PR为为回回路路谐谐振振阻阻抗抗）1101122oocoCcmcmccccPPPPPUIgV Ihqco13g11.02.02讨讨论论：190cq90cq180cq1)(1cgq57. 1)(1cgq57. 1)(1cgq%5 .78ch%5 .78ch%50chu 在在 的条的条件下件下u甲类工作状态：甲类工作状态：u乙类工作

18、状态：乙类工作状态：u丙类工作状态：丙类工作状态：u 导通角的选择导通角的选择（1Rp一定的条件下，一定的条件下，c=120o时输出功率最大，但效率时输出功率最大，但效率只有只有66%。（2c=1o15o时，效率最高，但输出功率很小。时，效率最高，但输出功率很小。（3在实际运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极在实际运用中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，谐振功率放大器导通角常取效率，谐振功率放大器导通角常取c=60o80o。co13g11.02.02例例1 某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的参数为：某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的

19、参数为：fT150MHz，功率增益，功率增益Ap13dB，管子允许通过的最大电流，管子允许通过的最大电流Icmax=3A，最大集电，最大集电极功耗为极功耗为Pcmax=5W。管子的。管子的VBZ=0.6V，放大器的负偏置，放大器的负偏置VBB=1.4V，c=70，Vcc=24V，=0.9，试计算放大器的各参数。，试计算放大器的各参数。342. 070coscosA/V5 . 0V6 . 06 . 2A1ccgq1)根据图可求得转移特性的斜率gcV8 . 5cosbmbmBZBBcVVVVq2)求Vbm3)求icmax,Ic1,Ic0A506. 0253. 0270A872. 0436. 027

20、0)(2cos10max01max1maxmaxqccccccbmcciIiIIVgi安全工作4)求交流电压振幅以及功率和效率%78W6 . 2W4 . 921W12V6 .219 . 024max10PPPPPPVIPIVPVVoccoccmcoccccccmh安全工作5)激励功率W47. 013lg10iiopPdBPPAtUVuVubmbbbbbBEcos输入回路：tUVuVucmcccccCEcos输出回路：BZBEccUugi晶体管内部特性：CEcrcugi bbbmBEVUumaxBZBEUumin输出特性曲线理想化输出特性曲线理想化静态特性曲线是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下

21、得到的。若考虑负载的影静态特性曲线是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下得到的。若考虑负载的影响，所获得的响，所获得的uCE,uBE与与iC的关系曲线就叫做动态特性曲线。最常用的是当的关系曲线就叫做动态特性曲线。最常用的是当uBE,uCE同时变化时，表示同时变化时，表示ic与与uCE关系的动态特性曲线关系的动态特性曲线ic=f(uBE,uCE)，也叫做，也叫做负载线。负载线。4、 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的动态特性 tUVuVubmbbbbbBEcos输入回路：tUVuVucmcccccCEcos输出回路：BZBEccUugi晶体管内部特性：cmCEccbmbbbmbbbbbBEU

22、uVUVtUVuVucos0UugUUVUVUUugUUUUVUVuUUgUUuVUVgiCEdBZcmccbmbbbmcmCEccmbmBZcmccbmbbCEcmbmcBZcmCEccbmbbcc，动态曲线斜率式中：ccmbmdgUUg轴上的截距动态曲线在CEccmccBZbbbmcmccBZcmccbmbbbmcmuUVUVUUVUUVUVUUUqcos0绘制方法一：绘制方法一：利用利用U0和和gd。ic=f(uCE)绘制方法二：静态工作点法绘制方法二：静态工作点法静态工作点静态工作点QbbBZcQcccCEVUgIiVuQ:bmbbBEBEcmccCECEUVuuUVuuAmaxmin

23、:0:maxccmccCECEiUVuuCbbBZcbmbbBZcmcmbmcccmdccmccccdQVUgUVUUUUgUgUVVgIqqcoscos输出电压波形输出电压波形欠欠 压压:动态特性动态特性A1B1-B1C1在输入信在输入信号一周内，号一周内，A点没有进入晶体管的饱点没有进入晶体管的饱和区，这种工作状态称为欠压工作状和区，这种工作状态称为欠压工作状态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。临界：动态特性临界：动态特性A2B2-B2C2，A点正点正好在晶体管的临界饱和线上，这种工好在晶体管的临界饱和线上，这种工作状态称为临界工作状态。对应的集作状态称为临界工

24、作状态。对应的集电极电流为尖顶脉冲。电极电流为尖顶脉冲。过压：动态特性过压：动态特性MA3-A3B3-B3C3在输在输入信号一周内，入信号一周内，A点已进入晶体管的点已进入晶体管的饱和区，这种工作状态称为过压工作饱和区，这种工作状态称为过压工作状态。对应的集电极电流为凹顶脉冲。状态。对应的集电极电流为凹顶脉冲。丙类功放的三种工作状态丙类功放的三种工作状态欠压、临界、过压5、负载线类型有哪些？、负载线类型有哪些？max()ccrcescrcccmIg UgVUVCCQUcesUcmuCEicgcrIcmaxubemax临界点分析临界点分析Uces(晶体管饱和压降晶体管饱和压降)则则Ucmmax=

25、VccUces111()1(1cos)()(1cos)()bmbmdcccmcMcpcbmcbmccpccpUUgggUIRg Ug URR qq qq q 1 coscMcbmcIgUq:()cecccQcBZbbuVQiIg UV minmax:ceccccmbebbbbmuuVUAuuVUmax:cececccmC uuVU指晶体管的指晶体管的Vcc、Vbb、Ubm一定时，改变回路谐振电阻一定时，改变回路谐振电阻Rp，功放，功放的工作状态、电流、电压、功率、效率随的工作状态、电流、电压、功率、效率随Rp变化的关系。变化的关系。不变不变变化变化变化变化|gd|和和Rp成反比成反比随着随着R

26、p的增大，工作状态的增大，工作状态从欠压从欠压-临界临界-过压过压6、负载线影响因素分析、负载线影响因素分析1Rpgd如何呢？如何呢？减少增大，而要增大，几乎不变增大，而因此几乎不变；，几乎不变（略有减少）由小变大，cocmccmocccpmccmmcccpPPPIUPIVPRIUIIIRh10110max21（1欠压区欠压区icuceubemaxQRp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Rp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1mIcoch hP=PcUcmPo（2过压区过压区icuceubemaxQRp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Rp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1m

27、Icoch hP=PcUcm变化缓慢变化缓慢，下降，下降，而几乎不变（略有上升）而下降；，减少弦脉冲顶部下凹，增加进入过压区大，余ccccmcmccmccmcccpmccmmcccpPVUIIPPIUPIVPRIUIIIR010100110max2121hPoRp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Rp欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1mIcoch hP=PcUcmPo2、在欠压状态、在欠压状态Ic0，Ic1m几乎不变，功放相当几乎不变，功放相当于一个恒流源，而过压状态于一个恒流源，而过压状态Ucm几乎不变，相几乎不变，相当于一个恒压源可用于中间级功放）。当于一个恒压源可用于中间级功放

28、）。6、负载线影响因素分析、负载线影响因素分析2Vcc:()cecccQcBZbbuVQiIg UV 不变即在欠压和临界状态不变；maxmaxcbmbbbIUVu 不变；在欠压到临界状态dpcccmbmcdgRUUgg,cos111qquceicubemaxQ2Vc2Q1Vc1Q3Vc3t icuceicubemaxQ2Vc2Q1Vc1Q3Vc3t icVcc欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Vcc欠压区欠压区过压区过压区临界区临界区Ic1IcoP=POPC ccccVV6、负载线影响因素分析、负载线影响因素分析3Ubm增大而增大；随bmbmbbbUUVumax不变bbBZcQcccCEVUgIiVuQ: 增大而略增随。而在过压区在欠压区到临界状态，在欠压区bmddcccbmbbBZcpcccmbmcdUggUVURUUggqqqqqq11cos,cos,cos11ubemax2ubemax3u