4.2.4高频谐振功率放大器的效率和输出功率

1、cml1VI22cmcml1 V2cm2 R4.2.22)4.2.23)clVcmclm4.2.24)CCCO4.2.4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。由图412可见，高频谐振功放集电极输出电压CE中包含直流分量与交流分量，其交流分量与ub波形一样，但b相位相差。放大器输出的基波功率PoIVIP(cm1)2R_o4.2.21)电源提供的直流功率PIVDcocc根据能量守恒定律，

2、集电极耗散功率为PPPPCDo集电极效率CI式中g1了皿才尔为波形系数，是导通角的函数；CO0V严称为集电极电压利用系数，它总是小于1的。CC由式（4224）可知，要提高效率C，有两种途径1）种是提高集电极电压利用系数，即提高Vcm，而vI、R.是输出基波电压的幅值，R.Q：0l，通过cmc1me0提高回路的有载品质因数来实现增大R；2）另一种是提高波形系数g1。由图411可知，导通角越小，g1越大，效率c越高，但1星卩越小，输出PP功率o也就越低。为了兼顾输出功率o和效率C，必须选取合适的导通角。如取12。时，达到最大值，输出功率最大，但g1勺值相对较小，集电极的效率仅为64%左右；若取70

3、。，此时虽然1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%。因此在工程设计中的取值通常在65。口75。之间。70。左右为最佳导通角，可兼顾输出功率和效率两个重要指标。bBB1CII图412谐振1I压、电流波形还有一个应该注意的问题，集电极损耗piudBt,减c2BcCE小：与Uce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c压降UCE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。4.2.5谐振功率

4、放大器的效率与工作状态谐振功率放大器的效率与其工作状态有密切关系。图4+LCuT0早心丄检|Vi严这里做了什么近似？），从图412可知CC取1）选择QA为静态工作点，功放工作于甲类工作状态，整个周期内晶体管都是导通，.180， ()(1801)0.511 ()(180!)0.5111VgcmC212CC当静态工作点Q位于交流负载线中心时，VVAcmCCVcm150%V，cmaxCCQ2）选择B为静态工作点，功放工作在乙类工作状态，晶体管在半个周期内导通，90，（）1（900.5由式（4.2.15）、（4.2.16）可得iiI_COelm211VI1Vg()cmelmcm78.5%emax22V

5、I2V24CCCOCC3) 选择Q为静态工作点，功放工作于丙类工作状态，晶体管C只有很短的时间内导通，.90.,()(900.5。g，但lllC(尸,，所以提高输出功率和提高效率是矛盾的，必lo须折衷考虑。通过上述分析可得出如下结论：1) 当输入信号，回路谐振电阻R给定时，如希望得到尽可能大的功率输出，应采用甲类或乙类功放。丙类功率放大器效率的提高是以功率放大器的电压增益下降为代价的，随着导通角不断地减小，由甲类到甲乙类，到乙类，再到丙类，谐振功率放大器的效率越来越高，但电压增益却越来越低，因此对输入信号的幅度要求越来越高。2) 对于丙类功率放大器，在回路谐振电阻R给定时,如果要增大输出功率,

6、则需增大Ic1m,当器件确定时,就是要增大输入信号振幅Vbm；如果要提高效率，需增大I或减小ICO(减小I即减小集电极功耗,通过c1mCOCO降低静态工作点可以实现)。所以,增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。3）丙类功放当i减小到使I=0时，则有/O,也Cc1mCO就是说，当Po0时，则有PD0，这对提高效率有益。甲类的PD只与静态工作点有关，而与输出Po无关，也就是说，即使功放输出的交流信号为0，直流电源仍旧提供直流功率，这时电源提供的能量将全部被晶体管消耗掉了，所以甲类效率最低。4.3高频功率放大器的动态特性分析4.3.1高频功率放大器的动态特性（课本P54

7、）晶体管的静态特性是在集电极没有接负载阻抗的条件下得到的三极管集电极电流iC与电压uBE和UCE的关系曲线iC=f（UBE作丿，这是晶体管本身所固有的。本章422节CBECE中介绍的晶体管的输入特性曲线、正向传输特性曲线和输出特性曲线都是未接负载时的静态特性曲线。当基极加入激励信号，并且集电极接上负载阻抗时，三极管集电极电流iC与电压UBE和UCE的关系曲线i=f（U,U）称为谐振功放的动BECBECE态特性。谐振功率放大器的负载是并联谐振回路，回路的谐振频率等于输入信号频率，回路的谐振电阻为R。谐振功率放大器的动态特性曲线就是指输入激励信号、负载和晶体管（可用gC和UBZ表示）确定后，瞬时工

8、作点Q（iC，UCE）在CBZCCE输入信号作用下移动的轨迹，有时也叫负载线。1放大区动态特性方程工作于丙类放大状态的高频谐振功率放大器90,集电极电流iC为周期性脉冲，属于非线性电路，其动态特性曲线不是一条直线，而是曲线。工程上采用折线法作近似估算，并结合实验调整来解决问题。要将实际是一条曲线的谐振功放动态特性近似为一条直线，其前提条件是：1）晶体管的静态特性曲线（转移特性曲线，输出特性曲线）理想化为直线；2）其二，功放的负载回路工作于谐振状态（即负载为纯电阻）。在此条件下，放大器的外部电路方程uVuVVcostBEBBbBBbm（4.3.1）uVuVVcostCECCcCCcm（4.3.2

9、）由上二式消去cos.t可得VuVbm（Vu）（433）BEBBVCCCEcm动态特性应同时满足外部电路和内部电路关系方程，而内部电路方程是由晶体管理想化的正向传输特性决定的。对于导通段，即ig（uU）CcBEBZ将式（4.3.3）代入上式，可得ig(VVVCCUCEU)CcBBbmVBZcmVgbm(UcVCEcmg(uU)dCE0Vbm4.3.4)u上式为截距式直线方程，在CE轴上的截距为VVUVVVbmCCBZcmBBcm)VVUVVV4.3.5)VbmUbmCCBZcmBBcm0斜率g?异mdcVcm负斜率的物理意义：对负载而言，放大器相当于一个交流电能发生器，可以提供能量给负载（正电

10、阻消耗能量，负电阻提供能量）。可知，在uu理想化晶体管输出特性的放大区，动BEBZ态特性为一条直线,，C由式（434）决定；而当uBEUBZ时,i0。C。2动态特性曲线假设：已知谐振功率放大器晶体管的理想化输出特性和外部电压V、VBB、Vbm和Vcm的值，如何求出动态特性曲线CC及输出电压、电流波形。通常可以采用截距法和虚拟电流法。1）截距法在输出特性的CE轴上取一点B，满足:uCEt（导通角）i0CVVUVVVUbmCCBZcmBBcm0VbmV过B点作斜率为gd电cVbm的直线交UBEmaxbmcm于A点，所以AB线为uU时放大区的动态特性曲线；BEBZ在uU的截止区，虽然iC，但由于谐振

11、回路的作用,BEBZC回路电压不为0,动态特性为线段BC。完整的动态特性曲线为ABBC折线。图413给出截距法求解动态特性曲线示意图。（丙类功放的集电极电流为余弦脉冲，但输出电压却为与输入信号频率相等的正弦波形）2）虚拟电流法在晶体管输出特性icUCE坐标系中确定A、Q两点,连接AQ即得集电极交流负载线，也即动态特性曲线，如图414所示。下面将分析如何确定该动态特性曲线。图413图414虚拟电流法求解动态特性首先确定虚拟工作点Q。在Q点，t2，由式（4.3.2）可知uVuVVcosVCECCcCCcm2CC，由式（4.3.1）可知uVuVVcosVBEBBbBBbm2BB，ig(uU)g(VU

12、)ICcBEBZcBBBZQ。该电流为“负值”，晶体管电流是不能反向流动的，因此IQ实际上是不存在的，仅仅是为了确定Q点，我们称其为虚拟工作点电流。确定动态特性曲线上的另外一点A。在A点，t0，由式（4.3.2）可知uuVuVVcos0V角2内，晶体管导通，ic在导通角2之外，!,即晶体管截止。晶体管开始截止发生在B点，B点到Q点一段虚线是为作图需要而画，实际上，此时晶体管截止，由动态线BC表示，因此整条动态线由ABBC构成。CECEminCCcCCcm(4.3.7)由式（4.3.1）可知uuVuVVcos0VBEBEmaxBBbBBbmBB(4.3.8)连接AQ可作出动态特性曲线，与uCE轴

13、交于B点。在导通bmcm（3）动态负载电阻与导通角的关系动态特性曲线斜率gd的倒数，称为丙类放大电路的动态负载电阻Rd。由图414可知ADitgemax_BDVVcosememelm丄丄RcosR1d1VemCos丿14.3.9)所以R(1cos)14.3.l0)由式（4.3.10）可见，丙类功率放大电路的动态负载电阻Rd，不仅与回路的谐振电阻R有关，还与导通角有关。4.3.2高频功率放大器的负载特性当放大器集电极电压Ic基极偏置电压Vbb及输入信号Rbm幅值V.保持不变时，回路负载电阻变化，从而引起放P大器的集电极电流1、1、回路电压V、输出功率o、eoe1mem效率c等发生变化。高频功率放

14、大器的这个特性称为负载特性，它是高频功率放大器的重要特性之一。1丙类功率放大器的三种工作状态当丙类功率放大器的回路谐振电阻R变化时，动态负载线的斜率1=1R-=RrtiiKOSW也会随之改变。由式（4.2.10）可知，d1VBB、Vbm确定后，就不变了，这时的变化完全由R决1R定。当VCC、BB和Vbm确定后，R增加，则动态线的斜率d减小，这时，动态线上的Q点位置不变，动态线会以Q点为轴逆时针旋转，图415表示在三种不同负载电阻时，所对应的三条动态线及相应的电流、电压波形。根据晶体管在信号的一个周期内是否进入饱和区，将丙类功率放大器的工作状态分为欠压、临界和过压三种状态。若在整个信号周期内，晶

15、体管工作部不进入饱和区，也就是说在任何时刻都工作在放大区，称功放工作在欠压状态；若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，则称功放工作在过压状态。2AicA2AUEEtnaxvlcc叱:F：UCEn3UCEitiiti2CEminl图415R变化对动态特性线的影响功放三种工作状态的判别方法：uVVcostuBEBBbm，CEVBB当t0时,uBEuBEmaxVVcost。CCcmV，bm，uuBEmax和uCECEmin和区。时，uCEuCEmin同时发生，uBEVCCVcmCE很小时，晶体管进入饱uBEminuCEmaxVVBBbm，VCCVcm。u和uBEminCEmax同时发生，CE很大时，晶

16、体管进入截止区。可根据CE的大小判断晶体管的工作状态，还可根据UCEmin的大小判断功放所处的工作状态。1）当CEmiCE；时，在任何时刻晶体管都工作在放大区，对应于UCE最小值和UBE最大值的A点处于放大区，1这种工作状态称为欠压状态，对应于图415中的AQ，此时R和v都较小。式中u为临界饱和电压，是cmCEsatuUBEmax线与临界饱和线A?0的交点所对应的CE值。2）|当UCEmm时，这种工作状态称为临界状态|，对应于图415中的A2Q。uu3）当CEminCEsat时，晶体管工作有部分时间进入i饱和区，得到相应的动态线a3Q，此时C出现凹陷。其原因在于：丙类功放的负载是谐振回路，具有

17、良好的选频能力，谐振回路两端的波形是连续的正弦波形，工作点达到A3后，uBE还没达到最大值，Vcm也未达到最大值，还未输出完整的正弦波形，UBE要继续增大、Uce进一步减小，一直达到由UCE-与UBE决定的A5点，完成输出连续的正弦波形，CEminBEmax5此时，晶体管进入饱和区，如图415所示。进入饱和区之后，uCE任何微小的变化会导致iC迅速下降，工作点沿着临A界饱和线从A3下移到A4点，A4与A5点具有相同的uCEmin。45CEmin实际上，A点并不存在，画出A点只是为了找出相对应的55umin，从而确定实际工作点为A4，这种工作状态为过压状CEmin4态。对应集电极电流是一个有凹陷

18、的余弦脉冲。峰值对应于A，谷点对应于A。如果负载是电阻，则电流波形不可能出34现凹陷。余弦电流脉冲一旦出现凹陷，余弦电流脉冲波形分解系数求直流分量、基波分量等不再适用。2丙类功率放大器的负载特性当V、V、V、g、U定的条件下，Q点固定不变。CCBBbmcBZ随着R增加，A点由A移到A2、A3，如图415所示，也就是说，随着R增加，丙类功率放大器的工作状态由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。原因：cos(UBZVB”U不变，导通角为常数，因bm此g月的绝对值与R.成反比。d课本图3.2.7丙类功率放大器的负载特性解释图3.2.7在欠压区，R增加，A点在uBEmax上由a移向a,处于放大区。

19、12u对i的影响很小，u基本与横轴平行。所以i变化不大,CECBEmaxCmax略有下降，如图415所示。I，I基本保持不变，均按线性增加，而C1mCOR、VcmVIR随R增加近似线性增大。cmC1mP十焉；、，所以在欠压状态下，p随r线性增加。v不变,o/(2R)oCCR增加时，I略有下降，pVI也略有下降。因为P基本CODCCCOD所以p随R增加而减小。c不变，P随R线性增加，ppp,oCDop/随R增加而增大，c/p/D以上分析可得出如下结论：1)在欠压工作状态的大部分范围内，输出功率po和集电极效率都较低，在欠压严重时，R很小，Vcm很小，p很小，u很大。pD基本上都消耗在集电oCED

20、结上，集电极损耗极大，会导致晶体管烧毁，必须尽量避免谐振回路严重失谐导致负载短路。由图327可见，在欠压区，电流IC1不随R变化，因C1m此欠压状态的放大器可看作一个恒流源。2) 临界状态时，i仍为一余弦脉冲，其幅值i较大，和CCmax欠压区基本相同，但此时v很大，u很小，因此，放大器在cmCE临界状态下输出功率大，放大器效率也较高。临界状态是丙类功放的最佳状态，通常将功率放大器在临界状态时相应R的值称为谐振功率放大器的匹配负载，用笃卩表示。工程上这个电阻值可以根据所需输出信号功率P由下式近似确定oR11(VCCVCEsat)2(4.3.11)opt2P2Poo3) 过压状态弱过压状态时，输出

21、电压基本不随R变化，过压状态的放大器可视为恒压源，这时集电极效率最高，深度过压时，i波形出现严重凹陷，输出基波减小，谐C波增多，设计中应尽量避免。4.3.3 高频功率放大器的调制特性高频功率放大电路的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。1集电极调制特性定义：在VBB、8c、UBZ、Vbm、R不变的条件下，放大器性能随Vcc变化的特性，称为集电极调制特性。课本图3.2.10的解释看挂在网上的PPT结论很重要：由图417(b)可见，在欠压区，改变v对vCCcm影响不大，只有在过压区，VCC才能有效的控制V,从而CCcm实现调幅。所以集电极调幅电路应工作在过压区。图417高频功率放大器的集电极

22、调制特性2基极调制特性定义：I在VCC、gC、U、V、R不变的条件下，放CCCBZbm大器性能随VBB变化的特性，称为基极调制特性。为了使晶体管工作在丙类状态，基极电源V.0或0VU，增大V意BBBBBZBB味着从负值向小于U的正电压变化。BZ课本图3.2.9的解释看挂在网上的PPT如图417(b)所示。进入过压工作状态后，集电极电流脉宽和高度均增加，但i出现凹陷，且随v增加凹陷加深,CBB使I减小，而u增加使得I增加，这二种趋势相互中和,c1mBEmaxc1m使I和V基本保持不变。c1mcm结论很重要：由基极调制特性可看出，在过压状态下，基极电压V改变时，Vcm基本保持不变；只有在欠压状态时

23、,BBcmV随VBB单调变化。所以I高频功放只有工作在欠压区才能cmBB有效地实现VBB对输出电压V的调制，也就是说基极调幅BBcm电路应工作在欠压区。I怎压I临界过压(b)图417高频功率放大器的基极调制特性4.3.4 高频功率放大器的放大特性定义：在、VBB、gC、UBZ、R.不变的条件下，放大器性能随Vbm变化的特性，称为放大特性。Vbm改变时，对功放性能的影响与基极调制特性相似。它们都使u随之BEmax增大，对应的集电极脉冲电流iC的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压工作状态进入到临界工作状态，最后进入过压工作状态，如图418所示。在欠压状态时，VCm随匕近似线性地增大；进入过压

24、状态后，集电极电流出现凹bm陷，且随着Vbm的增大，脉冲宽度增加，凹陷加深。因此，CO、ic1m和Vcm随Vbm变化的特性与基极调制特性类似。图419给出线性功率放大器和振幅限幅器的作用。由放大特性可知，在欠压区，当卩如增大时，iCmax和都随之增加，导致ico、I和v随Vbm的增大是非线性的，使放大特性产生失COc1mcmbm真，所以丙类谐振功放只能放大高频等幅信号（如载波、调频和调相波）。若把谐振功率放大器作为线性功率放大器，用来放大调幅信号，如图418所示，为了使输出信号振幅V线性的反映输入信号振幅Vbm的变化，不仅应使放大器cmbm必须在变化范围内工作在欠压状态，还应设法消除丙类bm功

25、放由于Vb的增大而产生的放大特性失真。实际电路中除bm了采用负反馈等措施来消除放大特性失真外，还普遍采用乙类工作的推挽电路，以使集电极电流脉冲保持半个周期（即保持不变），此时V和Vbm成线性关系。cmbm由图419可知，谐振功率放大器用作振幅限幅器时，需将振幅在较大范围内变化的输入信号转换为振幅恒定的输出信号，这时放大器必须在V变化范围内工作在过压状态，bm也就是说，输入信号振幅的最小值应大于临界状态所对应的Vbm值，通常该值称为限幅门限值。图418高频功率放大器放大特性振幅限幅器线性功率放大器图419线性功率放大器和振幅限幅器的作用4.3.5 高频功率放大器的调谐特性前面讨论的负载特性，放大

26、特性，调制特性都是假设负载回路处于谐振状态，因而负载呈现为纯电阻。在实际使用中，不可能回路正好处于谐振状态，必须进行调谐，一般是通过改变电容C来实现的。定义：功放的电流ICO，IC1和V等随电容C变化的特COC1mcm性称为调谐特性。利用调谐特性可以指示放大器是否处于调谐状态。当回路失谐时，无论感性失谐（谐振回路阻抗呈感性），还是容性失谐（谐振回路阻抗呈容性），阻抗Z模值都将小于R（即Z.R），并联谐振在失谐严重时，相当于短路。一般功放调谐时都工作在弱过压状态。当回路失谐时，由于Z.R，功放向临界及欠压状态变化，此时【co，仁增大，直流功率PD较大，而交流输出Po2VICcos.，式O2cmc

27、1m中为失谐引入的附加相移，失谐使1c1m增加，但Vcm减小，（Z.减小），因此有Po下降，而耗散功率7迅速增加。图420给出丙类功率放大器的调谐特性，利用这种调谐特性可以指示放大器是否调谐。负载回路实现调谐的标志，无论向哪个方向改变C,【co，IC1都增加，标志着回路已调谐了。COC1mcm因I变化明显，且可使用直流电流表来指示，所以通常采CO用监控ICO指示调谐；由于失谐后，PC迅速增加，因而调谐过程中动作尽可能迅速，使晶体管处于失谐状态的时间尽可能短。为避免调谐过程损坏晶体管，在调谐时,应降低VCC，减小激励电压VbmCO!0搏性失谐|容性失谐图420丙类功率放大器的调谐特性4.4高频功

28、率放大电路高频功率放大器的管外电路由两部分构成：直流馈电电路和滤波匹配网络。4.4.1直流馈电电路直流馈电电路指的是把直流电源馈送到晶体管各极的电路，它包括集电极馈电电路和基极馈电电路两部分。集电极、基极馈电电路都有串联馈电（简称“串馈”）和并联馈电（简称“并馈”两种基本形式。串馈是指晶体管，谐振回路，直流电源三者串联；并馈是指晶体管，谐振回路，直流电源三者并联。无论哪一种馈电方式，都要遵循共同的准则。（1）直流能量有效地加到晶体管集电极回路或基极回路上，不应再有其它损耗直流能量的元件，设计良好的馈电电路交流阻抗应较大，从而使达到电源的高频信号及其谐波分量尽可能的小，以免造成电源电压波动，这种

29、波动会干扰共用电源的正常功能，从而造成系统工作性能的降低，甚至不稳定。为此，馈电电路应设计成对交流开路，对直流短路。实际馈电电路中经常接入退耦电路，由耦合电容和隔交通直的高频扼流圈构成。也就是说，要保证直流有自己的通路，而这个通路不应有交流信号流入，如图421（a）所示。（2）高频基波分量Ici应有效的流过负载回路，以产生所需要的高频输出功率，除了输出回路以外的电路，应尽可能小的损耗基波分量的能量，也就是说，除输出回路以外的电路对Ici来说应该是短路，其等效电路如图421（b）所示。（3）除倍频器外，高频谐波属于滤除对象，不应消耗功率，即所有电路都应对其呈现短路，其等效电路如图421(c)所示

30、。效通路小I基濾等髙次谐波等效通跖图421馈电电路对不同电流分量的等效电路1集电极馈电电路功能：将直流电源VCC无耗地加在功放管集电极上。集电极馈电电路分串馈和并馈两种，如图422给出了两种馈电方式。图中LC为负载回路，LC为高频扼流圈RFC(RadioFrequencyChoke)。它对直流可近似认为是短路的，对高频则呈现很大的阻抗，可近似认为是开路的，用于阻止高频电流流入电源。C是高频旁路电容，C是隔直耦合电容。C、CC对高频应呈现很小的阻抗相当于短路。要求XXL（50100）XRFCCCCC50100CC4.4.1）式中R.是谐振回路的等效谐振电阻。I站申昨刨电巾讲麻读电图422集电极馈

31、电电路无论串馈还是并馈，直流电压与交流电压总是串联的，且VCC的一端必须接地，否则电源的分布参数将限制工作频率的提高。从图422可看出，基本关系式uCEVCCVcost对于两种电路都是成立的。CECCcm串、并馈电电路的优缺点：并馈电路中，馈电支路与谐振回路并联，馈电支路的分布电容将使放大器c-e端总电容增大，限制了放大器在更高频段上工作。串馈调谐回路通过旁路电容CC直接接地，处于高频低电位，所以馈电支路的分布电容不会影响谐振回路的工作频率，串馈适合于工作在较高的频率，并联馈电一般适用于低频电路。串馈的缺点：调谐回路处于直流高位，有时大功率高频谐振功放级采用电子管，VCC达数千伏。调整时容易触上高压，发生危险。而并馈可避免该危险。2基极馈电电路基极馈电电路也可分为串馈和并馈两种。对基极馈电电路的基本要求是，输入信号电压u(t)应有效的加到基极和发射极i之间，而不被其它元件旁路或损耗。直流偏置电压VBB应有效的加到基极和发射极之间，而不被其它元件所旁路。固定偏置电路如图423所示。图中CP是高频旁路电容，CC是隔直耦合电容，LC为高频扼流圈RFC。为了使功放工作于丙类，基极偏置电压一般要加上负偏压。若采用固定偏置电路，意味着需要一组负电源提供装置，这往往给馈电带来麻烦。为了避免这种麻烦，因此实际工程设计中较少使用固定偏置电路。丙类功率放