第04章谐振功率放大器

通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#1第4章谐振功率放大器4.1概述4.2谐振功率放大器的工作原理4.3谐振功率放大器的折线近似分析法4.4谐振功率放大器电路4.5谐振功率放大器实例4.6晶体管倍频器通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#24.1概述谐振功率放大器：位于发射机末端，放大高频大信号以获得功率足够大的射频信号功率放大器的要求功率放大器的分类：谐振功率放大器：以LC

并联谐振回路作负载，又称窄带高频功率放大器非谐振功率放大器：以传输线变压器为负载的宽带高频功率放大器低频功率放大器高效率大功率通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#34.1概述谐振功率放大器的主要特点：工作频率高，相对频带窄工作于大信号的非线性状态数学上用非线性方程描述，工程上用近似法分析谐振功率放大器与小信号谐振放大器比较：相同点：放大高频信号、负载是谐振回路相异点：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通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#44.1概述iCQvbt00iCt高频小信号谐振放大器播放通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#54.1概述高频谐振功率放大器iCvbt00iCtQVBZ播放通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#6工作状态与工作效率功率放大器的工作状态：甲类(A)、乙类(B)、 甲乙类(AB)、丙类(C)、丁类(D)、戊类(E)等谐振功率放大器通常工作于丙类(C)工作状态能量转换效率是最为关注的问题4.1概述高频选频回路90%~100%开关状态高频选频回路>78.5%<90低频推挽50%~78.5%90~180低频，高频推挽，回路78.5%90低频电阻50%180丁类丙类甲乙类乙类甲类应用负载理想效率半导通角工作状态通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#74.2谐振功率放大器的工作原理一、谐振功率放大器的原理及电压、电流波形主要组成：高频、大功率晶体管电源及偏置电路

发射结反偏、集电结反偏输入：vb

高频大信号负载：LC

并联谐振回路工作原理： 即电路如何实现功率放大、如何做到高效率?第一步：vb输入回路&

转移特性曲线

iC第二步：iC&

输出谐振回路

vc通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#84.2谐振功率放大器的工作原理230iC=

IC0+Icm1cost+

+

Icm2cos2t+Icm3cos3t+

若LC调谐在2?LC工作原理vBE=

-VBB+vbvBE=

-VBB+Vbmcost谐振回路输出电压：vc=

RpIcm1cost晶体管CE端电压：vCE=

VCC-vc频率频谱iCt波形?通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#94.2谐振功率放大器的工作原理电压、电流波形vBE=

-VBB+vbvBE=

-VBB+Vbmcost谐振回路输出电压：vc=

RpIcm1cost晶体管CE端电压：vCE=

VCC-vcvbVBZ-VBBvBEtictvCEtVCCVcmvctVcm通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#104.2谐振功率放大器的工作原理vbvBEtictvCEtVcmvctVcmP==

Po

+

Pc直流输出集电极的功率功率损耗功率二、功率关系与效率减小导通角

Pc负载回路谐振

Pc集电极效率：电压利用系数g1：波形系数VBZ-VBBVCC通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#114.3谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法求解关键：集电极电流脉冲

iC

及其分量

IC0

和

Icm1分析方法：用一组折线代替晶体管静态特性曲线分析过程含解析计算与图解分析两部分二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式转移特性ic=gc(vBE-VBZ)当vBEVBZ输出特性vBEiC0iCvCE0VBZgc跨导gcr临界线斜率vBE通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#124.3谐振功率放大器的折线近似分析法三、集电极余弦电流脉冲的分解求解过程：CiC

解析式iC的傅氏级数分解通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#134.3谐振功率放大器的折线近似分析法iC=gc(vBE

-VBZ

)；当vBE

VBZ代入vBE得：iC=gc(-VBB

-VBZ+Vbmcos

t)或：iC=gcVbm(cos

t-cos

C

)最大值：iCmax=gcVbm(1

-cos

C

)由上二式得iC的解析式其中：-CtC为得到直流和基波等成分 对上式进行傅氏级数分解通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#144.3谐振功率放大器的折线近似分析法

......0(C

),1(C

),…,n(C

)

是C

的函数，是电流脉冲的直流、基波、…、n次谐波的分解系数通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#154.3谐振功率放大器的折线近似分析法C=120时:功率最大，但效率低；通常取C=

70

左右，兼顾输出功率与效率C=0

时:效率最高，但无输出；通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#164.3谐振功率放大器的折线近似分析法六、谐振功率放大器的计算(放前面讲)1.计算C、iCmax

2.求出0(C),1(C)

,…,n(C)

(可查附录表)3.计算功率和效率4.求最佳负载通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#174.3谐振功率放大器的折线近似分析法例：若VBZ

=

0.6V,gc

=

10mA/V,iCmax=

20mA,VCC

=

12V求：当C

分别为180,90和60

时的输出功率和相应的基极偏压VBB

，以及C

为60

时的集电极效率。(忽略集电极饱和压降)Vcm

=

VCC

=

12V1)

C

=180时，2)

C=90时，-VBB-VBB1(180)

=

0.51(90)

=

0.5通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#184.3谐振功率放大器的折线近似分析法3)

C=60时，

1(60)

=

0.38，0(60)

=

0.22通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#194.3谐振功率放大器的折线近似分析法例：某谐振功率放大器的转移特性如图所示。该放大器采用晶体管的参数为：fT

150MHz，功率增益AP

13dB，管子允许通过的最大电流ICM

=3A，最大集电极功耗为PCmax=5W。管子的VBZ

=0.6V，放大器的负偏置|VBB|=1.4V，C

=70，VCC

=24V，=0.9求：放大器的各参数1)根据转移特性图可以求得斜率gc2)根据基极回路可求得Vbm

vBEiCVBZ2.6V1A通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#204.3谐振功率放大器的折线近似分析法3)求iCmax、IC0、Icm1

4)求各电压、功率及效率5)信号源激励功率通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#214.3谐振功率放大器的折线近似分析法四、谐振功率放大器的动态特性和负载特性1.动态特性与负载线

(

iC

~

vCE

)动态特性是在特性曲线上画出的瞬时工作点的轨迹外部电路及转移特性：负载线：通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#22tiC2C4.3谐振功率放大器的折线近似分析法vBEiCiCvCEVBZ-VBBAgdiCmaxvBEmaxBvCEminV0B2C2C①②VCCt

=

0通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#23t

=

0tiC2C4.3谐振功率放大器的折线近似分析法vBEiCiCvCEVBZ-VBBQQADgdiCmaxvBEmaxBvCEminV0BQ2C2C①②③VCCVCC+Vcmt

=

90通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#242.负载特性前面仅假设工作在截止区与放大区。工作状态由VCC、VBB、Vbm、Rp

四个参量决定负载特性：其他条件不变、Rp的变化对输出的影响欠压A：Rp，截止区放大区。临界B：Rp，截止区放大区。过压C：Rp，截止区放大区饱和区。4.3谐振功率放大器的折线近似分析法vBE=vBEmaxiCmaxAQVCC2CtiCiCvCE0BCDRp饱和区?通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#25vBE=vBEmaxiCmaxAQVCC2CtiCiCvCE0BCDRp：欠压临界过压负载特性曲线Rp：

IC0,Icm1,Vcm,P=,Po,Pc,c

4.3谐振功率放大器的折线近似分析法欠压临界过压Rp欠压临界过压RpVcmIcm1IC0PcPoP=c欠压临界过压通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#264.3谐振功率放大器的折线近似分析法欠压临界过压Rp欠压临界过压RpVcmIcm1IC0PcPoP=c三种工作状态总结临界状态：vc、ic

较大，Po最大，Pc小，c较高欠压状态：类恒流源；电压vc=Rpic1，Po和c较低，Pc较大过压状态：进入饱和区；电流为下凹顶状；下凹越深，IC0、IC1

分量下降越快类恒压源，值较大；弱过压时可达最高效率。最佳工作状态，常用于发射机的末级功放可实现基极调幅，随后介绍发射机中间级，集电极调幅通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#27偏置向正向增加4.3谐振功率放大器的折线近似分析法五、放大器导通角及工作状态的调整1.导通角的调整-VBB

C

Vbm

C-VBB、VbmC&iCmax、Po不变2.工作状态的调整改变Rp

－负载特性改变VCC

－集电极调制特性改变Vbm

－放大特性改变VBB

－基极调制特性vBEiC0VBZ-VBBVbmiCmax、Po2C通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#284.3谐振功率放大器的折线近似分析法改变VCC

－集电极调制特性VCC：过压临界欠压过压区：VCCIC0,Icm1,Vcm

可实现集电极调幅vBE=vBEmaxiCmaxQVCCtiCiCvCE0BVCCVCC过压临界欠压VCC过压临界欠压VCCVcmIcm1IC0PcPoP=cgd=-gcVbmIcm1Rp通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#294.3谐振功率放大器的折线近似分析法改变VBB

－基极调制特性-VBB

,iCmax

IC0,Icm1

,Vcm欠压临界过压欠压区：VBB

IC0,Icm1,Vcm可实现基极调幅欠压临界过压-VBB欠压临界过压-VBBVcmIcm1IC0PcPoP=cVBZ-VBBvBEiC0tiC0通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#304.3谐振功率放大器的折线近似分析法改变Vbm

－放大特性Vbm

,iCmax

IC0,Icm1

,Vcm规律同VBB：欠压临界过压vBEmaxiCmaxQ欠压临界过压Vbm欠压临界过压VbmVcmIcm1IC0PcPoP=cVCCtiCiCvCE0通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#314.3谐振功率放大器的折线近似分析法例：谐振功率放大器输出功率Po

已测出，在电路参数不变时，为提高Po

采用提高Vbm

的办法。但效果不明显，试分析原因，并指出为了达到Po

明显提高的目的，可采用什么措施?欠压过压RpPcPoP=cPcPoP=c过压欠压VCC欠压过压VbmPcPoP=c欠压过压-VBBPcPoP=c答：采用提高Vbm

提高Po

效果不明显，说明放大器工作在过压工作状态。为了达到Po

明显提高的目的，可以减小Rp

或增加VCC

。通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#324.4谐振功率放大器电路前面研究的是原理性的电路直流馈电电路集电极馈电基极馈电输出回路和级间耦合回路级间耦合网络输出匹配网络通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#334.4谐振功率放大器电路一、直流馈电电路VCC或VBB全部有效地加到放大管的集电极和基极上直流馈电电路尽量不消耗高频功率1.集电极馈电电路串联馈电直流电源、负载回路、功率管 三者首尾串联相接。 LC：高频扼流圈 C1：旁路电容优点：线路简单，馈电元件处于高频的地电位，分布电容不影响谐振回路的谐振频率。缺点：谐振回路处于直流高电位，回路调整不便，维护使用不安全。通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#344.4谐振功率放大器电路并联馈电直流电源、负载回路、功率管三者为并联结构。

LC：高频扼流圈

C1：旁路电容

C2：隔直流电容、通高频优点： 谐振回路两端处于直流地电位(C2

作用)，因而调整方便。缺点： 馈电线路元件LC、C2

处于高频的高电位，因而分布电容直接影响谐振回路的谐振频率。通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#354.4谐振功率放大器电路2.基极馈电电路基极馈电也有两种形式：串联馈电并联馈电基极偏置电压可以是直流电源，也可是自给偏置通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#364.4谐振功率放大器电路负偏压可用自给偏置电路获得：利用基极直流分量

IB0

在基极偏置电阻RB

上产生利用基极直流分量IB0

在基极扩散电阻rbb

上产生利用发射极直流分量IE0

在发射极电阻RE

上产生自给偏压会随输入信号幅度Vbm而变化Vbm

IB0、IE0

负偏压这称为自给偏压效应，能自动维持放大器的工作稳定 串联馈电还是并联馈电?通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#374.4谐振功率放大器电路二、输出回路和级间耦合回路匹配网络：保证外负载与谐振功率放大器的最佳工作要求相匹配的网络。若负载是下级放大器输入阻抗，应采用“输入匹配网络”或“级间耦合网络”若负载是天线或其他终端负载，应采用“输出匹配网络”通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#384.4谐振功率放大器电路1.级间耦合回路 对于中间级放大器，主要应该保证输出电压稳定，效率则为次要问题1)使中间级工作于过压状态，类恒压源2)降低级间耦合回路的效率，以减小下级输入阻抗的变换对本级输出回路的影响。回路效率取k=0.1~0.53)中间级靠后的功放，则以效率为主2.输出匹配网络常用的有滤波器型匹配网络，调谐回路耦合网络通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#394.4谐振功率放大器电路1)滤波器型匹配网络：有L型、Π型、T型等通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#404.4谐振功率放大器电路通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#414.4谐振功率放大器电路2)互感耦合输出电路RA、CA：天线的辐射电阻与等效电容Ln、Cn：天线回路的调谐元件L1、C1：中介回路等效阻抗传输效率通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#424.4谐振功率放大器电路k

的其他形式总效率：通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#434.5谐振功率放大器实例一、160MHz的谐振功率放大器，它向50的外接负载提供13W功率，功率增益为9dBT型L型基极自给偏置，由高频扼流圈LB中的直流电阻产生很小的负偏压VBB。集电极采用并联馈电NPN型高频大功率硅三极管通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#444.5谐振功率放大器实例二、50MHz，25W调谐功率放大电路，放大器的功率增益为7dB，可给50

负载输出25W功率。L2不是高频扼流圈，而是网络元件，L2、L3、C3、C4

构成Π型匹配网络。通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#454.5谐振功率放大器实例三、超短波输出放大器实际电路通信电子线路第4章谐振功率放大器Page#464.6晶体管倍频器一、概述采用倍频器的原因：提高频率稳定指标，因主振频率不宜超过十几兆赫兹晶体振荡器也只能达到几