第四章 高频功率放大器

第四章高频功率放大器第1页，共54页，2023年，2月20日，星期三主要内容：丙类谐振功放的特点丙类谐振功放的工作原理丙类谐振功放的性能分析——折线近似方法丙类谐振功放的动态特性和负载特性。丙类谐振功放的直流馈电线路。丙类谐振功放的级间匹配问题(匹配网络)丁类高频功率放大电路简介宽带高频功率放大器简介第2页，共54页，2023年，2月20日，星期三§4.1 概述一、作用与应用：作用:高频功率放大器的作用实际上是把电源的直流能量转换成高频交流能量。应用：发射机发射无线电波高频加热、高频换流、微波功率源二、高频功放的特点：特点:高频、大功率、高效率，电路属非线性

第3页，共54页，2023年，2月20日，星期三三、与低频功放、小信号谐振放大器比较1.与低频功放相比较：相同点：都要求输出功率大和效率高激励信号幅度均为大信号不同点：工作频率和相对频带不同负载性质不同工作状态不同第4页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.与小信号谐振放大器比较

相同点：放大的信号均为高频信号放大器的负载均为谐振回路不同点：激励信号幅度大小不同谐振网络的作用不同工作状态不同第5页，共54页，2023年，2月20日，星期三第6页，共54页，2023年，2月20日，星期三四、高频功放的分析方法图解法：利用电子器件的特性曲线来分析它的工作状态解析近似分析法：把电子器件的特性曲线用某些近似解析式来表示——最常用的是折线法第7页，共54页，2023年，2月20日，星期三五、高频功放中用作放大的有源期间晶体管：千瓦级以下电子管：千瓦级以上第8页，共54页，2023年，2月20日，星期三六、高频功放管的主要技术指标输出功率大效率高谐波分量尽量小第9页，共54页，2023年，2月20日，星期三§4.2 谐振功率放大器分析

4.2.1谐振功率放大器的工作原理：一、获得高效率所需要的条件：能量转换效率：或写成：第10页，共54页，2023年，2月20日，星期三谐振功率放大器的原理电路第11页，共54页，2023年，2月20日，星期三电路说明：三极管V在工作时应处于丙类工作状态，只有小部分时间导通。LC谐振回路起到滤波和匹配作用。基极电源VBB应小于死区电压以保证晶体管工作于丙类状态，一般VBB略小于0。集电极电压VCC是功率放大器的能量来源。三种工作状态：半导通角，为甲类工作状态半导通角，为乙类工作状态半导通角，为丙类工作状态第12页，共54页，2023年，2月20日，星期三二、电路性能的分析1、采用的分析方法——准线性的折线近似分析法：将电子器件特性曲线理想化，即将每一条特性曲线用一条或几条(组成折线)来代替，这样就可以用简单的数字解释或来代表电子器件的特性曲线。优点:物理概念清楚，计算比较简单，而概括性的理论分析、工程近似估算已满足要求。缺点:精度较低。第13页，共54页，2023年，2月20日，星期三二、电路性能的分析2、工作原理（余弦脉冲分解）：设输入ui为一余弦信号:则三极管的外部特性：因为管子只在小半周期内导通，因而iB为脉冲电流。放大后的iC也为脉冲电流。根据傅氏级数展开得：第14页，共54页，2023年，2月20日，星期三2、工作原理（余弦脉冲分解）：考虑LC谐振回路对各次谐波的作用不同得：因而：见下页：第15页，共54页，2023年，2月20日，星期三波形分析：波形分析：三极管输入特性基极脉冲电流及谐波分量集电极脉冲电流及谐波分量LC谐振回路两端电压波形晶体管集电极和发射极之间的瞬时电压波形第16页，共54页，2023年，2月20日，星期三第17页，共54页，2023年，2月20日，星期三3、功率与效率放大器的输出功率：集电极直流供给功率：集电极效率：第18页，共54页，2023年，2月20日，星期三4、导通角的选择1）等幅波功率放大2）调幅波功率放大3）n次谐波倍频第19页，共54页，2023年，2月20日，星期三4.2.2谐振功率放大器的工作状态分析一、谐振功率放大器的工作状态分析1、晶体管特性的折线化临界线:左边饱和区，过压状态

右边放大区，欠压状态临界线方程:或：

第20页，共54页，2023年，2月20日，星期三1、晶体管特性的折线化

ic与激励电压的关系:（截止)

(放大)第21页，共54页，2023年，2月20日，星期三2、谐振功率放大器的工作状态分析1）动态特性的定义：动态特性曲线是在晶体管输出特性和转移特性上画出谐振功率放大器瞬时工作点的轨迹。

2）放大区动态特性方程:ube=Vbb+Ubcosωt

(1)uce=Vcc

–Uccosωt

(2)ic=g(ube

–Vbz)

(3)第22页，共54页，2023年，2月20日，星期三由(2)式变换代入(1)式可得：再代入上(3)式得:ic=gd(uce

–Vo)式中:

第23页，共54页，2023年，2月20日，星期三3、动态特性直线的作法:两点确定一直线的方法

令ic=0，则uce=Vo，得B点令ωt=π/2，ube=Vbb，uce=Vcc

得Q点

连接B、Q点，并延长与临界线相交于A点第24页，共54页，2023年，2月20日，星期三第25页，共54页，2023年，2月20日，星期三整体动态特性第26页，共54页，2023年，2月20日，星期三4）谐振功率放大器的动态负载电阻动态负载电阻可用动态线斜率的倒数求得动态负载电阻既与导通角有关，又与谐振电阻有关动态负载电阻一般不等于负载电阻第27页，共54页，2023年，2月20日，星期三二、谐振功率放大器的3种工作状态——高频功率放大器的负载特性负载特性:即放大器Vcc、Vbb、Ub-定时，负载电阻改变引起Ico、Ic1和Po、η变化的特性。1、3种工作状态Vcc、Vbb、Ub不变，Rp<Recr欠压状态

=Recr临界状态

>Recr过压状态第28页，共54页，2023年，2月20日，星期三第29页，共54页，2023年，2月20日，星期三RP变化对集电极余弦脉冲的影响第30页，共54页，2023年，2月20日，星期三2、负载特性曲线:Ic1、Ico、Uc~Rp关系:欠压区—临界线内临界—过压区Rp<Rcer欠压区，放大区近似恒流源Rp>Rcer过压区，放大区近似恒压源第31页，共54页，2023年，2月20日，星期三Po、P~、Pc、η~Rp关系

Rp 小→大状态:欠压→临界→过压P~ 小→大→小Po 大→小→更小Pc 大→小→更小η 小→大→大→略降P~在临界有最大值、选放大器在临界状态第32页，共54页，2023年，2月20日，星期三三种工作状态比较

欠压状态过压状态临界状态第33页，共54页，2023年，2月20日，星期三三、各极电压对工作状态的影响1、Vcc变化对放大器工作状态的影响—集电极调制特性当Vbb、Ubm和Rp—定，放大器的性能随Vcc变化的特性称为集电极调制特性。第34页，共54页，2023年，2月20日，星期三Rp=常数，特性1、2、3斜率不变第35页，共54页，2023年，2月20日，星期三调制特性:1、Vcc改变会使Ucm改变，即Vcc可控制高频振幅，有调幅作用。2、在过压状态区,Vcc对Ucm有较大作用。3、集电极调幅应选择在过压区，此区域内Vcc对Uc控制灵敏效率η高。第36页，共54页，2023年，2月20日，星期三2、Ubm变化对放大器工作状态的影响动态线斜率不变静态特性曲线UBEmax向上平移第37页，共54页，2023年，2月20日，星期三3、Vbb变化对放大器工作状态的影响Rp、Vcc恒定，Vbb变化对放大器的性能的影响称基极调制特性(基极电压对输出的影响)第38页，共54页，2023年，2月20日，星期三四、谐振功率放大器工作状态的计算步骤：1、首先求出集电极电流脉冲的两个主要参量：icmax、cosθ2、求出电流余弦脉冲的各谐波分量3、求出相应的功率与效率举例：第39页，共54页，2023年，2月20日，星期三举例：有一个用硅NPN外延平面型高频功率管做成的谐振功率放大器，设已知VCC=24V，PO=2W,工作频率f=1MHz。试求其集电极耗散功率、效率、基极激励功率。由晶体管手册已知其有关参数为：fT≥

70MHz，功率增益GP≥13dB，安全工作电流Icmax=750mA，集电极饱和压降UCES≥1.5V，集电极最大耗散功率PCM=1W第40页，共54页，2023年，2月20日，星期三§4.3谐振功率放大器电路组成一、直流馈电线路：馈电线路及其作用馈电线路的方式:(串联、并联)馈电线路的基本要求：1）要保证Vcc、Vbb畅通无阻地全部加到放大管的集电极或基极上2）直流馈电线路还要尽可能不消耗高频信号功率第41页，共54页，2023年，2月20日，星期三一、集电极馈电线路

1、集电极馈电线路的要求P.111：①-④2、串并联馈电方式线路分析

第42页，共54页，2023年，2月20日，星期三a)串联馈电:组件作用输出回路：直流通路:Vcc⊕

→L′

→L→BGC极→e→

交流通路:uce

→ic

→C′

→LC→uc第43页，共54页，2023年，2月20日，星期三b)并联馈电:组件作用直流通路:Vcc⊕

→L′

→BGC极→e→Vcc交流通路:BGC→ic

→C′′

→LC→e馈电组件的选择，C′和L′的确定第44页，共54页，2023年，2月20日，星期三3、串、并馈直流供电线路的优缺点见P112第45页，共54页，2023年，2月20日，星期三二、基极馈电线路第46页，共54页，2023年，2月20日，星期三几种常用的自偏电路第47页，共54页，2023年，2月20日，星期三4.3.2输入输出匹配网络1、作用2、LC匹配网络3、耦合回路第48页，共54页，2023年，2月20日，星期三§4.4丁(D)类高频功率放大电路简介丁类放大电路中，三极管处于开关状态;在理想情况下，丁类高频功率放大电路的效率可达100%，实际情况下也可达90%左右。4.4.1电流开关型D类放大器4.4.2电压开关型D类放大器第49页，共54页，2023年，2月20日，星期三§4.5宽带高频功率放大器简介1.传输线变压器工作原理传输线变压器的工作方式是传输线原理与变压器原理的结合，其主要特点是工作频带极宽。如图1:1传输线变压器：第50页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.传输线变压器的应用第51页，共54页，2023年，2月20日，星期三§4.6功率合成器定义：功率合成与分配应用举例：第52页，共54页，2023年，2月20日，星期三本章小结：1.高