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1、5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理5.3 5.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法5.5.4 4 晶体管功率放大器的晶体管功率放大器的高频特性高频特性5.5.5 5 高频高频功率放大器的功率放大器的电路组成电路组成倍频高频放大调制话筒声音发射 天线图图图图 1.2.8 1.2.8 调幅发射机方框图调幅发射机方框图调幅发射机方框图调幅发射机方框图音频放大高频振荡缓冲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相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且
2、放大器的：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。负载均为谐振回路。不同之处不同之处：激励信号幅度大小不同；：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；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。小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器波形图波形图4.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较相同相同:要求输出功率大，效率高要求输出功率大，效率高不同不同:低频（音频）低频（音频）:20Hz20kHz高频（射频）高频（射频）:AM广播信号广播信号:535kHz1605kHz，BW=
3、10kHz高频窄带信号高频窄带信号工作频率与相对频工作频率与相对频宽不同；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。5 5、工作状态：、工作状态：功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方功率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。式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。高频谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路高频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(a)甲类甲类 class-A amplifier(b)乙类乙类 class-B ampli
4、fier(c)甲乙类甲乙类 class-AB amplifier(d)丙类丙类 class-C amplifier半导通半导通角角:一个一个周期周期内有内有电流流通的电流流通的相角的一半相角的一半.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(信号的通信号的通带宽度只有其中心频率的带宽度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选，其工作状态通常选为丙类工作状态为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大信号，它，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。的负载必须是谐振回路。丙类丙类(C类类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。放大器的效率最高，
5、但是波形失真也最严重。6.效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决lowhigh3n2 206.效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器丙类丙类 通通过过谐谐振振负负载载，从从丙丙类类余余弦弦周周期期脉脉冲冲里里恢恢复复基基波波完完整整周周期期信号。信号。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管5.2.1 获得高效率所需要的条件获得高效率所需要的条件5.2.2 功率关系功率关系1、原理电路、原理电路(1)晶体管的作用是在将供电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流电源的直流能量转变为交流能量
6、的过程中起开关控制作能量的过程中起开关控制作用。用。(2)LC谐振回路是晶体管的负载谐振回路是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：图图图图 5.2.1 5.2.1 高频功率放大器的高频功率放大器的高频功率放大器的高频功率放大器的基本电路基本电路基本电路基本电路VbmvBtwtiC0-c+cVBB0-c+cvB转移特性iCVBZo理想化失真失真故晶体管的转移特性曲线表达式：故晶体管的转移特性曲线表达式：故得：故得：必须强调指出：必须强调指出：集电极电流集电极电流iC虽然是脉虽然是脉冲状，但由于谐振回路冲
7、状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。能得到正弦波形的输出。高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系（a a）(b)t或电压电流0VBZVCCVBBVbmVcmvBmaxiCiC maxciCvCvBvCmin1.iC 与与vB同相同相，与，与vC反相反相；2.iC 脉冲最大时，脉冲最大时，vC最小最小；3.导通角导通角和和vCmin越小，越小，Pc越小；越小；电路正常工作电路正常工作（丙类、（丙类、谐振谐振）时，时，外部电路关系式：外部电路关系式：直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：集电极效率：集电极效
8、率：集电极集电极电压利用系数：电压利用系数：波形系数：波形系数：集电极耗散功率集电极耗散功率：00.5ff0.2fTfT为了对高频功率放大器进行为了对高频功率放大器进行定量分析定量分析与计算，与计算，关键在于求出关键在于求出电流的直流分量电流的直流分量Ic0与基频分量与基频分量Icm1。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与导通与导通角角c的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。工作状态的选择指明方向。考虑到考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状
9、态大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：的办法：折线近似分析法。折线近似分析法。折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线、测出晶体管的转移特性曲线iC vB及输出特性曲线及输出特性曲线iC vC，并将这两组曲线作理想折线化处理。并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。、作出动态特性曲线。3、根据激励电压、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲出对应电流脉冲iC和输出电压和输出电压vc的波形。的波形。4、求出、求出iC的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic
10、1、Ic2由给定的负由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。率、直流供给功率、效率等指标。图图图图 5.3.1 5.3.1 晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvC欠压欠压临界临界过压过压End图图图图 5.3.2 5.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBVBZ)(vB VBZ)VbmvBtwtiC0-c+cVBBo-
11、c+cvB转移特性iCVBZ0理想化 以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。首先，写出其表达式。iC=gc(vBVBZ)(vB VBZ)=gc(VbmcostVBZVBB)=gcVbm(costcos c)=gcVbm(1cos c)当t=0时，iC=iC max 集电极电流取决于集电极电流取决于脉冲高度脉冲高度iC max与与导通导通角角c当t=c时，iC=0图5.3.3 尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得由傅里叶级数求系数，得其中：其中：尖顶余弦脉冲的尖顶余弦
12、脉冲的分解系数分解系数波形系数波形系数 下面分析基波分量下面分析基波分量I Icm1cm1、集电极效率集电极效率c c和输出功率和输出功率P Po o随通角随通角 c变化的情况，从而选择合适的工作状态。变化的情况，从而选择合适的工作状态。尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时，时，Icm1/iCmax最大。最大。在在iCmax与负载阻抗与负载阻抗Rp为某定值的情为某定值的情况下况下，输出功率将达到最大值。，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。效率太低。图5-9 尖顶脉冲的分解系数由曲线可知：极端情况由曲线可知：极端情况 c=0时，时，如果此时如
13、果此时=1，c可达可达100%。为了兼顾功率与效率，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取70 左右。左右。End 因此，下面分析四个参数因此，下面分析四个参数R Rp p和电压和电压V VCC CC、V VBBBB、V Vbmbm的变化对的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。状态的特点，为工作状态的调整提供参考。集电极效率集电极效率c c和输出功率和输出功率P Po o是否能最佳实现最终取决于是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数功放中外部电路参数R Rp p和电压和电压
14、 V VBBBB、V Vbm bm、V VCC CC。1.高频功放的动态特性高频功放的动态特性-为一直线为一直线 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由立由Rp和和VCC、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。所表示的输出动态负载曲线。动态线动态线作法作法：AB为动态特性曲线，也称为工作路。为动态特性曲线，也称为工作路。取取B点，作斜率为点，作斜率为gd的的直线；直线；取取Q、A两点，连成直线。两点，连成直线。特殊点说明特殊点说明 A点点：0，vB达到最大，达到最大，vC达到最小，达到最小，iC达到最大；达到最大；Q点：点：
15、90，vCVCC，虚拟电流虚拟电流IQ iC=gc（VBBVBZ）图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，亦义是：从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性vBiC-VBBVBZvBiCgCVbmvBmaxiCmaxvCiCVCCQvCmingdgcr过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区vBmax负载增大负载增大2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性iCvCvBmax过
16、过压压区区临界区临界区欠压区欠压区欠压过压0临界Rp欠压过压0临界RpEnd欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压、过压、临界三种工作状态的特点：结论：结论：欠压：恒流，欠压：恒流，Vcm变化，变化，Po较小，较小，c低，低，Pc较大；较大；过压：恒压，过压：恒压，Icm1变化，变化，Po较小，较小，c可达最高；可达最高；临界：临界：Po最大，最大，c较高；较高；最佳工作状态最佳工作状态发射机末级发射机末级中间放大级中间放大级2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性图图5.3.7 负载特性曲线负载特性曲线欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种调整
17、欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：方法：改变集电极负载改变集电极负载Rp；改变供电电压；改变供电电压VCC；改变偏压改变偏压VBB；改变激励；改变激励Vbm。(1)改变改变Rp，但但Vbm、VCC、VBB不变不变 当负载电阻当负载电阻Rp由小由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。临界状态时输出功率最大。(2)改变改变VCC，但，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压不变当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转
18、入欠压。欠压。(3)Vbm或或VBB变化，变化，VCC、Vbm、Rp不变不变,这两种情况所这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是Vbm还是还是VBB的变化，其结果都是引起的变化，其结果都是引起vB的变化。的变化。vCiCvBmaxQVCCQVCCQVCCiC1.改变改变CCCC对工作状态的影响对工作状态的影响过压欠压0临界VCC过压欠压0临界VCC集电极调幅作用是通过改变集电极调幅作用是通过改变VCCCC来改变来改变cm1cm1与与o o才能实现的，因才能实现的，因此，必须工作于过压区。此，必须工作于过压区。高高频频电电子子线线路路
19、（第第四四版版）张张肃肃文文主主编编 高高等等教教育育出出版版社社2.改变改变bmbm对工作状态的影响对工作状态的影响vCiCvBmax1vBmax2QVCCvBmax4iCvBmax3欠压过压0临界Vbm欠压过压0临界Vbm3.改变改变BBBB对工作状态的影响对工作状态的影响 基极调幅作用是通过改变基极调幅作用是通过改变BBBB来改变来改变cm1cm1与与o o才能实现的，才能实现的，因此，必须工作于欠压区。因此，必须工作于欠压区。vbeVBBvBmax1vBiCVBBvBmax2VBBvBmax3vCiCvBmax1vBmax2QVCCvBmax3iCVBB绝对值的增加等效于减少绝对值的增
20、加等效于减少 Vbm，两者都会使两者都会使vBmax产生相同的变化产生相同的变化谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。1)首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量iCmax和和 c导通角导通角 c集电极电流脉冲幅值集电极电流脉冲幅值iCmax2)电流余弦脉冲的各谐波分量系数电流余弦脉冲的各谐波分量系数 0(c)、1(c)、n(c)可查表求得，并求得个分量的实际值。可查表求得，并求得个分量的实际值。3)谐振功率放大器的功率和效率谐振功率放大器的功率和效率直流功率：直流功率：P=Ic0 VCC交流输出功率：交流输出功率：集电
21、极效率：集电极效率：4)根据根据可求得最佳负载电阻：可求得最佳负载电阻：在临界工作时，在临界工作时，接近于接近于1，作为工作估算，可设定，作为工作估算，可设定=1。“最佳最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。器的效率较高，输出功率较大。可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角 c改变改变而变化的。而变化的。c小，小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。器具有大的最佳负载电阻值。在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需
22、要通过匹配在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载网络和终端负载(如天线等如天线等)相匹配。相匹配。例例5-1 有有一一个个用用硅硅PNP外外延延平平面面型型高高频频功功率率管管3DA1做做成成的的谐谐振振功功率率放放大大器器，设设已已知知VCC=24V，Po=2W,工工作作频频率率=1MHz,试试求求它它的的能能量量关关系系。由由晶晶体体管管手手册册已已知知其其有有关关参参数数为为 fT70MHz，功功率率增增益益Ap13dB，管管子子允允许许通通过过的的最最大大电电流流ICmax=750mA，最最大大集集电电极极功功耗耗为为Pcmax=1W。管管子子的的集集电电极极饱
23、饱和和压压降降VCE(sat)1.5V,c=70 。例例5-2 某某晶晶体体管管谐谐振振功功率率放放大大器器，VCC=24V,IC0=300mA,电电压压利利用用系系数数=0.95,VBZ=0.5V,Po=6W。试试求求电电源源供供给给功功率率P=，集集电电极极耗耗散散功功率率Pc，集集电电极极电电流流基基波波振振幅幅Icm1，最最大大值值iCmax与与导导通通角角 c。若偏压。若偏压VBB=0.5V，求输入电压信号振幅，求输入电压信号振幅Vbm。2)2)根据根据求得求得V Vbmbm 3)3)根据根据i iCmaxCmax =g gc cV Vbmbm(1(1coscos c c)求得求得i
24、 iCmaxCmax、I Icm1cm1、I Ic0c0 c=70，cos70=0.342，Icm1=ic max1(70)=1.9 0.436=0.828A Ic0=i c max0(70)=1.9 0.253=0.481A 1 1)根据图可求得转移特性的斜率根据图可求得转移特性的斜率gcgc例例5-3 某某谐谐振振功功率率放放大大器器的的转转移移特特性性如如图图所所示示。已已知知该该放放大大器器采采用用晶晶体体管管的的参参数数为为：fT150MHz，功功率率增增益益Ap13dB，管管子子允允许许通通过过的的最最大大电电流流ICmax=3A，最最大大集集电电极极功功耗耗为为Pc max=5W
25、。管管子子的的VBZ=0.6V，放放大大器器的的负负偏偏置置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。4)4)求交流电压振幅：求交流电压振幅：则则 5)5)激励功率激励功率 因为因为A Ap p=13dB=13dB，即即 例例5-4 谐振功率放大器输出功率谐振功率放大器输出功率Po已测出，在电路参数不已测出，在电路参数不变时，为提高变时，为提高Po采用提高采用提高Vbm的办法。但效果不明显，试分的办法。但效果不明显，试分析原因，并指出为了达到析原因，并指出为了达到Po明显提高的目的，可采用什么明显提高的目的，可采用什么措施措施?负载特性曲线负载特性曲线采用提高采用提高Vbm提高提高Po效果不明显效果不明显说明放大器工作在过压工作状态，说明放大器工作在过压工作状态，为了达到为了达到Po明显提高的目的可以明显提高的目的可以减小减小Rp或或增加增加Vcc。