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1、第第 3 3 章章 高频谐振放大器高频谐振放大器 3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性 3.2.1 工作原理工作原理 3.2.2 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器的工作状态的工作状态 作业：作业：3-11、3-18一、概一、概 述述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 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号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3、低频功放与高频功放的区别效率高低不同效率高低
2、不同 相对带宽不同相对带宽不同 低频功放为宽带，高频功放为窄带。前者为阻性负载，后者为谐振负载。4、采用传输线作为负载的宽带高频功放5、按电流的流通角分类功放（甲、乙、丙），按电 流或电压的开关状态分类功放（丁、戊）。6、图解分析法和解析近似分析法l 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，而且放大器的负：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。不同之处不同之处：（：（1 1）为激励信号幅度大小不同；（为激励信号幅度大小不同；（2 2）放大器工）放大器工 作点不同；作点
3、不同；(3)(3)晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。l 谐振谐振功率放大器与功率放大器与非谐振非谐振功率放大器的异同功率放大器的异同共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。谐振功率放大器谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽信号的通带宽度只有其中心频率的度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选为丙，其
4、工作状态通常选为丙(C)(C)类类工作状态工作状态(c c9090)，为了不失真的放大信号，它的负载必须，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。是谐振回路。非谐振放大器非谐振放大器可分为可分为低频功率放大器低频功率放大器和和宽带高频功率放大宽带高频功率放大器器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲(A)(A)类或类或乙乙(B)(B)类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线传输线为负载。为负载。l 工作状态工作状态 谐振功率放大器通常工作于谐振功率放大器通常工作于丙类丙类工作状态，属于工作状态，属于非
5、线性非线性电路电路.功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。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。l 非线性功率放大电路分析方法非线性功率放大电路分析方法二大类二大类：图解法图解法和和解析近似分析法解析近似分析法（1）图解法）图解法：利用管子的特性曲线来对它的工作状：利用管子的特性曲线来对它的工作状态进行计算。特点：客观、准确，但烦冗。态进行计算。特点：客观、准确，但烦冗。（2）解析近似
6、分析法）解析近似分析法：将管子的特性曲线用某些近：将管子的特性曲线用某些近似解析式（折线法）来表示，然后对放大器的工作似解析式（折线法）来表示，然后对放大器的工作状态进行分析计算。特点：方便、物理概念清楚，状态进行分析计算。特点：方便、物理概念清楚，但准确度低。但准确度低。3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理1、电流、电压波形、电流、电压波形晶体管的作用是在将供电电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。量的过程中起开关控制作用。谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载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
7、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：为发射结的导通电压（）（集电结外部电路）（集电结外部电路）(发射结外部电路发射结外部电路)故有：故有：图图3-13 集电极电流的波形集电极电流的波形故得：故得：必须强调指出，集电极电流必须强调指出，集电极电流i ic c虽然是脉冲状，但由于谐振回虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。转移特性icVBZo理想化ic maxicwto+qcqco+qcqcVbmVbmebvcVBBwt图图3-14 高频功率放大器中各部分电压与电流的关系高频功率放大器中各部分电压与电
8、流的关系谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示高频功率放大器中各部分电压与电流的关系高频功率放大器中各部分电压与电流的关系u 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解 当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。尖顶余弦脉冲尖顶余弦脉冲晶体管的内部特性为：晶体管的内部特性为：它的外部电路关系式它的外部电路关系式当当 t=0时，时，ic=ic max 因此因此ic=gc(uBE
9、Eb)uBE=VBB+Vbmcos tuCE=VCCVcmcos tic max=gcVbm(1cos c)ic maxwto2qc余弦脉冲分解：余弦脉冲分解：当当 t=时，时，ic=0 即即 0=gc(VBB+Vbmcos VBZ)（2）当当 t=0 时，时，ic=ic max，即即 ic max=gcVbm（1 )（3）ic=gc(VBB+Vbmcos t VBZ)（1）（1）-（2）得ic=gcVbm（cos t )若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数由傅里叶级数的求系数法得由傅里叶级数的求系数法得其中：其中：图图3-15 尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数an2.
10、01.00.50.40.30.20.102040608010 0qca1a0180120160a1a0a0a1a2a3140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时，时，Icm1/icmax达到最大值。在达到最大值。在Ic max与与负载阻抗负载阻抗Rp为某定值的为某定值的情况下，输出功率将达情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，到最大值。这样看来，取取 c=120 应该是最佳通应该是最佳通角了。但此时放大器处角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太于甲级工作状态效率太低。低。右图可见：右图可见：an2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qca1a0
11、180120 160a1a0a0a1a2a3140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数由于：由于：波形系数波形系数由曲线可知：由曲线可知：极端情况极端情况 c c=0=0时，时，此时此时=1，可达可达100%因此，为了兼顾功率与效率，因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取70 左右左右。an2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qca1a0180120 160a1a0a0a1a2a3140LCLC回路能量转换过程回路能量转换过程LCLC回路的这种滤波作用回路的这种滤波作用（从能量的观点来解释）（从能量的观点来解释）当晶体管由截止转入导电时，当晶体管由截止转入
12、导电时，由于回路中电感由于回路中电感L L的电流不能突变，的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过因此，输出脉冲电流的大部分流过电容电容C C，即使，即使C C充电。充电电压的方充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源向是下正上负。这时直流电源V VCCCC给给出的能量储存在电容出的能量储存在电容C C之中。过了一之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到段时间，当电容两端的电压增大到一定程度一定程度(接近电源电压接近电源电压)，晶体管，晶体管截止。截止。由于这种周期性的能量补充，由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量
13、相等时，电路的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。等幅的正弦波振荡。2.高频功率放大器的能量关系高频功率放大器的能量关系 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。输出去。由前述所知：由前述所知：有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。耗散功率。P P0 0=I=IC0C0E EC C
14、-直流电源供给的直流功率直流电源供给的直流功率P P1 1=(I=(IC1C1U UC C)/2=(I)/2=(IC1C12 2R RL L)/2=U)/2=UC C2 2/2R/2RL L-交流输出信号功率交流输出信号功率P Pc c=P=P0 0-P-P1 1-集电极耗散功率集电极耗散功率根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：1)1)设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率P Pc c，则集电极效率则集电极效率 自然会提自然会提2)2)高。这样，在给定高。这样，在给定P P0 0时，晶体管的交流输
15、出功率时，晶体管的交流输出功率P P1 1就会增大；就会增大；2 2）由式由式可知可知 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值，那么提不超过规定值，那么提高集电极效率高集电极效率，将使交流输出功率，将使交流输出功率P P1 1大为增加。谐振功率放大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：可见使可见使i ic c在在 最低的时候才能通过，那么，集电极耗散最低的时候才能通过，
16、那么，集电极耗散功率自然会大为减小，即减小导通角。功率自然会大为减小，即减小导通角。3.2.2 3.2.2 谐谐振功率放大器的工作状振功率放大器的工作状态态一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代所谓折线法是将电子
17、器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1 1、测出晶体管的、测出晶体管的转移特性转移特性曲线曲线ic uBE及及输出特性输出特性曲线曲线ic uce，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 2、作出动态特性曲线、作出动态特性曲线3 3、是根据激励电压、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量I
18、c0、Ic1、Ic2由给定的负载谐由给定的负载谐 振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、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、效率等指标直流供给功率、效率等指标二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线 根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。由上图可见，由上图可见，在饱和区，根据理在饱和区，根据理想化原理，集电极想化原理，集电极电流只受集电极电电流只受集
19、电极电压的控制，而与基压的控制，而与基极电压无关。极电压无关。若临界线的斜率为若临界线的斜率为g gcrcr，则临界线方程可写为，则临界线方程可写为 ic=gcruCE 高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗R Rp p、激励电压、激励电压vb、供电、供电电压电压VCC、VBB等等4 4个参量决定的。个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。如果如果VCC、VBB、vb 3 3个参变量不
20、变，则放大器的工作状态个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。1.高频功放的动态特性高频功放的动态特性当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为uBE=Eb+Ubcos t uCE=ECUccos t消去消去cos t可得，可得，uBE=Eb+Ub另一方面，晶体管的折线化方程为另一方面，晶体管的折线化方程为ic=gc(uBEEb)得出在得出在icu
21、CE坐标平面上的动态特性曲线坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路负载线或工作路)方方程：程：=gd(uCE V0)负载线的斜率为 ，截距为 图中示出动态特性曲图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的线的斜率为负值，它的物理意义是：物理意义是：从负载方面看来，放从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能发生器，可以输出电能至负载。至负载。用类似的方法，可用类似的方法，可得出在得出在ic uBE坐标平面坐标平面的动态特性曲线。的动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形 令 uCE=EC，为图中为
22、图中Q点（点（ic为负值），为负值），再令再令ic=0时，为图中的C点。3)3)临界工作状态（负载线临界工作状态（负载线2 2）：是欠压和过压状态的分界点，是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。集电极最大点电流正好落在临界线上。2)2)过压工作状态（负载线过压工作状态（负载线3 3）：集电极最大点电流进入临界线集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大。高且变化不大。1)1)欠压工作状态欠压工作状态(负载线负载线1)1)：集电极最大点电流在饱和临界集电极最大点电流在饱和临界线的右方，交流输出电压较低且线的右方，交流输出电
23、压较低且变化较大。变化较大。2.高频功放的工作状态高频功放的工作状态例例3-1 某高频功率管工作在临界状态，通角为70，输出功率为3W，EC=24v,Eb=-0.5v,所用高频功率管的临界饱和线斜率SC=0.33A/V,转移特性曲线斜率S=0.8A/V,Eb=0.65v,管子能安全工作。试计算：P0、Ub以及负载阻抗的大小。解：（1）icm=Scuce=Sc(Ec-Uc)=Scuce=Sc(1)Ec P1=ic1Uc/2=icma1()Ec/2 所以，解得(2)ICO=icma0()=0.158 A po=IC0EC=3.79w IC1=icma1()=0.273A pC=P0-P1=0.79w =P1/P0=79%或=/2=0.921x(a1/a0)/2 RLCr=UC/IC1=Ec/0.273=0.921X24/0.273=82欧姆（3）Ub=icm/(1-cos)S=1.19v Eb=Eb-Ubcos=0.24v