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1、2、功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：、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联想对比：联想对比：谐振功率放大器谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器谐振功率放大器与低频功率放大器；与低频功率放大器；4.1概述概述1、使用谐振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。第1页/共86页3、谐振功率放大器谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处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
2、。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。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图第2页/共86页小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 2 c是在一周期内的集电极电流流通角2c第3页/共86页谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图2cc可称为半流通角或截止角(意即t=c时，电流被截止)。为方便起见，以后将c简称为通角 第4页/共86页共同之处共同之处: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
3、量转换器，把电源供给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。放大器的效率。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的主要技术指标是输出功率与效率4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处不同之处：工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同。第5页/共86页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。方式，为了进一步提高工
4、作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路第6页/共86页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,其工作状其工作状态通常选为丙类工作状态态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大信，为了不失真的放大信号，它的负载必须是号，它的负载必须是谐振回路谐振回路。非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类
5、或乙类工作状态；乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。谐振功率放大器谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法的分析方法：图解法，解析法第7页/共86页1、原理电路、原理电路谐振功率放大器谐振功率放大器的基本电路的基本电路(1)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量源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。的过程中起开关控制作用。(2)谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态：基级负偏压电路工作在丙类工作状态：基级负偏压外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特
6、性：晶体管的内部特性：4.2谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理第8页/共86页根据晶体管的转移特性曲线可得：根据晶体管的转移特性曲线可得：谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：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虽然是脉冲状，虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波作用，仍然能得到正弦波形的输出波形的输出。vb第9页/共86页10谐振功率放大器中各部分谐振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）2、电流与电压波形：、电流与电压波形：第10页/共86页4.2.2 谐振功率放大器的
7、功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控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输出去。信号功率输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集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。电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率集电极效率cP=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率集电极
8、耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故故集电极效率集电极效率：第11页/共86页 直流电源所供给的直流功率P=，一部分转变为交流信号功率P0输出去。另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Pc。根据能量守衡定理：P=P0+Pc(1)功率关系直流功率：输出交流功率：Vcm 回路两端的基频电压幅度 Icm1 基频电流幅度RL 回路的负载阻抗 4.2.2 谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率第12页/共86页讨论:如何提高P0?1.保持Icm1不变,提高Vcm:即输入回路不变,调整输出回路,通过提高RL及UCC以获得大的Vcm,P0;2.保持RL不
9、变,提高Icm1:即输出回路不变,RL及VCC不变,可调整输入回路,通过提高iCmax及调整以获得大的Icm1,Vcm,P0。a.保持不变,增加iCmax;b.保持iCmax 不变,增加1().第13页/共86页a.保持不变,增加iCmax:如提高gc,Vbm和VBB VbmvbwttiC0-c+c-VBB0-c+cvB转移特性iCVBZo理想化Vbm第14页/共86页b.保持iCmax 不变,增加1():如调整=1200 .120第15页/共86页(2)放大器的集电极效率：集电极电压利用系数波形系数，是通角的函数；越小,越大第16页/共86页 因此，丙类谐振功率放大器提高效率的途径有二：一是
10、提高电压利用系数。即提高Vcm,使其尽量接近于VCC.二是提高波形系数 。是 的函数，减小角可提高 .讨论：如何提高效率?第17页/共86页由上图曲线可知：由上图曲线可知：极端情况极端情况=0 时，时，若此时=1，可达100%，但此时P0=0，无功率输出.=0!第18页/共86页由前面对功率的讨论可知:当120时，Icm1/iCmax达到最大值。即在iCmax与负载阻抗RL为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类工作状态，效率太低。由右图可见：由右图可见：因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右.70!第19页/共86页4.3.1折线法折线法所谓折线法是将电子器件的特
11、性曲线理想化，用一组所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。工程上都采用工程上都采用近似估算近似估算和和实验调整实验调整相结合的方法对高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。析法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流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的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。4.3谐振功率放大器的折线近似分析法谐振功率放大器的折线近似分析法第20页/共86
12、页折线分析法的步骤：折线分析法的步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线ic vBE及输出特性曲线ic vCE，并将这两组曲线作理想折线化处理；2、作出不同工作状态下的动态特性曲线；3、根据激励电压vb的大小在特性曲线上画出对应电流脉冲ic和输出电压vc的波形；4、分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出功率、效率等指标的。第21页/共86页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根据理想化原理,晶体管的静态转移特性可用交横轴于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)
13、。根据理想化原理，在根据理想化原理，在放大区放大区,集电极电流只受基极电压的控制集电极电流只受基极电压的控制,与集电极电压无关与集电极电压无关;在在饱和区饱和区，集电极电流只受集电极电压控制，而与基极电压无关。，集电极电流只受集电极电压控制，而与基极电压无关。4.3.2晶体管特性曲线的理想化及其特性曲晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线线第22页/共86页在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：1)欠压工作状态：欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，集电极最大点
14、电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。交流输出电压较低且变化较大。2)过压工作状态：过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大。交流输出电压较高且变化不大。3)临界工作状态：临界工作状态：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。第23页/共86页则则临界线方程临界线方程可写为可写为 ic=gcrvCE (2)gcr 为临界线的斜率为临界线的斜率则则转移特性方程转移特性方程可写为可写为 ic=gc(vBEVBZ)(vBEVBZ)(
15、1)gc 为转移特性方程的斜率式(1)和(2)是折线近似法的基础，应很好地掌握。第24页/共86页当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极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。电流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ic=gc(vBEVBZ)(1)vBE=VBB+Vbmcos t (2)vCE=VCCVcmcos t (3)将式(2)代入式(1)，得 ic=gc(VBB+VbmcostVBZ)(4)当t=c时，ic=0，代入上
16、式得 0=gc(VBB+VbmcoscVBZ)(5)即 4.3.3集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解第25页/共86页(6)知道Vbm、VBB与VBZ各值，c的值便完全确定。第26页/共86页将式(4)与式(5)相减，即得 ic=gcVbm(costcosc)(7)当t=0时，ic=ic max，因此 ic max=gcVbm(1cos c)(8)将式(7)与式(8)相除，即得或 式(9)即为尖顶余弦脉冲的解析式，它完全取决于脉冲高度ic max与通角c。(9)ic=gc(VBB+VbmcostVBZ)(4)0=gc(VBB+VbmcoscVBZ)(5)第27页/共86页若将尖顶
17、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：尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数(4-21)(4-22)第28页/共86页1.谐振功率放大器的动态特性4.3.4谐振功率放大器的动态特性与负载特谐振功率放大器的动态特性与负载特性性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Rp、激励电压、激励电压vbm、供电、供电电压电压VCC、VBB等等4个参量决定的。个参量决定的。如果如果VCC、VBB、vbm 3个参变量不变，则放大器的工作状态就个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻由负载电阻Rp决定。此时，放大器的
18、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，就叫做放大器的而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。负载特性。第29页/共86页动态特性所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的vCE、vBE与ic的关系曲线就叫做动态特性。晶体管的静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。例如，维持集电极电压vCE不变，改变基极电压vBE，就可求出icvBE静态特性曲线族。如果集电极电路有负载阻抗，则当改变vBE使ic变化时，由于负载上有电压降，就必然同时引起vCE的变化。第30页/共86页当放大器工作于谐振状态时，它的外
19、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vBE=VBB+Vbmcos t vCE=VCCVcmcos t消去消去cos t可得，可得，vBE=VBB+Vbm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(vBEVBZ)得出在得出在icvCE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)方程：方程：=gd(vCE V0)动态特性（4-23）（4-24）第31页/共86页图中示出动态特性图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它曲线的斜率为负值，它的物理意义是：的物理意义是：从负载方面看来，从负载方面看来，放大器相当于一个负电
20、放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流阻，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。电能至负载。用类似的方法，可用类似的方法，可得出在得出在ic vBE坐标平面坐标平面的动态特性曲线。的动态特性曲线。根据上式可作出功放的根据上式可作出功放的动态特性曲线动态特性曲线如图所示：如图所示：ic=gd(vCE V0)动态特性第32页/共86页动态线动态线作法作法：AB为动态特性曲为动态特性曲线，也称为工作路。线，也称为工作路。取取B点，作斜率为点，作斜率为gd的直线；的直线；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，vBE达到最大，达到最大
21、，vCE达到最小，达到最小，iC达到最大；达到最大；Q点：点：90，vCEVCC，虚拟电流虚拟电流IQgc（VBBVBZ）ic c vCECE坐标平面上的坐标平面上的动态特性曲线动态特性曲线的作法与相应的的作法与相应的ic c波形波形 vCE=VCCVcmcos tvBE=VBB+Vbmcos tvBE=VBBic=gd(vCE V0)动态特性第33页/共86页2.功率放大器的功率放大器的负载特性负载特性在在 VCC、VBB、Vbm为一定，为一定，只变化放大器的负载电阻而只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称出功率、效率的变化特性称为负
22、载特性。为负载特性。电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形1)在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。负载特性第34页/共86页2)欠压、过压、临界三种工作状态欠压、过压、临界三种工作状态 欠压状态欠压状态:B点以右的区域。点以右的区域。在欠压区至临界点在欠压区至临界点 的范围内，根的范围内，根据据Vc=RpIc1，放大器的交流输出，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效的增大而增大，其输出功率、效率的
23、变化也将如此。率的变化也将如此。临界状态临界状态:负载线和负载线和vb max正好相交于临界线的拐点。放大正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。效率也就较大。根据Rp与VBEmax相交在不同区域，可分为三种工作状态:负载特性第35页/共86页 过压状态过压状态电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形过压状态放大器的负载较大，如动态线3就是这种情况。动态线穿过临界点C后，电流沿临界线下降，因此集电极电流ic呈下凹顶状，过压愈重，则ic波顶下凹愈厉害，严重时，ic波形可分裂为两部分。
24、根据傅里叶级数对ic波形分解可知，波形下凹的ic，其基波分量Ic1会下降，下凹愈深，则Ic0、Ic1的下降也就愈激烈因此放大器的输出功率和效率也要减小。第36页/共86页根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线负载特性曲线负载特性曲线欠压状态欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅基极调幅，需采用这种工作状态。，需采用这种工作状态。第37页/共86页过压状态过压状态的优
25、点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、发射机的中间级、集电极调幅集电极调幅级常采用这种状态。级常采用这种状态。负载特性曲线负载特性曲线第38页/共86页临界状态临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状设计成这种状态，在计
26、算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。态为例。负载特性曲线负载特性曲线 掌握负载特性，对分析掌握负载特性，对分析集电极调幅集电极调幅电路、电路、基极调幅基极调幅电路电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。是很有帮助的。第39页/共86页1.导通角导通角 c的调整的调整4.3.5放大器工作状态及导通角的调整放大器工作状态及导通角的调整2.欠压、临界、过压工作状态的调整欠压、临界、过压工作状态的调整调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负
27、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。改变VBE第40页/共86页(1)改变Rp，但Vbm、VCC、VBB不变 当负载电阻Rp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。在临界状态时输出功率最大。负载特性曲线负载特性曲线第41页/共86页VCC变化时对工作状态的影响变化时对工作状态的影响在在欠压区欠压区内，输出电流的振内，输出电流的振幅基本上不随幅基本上不随VCC变化而变化，变化而变化，故输出功率基本不变；故输出功率基本不变；而在而在过压区过压区，输出电流的振，输出电流的振幅将随幅将随VCC的减小而下降，故的减小而下降，
28、故输出功率也随之下降。输出功率也随之下降。(2)改变VCC，但Rp、Vbm、VBB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欠压。第42页/共86页改变VCC对工作状态的影响第43页/共86页(3)Vbm变化，但变化，但VCC、VBB、Rp不变不变或或VBB变化，但变化，但VCC、Vbm、Rp不变不变,这两种情况所引起放大器工作状态这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。的变化是相同的。因为无论是因为无论是Vbm还是还是VBB的变化，其的变化，其结果都是引起结果都是引起vBE的变化。的变化。由由 vBE =-VBB+Vbmcos t vBEmax=-VB
29、B+Vbm 当当VBB或或Vbm由小到大变化时，由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。界转入过压。第44页/共86页在在过压区过压区中输出电压随中输出电压随VCC改变而变化的特性为改变而变化的特性为集电极调幅集电极调幅的的实现提供依据；实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。来实现调幅过程的。改变改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。1.改变改变VCC对工作状态的影响对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响V
30、CC由小由小大时，对应工作状态由过压大时，对应工作状态由过压临界临界欠压。欠压。第45页/共86页Vbm变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化2.改变vb m对工作状态的影响当当vb m由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压临界临界过压。过压。欠压区：基极调幅第46页/共86页例4-1 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?负载特性曲线负载特性曲线采用提高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
31、目的可以减小Rp或增加Vcc。第47页/共86页谐振功率放大器的主要指标是谐振功率放大器的主要指标是功率功率和和效率效率。以临界状态为例：以临界状态为例：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ic max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Icm4.3.6谐振功率放大器的计算谐振功率放大器的计算(4-19)第48页/共86页2)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
32、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：集电极效率：集电极效率：尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数第49页/共86页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
33、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。第50页/共86页 2)根据求得Vbm 3)根据ic max=gcVbm(1cosc)求得ic max、Ic1、Ic0 Ic1=ic max1(70)=20.436=0.872A Ic0=i c max0(70)=20.253=0.506Ac=70，cos70=0.342，1)根据图可求得转移特性的斜率gc例4-2 某谐振功率放大器的转移特性如图
34、所示。已知该放大器采用晶体管的参数为：fT150MHz，功率增益Ap13dB，管子允许通过的最大电流IcM=3A，最大集电极功耗为Pc max=5W。管子的VBZ=0.6V，放大器的负偏置VBB=1.4V，c=70，VCC=24V，=0.9，试计算放大器的各参数。第51页/共86页4)求交流电压振幅：Vcm=VCC=240.9=21.6V 对应功率、效率。P=VCC IC0=240.506=12W Po=Pc=P=-Po=2.6WPc max (安全工作)则 5)激励功率 因为Ap=13dB，即 第52页/共86页4.4.1直流馈电电路直流馈电电路4.4.2输出回路和级间耦合回路输出回路和级间
35、耦合回路集电极馈电电路集电极馈电电路基极馈电电路基极馈电电路级间耦合网络级间耦合网络输出匹配网络输出匹配网络4.4谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路第53页/共86页 谐振功率放大器的管外电路包含有直流馈电电路和滤波匹配网络两部分，它们是保证谐振功率放大器能够正常工作的必要条件。4.4.1 直流馈电线路 直流馈电电路是指直流供电电路，它包括集电极馈电电路和基极馈电电路。在谐振功率放大器中，无论是集电极馈电还是基极馈电，都有两种不同的连接方式，分别称为串联馈电和并联馈电。第54页/共86页 所谓串馈（Series Sulpply）是指直流电源Vcc、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为串接的一种
36、馈电7.3.1(a)所示。一集电极馈电电路1串联馈电（简称为串馈）电路 集电极串联馈电电路第55页/共86页A各元件的作用 Lc为高频扼流圈，它与Cc构成电源滤波电路，要求在信号频率上Lc的感抗很大，接近开路，Cc的容抗很小，接近短路，目的是避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。集电极串联馈电电路第56页/共86页B电路特点 a.Vcc与“地”间的杂散电容较大，但对LC回路的影响较小；b馈电支路分布参数对回路影响小；c.LC回路处在直流高电位上，安装不便；所以电路适合于频率高的场合。集电极串联馈电电路第57页/共86页2并联馈电（简称为并馈）电路 所谓并馈（Parallel
37、Supply）是指直流电源Vcc、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为并接的一种馈电方式。A各元件的作用 Lc为高频扼流圈、Cc1为电源滤波电容、Cc2为隔直流电容。集电极并联馈电电路第58页/共86页 a馈电支路分布参数直接影响信号回路的谐振频率；b信号回路（）处于直流低电位上，安装参数影响较大；所以，电路适合于频率较低的场合。无论哪种馈电方式，都满足 B电路特点调整方便；c 间分布图4-15（b）集电极并联馈电电路第59页/共86页二基极馈电电路 下图中基极偏置电压是由 通过、分压提供的，为了保证丙类工作，上的分压值应小于功率管导通电压，属于并馈电路。基极并联馈电电路第60页/共86页但在丙
38、类功放中，通常采用自偏压的形式：图4-16 基极自偏压馈电电路 电路特点：图（a）所示是利用基极电流的直流分量 在上产生所需的偏置电压 ，是并馈电路。第61页/共86页 图（b）所示是利用射极电流直流分量 在 上产生所需的反向这种自给偏置的优点是能够自动维持放大器的工作稳定。当激励加大时，态变化不大。，是串馈电路，偏置电压增大，使偏压 也加大，静态工作点Q降低，因而又使 的相对增加量减小；反之，当激励减小时，减小，偏压 减小，因而 的相对减小量也减小，这就使放大器的工作状第62页/共86页图（c）所示是利用 流过高频扼流圈 的直流电阻，得到近似0V的稳定偏置电压，是并馈电路，由于所得到的 小，
39、因而一般只在需要小的（接近乙类工作）时，才采用这种电路。第63页/共86页4.4.2 输出回路和级间耦合回路 高频功率放大器的级与级之间或放大级与负载之间，都要采用一定形式的回路，这个回路一般是四端网络。如下图所示。1、输入匹配（级间耦合）网络（Input matching circuit）：四端网络是用以与下级放大器的输入端相连接。作用是自前级放大器或信号源取得最大激励功率。放大器与负载之间 用四端网络耦合 第64页/共86页 2、输出匹配网络（Output matching circuit）：四端网络是用以输出功率至负载作用。作用是保证放大器的输出功率有效的加到负载（天线）上。这个四端网络
40、应完成的任务是：使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着阻抗匹配的作用。第65页/共86页 大多数发射机为波段工作，因此该四端网络应适应波段工作的要求，改变工作频率时调谐要方便，并能在波段内保持良好的匹配等。抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。第66页/共86页 输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络.这种匹配网络有L型、型、T型网络及耦合回路。输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波
41、和高效率。通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗ZL(或RL)转换成放大管所要求的最佳负载阻抗RLCR，使管子送出的功率P1能尽可能多的馈至负载，这就叫做达到了匹配状态。当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。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(如天线等)相匹配。需要匹配的原因:匹配的原理:第67页/共86页 1.L型匹配网络 L型匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型网络作匹配之用。第68页/共86页2.形匹配网络 3.T形匹配网
42、络第69页/共86页 1.160MHz，13W谐振功率放大电路 放大器的功率增益达9dB，可向50负载供出13W功率，电路如图所示。基极采用自给偏置电路，Ib0在Lb的直流电阻上产生很小的负向偏置电压，C1、C2、L1构成T型匹配网络，调节C1和C2，使本级的输入阻抗等于前级放大器所要求的50匹配电阻，以传输最大的功率。集电极采用并馈电路。LC，为高频扼流圈CC为高频旁路电容。对于交流信号，放大器的输出端采用L型匹配网络，调节C3、C4可使50的负载阻抗变换为功率放大管所要求的最佳匹配阻抗Rp 。4.5 谐振功率放大器实例第70页/共86页放大器的功率增益为7dB，可给50负载输出25W功率，
43、电路如图所示。本电路基极部分与上图相同，集电极的馈电是串馈形式，L2不是高频扼流圈，而是网络元件，L2、L3、C3、C4构成型匹配网络。2.50MHz，25W调谐功率放大电路第71页/共86页在发射系统中常采用晶体管丙类倍频器来获得所需要的发射信号频率。采用倍频器的原因：(1)降低主振器的频率，对频率稳定指标是有利的。(2)为了提高发射信号频率的稳定程度，主振器常采用石英晶体振荡器，但限于工艺，石英谐振器的频率目前只能达到几十MHz，为了获得频率更高的信号，主振后需要倍频。(3)加大调频发射机信号的频移或相移，即加深调制度。4.6 晶体管倍频器晶体管倍频器第72页/共86页采用倍频器的原因：(
44、4)倍频器的输入信号与输出信号的频率是不相同的，因而可削弱前后级寄生耦合，对发射机的稳定工作是有利的。(5)展宽通频带倍频器常有三种形式：1、乘法器实现倍频；2、丙类放大器倍频，3、参量倍频器。第73页/共86页4.6.2晶体管丙类倍频电路与工作原理某系统发射信号频率为49MHz，该频率由16.333MHz三倍频而来。16.333MHz振荡器输出接激励级，若将输出负载回路调谐在三次谐波频率上即可得到49MHz的发射频率。其如图所示。第74页/共86页4.6.2晶体管丙类倍频电路与工作原理晶体管丙类倍频电路与工作原理丙类倍频器的基本电路如图所示。Rb_自偏电阻，也可用高频扼流圈代之，C2是高频旁
45、路电容,L、C是调谐回路，调谐在输入信号的某次谐波频率上。第75页/共86页 导通角的大小又该如何选取呢？这要根据倍频器的倍频次数来决定，由余弦脉冲分解系数可见，二次谐波系数的最大值对应在导通角c=60。附近，三次谐波系数的最大值所对应的导通角约为40。，谐波次数更高时，导通角更小。丙类倍频器工作在丙类，因为丙类放大器的集电极电流ic是一脉冲波形，电流含有输入信号的基频和高次谐频。输出回路调谐于某次谐波即可实现某次谐波的放大。丙类倍频器工作的工作状态:倍频器应该工作在欠压、临界还是过压状态呢？欠压和临界状态。第76页/共86页4.6.3负载回路的滤波作用负载回路的滤波作用丙类放大管集电极电流i
46、c的基波分量的振幅最大，二阶谐波次之，谐波次数愈高，其幅值也愈小。作为基波放大时，负载回路要滤除高次谐波分量还是比较容易的。但是，作为倍频器，要滤除的是幅值较大的低次谐波分量，这会有不少困难。第77页/共86页 负载回路中的吸收电路(1)提高回路的品质因数Q0，设倍频次数为n，则输出调谐回路的Q约需 Qo10n，若n=3，则Qo95。(2)在输出回路旁并接吸收回路，吸收回路可调谐在信号基频上或其他特别要滤除的频率上，如图所示。(3)采用选择性好的带通滤波器作负载回路。(4)用推挽倍频电路。怎样提高输出回路的滤波作用呢？第78页/共86页 一、掌握谐振功率放大器的作用、特点及其与高频小信号放大器
47、和低频功率放大的相同点和不同点。1.谐振功率放大器主要用来放大高频大信号，其目的是为了获得高功率和高效率输出的有用信号。2.谐振功率放大器的特点是晶体管基极为负偏压，即工作在丙类工作状态，其集电极电流为余弦脉冲状，由于负载为LC回路，则输出电压为完整正弦波。本 章 小 结第79页/共86页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：放大的信号均为高频信号，相同之处：放大的信号均为高频信号，放大器的负载均为谐振回路。放大器的负载均为谐振回路。不同之处：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。共同之处:都要求输出功率大和效
48、率高。不同之处：工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同,分析方法不同高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处第80页/共86页 丙类谐振功率放大器工作在非线性区，采用折线近似法进行分析，根据晶体管是否工作在饱和状态而分为欠压、临界和过压三种工作状态。二、掌握谐振功率放大器的分析方法二、掌握谐振功率放大器的分析方法 当负载电阻Rp变化时，其工作状态发生变化，由此引起放大器输出电压、功率、效率的变化特性称为负载特性。三、掌握谐振功率放大器的负载特性、各极电压对工作状态的影响负载特性曲线负载特性曲线第81页/共86页 各极电压的变化也会引起工作状态的变化。其中临界工作时输出功
49、率最大，效率也较高，欠压、过压工作状态主要用于调幅电路。过压工作状态也用于中间级放大。第82页/共86页四、掌握谐振功率放大器功率和效率的计算ic=gc(vBEVBZ)(1)vBE=VBB+Vbmcos t (2)vCE=VCCVcmcos t (3)icmax=gcVbm(1cos c)(4)(5)第83页/共86页五、提高效率的措施 为了提高效率，常采用减小管子导通角和保证负载回路谐振 六、掌握馈电电路和复合输出网络 一个完整的功率放大器由功放管、馈电电路和阻抗匹配电路等组成。阻抗匹配电路是保证功放管集电极调谐、负载阻抗和输入阻抗符合要求的电路。在给定功放管后，放大器的设计主要就是馈电电路
50、和阻抗匹配电路的设计。七、功放管在高频工作时很多效应都会表现出来，因此，理论分析与实际参数有一定误差，分布电阻、电感和电容等效应不可忽略，功放管的实际工作状态要由实验来调整。第84页/共86页LC回路能量转换过程回路能量转换过程 回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由回路是由L、C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，由于回路中当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容的大部分流过电容C，即使，即使C充电。充电电压充电。充电电压的