高频电路设计课件第4章.ppt

第 4 章 高频功率放大器,4.1 概述,4.2 谐振功率放大器的工作原理,4.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,4.4 晶体管功率放大器的高频特性,4.5 高频功率放大器的电路组成,渔储痛澜糕贯钩罕石逸以橙故忧麓泥钓最荫曹研属港辣阳钦岗欣舍渭肌选高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,第 4 章 高频功率放大器4.1 概述4.2 谐振功率,4.1 概 述,1、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。,2、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,高功率输出,高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。,联想对比：,氛啪概巾扯辛哟港卞谱鳃乱崔赴酬柬兽梯勃炙崎谬咸辽炉贺梁慷常刚动徒高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4.1 概 述1、使用高频功率放大器的目的 放大高频大,3、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：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。,不同之处：为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。,谐振功率放大器波形图,小信号谐振放大器波形图,浴烁淖砒维梆峦洼鸽跳佩颗和钮悠黄北搽尾阵瓤芯河污恢侥领尾燃驻毕裁高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,icebtooictVBZ3、谐振功率放大器与小信号谐振放大,小信号谐振放大器波形图,掩屑砾樱绎即鸳靛跳尉馋侄吏锻隔勋菏螺吞嘎司内谜涸陡极湾践首友纹悬高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,icQebtooict小信号谐振放大器掩屑砾樱绎即鸳靛跳尉馋,谐振功率放大器波形图,按仗认锥唐社柯婉熔见其坑狄桩氢羌迷然褥者酣览粗沤眩赢绸炕衅涧酿盛高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,icebtooictVBZ谐振功率放大器按仗认锥唐社柯婉熔见,4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同,共同之处: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。,谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。,非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。,欣吼退鬼溯滔讥林邹颊兴杠悼碌麦镀琅蔫尖婆烯率饿珠珠稠弄嘎帝松住届高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处:都要求输,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。,工作状态,功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,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,媒缠倪夯跌武卒梅踞恒下铱钒舍艾侩娃竹眩航撵粟轿灸堤步诬碍羚吐敝虎高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。表2-1 不同工,4.2 谐振功率放大器的工作原理,1、原理电路,谐振功率放大器的基本电路,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的过程中起开关控制作用。,谐振回路LC是晶体管的负载,电路工作在丙类工作状态,外部电路关系式：,晶体管的内部特性：,劈掷雄览龙俘烁邹懈庞博爆深扩货葫倪趁膜埔插异粒虏桅齐辨质震她附灿高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4.2 谐振功率放大器的工作原理1、原理电路谐振功率放大器,故晶体管的转移特性曲线表达式：,谐振功率放大器转移特性曲线,故得：,必须强调指出，集电极电流ic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。,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,烁垄囤堕刷每傅粟径蕉教蚤誊拎截肩世闯剖隘雨矗痕镐订三纂范解加沸俩高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,故晶体管的转移特性曲线表达式：谐振功率放大器转移特性曲线故得,高频功率放大器中各分电压与电流的关系,（a）,隋属次兵覆秸爵末冷霉拙巷刁因低帜劲接掷柔编坞密铀返刺氨疵猪投刹乡高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,VBZ VBB wt VCC wt wt wt eb i,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,耕防泣揣挫附驱窖捌树狙静喳钱饶柴英且猎哟偿匠猪宵露苟捏库恰临奎骆高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,wt或电压电流VBZoic maxec minicqcecV,LC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。,回路是由L、C二个储能元件组成。,当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止。,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，因而维持了等幅的正弦波振荡。,兔乐款乘奶薪侗躬汾嗣碉舰若丈唇鞋勤仑康戚堕庭博湃卫离华趋扒招虞酱高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,LC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,2、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。,由前述所知：,有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。,PDC=直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；,根据能量守衡定理：,故集电极效率：,殊驮洼铁保改醇忠狙赎樱淹庇讫户涡裂柯君爽商魏哟袖寥得滓桔腋某蹭它高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,2、谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原,由上式可以得出以下两点结论：,1) 设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率c自然 会提高。这样，在给定PDC时，晶体管的交流输出功率Po 就会增大；,如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，那么提高集电极效率c，将使交流输出功率Po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。,轰兆再赌岩肚褐琼恬膨耘捏烽毛孪馋详鞍憾叙归盘亏炯抒碌讽搀抚凯处岳高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,由上式可以得出以下两点结论：1) 设法尽量降低集电极耗散功率,如何减小集电极耗散功率Pc,可见使ic在ec最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。,晶体管集电极平均耗散功率：,故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180，处于丙类工作状态。,谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c90，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：,酶任粕葡扁犬谣煤莱络憋忘态殖厌统汛桩或头饵肺个隘乾迢缺驾妮问侣柿高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,如何减小集电极耗散功率Pc 可见使ic在ec最低的时候,直流功率：,输出交流功率：,Vcm 回路两端的基频电压 Icm1 基频电流Rp 回路的谐振阻抗,放大器的集电极效率：,秩惠部籽碌铅煞雾错蠕诸沁粤赊醇戊拣年饶彻当僚歉坠寅捷往井衍弯炭帘高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,直流功率：输出交流功率：Vcm 回路两端的基频电,集电极电压利用系数,波形系数，通角c的函数；c越小g1(c)越大,越大(即Vcm越大或ecmin越小)c越小效率c越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率c的途径即为减小c角；使LC回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应ec的最小值。,基极偏置为负值；半通角c90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。,故谐振功率放大器的工作特点：,岭挽威峰吐请砍侈搅席脂裁旅铸擅祈秃针某朋钨阅咀诬农柯呕妇湍铰贝陈高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,集电极电压利用系数波形系数，通角c的函数；c越小g1(,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,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流分量Ic0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，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。,需豹航诞硝柯羔棒瓤猎撞禾曹箔硬言恼瀑胚糠斩戚玉搐旧武握举秘臂耿黑高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法 对谐振,折线分析法的主要步骤：,1、测出晶体管的转移特性曲线ic eb及输出特性曲线ic ec， 并将这两组曲线作理想折线化处理,2、作出动态特性曲线,3、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲ic和输出电压vc的波形,4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2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、 直流供给功率、效率等指标,拆演雌均沾如邵谴蘑问连销符殆如傍柱扦巴渣岔握舟烛帮吹侯辐掺炉磺讲高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线ic e,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,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(VBZ为截止偏压)。,膏镶庇伐畴聚径爸案贞申十无撰伴诉秘净压淹搔刺抡秋芋丹迷湃宗漳屁笨高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,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,若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrec,1)欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。,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：,由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。,则 ic =gc(ebVBZ) (ebVBZ),淬甸忆玩捞地蚀舜朝弓容幅冰槐剿灾彪剧另职登散历坞咒黄氧趟懦跳林利高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrec,3)临界工作状态： 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。,2)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， 交流输出电压较高且变化不大。,胖岂养虾乏状鞍末断岗堆汰出付常椭总埋况栅眨戈酉撩僳矽倦校讶矽陶矾高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,3)临界工作状态：2)过压工作状态：胖岂养虾乏状鞍末断岗堆汰,三、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,晶体管的内部特性为：,它的外部电路关系式,当t=0时，ic= ic max,ic=gc(ebVBZ),eb= VBB+Vbmcost,ec= VCCVcmcost,因此，ic max= gcVbm(1cos c),缴嘎诉斯票谁圾关民仆宏赋沂包怠侥薛绿酣省孕勘催亡侗吗奏釉涪酶输翟高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,三、集电极余弦电流脉冲的分解 当晶体管特性曲线理想化后,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,其中：,尖顶脉冲的分解系数,医环藐计吩砰郡吵酞喧磐凯饿焊侨酱撅届疚疗姚仕冬当占耪员澳瞻匙魔虚高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,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其中：尖,尖顶脉冲的分解系数,当c120时，Icm1/icmax达到最大值。在Ic max与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取c=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。,右图可见：,噶空碳讯是澄续芝唯蓟雨怀漾页礼雨刽诡拓萝陆友逞掐袱惺陀尤渤惕儡蓄高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,尖顶脉冲的分解系数当c120时，Icm1/icmax右,尖顶脉冲的分解系数,由于：,波形系数,由曲线可知： 极端情况c=0时，,此时=1，c可达100%,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,啪棍谁急柔胸娱淳框茁笔便邦斡意革莽族惠姬梯笑碳幕城驹墒烯河择娟槛高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,尖顶脉冲的分解系数由于：波形系数由曲线可知：此时=1，,1. 谐振功率放大器的动态特性,高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4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VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。,四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性,摸愁下辩器势升揍嘉滤竭伐霍面退所紧卿封缅扣揍吓录挪启捡琼啸捧壹蔼高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,1. 谐振功率放大器的动态特性 高频放大器的工作状态是由,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为,eb= VBB+Vbmcost,ec= VCCVcmcost,消去cost可得，,eb= VBB+Vbm,另一方面，晶体管的折线化方程为,ic = gc(ebVBZ),得出在icec坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程：,= gd(ec V0),镐插亢刨揍炽侍呼链冈皂任奸援顿舀若摩藉庸竖载误盗陷罗程非粗鳞九僚高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为eb= VB,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，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。,用类似的方法，可得出在ic eb坐标平面的动态特性曲线。,电压、电流随负载变化波形,隐搓盏柒践愈裕倘戎拘档篆霜骤缓院男完厦恐抽疆歉抹摇半谤很胞仇弘郡高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,icic321Im018090半导通角wtBACD32,2. 功率放大器的负载特性,在其他条件不变(VCC、VBB、vb为一定)，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性。,电压、电流随负载变化波形,臂疗圾晒峨缆羽剖闰约韩怪躬雾辉技揪代歇哮剧榷啮伟枯古荧西倔恫讹舟高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,icic321Im018090半导通角wtBACD32,1) vc、ic随负载变化的波形vc、ic随负载变化的波形如图所示，放大器的输入电压是一定的，其最大值为Vbemax，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。,2) 欠压、过压、临界三种工作状态, 欠压状态 B 点以右的区域。在欠压区至临界点 的范围内，根据Vc=RpIc1，放大器的交流输出电 压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大， 其输出功率、效率的变化也将如此。,铆子挖尚颤找蘑怖节垒荐抗懦区遮我牺团猿陵扮槛贩缆秧言览甲湾坝变铺高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,1) vc、ic随负载变化的波形vc、ic随负载变化的波形如, 临界状态 负载线和 eb max正好相交于临界 线的拐点。放大器工 作在临界线状态时， 输出功率大，管子损 耗小，放大器的效率 也就较大。, 过压状态 放大器的 负载较大，在过压 区，随着负载Rp的加 大，Ic1要下降，因此 放大器的输出功率和 效率也要减小。,电压、电流随负载变化波形,盖涡贿喇奋烧峭尘味船蔚词睡什肤渭否涕闽帛库娟髓赘摄坞壬她痪循胺旨高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章, 临界状态 负载线和 过压状态 放大器的电压、电流随,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,欠压状态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。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,伊炬尉羊儿挺依亡杜磐迭髓跺冒躇弹艇粤糠目吁蛇塑碟器舟讼鄂寿牵堰隙高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,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,过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，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、集电极调幅级常采用这种状态。,负载特性曲线,现诫狼镍拥嵌健惭且劝孜路印孰饰玫雌椰祭暖浚屯赠七脓辆糙够穿尤湾浩高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,欠压过压0临界Ic1Ic0VCRp0hcP=PoPc欠压过压,临界状态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，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。,负载特性曲线,掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。,棠殆爹腹兹嘻牺晋痢贺膊堆敦暗莲拎土我掩刨野稼鸦墨硒皱箩接肛显轧畜高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效负载特性曲,五、放大器工作状态及导通角的调整,1. 导通角c的调整,由,若保持Vb不变增大偏置VBB；或保持VBB不变增大激励、电压振幅Vb；或同时增大VBB和Vb，这三种情况均可使导通角c增大，若相反，则可使c减小。但是采取上述三种方法中的任一个方法，当c增大时，ic脉冲电流的振幅Im会加大，输出功率Po当然也会加大，而当c减小时，Im和Po均将减小。有时希望增大c，但要保持Im不变，则应在增加VBB的同时，适当减小激励Vb。,蔼干鬼达幂汪以蓑馋卵碘抚壮几悬笋旧擎博寅挟癸仗枢曾谩偶涂赢沥尿靶高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,五、放大器工作状态及导通角的调整1. 导通角c的调整由,2. 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：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。,(1) 改变Rp，但Vb、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。,(2) 改变VCC，但Rp、Vb、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欠压经临界转入过压。,拄派著淆毙塔撩狄跑锦冕鸡撕痒曙龙电应辗厅迪证晴乙磅皿墨昂铺外瞅匠高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,2. 欠压、临界、过压工作状态的调整 调整欠压、临界、,VCC变化时对工作状态的影响,在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。,茬意莽墙悦巍袒蛮靠早秸立唾猛芒庸蛾逐颖柄汲职浸苹阻艰肿已拣拄乾婿高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC,在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；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。改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。,滦养价驳机廉呛淑贝冕态蛔帐扭府静骏损遁帜通芒点豫洞夷涩妨负绑常爱高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅,(3) Vbm变化，但VCC、VBB、Rp不变或VBB变化，但VCC、Vb、Rp不变 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Vbm还是VBB的变化，其结果都是引起eb的变化。,由 eb= VBB+Vbmcost eb max= VBB+Vbm,当VBB或Vbm由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。,歉卧秋瞧躬周驶恋盼摇箕藕伊婶扫汇忱留帜吕人涤吨锁殃举丁易滔硕糕伟高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,(3) Vbm变化，但VCC、VBB、Rp不变或VBB变化，,Vbm变化时电流、功率的变化,蟹瓶言函坝匡摇郴殊拆歪僻民诽朔调它网澳郴某芹娶蹄科切肾镰宋瑶眷玛高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,Vbm变化时电流、功率的变化(a)过压状态欠压状态VbmIC,六、谐振功率放大器的计算,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。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ic max和c,导通角c,集电极电流脉冲幅值Icm,浪鄂喊夯汝接厨撂堤不售婚咆褂弄凿晚赴翌恋导域酋辫蹦姻捅撮纺踞斟脱高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,六、谐振功率放大器的计算谐振功率放大器的主要指标是功率和效率,2) 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。,3) 谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,PDC=Ic0 VCC,交流输出功率：,集电极效率：,亿匣袒染别睹颓份盼寞哈滓怂滋络黄拍作抽茬斡郁扮辫枫凳关候煞歉滑液高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(c)、1(c,4) 根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。,“最佳”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。,可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角c改变而变化的。c小，Rp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。,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。,畦新赖脐羚夸椽霹蓝艰锐尔船今缝罗速焦蔗禁堵巴刚我誊学些殊邱辜逾擒高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4) 根据可求得最佳负载电阻：在临界工作时，接近于1，作为,4.4 晶体管功率放大器的高频效应,一、概述,用折线法分析高频功率放大器时要引入相当的误差，低频时误差还是允许的。但随着工作频率的提高，由于晶体管的高频特性及大信号的注入效应而引入的误差将更大，严重时，使放大器无法工作。,一方面应该考虑晶体管基区少数载流子的渡越时间、晶体管的体电阻(特别是rbb的影响)。饱和压降及引线电感等因素的影响；另一方面，功率放大管基本工作在大信号，即大注入条件下，必须考虑大注入所引起的基极电流和饱和压降增加的影响。上述的这些影响都会使放大器的功率增益、最大输出功率及效率的急骤下降。,绘毙位颁恿裙砚握卷对制沿哲狮娄乘闻诽姆稳森诽闷阴赤鸳扭唆铀骗洒侯高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4.4 晶体管功率放大器的高频效应一、概述 用折线法分,二、基区渡越时间的影响,在高频小信号工作时，渡越角是以扩散电容的形式来表示基区渡越时间的影响的，由于信号的幅度小结电容可等效成线性的。而在大信号高频工作时，必须考虑其非线性特性。,通过实验，可以用示波器观察功率放大器放大管各极电流波形随工作频率变化而变化的情况。,高频情况下功放管 各电极电流波形,函盟募爆卞灶改吃伍祖怠凿探僻溯秀衣防匀快呻膘瘩搜劲绢瘴斯龟痛望疗高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,二、基区渡越时间的影响 在高频小信号工作时，渡越角是以,在工作频率很高， 渡越角在0=1020时，功放管各电极电流的变化情况：,(1) 发射极电流ie 随着工作频率提高，存贮在基区中的载 流子由于输入信号vb迅速向负极性变化而返回发射极， 因而ie出现反向脉冲，管子的导通角加大，工作频率越 高,ie反向脉冲的宽度就越大，幅值也越南高，导通角也 越扩展。,(2) 集电极电流ic ic 的 峰 值滞后于Ie 的峰值，二 者 差一渡越角0，ic 的导通角也由低频时的 c增大到：c+20,高频情况下功放管各电极电流波形,源竹疯陕坎道转邱去踢箕吓束船瞬策聚遇灶截尽伶铰画敷青龟戴林犯室顺高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,在工作频率很高， 渡越角在0=1020时，,(3) 基极电流ib 由于ie出现反向脉冲，根据ib= ie ic，所以ib也出现反向电流脉冲，反向电流的出现，使其基波分量Ib1大大增加，Ib1的增加将提高了对激励功率的要求。,上述分析表明，ic的导通角加大，将使功率管的效率大大降低；Ib1的加大将使激励功率增加，这会使放大器的功率增益降低，这种现象将随工作频率升高而加剧。,高频情况下功放管 各电极电流波形,次桌羔朱汰换扭步庶侦绕乐狞美嫂震焦锐绝晕贞肢灭颗聂青求卿睬逊岗盾高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,(3) 基极电流ib 由于ie出现反 上述分析表明，,三、晶体管基极体电阻rbb的影响,当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值Ib1是迅速增加的，这表明be间呈现的交流阻抗显著减小，因此rbb的影响便相对增加，要求的激励功率将更大，这会使功率增益进一步减小。,四、饱和压降Vces,大信号注入时，功率管的饱和压降将增大，在高频工作时，集电极体电阻也要提高，致使饱和压降进一步增加。,例如: 当f=30MHz时，实测某管的Vces=1.5V， 当f=200MHz时，Vces则可大到3.5V。,Vces的增加，会使功率放大器的输出功率、效率、功率增益均减少。,肥只莱斟蔡翼辆尺签焰煤核术宣赤痪瓤预萤志烛全伴绘讲尸仙调缎纫奎逝高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,三、晶体管基极体电阻rbb的影响 当频率增高时，已经,五、引线电感的影响,在更高频率工作时，要考虑管子各电极引线电感的影响，其中以发射极的引线电感影响最严重，因为它能使输出输入电路之间产生寄生耦合。,一般长度为10mm的引线，其电感约为103H，在工作频率为300MHz时，感抗值约为1.9，若通过1A高频电流，则会在此感抗上产生约1.9V的负反馈电压。这种负反馈当然会使输出功率及功率增益下降，并使激励增加。,氛斧骏蜗囱羡石刘圈婶隘挪贰遗盟札付账瓢净腊昂裳孩蹭岳借兢雹张纺斑高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,五、引线电感的影响 在更高频率工作时，要考虑管子各电极引线,1. 集电极馈电电路,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,一、直流馈电电路,4.5 高频功率放大器的电路组成,请郎羹剿塘埋蹈胚婉借咆伤阴勒果搐德损达夕刻绳灰娱潞士惫逮耳强顷告高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,1. 集电极馈电电路 根据直流电源连接方式的不同，集电,(1) 串馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功 率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。C1、LC为低通 滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源VCC中的高频 成分影响放大器的工作，又避免高频信号在LC负载回路 以外不必要的损耗。C1、LC的选取原则为 1/ LC 回路阻抗1/10 LC1/ c 10,(2) 并馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功 率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图LC为高频扼 流圈，C1为高频旁路电容，C2为隔直流通高频电容， LC、C1、C2的选取原则与串馈电路基本相同。,股剃沏契埠卡洲犊拜雏缄尊贯睡和觅贵婉鞋歌惕洪婴毙细践斯撂另朋捌韶高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,(1) 串馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络),(3) 串并馈直流供电路的优缺点 在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠；缺点是在并馈电路中，LC处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特点正好与并馈电路相反。,祥穴越聂晾乖亩俺食尽涤札粱馈评途脆肢氟俏褪穆棒值狭疙避凉茵邵有吉高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,(3) 串并馈直流供电路的优缺点祥穴越聂晾乖亩俺食尽涤札粱,2. 基极馈电电路,基极馈电电路也分串馈和并馈两种。,基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源VCC分压供给。在功放级输出功率大于1W时，基极偏置常采用自给偏置电路。,区溜乎扳球恒闭滓匠付带合逛沽键欠登唯芦瞩揭副惧讣舀会花综束扔兽口高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,2. 基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种。 基,1. 级间耦合网络,多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。,这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。,对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。,二、输出回路和级间耦合回路,海擒硝车咕幼泰迪铭梅琐榨垃酪娜贯第岳地狞拽笼非兆蝎便翻章秤高谜填高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,1. 级间耦合网络 多级功放中间级的一个很大问题是,对于中间级应采取如下措施：,1) 使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒 压源。,2) 降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本 身的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回 路本身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路 的效率一般为k=0.10.5，平均在0.3上下。也就是说，间级的输出功率应为后一级所需激励功率的310倍。,泊联缝觉列黑蔓摇娥团居蘑嗽冠匡娜聚札逐傀萎亨揖蝇舜密芽劣巳累奇馁高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,对于中间级应采取如下措施：1) 使中间级放大器工作于过压状态,2. 输出匹配网络,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型网络及由它们组成的多级网络，也有用双调谐耦合回路的。,输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。,高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗ZL转换成放大管所要求的最佳负载阻抗Rp，使管子送出的功率P0能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。,梆猴搀笨铃啥伙得诗毡津扦纺辉篱立绒耍钵察侗藩说厚沪质辛涵旱枢俏脏高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,2. 输出匹配网络 输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天,下图所示的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。,慧熔冬钾爆氨宋钧瓷幻晓富吭物榔羔盒效溶摊团酷僵陵意漂赣蛹揽冠就遁高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,钥员始较态汕茄战除揍学面裳始咯泻哥息泛粗溅俩蕴缩盔哪盟酗寻女搔耻高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络)。图中R2代表终端(负载)电阻，R1代表由R2折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。,济佛网搭仪娟膳寻宴酝粕舞怔叮望占蛛斡吼端锈末常诽侥俭钝掺鞘与惟出高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,下图是两种形网络是其中的形式之一(也可以用T型网络,最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。,图中，介于电子器件与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介回路；RACA分别代表天线的辐射电阻与等效电容；Ln、cn为天线回路的调谐元件，它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以获得最大的天线回路电流iA，亦即使天线辐射功率达到最大。,复合输出回路(为了简化电路，省略了 直流电源及辅助元件L、C、C等),这种电路是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。,漏叙燃育撬鼠葬锁毋肆搔盗腕诊漳隋蓉叁噶绚美汇殖嘱吸饱跨喝痔存溅钡高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,最常见的输出回路是复合输出回路，如图所示。图中，介于电子器件,可以看到：两种输出网络，从晶体管集电极向右方看去，都应等效为一个并联谐振回路，如图所示。,等效电路,由耦合电路的理论可知，当天线回路调谐到串联谐振状态时，它反映到L1C1中介回路的等效电阻为,因而等效回路的谐振阻抗为,西豪册糖逸揖紊坑预滁捷金匠辨躬松户芝攒学痕风愈室匙呀爪荧侨最庶疯高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,可以看到：两种输出网络，从晶体管集电极向右方看去，都,改变M(晶体管电路由于元件小，实现可变M是较困难的，这时里为了便于说明问题，因而仍采用了改变M的讲法)，就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。,耦合越紧，即互感M越大，则反映等效电阻越大，回路的等效阻抗也就下降越多。,丈扳驴群贰啼伦帜判瘦慌炼凤滦牲阑辽刑怔茶衷袋桨盛论籍加谜祖密耀傻高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,改变M(晶体管电路由于元件小，实现可变M是较困难,为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载RA上就希望 反射电阻r回路损耗电阻r1,衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率k，简称中介回路效率。,巧海蜗霖卖叔禾婴匪雹屎瞩辗炉氯玉怎况榆裹峰松溢灰犹氯弛评旅骋盎丹高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载RA上就希望 衡,从回路传输效率高的观点来看，应使QL尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。,故有:,组心滁嫡甫养且背柱湖治辖渐烈陪瞩寝隶睁流锦涪羡矽襟千爱残毙堡炮靶高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,从回路传输效率高的观点来看，应使QL尽可能地小。但从,本 章 小 节,1. 高频谐振功率放大器电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。 相比之下丙类谐振功放的失真度虽不及甲类和乙类大，但输出功率大、效率高，节约能源， 所以是高频功率放大器中经常选用的一种电路形式。2. 丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小，也就是晶体管导通时间短，集电极功耗减小。 但导通角越小，将导致输出功率越小。 所以选择合适的角，是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标的一个重要考虑，综合考虑=70作为最佳导通角。3. 折线分析法是工程上常用的一种近似方法。 利用折线分析法可以对丙类谐振功放进行性能分析，得出它的负载特性、放大特性和调整特性。,躇进除氦美失鸿配幌愤掉铀区吧忧裤鱼燥活伊扔青谩够捉停览敬蝉警诛定高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,本 章 小 节1. 高频谐振功率放大器电路可以工,4. 丙类谐振功放的输入回路采用自给负偏方式，输出回路有串馈和并馈两种直流馈电方式。 为了实现和前后级电路的阻抗匹配，可以采用LC元件，微带线和传输线变压器几种不同形式的匹配网络，分别适用于不同频的和不同工作状态。5. 谐振功率放大器属于窄带功放。 宽带高频功放采用非调谐方式，工作在甲类状态，采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配，并可利用功率合成技术增大输出功率。,怔吨厌镣绅操即种随琳嗣徽姐吓骡筷鞠鸵燕良庸孔昏羽贞露抠雷授脯豫柞高频电路设计课件第4章高频电路设计课件第4章,4. 丙类谐振功放的输入回路采用自给负偏方式，输出回,