高频4高频功率放大器.ppt
Chapter 4 高频谐振功率放大器,4.1 概述,4.2 谐振功率放大器的工作原理,4.3 谐振功放的折线近似分析法,4.4 高频功率放大器的电路组成,4.1 概述,1、高频功率放大器的主要任务,放大高频大信号，使发射机获得足够大的发射功率。常用于发射机的末级。,2、功率放大的含义,在输入高频信号的控制下，将直流电源的直流功率转换成高频功率。要求高的输出功率，高的转换效率。,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,小信号谐振放大器波形图,谐振功率放大器波形图,4、高频谐振功放与低频功放的比较,共同之处:都要求输出功率大和效率高。,不同之处：工作频率和相对带宽不同，因此存在本质区别。,2.工作状态不同低频功放工作在甲类或乙类工作状态；高频功放工作在丙类工作状态（丙类工作状态电流波形失真很大，必须使用调谐负载恢复波形）；,1.负载不同低频功放工作频率低，相对带宽很宽，故不能使用调谐负载。高频功放工作频率高，相对带宽窄，一般使用调谐负载。（也有宽带高频功放，使用频率响应很宽的传输线负载。）,5、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。,6、主要技术指标,功率放大器的两个主要技术指标是：输出功率与效率。,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,外部电路关系式：,晶体管的内部特性：,电路的四个组成部分：电源及静态偏置；晶体管；LC谐振回路和输入激励信号。由于基极负偏置，所以电路工作在丙类工作状态。,2、电压电流波形,1.iC 与vBE同相，与vCE反相；,2.iC 脉冲最大时，vCE最小；,由右图可以得到：,谐振功率放大器转移特性,故得：,必须强调指出，集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的滤波作用(谐振于基频)，仍然能得到正弦波形的输出。,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,3、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。,P=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：,故定义集电极效率：,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P=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。,如何减小集电极耗散功率Pc？,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：,可见使 在 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。,输出交流功率：,Vcm 回路两端的基频电压 Icm1 基频电流Ic0 直流电流Rp 回路的谐振阻抗,放大器的集电极效率：,放大器中各功率关系：,直流功率：,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,可以看出，可以从提高电压利用系数和波形系数两个方面入手，越大(即Vcm越大)，c越小效率c越高。可以算出甲类，乙类工作状态的理想效率分别为50和78.5。,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；集电极电流为余弦脉冲状；输出电压为完整正弦波。,总结谐振功率放大器的工作特点：,4.3 谐振功放的折线近似分析法,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。,二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式,晶体管实际特性和理想折线,（a）转移特性曲线,（b）输出特性曲线,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，将放大器的工作状态分为三种：,1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方（放大区），交流输出电压较低且变化较大。,2)过压工作状态：集电极最大点电流在临界线的左方（饱和区），交流输出电压较高且变化不大。,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。,理想化特性曲线的原理：在放大区，集电极电流受基极电压控制；在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。饱和区，在此也称过压区；放大区，也称欠压区。,若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrvCE,转移特性方程：ic=gc(vBEVBZ)(vBE VBZ),晶体管的静态转移特性理想化后可用交横轴于VBZ的一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。,注：过压、欠压从电压利用系数的角度理解。,称为跨导，一般约几十到几百毫西。,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,ic max=gcVbm(1cos c),得到：,若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数,其中：,尖顶脉冲的分解系数,尖顶余弦脉冲表达式为：,尖顶脉冲的分解系数,从输出功率看：当c120时，基波电流的分解系数达到最大值，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；但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。,从效率角度看：c=0时，波形系数达到最大值2,若此时=1，c可达100%，但输出功率为零；,尖顶脉冲的分解系数,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,另：60时二次谐波分量最大，40时三次谐波分量最大，作为倍频器设计的参考。,1.谐振功率放大器的动态特性,高频功放的工作状态是由负载阻抗Rp、电压Vbm、VCC、VBB等4个参量决定的。,如果3个电压参变量不变，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,下面主要讨论高频谐振功放的三种工作状态：优缺点，调节方式等等。,考虑了负载的作用以后，得到的vBE、vCE和iC之间的关系曲线称之为动态特性曲线。,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为,vBE=VBB+Vbmcost,vCE=VCCVcmcost,消去cost可得，,另一方面，晶体管的折线化方程为,得出在ic vCE坐标平面上的动态特性曲线方程(同时满足外部电路关系式和内部关系式)：,ic vCE坐标平面上的动态特性曲线的作法与相应的ic波形,动态线作法：取B点，作斜率为gd的直线；取Q、A两点，连成直线。,特殊点说明(1)A点：wt0，VBE达到最大，vCE达到最小，iC达到最大；,(2)Q点：wt90，vCE VCC，虚拟电流IQgC（VBBVBZ）;,(3)B点：wtc，vCE V0，IC0;,1、欠压,2、过压,3、临界,1)放大器的三个电压参量保持不变，在负载电阻RP由小至大变化时，负载线的斜率由小变大（因为Vcm变大）。不同的负载，放大器的工作状态是不同的（对应为 欠压临界过压）。,2.功率放大器的负载特性,临界状态 负载变大，动态线和vBE max正好相交于临界线的拐点（集电极最大点电流在临界线上）。交流输出电压幅度Vcm变大，称为临界工作状态。交点决定了集电极电流的高度，波形仍为尖顶余弦脉冲。,过压状态 负载继续变大，动态线和vBE max相交于临界线的左边（集电极最大点电流在过压区）。交流输出电压幅度Vcm继续变大且稳定，称为过压工作状态。,与临界线交点决定了集电极电流的高度，穿过临界线后（进入饱和区），集电极电流开始受vCE影响，沿临界线下降，出现凹顶，过压越重，波形的下凹越严重。,2)欠压、过压、临界三种工作状态,欠压状态 负载较小的时候，动态线与vBE max 的交点在临界线的右边（集电极最大点电流在欠压区），交流输出电压幅度Vcm较小且变化较大，称为欠压工作状态。交点决定了集电极电流的高度，波形为尖顶余弦脉冲。,由电压、电流随负载变化的波形，可以定性说明负载特性：,在欠压区到临界线这一范围内，随着负载的增大，集电极电流脉冲高度、通角变化不大（略减小），从而直流、基波分量的值变化不大（略减小）。,在临界线到过压区这一范围内，集电极电流出现凹顶，随着负载的增大，凹顶越严重，从傅立叶级数对波形分解知道，其直流、基波分量的值开始急剧下降。,根据上述分析，得到下列的负载特性曲线，并可以总结一下三种工作状态的优缺点,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（不稳定），因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,注：欠压区内，负载减小，Pc急剧上升，可能烧坏晶体管，所以功放要避免失谐。,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（需要维持输出电压比较平稳）、集电极调幅级常采用这种状态。,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。,五、导通角的调整,由,若保持Vbm不变增大偏置VBB（减小绝对值）；或保持VBB不变增大激励电压振幅Vbm；或同时增大VBB和Vbm，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ic max会加大，输出功率Po当然也会加大，而当c减小时，ic max和Po均将减小。,有时希望增大c，但要保持ic max不变，则应在增加VBB的同时，适当减小激励Vb。,1.改变VCC对工作状态的影响,六、各极电压对工作状态的影响,VCC由小大时，对应工作状态由过压临界欠压。,电压利用系数 随VCC变大而变小；,由动态曲线发现随VCC变大，Q点向右移动；,注：随VCC减小转入过压状态后。基波电流下降，Vcm变小，动态线斜率绝对值变大，电流会有变大的反作用（总的趋势变小）。所以将过压区内电流下降速度取近似线性。,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。,VCC对工作状态的影响,可见，无论是Vbm还是VBB的变化，其结果都是引起vBE的变化（增大Vbm等效于减小VBB的绝对值）。,vBE=VBB+Vbmcost vBE max=VBB+Vbm,当vBE max由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压临界过压。,2.改变vBE max对工作状态的影响,vBE max由小到大等效于“vbm由小到大”和“vBB的绝对值由大到小”。,vBE max变化时电流、功率的变化,七、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。,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ic max,以临界状态为例：,临界状态下,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：,交流输出功率：,集电极效率：,4)其他值计算（功率增益、负载、天线输出功率等）,可求得,在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。,功率增益：,最佳负载电阻：,例题：P107,“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。,天线输出功率：,中介回路效率：,总效率：,4.4 高频功率放大器的电路组成,一、直流馈电电路,包含集电极馈电电路和基极馈电电路，馈电方式都可以分为串联馈电和并联馈电两种基本形式。,馈电电路应满足的几条原则：,（1）直流电源VCC或 VBB畅通无阻全部加到晶体管的集电极或基极，尽可能的避免管外电路消耗功率。,（2）基波电流应只在负载回路产生高频输出功率，其他部分对基波电流短路。,（3）谐波成分不应消耗功率，管外电路对各次谐波而言应全部短路。,1.集电极馈电电路,(1)串馈电路：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/C1 回路阻抗1/10 LC回路阻抗10,(2)并馈电路：如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，C2为隔直电容，LC、C1、C2 的选取原则与串馈电路基本相同。,(3)串并馈直流供电路的优缺点,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，或者使用自偏置。,利用发射极直流电流在发射极偏置电阻上产生所需的偏置的方法，称为自偏置。这种方法具有在输入信号幅度变化时自动稳定输出电压的作用。,1.级间耦合网络,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,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。,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。,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。,最常见的输出回路是复合输出回路，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。如图所示。,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,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,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。,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:,天线输出功率：,中介回路效率：,总效率：,作业：,4-34-54-144-154-16,
