[高等教育]第4章___高频谐振功率放大器

第4章高频谐振功率放大器41概述42高频谐振功率放大器的工作原理43高频谐振功率放大器的实际电路1低频部分信息变换与放大2高频部分高频信号产生、放大、调制低频放大器高频振荡器高频谐振放大器振幅调制器高频功放换能器消息信号（1）发送设备超外差式无线电收信设备的组成（2）接收设备本地振荡器混频器中频放大器检波器解调低频放大器高频谐振放大器41概述高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。工作状态A，B，AB，C；（甲、乙、甲乙、丙）D，E，S；（开关型）F，G，H；（特殊技术型）目的能够使电信号能够有效地进行远距离传输特点高频、大信号、非线性工作要求输出功率大（PEPOPC）、转换效率高窄带高频功率放大器以谐振回路为负载，所以又称谐振功率放大器宽带高频功率放大器采用非选频性负载，如传输线变压器或其他宽带匹配电路分析方法折线法近似分析41概述在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器按工作频带的宽窄可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器通常以LC并联谐振回路作负载，因此又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器以传输线变压器为负载，因此又称为非谐振功率放大器。在低频电子线路课程中，我们已经学习了低频功率放大器，并已经建立了一个很重要的概念，即功率放大器的实质是将直流电源供给的直流功率转换为交流输出功率，在转换过程中，不可避免地存在着能量的损耗，这部分损耗的功率通常变成了热能。若损耗功率过大就会使功率放大器因过热而损坏。因此，功率放大器研究的主要问题就是如何提高效率，减小损耗及获得大的输出功率。图41甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形功率放大器的效率与其放大器件的工作状态有直接关系。放大器件的工作状态可分为甲类、乙类、丙类等，图411为甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形。提高功率放大器效率的主要途径是使放大器件工作在乙类、丙类状态。但这些工作状态下放大器的输出电流与输入电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数很大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类状态；高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类状态，通过谐振回路的选频作用，可以滤除放大器的集电极电流中的谐波成分，选出基波从而消除非线性失真。因此，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器常用的有源器件是晶体管、场效应管和电子管，输出功率在1KW以下的功率管常采用晶体管；而对1KW以上的则主要采用电子管，本章主要讨论晶体管谐振功率放大器，共工作原理亦适用于其他器件的谐振功率放大器。高频功率放大器的主要特点是工作于大信号的非线性状态，用解析法分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其原理和工作状态。高频功率放大器的主要指标是高频输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。这几项指标往往是相互矛盾的。在设计功率放大器时，总是根据放大器的待点，突出其中的一些指标，兼顾另外一些指标。例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。高频功率放大器用于发射机中，其输出功率高。因而提高效率是极为重要的。为了提高效率，高频功率放大器多选择在丙类或丁类，甚至戊类工作状态。晶体管在这样的工作状态下，输出电流波形失真很大，必须采用具有一定滤波特性的选频网络作为负载，以得到接近正弦波的输出电压波形。这类高频功率放大器称为谐振功率放大器，多用于推动级和末级作功率放大，其谐波抑制度不可能做得很高。对于谐波抑制度要求很高的高频功率放大器，通常选用甲类或甲乙类推挽工作状态，以使晶体管工作在线性放大区。显然，效率不高，且输出功率不可能太高。若要求输出功率高，可以采用功率合成的办法来提高。高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，还要求输出中的谐波分量还应该尽量小，以免对其他频道产生干扰。国际间对谐波幅射规定有两个标准；对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强与基波场强之比不得超过002；不论电台的功率有多大，在距电台1KM处的谐波场强不得大于50V/M。在一般情况下，例如任一谐波的辐射功率不得超过25MW，即可以满足上述要求。目前，广播与电视发射机的谐波辐射已降到60DB以下。如上所述，高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。这是研究这种放大器应抓住的主要矛盾，工作状态的选择就是由这主要矛盾决定的。可以这样说，在给定电子器件之后，为了获得高的输出功率与效率，应采用丙类工作状态。而允许采用两类工作的先决条件则是工作频率高、频带窄，且允许采用调谐回路做负载。那么，为什么在丙类工作时能获得高的输出功率和效率呢这就是下面我们要讨论的问题。42高频谐振功率放大器的工作原理特点1、NPN高频大功率晶体管，高FT；改变UBB可以改变放大器的工作类型；2、大信号激励12V；3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，IB、IC均为一系列高频脉冲；4、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流IC中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。组成BJT、LC谐振回路、馈电电源UCCUBBIBICUCEUBELCRLUIVT421基本电路构成422工作原理及性能指标忽略高频效应按照低频特性分析；忽略基区宽变效应输出特性水平、平行、等间隔；忽略管子结电容、载流子基区渡跃时间；忽略穿透电流截止区ICEO0；分析与计算大大简化，但误差也大；理论分析与计算只是为电路参数的选择与调整提供依据与指导，实际电路工作时需要调整。UCE0IC输出特性UBE0IBUD输入特性静特性曲线的折线近似转移特性UBE0ICUDGM一、特性曲线的折线化二、各极电流、电压波形UBEIBTUIMUBBUDUBEIBTICUBEICT图解可见，IB和IC的都是余弦脉冲，定义为导通角，三极管只在（，）内导通，当串联电阻RS。图（A）中求得（只适于RERL的情况）图（B）中求得（只适于RE0T1导通导通T2截止截止UI0IC1UCE10VCCQ1IC1交流负载线交流负载线Q1功率放大电路功率放大电路乙类互补对称功率放大电路（OCL交流负载线交流负载线RLT2VCCUIUOUI0IC2IC2UCE20VCCQ2Q2功率放大电路功率放大电路乙类互补对称功率放大电路（OCL电路IC10Q1Q1IC2UCE20Q2Q2功率放大电路功率放大电路乙类互补对称功率放大电路（OCL功放的最大输出功率及效率功放的最大输出功率及效率RLT1T2VCCUIUOVCCIO输出功率输出功率电源功率电源功率效率效率功率放大电路功率放大电路乙类互补对称功率放大电路（OCLRLT1T2VCCUIUOVCCIO负载上的电压最大幅值为负载上的电压最大幅值为最大输出功率最大输出功率此时的电源功率此时的电源功率最大效率最大效率功率放大电路功率放大电路单电源互补对称功率放大电路OTLRLT1T2VCCCUOUI电路特点电路特点1单电源供电单电源供电2负载串接大容量隔直负载串接大容量隔直电容电容C几百几百几千微法几千微法的电解电容器）的电解电容器）3T1和和T2特性对称特性对称电容的作用电容的作用1充当充当VCC/2电源电源2耦合交流信号耦合交流信号功率放大电路功率放大电路单电源互补对称功率放大电路OTL静态分析静态分析前级电路应使基极前级电路应使基极电位为电位为VCC/2即即则则RLT1T2VCCCUOUIAUCUIT功率放大电路功率放大电路单电源供电的互补推挽电路OTLRLT1T2VCCCUOUI动态分析动态分析设输入端在设输入端在VCC/2基础上加入正弦基础上加入正弦信号信号T1导通、导通、T2截止截止T1截止、截止、T2导通导通UITUOT功率放大电路功率放大电路单电源供电的互补推挽电路OTLRLT1T2VCCCUOUIRLT1T2VCCUOUIVCC/2等效单电源供电电路等效为单电源供电电路等效为VCC/2和和VCC/2的双电源供的双电源供电电路。电电路。应用应用OCL电路有关公式时，要用电路有关公式时，要用VCC/2取代取代VCC。功率放大电路功率放大电路交越失真RLT1T2VCCUIUOVCCIO交越失真死区电压UIUOU“OUOTTTT交越失真交越失真输入信号输入信号UI在过零前后，输出信在过零前后，输出信号出现的失真便为交越号出现的失真便为交越失真。失真。功率放大电路功率放大电路交越失真交越失真产生原因交越失真产生原因在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在非线性，非线性，UIUTH时晶体管截止。时晶体管截止。克服交越失真方法克服交越失真方法如果信号为零时两只如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通，那么当有信管子处于临界导通或微导通，那么当有信号输入时两只管子中至少有一个导通，因号输入时两只管子中至少有一个导通，因而消除了交越失真。而消除了交越失真。对电路的要求对电路的要求有合适的有合适的Q点，且动态损点，且动态损失尽可能小。失尽可能小。功率放大电路交越失真RLRCD1D2T1T2VCCUIVCCT3UO当当UI0时，时，V1、V2微微导通导通静态分析静态分析动态分析动态分析功率放大电路交越失真克服交越失真的电路克服交越失真的电路V1V2V3V4UBE电压倍增电路V1V2V3R2R1U功率放大电路交越失真QUCEICOTICOQQ乙类工作状态失真大，静态电流为零，管耗小，效率高。甲乙类工作状态失真大，静态电流小，管耗小，效率较高。甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。功率放大电路复合管达林顿管复合管的目的扩大电流驱动能力复合管的组成T1T2IB1IE1IB2IE2等等效效T1T2IB1IC1IB2IE2等等效效不同类型管子复合后，不同类型管子复合后，其类型决定于其类型决定于T1管，管，且且12功率放大电路功率放大电路复合管达林顿管接泻放电阻的复合管接泻放电阻的