第四章 高频功率放大器.ppt

高频电子线路重点课程 第四章谐振功率放大器 6 1概述 6 2谐振功率放大器的工作原理 6 3谐振功率放大器折线近似分析法 6 4谐振功率放大器电路 由上堂课折线化分析法可知 由于晶体管基极偏置电压为负值 在输入信号的一个周期内 晶体管的导通时间小于半个周期 因此 工作于丙类工作状态 晶体管的集电极电流是一个脉冲电流串 产生了严重的非线性失真 谐振功放的输入电压与输出电流 由于采用LC调谐回路作负载 若调谐回路谐振频率等于iC脉冲的基波频率 则在调谐回路两端 可获得良好的正弦波电压 而其它直流和谐波成分几乎被滤波掉 当调谐负载的谐振阻抗为适当值 晶体管可输出最大输出功率 故称谐振功率放大器 谐振功率放大器中各部分电压与电流的波形 集电极效率 可见 提高效率 c的关键是减小集电极耗散功率Pc 集电极耗散功率PC的计算式为 可见 减小Pc的方法有三种 减小半流通角 c 在2 c内 iC最大时 vCE最小 在2 c内之外 虽然vCE最大 但iC 0 由谐振功率放大器中各部分电压与电流的波形可知 iC于vCE正好满足上述几个条件 此即丙类谐振功率放大器效率高的原因 假定负载回路调谐于激励信号频率 则有 集电极电流脉冲可分解为傅里叶级数 直流电源Vcc供给的直流功率 回路可吸取的基频功率 交流功率 为 式中 RP为回路的谐振阻抗 集电极效率 为波形系数 是半导通角 c的函数 的值通过P124面的表格求出 注 4 2 2最佳通角的选取 P101 为了兼顾功率与效率 最佳半导通角通常取700左右 设计倍频器时 需特别注意的 4 3 1输出特性曲线的折线化 a 图所示的输出特性曲线 可用 b 图所示的折线族来近似 饱和 过压 放大 欠压 截止 以直线1为临界线 晶体管的饱和区 放大区 分别对应于高频功放的过压工作状态 欠压工作状态 三种工作状态的比较 1 临界状态 集电极最大点电流正好位于临界线上 此时 Po最大 c较高 为最佳工作状态 对应最佳负载RLcr 主要用于发射机末级 临界线方程过原点 斜率为gcr 即 2 过压状态 集电极最大点电流正好位于临界线左方饱和区 此时 c较高 弱过压状态 最高 负载阻抗变化时 vCE基本不变 用于发射机中间级 3 欠压状态 集电极最大点电流正好位于临界线右放大区 Po较小 c较低 PC大 输出电压不稳定 很少采用 基极调幅电路工作于此状态 4 3 2转移特性特性的理想化 抛物线形状的转移曲线 理想化后 可用交横轴于VBZ的直线来表示 VBZ为截止电压 gC代表直线的斜率 称为跨导 理想化后的静态特性可表示为 适用于 4 3 3谐振功率放大器的动态特性分析 P102 低频放大器的图解分析法中 直流负载线表示晶体管直流工作点 IB IC VCE 的运动轨迹 是一条直线 交流负载线表示交流工作点 iB iC vCE 也是一条直线 谐振功率放大器因为工作状态为丙类 所以不存在直流工作点 但存在交流工作点 vB iC vCE 称为动态工作点 当晶体管静态特性理想化时 谐振功放的动态工作点轨迹是一条直线 其斜率与负载回路谐振阻抗的负值成反比 称为动态线 有了动态线 就可获得输出电压 电流的波形 进而求得各种功率和效率等参量 动态线方程 谐振时 电路的外部关系为 晶体管输入 输出的内部关系为 将外部关系式代入内部关系式 有 跨导 斜率 截距 动态线的作法 P102 方法1 在输出特性曲线的横轴上取B点 使OB V0 再过B点作斜率为gd的直线BA 则BA即为欠压状态的动态线 方法2 取几个特殊点 过这几个特殊点的直线即动态线 常用特殊点 A点 t 0 此时 vBE vBEmax VBB VbmvCE vCEmin VCC Vcm根据iC gc vBE VBZ gc VBB Vbmcos t VBZ 得 iC具有最大值 动态线的作法 P102 B点 t c 此时 iC 0 即满足 VBB Vbmcos c VBZ 0 Q点 t 900 此时 vCE VCC vBE VBB iC IQ gc VBB VBZ 注意 此时 IQ实际上不存在 称为虚拟电流 仅用来确定Q点 C点 t 1800 此时 vCE VCC Vcm vBE VBB Vbm iC IQ gc VBB Vbm VBZ 实际上不存在 例4 1设一理想化的晶体管静态输出特性如图所示 已知VCC 24V Vcm 21V 基极偏压为零偏 Vbm 3V 1 试作出它的动特性曲线 此功放工作在什么状态 2 计算此功放的 c P P0 Pc c及负载阻抗的大小 3 画出满足要求的基极回路 解 1 求动态负载线 2 求解 c P P0 c及负载阻抗的大小 3 符合要求的基极回路为 如图所示 例4 2某谐振功率放大器的转移特性曲线如图所示 已知该放大器所用晶体管的参数为 fT 150MHz 功率增益Ap 13dB 管子允许通过的最大电流ICM 3A 最大集电极功耗为PCM 5W 管子的VBZ 0 6V 放大器的负偏置VBB 1 4V c 700 VCC 24V 0 9 试计算放大器的各参数 解 1 根据右图可求得转移特性的斜率 晶体管安全工作 4 求交流电压的振幅 5 求各功率与效率 晶体管安全工作 6 激励 输入 功率 例4 3某高频功率放大器工作在临界状态 已知其工作频率f 520MHz 电源电压VCC 25v 集电极电压利用系数 0 8 输入激励信号电压的幅度Vbm 6v 回路谐振阻抗RP 50 放大器的效率 C 75 求 1 Vcm Icm1 输出功率Po 集电极直流能源P 及集电极功耗PC 2 当激励电压Vbm增加时 放大器过渡到何种工作状态 当负载阻抗Rp增加时 放大器由临界状态过渡到何种工作状态 解 1 2 当激励电压Vbm增加时 放大器过渡到过压工作状态 当负载阻抗RP增加时 放大器过渡到过压工作状态 4 4谐振功率放大器的实际电路 4 4 1馈电电源的馈电方式 串联馈电 功率管 负载回路和直流电源三部分是串联的 并联馈电 功率管 负载回路和直流电源三部分是并联的 高频旁路电容 电源滤波电感 LC负载回路 LC负载回路 隔直电容 电源滤波电容 集电极馈电电路 集电极馈电电路 馈电电路组成原则 P109 1 直流分量IC0流过的通道中 除了晶体管的内阻外 没有其他电阻消耗能量 2 基波分量Icm1应只在负载回路上产生电压降 其余部分的外电路对于Icm1来说 都应该是短路的 3 谐波分量Icmn不应消耗功率 倍频器除外 管外电路对Icmn应该接近于短路 4 4 2基极馈电电路 高频旁路电容 高频旁路电容 隔直电容 实际上 实际中 VBB单独用电池供电很不方便 常常采用自给偏压电路产生 4 4 3自给偏压电路产生VBB的方法 a 图 在基极偏置电阻RB上 利用基极电流的直流分量 产生所需的偏置电压 VBB IB0RB b 图 利用IB0在基区电阻上产生所需的 VBB IB0 很小 所得到的VBB很小 且不稳定 一般不采用 c 图 利用发射极电流的直流分量IE0 在RE上产生所需的 VBB REIE0 例4 4谐振功率放大器工作在临界状态 f0 10MHz VCC 13 5V c 700 P0 3W 功率管VBZ 0 8V VCEsat 1 5V V BR EB0 4V 50 试选择并设计自给偏压电路 P111 解 设计自给偏压电路 主要应考虑两个问题 一是要使发射结反向偏压不超过其反向击穿电压V BR EB0 二是要看直流分量IB0或IE0的大小 1 自偏压VBB的大小