___高频谐振功率放大器

1、第4章 高频谐振功率放大器4.1 概述4.2 高频谐振功率放大器的工作原理4.3 高频谐振功率放大器的实际电路(1) 低频局部：信息变换与放大(2) 高频局部：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4.1 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

2、输特点：高频、大信号、非线性工作要求：输出功率大PE=PO+PC、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4.1概述在无线电播送和通信发射机中，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

3、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，不可防止地存在着能量的损耗，这局部损耗的功率通常变成了热能。假设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4.1 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4.1-1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

4、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以上的那么主要采用电子管，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

5、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，那么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

6、率放大器多项选择择在丙类或丁类，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。假设要求输出功率高，可以采用功率合成的方法来提高。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

7、中波播送来说，在空间任一点的谐波场强与基波场强之比不得超过0.02；不管电台的功率有多大，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，播送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那么是工作频率高、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

8、率呢?这就是下面我们要讨论的问题。4.2 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、大信号鼓励：12V；3、发射结在一个周期内只有局部时间导通，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UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT4.2.1 根本电路构成4.2.2 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ICEO

9、=0；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：uBEibtUimUBBUD-uBEibt- t- icuBEict- 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90o时，功率放大器工作于丙类状态。iCt- 0ic1Ic1mt0ucUc1mt0tuCE1UCC0Uc1m.2coscos210+=tItIIiicccccww余弦脉冲展开为傅立叶级数：将 当i

10、C流过LC谐振回路时，在回路两端产生电压uC。由于谐振回路的选频特性， uC中只有基波分量幅度最大，其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。 设Re并联回路谐振时的等效负载电阻，包括BJT的输出电导和等效的RL。 从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使iC是不连续的脉冲电流，在谐振回路两端也会得到余弦电压。 还可以利用选频特性得到倍频器。 如果振荡回路的0=n，那么在回路两端可得到频率为n的电压:u0=Umcosnt;相当于实现了对输入信号的n倍频ic余弦脉冲的分解icicmax-/2-/2tIMIMcos其中0()、1() 、n ()为谐波分解系数；另定义1=Ic1m/Ic0= 1(

11、) / 0()为波形系数，随减小而增大。 / 1 /0 = 101230 , 1 , 2 , 32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170三、高频功放中的能量关系与效率：2）集电极电源提供功率：1）集电极输出功率：3）集电极损耗功率：4）集电极效率：5对效率的影响电压利用系数c=Uc1m/UCC1， c1， 1 随而变化；乙类功放：= /2 ，1 = /2 ，max=/4=78.5%；丙类功放： 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Re 0 T1 导通 T2 截止uI 0 iC1uCE10VCC

12、Q1iC1交流负载线:Q1功率放大电路乙类互补对称功率放大电路OCL)交流负载线:RLT2-VCC+uI+uOuI 0 iC2 iC2uCE20-VCCQ2Q2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RLT1T2+VCC+uI+uOVCCiO输出功率：电源功率：效率：功率放大电路乙类互补对称功率放大电路OCL)RLT1T2+VCC+uI+uOVCCiO负载上的电压最大幅值为：最大输出功率此时的电源功率最大效率：功率放大电路单电源互补对称功率放大电路(OTL)RLT1T2+VCCC

13、+-+uO+uI电路特点: 1)单电源供电2)负载串接大容量隔直电容C(几百几千微法的电解电容器3)T1和T2特性对称电容的作用：1)充当 VCC / 2 电源2)耦合交流信号功率放大电路单电源互补对称功率放大电路(OTL) 静态分析: 前级电路应使基极电位为VCC/2即：则：RLT1T2+VCCC+-+uO+uIAuCuIt功率放大电路单电源供电的互补推挽电路(OTL) RLT1T2+VCCC+-+uO+uI动态分析: 设输入端在VCC/2根底上参加正弦信号T1导通、T2截止T1截止、 T2导通uItuOt功率放大电路单电源供电的互补推挽电路(OTL) RLT1T2+VCCC+-+uO+uI

14、RLT1T2+VCC+ -+uO+uI VCC/2等效 单电源供电电路等效为VCC/2 和VCC/2 的双电源供电电路。 应用 OCL 电路有关公式时，要用 VCC / 2 取代 VCC 。功率放大电路交越失真RLT1T2+VCC+uI+uOVCCiO交越失真死区电压uiuououo tttt交越失真：输入信号 ui在过零前后，输出信号出现的失真便为交越失真。功率放大电路交越失真交越失真产生原因： 在于晶体管特性存在非线性，uiUth时晶体管截止。克服交越失真方法：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。对电路的要求：有适宜的

15、Q点，且动态损失尽可能小。功率放大电路交越失真RLRCD1D2T1T2+VCC+uI+VCCT3uO当 ui = 0 时，V1、V2 微导通静态分析：动态分析：功率放大电路交越失真克服交越失真的电路:V1V2V3V4UBE电压倍增电路V1V2V3R2R1+U-功率放大电路交越失真QuCE iCO tiCO QQ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：T1T2iB1iE1(iB2)iE2等效T1T2iB1iC1(iB2)iE2等效不同类型