无线电通信-51-谐振功率放大器的工作原理及其折线分析法与功率放大器的高频特性课件

第5章高频功率放大器5.1概述5.2谐振功放原理5.3晶体管谐振功率放大器折线分析法5.4晶体管谐振功率放大器的高频特性5.5高频功率放大器的电路组成5.6丁类(D类)功率放大器5.7戊类(E类)功率放大器5.8宽带高频功率放大器5.9功率合成器5.10晶体管倍频器学习内容掌握高频功率放大器的工作原理；掌握高频功率放大器的折线近似分析法；掌握高频功率放大器的电路组成原则与匹配网络的计算；了解倍频器的工作原理。

5.1概述1、使用谐振功率放大器的目的高效率输出高功率输出放大高频大信号获得足够大的发射功率低频功放高频功放工作频率音频高频、射频相对带宽超宽带窄带、宽带负载纯电阻LC谐振回路工作状态甲类或乙类丙类高频（谐振）功放与低频功放的区别高频（谐振）功放与低频功放的共同点是输出功率大、效率高高频小信号放大器高频功放电路性质线性非线性应用射频放大器、功放推动级发射机末端功率放大放大器类型甲类丙类集电极输出波形与输入信号一致余弦脉冲

作用信号波形放大、传输将电源的能量尽可能以信号的形式输出主要技术指标增益、噪声输出功率、效率高频功放与高频小信号放大器的比较高功放的分类两种分类原则按晶体管的导通角分类按晶体管等效电路分类①

按导通角分——A、B、C类（或甲、乙、丙类）A类，

=180度B类，=90度

C类，<90度

(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier流通角:一个周期内有电流流通的相角.

谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。

非谐振功率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。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析近似分析法（折线法）主要指标：输出功率与效率还有输出谐波分量尽量小，以免对其他频道产生干扰5.2谐振功率放大器的工作原理β0高频功放工作在大信号非线性状态，晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线，通常所说的静态特性曲线是指低频区。

低频区：

中频区：

高频区：

故高频区或中频区的分析和计算是相当困难,本节将从低频区的静态特性来解析晶体管的高频功放的工作原理。功放主要技术要求：高输出功率和高效率

功放工作于丙类的原因根据能量守恒定律：

（5.2.1）

效率：

（5.2.2）5.2.1获得高效率所需要的条件由上式可得：

（5.2.3）

晶体管发射极电压与电流

+－

任一元件（呈电阻性）上的耗散功率等于该元件的电流与该元件两端电压的乘积如何减小集电极耗散，提高集电极效率呢？

(

b)

t

w

或电压

电流

o

V

BZ

V

CC

V

－

BB

V

bm

V

cm

v

bE

max

q

i

C

i

c

max

c

i

C

v

CE

v

BE

v

CE

min1.

iC

与vBE同相，与vCE反相；2.

iC

脉冲最大时，vCE最小；3.

导通角和vCEmin越小，Pc越小；v

CE

ωlowhigh3ωnω2ω0集电极电流为周期性脉冲串，它使得只有在最低的时候才能通过，集电极耗散功率大大减小，集电极效率得到提高。另一方面，集电极波形相对于基极输入的正弦波来说，明显是失真的。那么高功放是如何解决这一问题的呢？余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加

（5.2.7）丙类功放基本电路

选频作用：LC回路谐振于基频，将集电极电流脉冲变换为输出基频余弦信号；阻抗匹配作用：使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。LC回路轻微失谐，造成滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而无用频率幅度可能升高，从而使增益下降且输出波形产生失真；LC回路严重失谐，LC的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集中在晶体管上，因此晶体管容易烧毁。5.2.2功率关系电路正常工作（丙类、谐振）时，外部电路关系式：此处略去了回路的直流电阻压降，且回路谐振于激励信号频率。

对于谐波分量，回路的阻抗很小，且呈容性，相当于短路LC回路可吸取的基频功率为：

（5.2.10）故，放大器的集电极效率为：

（5.2.12）即，LC回路阻抗值为：

（5.2.11）

小结——丙类放大器提高效率的途径1、集电极电流为周期性脉冲串，它使得只有在最低的时候才能通过，集电极耗散功率大大减小，集电极效率得到提高。2、减小角，越小，越大，则集电极效率越高。

为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。

考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。5.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法折线近似分析法的主要步骤2、作出动态特性曲线。1、测出晶体管转移特性曲线和输出特性曲线，并对它们进行折线化处理。

图5.3.1晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE欠压临界过压图5.3.2晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)

VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe转移特性iCVBZ0理想化首先，写出集电极余弦脉冲电流表达式。iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)

=gcVbm(cosωt–cosc)=gcVbm(1–cosc)当t=0时，iC=iCmax取决于脉冲高度iCmax与通角c当t=c时，iC=0集电极余弦电流脉冲的分解

图5.3.3尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得其中：尖顶余弦脉冲的分解系数波形系数再将集电极余弦电流脉冲分解成傅里叶级数

下面分析基波分量Icm1、集电极效率ηc和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。

尖顶脉冲的分解系数

设计倍频器参考值

解：1）

又∴

又∴

2）3）

查教材P235的附录5.1余弦脉冲系数表可得：

或：

5.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性

因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。

集电极效率ηc和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压

VBB、Vbm、

VCC。

静态特性：集电极电路没有负载下晶体管参数的关系。理想化折线（虚线）ic0VBZic0

晶体管转移特性

晶体管输出特性

下面推导动态特性+－

+－

+－

+－

放大器工作于谐振时，外部电路关系:

（5.3.17）内部关系式:

（5.3.18）

功放基本电路

（5.3.8）又：

动态特性曲线（负载线或工作路）的斜率

故：

（5.3.19）

动态特性曲线（负载线或工作路）的截距

晶体管工作晶体管截止

00

123

临界线

临界线

（集电极饱和电压）

临界线饱和区工作区

出现凹顶3210180°BACD321负载增大VCCQVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm

三种工作状态的波形汇总

iCvcevbemax过压区临界区欠压区欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp

00

临界临界欠压

欠压过压过压

负载特性曲线

00

临界临界欠压

欠压过压过压

负载特性曲线

00

临界临界欠压

欠压过压过压

解：1）

且故

iCt从图中得到：

∴

故放大器不会烧毁3）

2）5.3.4各级电压对工作状态的影响

••过压欠压0临过压欠压临界

•

0

界

过压欠压0临过压欠压临界

0

界

各变量对功放工作状态影响的总结

功放在过压和欠压工作状态的一个重要特点

解：1）

作业： 5-4

5-95.5高频功率放大器的电路组成要使高频功放正常工作，在其输入和输出端需接有直流通路和交流通路：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置及能量功率；交流匹配网络：使高频交

流信号能有效地进行传输。功放基本电路5.5.1直流馈电电路

根据直流电源连接方式的不同，可分为：串联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管

形成串联连接的方式。并联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管

形成并联连接的方式。并联反馈串联反馈

串并馈直流供电路的优缺点：优点：并馈电路中，信号回路两端