高频功率放大器课件1

6高频功率放大器6.1

概述6.2

谐振功率放大器的原理6.3

晶体管线形分析放大器的折线近似分析法6.4

谐振功率放大器电路6.5

谐振功率放大器实例6.6晶体管倍频器1无线电发射机倍频高频放大调制话筒声音发射天线音频放大高频振荡缓冲26.1概述1、使用高频功率放大器的目的：放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题？高效率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。联想对比：36.1概述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4图6-1小信号谐振放大器波形图

6.1概述56.1概述图6-2谐振功率放大器波形图66.1概述功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，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。76.1概述—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谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率8(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier4.分类6.1概述9丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。ωlowhigh3ωnω2ω06.1概述10如果VCC、VBB、Vbm3个参变量不变，则放大器的工作状态集电极调幅作用是通过改变VCC来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，因此，必须工作于过压区。电路正常工作（丙类、谐振）时，当c≈120时，Icm1/iCmax最大。尖顶余弦脉冲的分解系数等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。3谐振功率放大器的折线近似分析法5谐振功率放大器电路2谐振功率放大器工作原理量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压取决于脉冲高度iCmax与通角c未超过电流安全工作范围。2集电极余弦电流脉冲的分解这时里为了便于说明问题，因而仍采用了改变M的讲法。2集电极余弦电流脉冲的分解6.2谐振功率放大器工作原理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。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：故集电极效率：116.2谐振功率放大器工作原理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；2）由式可知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。126.2谐振功率放大器工作原理如何减小集电极耗散功率Pc呢？晶体管集电极平均耗散功率：可见使ic在VCE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。136.2谐振功率放大器工作原理1、原理电路晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态146.2.1获得高效率所需要的条件Vbmvbewt

采用负电源作基极偏置。wtiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe转移特性iCVBZo理想化图6.2.1高频功率放大器的基本电路电路工作在丙类工作状态为什么VBB<VBZ,甚至采用反向偏压？15162谐振功率放大器的原理谐振回路LC是晶体管的负载等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。谐到串联谐振状态时，它反映到L1C1中1、测出晶体管的转移特性曲线ic~VBE及输出特性曲线ic~VCE，5高频功率放大器的电路组成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则ic=gc(VB–VBZ)(VB＞VBZ)如下图所示电路，放大器工作于临界状态，中介回路与天线回路均已调谐好：3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处。3谐振功率放大器的折线近似分析法折线法就是常用的一种分析法。等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。5工作状态的计算(估算)举例特点都是输出功率大和效率高。谐到串联谐振状态时，它反映到L1C1中流输出电压较低且变化较大。1对不同频率电流的等效电路功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能(b)tw或电压电流0VBZVCCV－BBVbmVcmvbE

maxqiCic

maxciCvCEvBEvCE

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；End6.2.1获得高效率所需要的条件176.2.2功率关系电路正常工作（丙类、谐振）时，外部电路关系式：18End直流功率：输出交流功率：集电极效率：集电极电压利用系数波形系数6.2.2功率关系怎样实现放大器输出为正弦信号？196.2谐振功率放大器工作原理放大器的集电极效率：集电极电压利用系数波形系数，通角c的函数；c越小g1(c)越大越大(即Vcm越大或VCEmin越小)c越小效率c越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率c的途径即为减小c角；使LC回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应VCE的最小值。基极偏置为负值；半通角c＜90，即丙类工作状态；负载为LC谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：206.3谐振功率放大器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。折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线ic~VBE及输出特性曲线ic~VCE，并将这两组曲线作理想折线化处理2、作出动态特性曲线3、根据激励电压vBE的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲ic4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2……由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标216.3谐振功率放大器的折线近似分析法二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线223)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。2)过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大。1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。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，工作状态分为三种：236.3谐振功率放大器的折线近似分析法若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为

ic=gcrVc241对不同频率电流的等效电路率放大器进行分析和计算。设Q0＝100，QL＝10，接入系数P=0.为交流信号功率输出去。5谐振功率放大器电路直流电源及辅助元件L、C、C等)3谐振功率放大器的折线近似分析法5工作状态的计算(估算)举例5谐振功率放大器电路5工作状态的计算(估算)举例求M，L1，C1？才能使天线与3DAI相匹配。5谐振功率放大器电路谐振功率放大器的功率关系和效率2集电极余弦电流脉冲的分解功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能图中，介于电子器件与天线回3谐振功率放大器的折线近似分析法半通角c＜90，即丙类工作状态；欠压、过压、临界三种工作状态的特点：这种电路是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极6.3谐振功率放大器的折线近似分析法则ic=gc(VB–VBZ)(VB＞VBZ)根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示(VBZ为截止偏压)。25VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe转移特性iCVBZ0理想化以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)

=gc(－VBB+Vbmcosωt–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=06.3.2集电极余弦电流脉冲的分解266.3.2集电极余弦电流脉冲的分解图6.3.3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27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当c≈120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax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乙类状态，效率太低。6.3.2集电极余弦电流脉冲的分解28图6-9尖顶脉冲的分解系数由曲线可知：极端情况c=0时，如果此时=1，c可达100%。为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。End6.3.2集电极余弦电流脉冲的分解下面分析基波分量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。29谐振功率放大器的动态特性高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压Vbm、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。如果VCC、VBB、Vbm3个参变量不变，则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。306.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性1.

高频功放的动态特性下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC、VBB、Vbm

所表示的输出动态负载曲线。vceicVo•AVCC•QVcm1vcmingd312.

高频功放的负载特性vBEiC•-VBB•VBZvbeiCgCVbm•vbemaxiCmaxvceiCVCC•QvceminVcesgd•vbemax•••vcemingcr•过压区临界区欠压区6.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性vbemax322.

高频功放的负载特性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Rp6.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性33欠压、过压、临界三种工作状态的特点：结论：欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大；过压：恒压，Icm1变化，Po较小，ηc可达最高；临界：Po最大，ηc较高；最佳工作状态发射机末级中间放大级2.

高频功放的负载特性6.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性图6.3.7负载特性曲线欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp346.3.4各极电压对工作状态的影响vceiCvbemax•QVCC••QVCC•QVCC••••iC1.

改变ＶCC对工作状态的影响过压欠压0临界VCC过压欠压0临界VCC 集电极调幅作用是通过改变VCC来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，因此，必须工作于过压区。352.

改变Ｖbm对工作状态的影响vceiCvbemax1vbemax2•QVCCvbemax4••••iCvbemax3••欠压过压0临界Vbm欠压过压0临界Vbm6.3.4各极电压对工作状态的影响363.

改变ＶBB对工作状态的影响基极调幅作用是通过改变ＶBB来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，因此，必须工作于欠压区。vbe•VBBvbemax1vBEiC•VBBvbemax2•VBBvbemax3vceiCvbemax1vbemax2•QVCCvbemax3••••iCVBB绝对值的增加等效于减少Vbm，两者都会使vbemax产生相同的变化End6.3.4各极电压对工作状态的影响376.3.5工作状态的计算(估算)举例例6.3.1有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知ＶCC＝24Ｖ，Ｐｏ＝２Ｗ，工作频率＝１MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为fＴ≥70MHz，Ap（功率增益）≥13dB，ＩCmax＝750ｍＡ,ＶCE(sat)(集电极饱和压降)≥1.5Ｖ,ＰCM＝１W。解：１）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压

2）38解：

3）选c=70o，

4）未超过电流安全工作范围。

5）

6）

7）

8）

9）End6.3.5工作状态的计算(估算)举例396.5高频功率放大器的电路组成6.5.1馈电线路6.5.2输出、输入与级间耦合回路406.5.1馈电线路以上的高频功率放大器的电路仅仅是其原理图。欲使高频功率放大器正常工作于丙类某一最佳状态，与小信号谐振放大器同样，必须有正确的直流通路和交流通路。除此之外，还要尽量减少功率传输中的损耗。这就涉及其馈电线路的实现问题。图6.5.1对不同频率电流的等效电路41图6.5.2集电极电路的两种馈电形式6.5.1馈电线路42图6.5.3基极馈电的两种形式6.5.1馈电线路43End图6.5.3几种常用的产生基极偏压的方法6.5.1馈电线路443几种常用的产生基极偏压的方法基极调幅作用是通过改变ＶBB来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，因此，必须工作于欠压区。作用是使天线回路处于串联谐3：放大器工作于临界状态，发生下列情况，放大器的工作状态将如何变化？为什么？欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大；特点都是输出功率大和效率高。3谐振功率放大器的折线近似分析法临界：Po最大，ηc较高；功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。1高频功率放大器的采用负电源作基极偏置。谐到串联谐振状态时，它反映到L1C1中图中，介于电子器件与天线回可见使ic在VCE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。3：放大器工作于临界状态，发生下列情况，放大器的工作状态将如何变化？为什么？最常见的输出回路是复合输出回路如图所示有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。5谐振功率放大器实例（1）当VCC,VBB,M1不变，增大M2时，放大器的工作状态将如何变化？6.5.2输出耦合回路图6.5.5放大器与负载之间用四端网络耦合1.输出匹配网络

①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。

②抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好的滤波作用。

③有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。456.5谐振功率放大器电路最常见的输出回路是复合输出回路如图所示图中，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。图6-22复合输出回路(为了简化电路，省略了直流电源及辅助元件L、C、C等)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。466.5谐振功率放大器电路可以看到两种输出网络，从晶体管集电极向右方看去，都应等效为一个并联谐振回路，如图6-23所示。6-23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476.5谐振功率放大器电路改变M(晶体管电路由于元件小，实现可变M是较困难的，这时里为了便于说明问题，因而仍采用了改变M的讲法。)，就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的。耦合越紧，即互感M越大，则反映等效电阻越大，回路的等效阻抗也就下降越多。486.5谐振功率放大器电路为了使器件的输出功率绝大部分能送到负载RA上就希望反映电阻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。故有:49例题：电路如图：测得P=＝10W，PC＝3W，中介回路损耗功率PK＝1W。试求：1）天线回路功率PA；2）中介回路效率；3）晶体管效率和整个放大器的效率。50例题：设初次级回路都谐振于工作频率1MHZ，RA为天线辐射电阻，值为37欧姆。放大器用晶体管3DAI，其工作条件与例6.3.1相同。求M，L1，C1？才能使天线与3DAI相匹配。设Q0＝100，QL＝10，接入系数P=0.2。51如下图所示电路，放大器工作于临界状态，中介回路与天线回路均已