高频电子系统课件高频功率放大器

第5章高频功率放大器

5.1概述5.2谐振功率放大器工作原理5.3晶体管谐振功率放大器折线近似分析5.4谐振功率放大器高频特性5.5谐振功率放大器电路1/665.1概述1、使用高频功率放大器目标

放大高频大信号使发射机末级取得足够大发射功率。

由于采取谐振回路作负载，处理了大功率放大时效率、失真、阻抗匹配等问题，因而高频功率放大器一般又称为谐振功率放大器。

2/665.1概述2.功率信号放大器使用中需要处理两个问题：①高效率输出②高功率输出联想对比：谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；3/665.1概述3.谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器异同

相同之处：它们放大信号均为高频信号，并且放大器负载均为谐振电路不一样之处：鼓励信号幅度不一样，放大器工作点不一样，晶体管动态范围不一样4/665.1概述4.高频功率放大器与低频功率放大器异同之处相同之处：都要求输出功率大和效率高。不一样之处：工作频率与相对频宽不一样放大器负载不一样放大器工作状态不一样功率放大器实质上是一种能量转换器，把电源供应直流能量转换为交流能量，能量转换能力即为功率放大器效率。功率放大器主要指标是输出功率和效率5/665.1概述5.功率放大器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，为了深入提升工作效率还提出了丁类与戊类放大器，这二类放大器是工作在开关状态谐振功率放大器一般工作与丙类，属于非线性电路

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5.2.1谐振功率放大器原理及电压电流波形1、原理电路晶体管作用是在将供电电源直流能量转变为交流能量过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管负载电路工作在丙类工作状态外部电路关系式晶体管内部特性7/665.2.1谐振功率放大器原理及电压电流波形必须强调指出，集电极电流ic

虽然是脉冲状，但由于在集电极电路内采取是并联谐振回路，因此谐振回路这种滤波作用仍然能得到正弦波形输出。w

tw

t半流通角/通角8/662、电流和电压波形关系5.2.1谐振功率放大器原理及电压电流波形9/6610/66小结谐振功率放大器特点：1）用来放大窄带高频信号（通带宽度只有中心频率1%）；2）工作于丙类工作状态（

c<90

）；3）负载必须是LC谐振回路；4）基极偏置电压为负值；电流是尖顶余弦脉冲；5）放大器属于非线性电路，不能采取等效电路进行分析，采取折线近似分析法。11/665.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率

功率放大器作用原理是利用输入到基极信号来控制集电极直流电源所供应直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。这种转换不也许是百分之百，由于直流电源所供应功率除了转变为交流输出功率那一部分外，尚有一部分功率以热能形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表达晶体管放大器转换能力引入了集电极效率。设P=：直流电源供应直流功率；Po：交流输出信号功率；Pc：集电极耗散功率；

12/665.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率集电极效率两点结论：1）设法减少集电极耗散功率2）维持不超出要求值，例：由此可见，提升效率对输出功率有极大影响。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提升输出功率与效率。

13/665.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率如何减少集电极功率？假如使ic只有在vCE

最低时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。由此可见，要想取得高集电极效率，谐振功率放大器集电极电流应当是脉冲状。ic

流通角不大于1800，即为丙类工作状态

14/66集电极电流脉冲傅立叶展开级数直流电源功率为回路基频功率（交流功率）为5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率回路两端基频电压基频电流谐振电阻15/66放大器集电极效率：集电极电压利用系数：波形系数：5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率16/66晶体管内部特性为：晶体管外部电路关系式为：因此集电极电流为：5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率17/665.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率当时，，即集电极电流为0，得到：当时，，因此集电极电流为：因此尖顶余弦脉冲解析式为：18/66将尖顶脉冲分解为傅立叶级数：由傅立叶级数求得系数：5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率19/66由傅立叶级数求得系数：5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率20/665.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率余弦脉冲分解系数与

c关系曲线a0,a1,a2,a30.50.40.30.20.10－0.051030507090110130150170qc/°1.02.0a1a0＝g1(qc)a1a0a3a221/66由上图能够看出，

1最大值为0.535，此时c120°，虽然此时基波电流和输出功率达成最大，不过处于甲乙类状态放大器集电极效率很低。5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率22/66由上图曲线能够看出，1）越小，就越大。2）在时，达成最大值。3）假如电压利用系数，则可达100%。但此时，没有功率输出。4）当

c120°时，功率输出最大，不过又嫌太小，放大器效率太低。5）为了兼顾功率与效率，最佳通角c70°

。5.2.2谐振功率大器功率关系和放大器效率23/665.3高频功率放大器动态特性和负载特性

特性曲线抱负化放大区：集电极电流只受基极电压控制饱和区：集电极电流只受集电极电压控制24/665.3高频功率放大器动态特性和负载特性转移特性方程可写为：临界限方程为gc

称为跨导，一般约为几十至几百ms

25/665.3高频功率放大器动态特性和负载特性在非线性谐振功率放大器中，经常根据集电极是否进入饱和区，将放大区工作状态分为三种

欠压工作状态集电极最大点电流在临界限右方交流输出电压较低且变化较大2)过压工作状态

集电极最大点电流进入临界限之左饱和区交流输出电压较高且变化不大

3)临界工作状态

是欠压和过压状态分界点集电极最大点电流正好落在临界限上26/66当晶体管特性曲线抱负化后，丙类工作状态集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。此时为欠压或者临界状态。当晶体管处于过压状态时，电流余弦脉冲为凹顶脉冲。5.3高频功率放大器动态特性和负载特性27/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性谐振功率放大器动态特性晶体管静态特性是在集电极电路内没有负载阻抗条件下取得。例如，维持集电极电压vC

不变，变化基极电压vB

，就可求出ic–vB

静态特性曲线族。假如集电极电路有负载阻抗，则当变化vB使ic变化时，由于负载上有电压降，就必然同步引发vC

变化。

28/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性动态特性是和静态特性相对而言。在考虑负载反作用后，所取得与关系曲线就叫做动态特性（曲线）。最常用是当同步变化时，表达关系动态特性曲线（有时也叫做负载线或者工作路）。29/66动态特性曲线是在晶体管特性曲线上画出谐振功率放大器瞬时工作点轨迹。小信号电压放大器是纯电阻负载，晶体管仅仅在放大区工作，因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时工作点轨迹就是负载线，是一条直线。谐振功率放大器是非线性工作，各个区域特性曲线方程不一样，因此各个区域工作点移动规律也不一样，因此称其为动态特性曲线，以示与负载线区分。5.3高频功率放大器动态特性与负载特性30/66当放大器工作于谐振状态时，其外部电路关系为：得，又知晶体管折线方程：5.3高频功率放大器动态特性与负载特性31/66可得出在坐标平面上动态特性曲线方程为：其中动态特性曲线斜率为负值，它物理意义：从负载方面来看，放大器相称与一种负电阻，亦即其相称于交流电能发生器，能够输出电能至负载。5.3高频功率放大器动态特性与负载特性32/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性动态特性直线做法：办法1：在

C轴上取B点，使OB=V0。从B点作斜率为gd直线BA，则BA即为动态特性。办法2：1）由，求得静止点虚拟电流IQ，即，从而得到Q点。2）由求得A点。3）连接A、Q两点，即得到动态特性直线。33/66在坐标平面上动态特性曲线与对应波形5.3高频功率放大器动态特性与负载特性34/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性2、功率放大器负载特性动态特性曲线斜率与负载阻抗有关。负载阻抗越大，其交流输出电压越大，负载线斜率gd越小。因此放大器工作状态随负载不一样而变化。当等维持不变时，变化会引发集电极电流脉冲变化，同步引发等变化。各个电流、电压、功率与效率等随而变化曲线就是负载特性曲线。负载特性曲线是高频功率放大器主要特性之一。35/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性集电极电压、电流随负载变化波形36/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性根据Rp与VBmax相交在不一样区域，可分为三种工作状态1）欠压工作状态如动态特性曲线1，其代表较小，因而也较小情形。它与静态特性曲线交点决定了集电极电流脉冲高度。此时电流波形为尖顶余弦脉冲。37/662）临界工作状态如动态特性曲线2。伴随增加，动态线斜率逐渐减小，输出电压则逐渐增加。直到它与临界限OP、静态特性曲线相交于时，放大器就工作于临界状态。此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲。5.3高频功率放大器动态特性与负载特性38/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性3）过压工作状态伴随继续增加，动态线斜率继续逐渐减小，输出电压则继续逐渐增加。动态特性曲线穿过临界点后，电流将沿着临界限下降，因此集电极电流脉冲展现为凹顶状。动态特性曲线3与临界限相交于决定脉冲高度；由曲线3与静态特性曲线延长线交点做垂线，交临界限于。纵坐标即为电流脉冲下凹高度。此时电流波形为凹顶余弦脉冲。39/66电流波形随变化及其负载特性

增大欠压状态临界状态浅过压状态深过压状态5.3高频功率放大器动态特性与负载特性40/66负载特性曲线

5.3高频功率放大器动态特性与负载特性0欠压过压0欠压过压41/66三种工作状态特点：1）临界状态长处—输出功率最大，也较高，能够说是谐振功率放大器最佳工作状态。主要用于发射机末端。5.3高频功率放大器动态特性与负载特性42/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性2）过压状态长处—当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。经常用于需要维持输出电压比较平稳场所，例如发射机中间级放大器。43/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性3）欠压状态输出功率与效率都比较低，并且集电极消耗功率大，输出电压又不够稳定，因此较少采取。但在某些场所，例如基极调幅就是利用了变化使电路工作于欠压状态。44/66

三种工作状态比较

5.3高频功率放大器动态特性与负载特性45/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性集电极电压对工作状态影响指当保持不变而变化时，功率放大器电流以及功率、效率随之变化曲线。由于不变，因此当由小增大时，也将由小增大，因而由决定瞬时工作点将沿这条输出特性由特性饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，波形由较小凹陷脉冲变为较大尖顶脉冲。46/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性集电极电压、电流随VCC变化波形47/66

对工作状态影响过压临界欠压05.3高频功率放大器动态特性与负载特性48/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性由于，，因而能够从已知得出随变化曲线。49/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性基极电压对工作状态影响当保持不变而变化时，功率放大器电流以及功率、效率随之变化曲线。当由小增大时，即增加时，静态特性曲线向上方平移。因此假如本来工作于临界状态，那么放大器将进入过压状态。反之，当减小时，放大器将进入欠压状态。50/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性集电极电压、电流随负载变化波形51/66对工作状态影响过压临界欠压5.3高频功率放大器动态特性与负载特性52/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性由于，，因而能够从已知得出随变化曲线。对工作状态影响欠压过压53/665.3高频功率放大器动态特性与负载特性由可知，增加等效于减小绝对值，二者都会使产生同样变化。因此，只要将增加方向改为减小方向，即能够得到当不变，只变化时，各电流与功率变化规律。1）在过压区，变化对影响很小；2）在欠压区，才能有效控制变化。54/665.4谐振功率放大器计算以临界状态为例：1）求得集电极电流脉冲两个主要参数和导通角：集电极脉冲高度

55/665.4谐振功率放大器计算2）根据电流脉冲各谐波分量系数，求得各谐波电流值3）计算谐振功率放大器功率和效率56/665.4谐振功率放大器计算4）根据，可求得最佳谐振电阻在临界工作状态时，电压利用系数接近于1，估算时选1