2.3 高频功率放大器.ppt

1、1,2.3 高频功率放大器,2,读一读,无线电发射机中的高频功率放大器,在无线电发射机中，由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。这里所提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。由此可见，高频功率放大器是发送设备的重要组成部分。,3,发送设备的组成,高频振荡器,倍频或放大,调制器,高频功率放大器,话筒（微音器）,声音,低频放大,天线,4,概述,高频功放的任务：输出足够大的功率、高效率的功率转换、减小非线性失真。 掌握丙类谐振功放电路特点及其工作原理，理解对能量工程估算方法。

2、重点掌握谐振功放工作状态分析。 了解匹配网络。,5,高功放的分类,根据工作频带可分为： 窄带型 宽带型 窄带型采用具有选频作用的谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器； 放大等幅信号的谐振功放一般工作于丙类， 为了提高效率； 放大高频调幅信号的谐振功放一般工作于 乙类，以减小失真； 宽带型采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，可实现功率合成.,6,谐功放的特点,谐功放与低功放相比： 相同点：都要求Po大，高； 不同点：工作频率 负载 工作状态 谐功放 几百KHz几百MHz 谐振网络 丙类或乙类 低功放 20Hz20KHz 电阻、变压器等非谐振网络 乙类或甲乙类 谐功放与小信号谐振放大器相比：

3、相同点：都是高频放大，负载均为谐振网络； 不同点：谐功放是大信号放大器，主要考虑的是Po和，工作在丙类，负载 的作用是从失真的集电极电流中选出基波，滤除谐波； 小信号谐放为小信号放大器，主要考虑Au，fbw和选择性，工作 在甲类，负载的作用是抑制干扰信号，不失真放大有用信号。,7,谐功放的工作原理,丙类谐功放（一）放大器工作状态的分类,1.通角的概念：在信号的整个周期中，电流导通角度的一半称通角 2.分类,8,可见，甲类工作状态整个周期导通，即iC永远不为0，所以甲类管功耗大、效率低；乙类工作状态iC仅在半个周期导通，且iC正好是uCe负半周，管耗小、效率高（小于等于78%）；丙类工作状态90

4、 ，iC仅在uCe较小的期间半个周期导通，故比乙类效率高，可达80%以上。 所以，高功放一般工作在丙类，且负载要用调谐回路，滤出谐波，保证完整基波。,放大器工作状态的分类,9,高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是要求输出功率大和效率高。两者间的差异总结如下:, 低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。 例如，自20至20,000 Hz，高低频率之比达l,000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。 高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百MHz、几GHz甚至几十GHz），但相对频带很窄。 例如，调幅广播电台（5351,605 kHz的载波频段范围）的频带

5、宽度为9 kHz，如中心频率取为900kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。,1.按负载性质划分,10,低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态； 高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。,2.按工作状态不同划分：,11,分为甲、乙、丙三类工作状态。 甲类放大器电流的流通角为360，适用于小信号低功率放大； 乙类放大器电流的流通角约等于180； 丙类放大器电流的流通角则小于180。 乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。

6、高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。,3.按放大器电流通角（放大器在一个正弦周期内导通的角度）的不同划分：,12,不同点：比较,小结,13,高频功率放大器的主要技术指标除输出功率与效率外，还要求输出中的谐波辐射分量尽量小，以免对其他频道产生干扰。国际间对谐波辐射规定有两个标准： （1）对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强对基波场强之比不得超过0.02； （2）不论电台的功率有多大，在距电台1km处的谐波场强不得大于50Vm。 在

7、一般情况下，假如任一谐波的辐射功率不超过25mW，即可认为满足上述要求。,14,读一读,1、谐振功率放大器的电路组成与工作原理,电路中VBB为放大器提供一反向偏置电压VBB，从而使放大器静态时为截止状态,L1与C1、L2与C3均调谐在fi= fc=30MHz，起滤波和谐振负载作用。,15,设输入电压ub=Ubmcosct，则BJT发射结上电压 uBE =VBB + ub = VBB + Ubmcosct 对于如图2.24所示电路的NPN型管来说，只有在激励信号uBE为正值的一段时间（+ 至 ）内才有集电极电流产生.,16,图2.29 谐振功率放大器的通角,如图2.29所示。由图可知，2 是在一

8、周期内的集电极电流流通角，因此， 可称为半流通角或截止角（意即t= 时，电流被截止）。为方便起见，以后将简称为通角。由图2.29可以看出:,17,显然，iB为一周期性余弦电流脉冲，iC幅度比iB大得多，但波形和iB相似，也是周期性余弦电流脉冲。可将集电极余弦电流脉冲iC按傅里叶级数分解为 iC =IC0 + ic1 + ic2 + = IC0 + Ic1mcosct + Ic2mcos2ct + 式中，IC0为iC的直流分量，Ic1m、Ic2m 分别其基波分量和各次谐波分量振幅，它们均是 的函数。 由于回路对基频谐振，呈纯电阻RP，并联谐振回路谐振时等效电阻最大,而对其他谐波的阻抗很小，故:只

9、有基频电流与基频电压才能产生输出电压，因此 uc = RPIc1mcosct = Ucmcosct 则 uCE =VCC uc = VCC Ucmcosct 由上述分析可得谐振功率放大器的各极电压与电流波形如图2.30所示。,18,丙类谐振功放各电流电压波形示意图,19,图2.30 谐振功率放大器的电压和电流波形,20,参见图2.30，令,（2.1）,式中、,等是 的函数，称为尖顶余弦脉冲的分解系数，可以推出,（2.2）,直流分解系数,基波分量分解系数,二次谐波分量分解系数,21,等与 的关系见图2.31。,图2.31 余弦脉冲的分解系数,22,余弦脉冲分解系数,由图可以看出： 谐波分量的次数

10、越高，振幅越小； 对于某次谐波，存在一通角使an()取得最大值； 对于丙类谐功放， ao()和a1()都随的增加而增大，而波形系数g1()随的增加而减小；,23,功率关系,1. 输出功率P0 其中 IC1m为iC中基波振幅 UCm为负载两端电压振幅,24,2.功率关系效率,P0 / Pv 其中Pv为集电极直流电源提供的直流功率（利用基极激励控制，使其转换为交流功率） PvVCC IC0 PT为集电极耗散功率 PTPvP0,25,功率关系,集电极电压利用系数： 集电极电流利用系数： 显然：越大，g1（）越大，效率越高.,26,输出功率,看余弦脉冲分解系数曲线， 输出功率Po最大应选择通角为120

11、，但此时效率C并不是最高。,27,V,效率,由上式可求得不同工作状态下放大器效率分别为： 甲类工作状态，=180，g1()=1，c=50%； 乙类工作状态，=90，g1()=1.57，c=78.5%； 丙类工作状态，=60，g1()=1.8，c=90%,为提高效率C应考虑两点： 选择合适的通角 ，为兼顾Po能够较大，最佳通角取6575（条件是Icmax为定值、R为定值）。 提高电压利用系数，即应R，并Ubm。就是说R对C 、 Po有最佳取值。,28,结论,从前面的的讨论知道，丙类谐振功率放大器在大信号激励下可获得大功率、高效率。实际调整电路时，晶体管选定后即 gm、 Uon一定，还要注意Vcc

12、 、 VBB 、 Ubm 、 R 等参数对功率放大器工作状态的影响。 例题见书P24,29,读一读,高频功率放大器的工作状态取决于负载阻抗RP和电压VCC、VBB、Ubm四个参数。 为了说明各种工作状态的优缺点和正确调节放大器，就必须了解工作状态随这几个参数而变化的情况。 如果维持三个电压参数不变，那么工作状态就取决于RP。 此时各种电流、输出电压、功率与效率等随RP而变化的曲线，就叫负载特性（曲线）（load characteristic）。在讨论负载特性之前，应先讨论动态特性（dynamic characteristic）。,谐振功率放大器的动态特性与负载特性,30,丙类谐功放的性能分析,

13、在基极输入电压ub的作用下，V将经历不同的工作区域，因此放大器将工作在不同的状态； 当ub不大以致uBEUon时，V将截止，当ub变大，管子V将导通，如果ub 的振幅不太大，则V导通时均处于放大区，称丙类放大器工作于欠压状态； 如果Ubm很大，V导通时将从放大区进入饱和区，于是称丙类放大器工作在过压状态； 如果Ubm的大小刚好使V进入临界饱和，则称丙类放大器工作在临界状态.,31,由下图可知，在欠压区至临界线的范围内，当RP逐渐增大时，集-电极电流脉冲的最大值以及流通角 的变化都不大。RP增加，仅仅使略有减小。因此，在欠压区内的IC0与Ic1m几乎维持常数，仅随RP的增加而略有下降。但进入过压

14、区后，集电极电流脉冲开始下凹，而且凹陷程度随着RP的增大而急剧加深，致使与Ic1m也急剧下降。这样，就得到了图2.36（a）的IC0 、Ic1m随RP而变化的曲线。再由Ucm = RPIc1m的关系式看出，在欠压区由于Ic1m变化很小，因此Ucm随RP的增加而直线上升。进入过压区后，由于Ic1m随RP的增加而显著下降，因此Ucm随RP的增加而很缓慢地上升。 欠压时Ic1m几乎不变，过压时Ucm几乎不变。 欠压状态的放大器当作一个理想电流源； 过压状态的放大器当作一个理想电压源。,32,直流输入功率PV = IC0 VCC。由于VCC不变，因此PV曲线与IC0曲线的形状相同。 交流输出功率 ，因

15、此Po曲线可以从Ucm与Ic1m两条曲线相乘求出来。由图2.36（b）看出，在临界状态，Po达到最大值，且也较大。此时,RP=Ropt称为谐振功放的最佳负载或匹配负载。,图2.36 负载特性曲线,功率与效率曲线,33,集电极耗散功率：Pc =PVPo，故Pc曲线可由PV与Po曲线相减而得。由图2.36知，在欠压区内，当RP减小时，Pc上升很快。当时，Pc达到最大值，可能使晶体管烧坏。必须避免谐振功放工作在强欠压状态。 效率：在欠压时，PV变化很小，所以随Po的增加而增加；到达临界状态后，开始时因为Po的下降没有PV下降快，因而继续增加，但增加很缓慢。随着RP的继续增加，Po因Ic1m的急速下降

16、而下降，因而略有减小。由此可知，在靠近临界的弱过压状态出现的最大值。,34,三种工作状态的优缺点综合如下： 临界状态的优点是输出功率最大，也较高，可以说是最佳工作状态。这种工作状态主要用于发射机末级。 过压状态的优点是，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。它常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，例如发射机的中间放大级。 欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不够稳定，因此一般较少采用。但在某些场合，例如基极调幅，就是利用改变使电路工作于欠压状态,35,选频匹配网络,(1) 阻抗电路的串并联等效转换 由电阻元件和电抗元件组

17、成的阻抗电路的串联形式与并联形式可以互相转换， 而保持其等效阻抗和值不变。,图5 串并联阻抗转换,36,选频匹配网络,(1) 阻抗电路的串并联等效转换,由图5可写出： Zp=RpjXp=,Zs=Rs+jXs,要使ps，必须满足: Rs=,37,将上述公式反过来即可求得: Rp= Xp=,可以得到下述统一的阻抗转换公式:,可知， 转换后电抗元件的性质不变。当Qe1时，则简化为： Rp Q2eRs Xp Xs,38,习题: 1.一谐振功率放大器,若分别工作在甲、乙、丙三种不同工作状态，且效率分别为50%、 75%、 85%。 （1）当PO5W时，三种工作状态下的PT各为多少？（2）若保持PT1W不

18、变，则三种工作状态下的PO各为多大？,39,习题: 2.某谐振功率放大器的VCC12V，负载谐振电阻R50。设0.90，75。，求PO和。 （已知0（75。）0.269， 1（75。） 0.455）。 3.一谐振放大器工作在临界状态，若外接负载电阻突然短路，问电路工作状态如何变化？功率管工作是否安全（设RL以并联形式接于谐振回路）？,40,4.谐振功率放大器工作在欠压区，要求输出功率PO5W。若VCC24V，VBBUon，R53，求PV和 （已知0（90。）0.319， 1（90。） 0.500）。 5.欲将工作在过压状态的谐振功率放大器调至临界状态，可通过改变哪些参数来实现？,41,6.一谐振功率放大器设计工作在临界状态，实测时发现PO仅为设计值的60%，而IC0却略大于设计值，问放大器工作在什么状态？如何调整才能使PO和IC0接近设计值？ 7.某谐振功放工作在临界状态，已知R200，IC090mA，VCC30V，90。，求PO与。（已知0（90。）0.319， 1（90。） 0.