Chapter5--高频功率放大器...ppt

1、2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,1,5.1 概述,5.2 谐振功率放大器的工作原理,5.3 晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法,5.5 高频功率放大器的电路组成,Chapter 5 高频功率放大器,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,2,1、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;,

2、联想对比：,5.1 概述,不同特点:两者的工作频率相对频宽不同，因而负载网络与工作状态也不同。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,3,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。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,4,1、原理电路,外部电路关系式：,晶体管的内部特性：,5.2 谐振功率放大器的工作原理,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights res

3、erved.,5,故晶体管的转移特性曲线：,故得：,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,6,高频功率放大器中各分电压与电流的关系,（a）,谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,7,高频功率放大器中各部分电压与电流的关系,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,8,LC回路能量转换过程,从能量的观点解释回路滤波问题,当晶体管由截止转入导通时，由于回路中电感L的电流不

4、能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止。,由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,9,2、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

5、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,根据能量守恒定律：,故集电极效率：,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,10,如何减小集电极耗散功率Pc？,若使ic在ec最低的时候才能通过，则Pc将大为减小。,晶体管集电极平均耗散功率：,故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180，处于丙类工作状态。,谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c90，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：,回路两端的基频电压,2

6、020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,11,放大器的集电极效率：,输出交流功率：,直流功率：,基频电流,回路的谐振电阻,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,12,一、折线法,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。,5.3 谐振功率放大器的折线近似分析法,折线分析法的主要步骤：,测出晶体管的转移特性曲线ic eb，及输出特性曲线 ic ec，并将这两组曲线作理想折线化处理,作出动态特性曲线,根据激励电压vb的大小在已

7、知理想特性曲线上画出 对应电流脉冲ic和输出电压vc的波形,求出ic的各次谐波分量Ic0、Icm1、Icm2 、 ,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,13,二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线,晶体管实际特性和理想折线,图(a)中：,图(b)中：,进入,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,14,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。,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。,

8、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。,在高频功率放大器中，常常根据集电极电流是否进入饱和区，将它的工作状态分为三种：,返回,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,15,三、集电极余弦电流脉冲的分解,当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。适用于欠压或临界状态。,尖顶余弦脉冲,晶体管的内部特性为：,它的外部电路关系式,尖顶余弦脉冲解析式,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,16,若将尖顶脉冲分解为

9、傅里叶级数,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,尖顶脉冲的分解系数,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,17,尖顶脉冲的分解系数,由于：,波形系数,由曲线可知： 极端情况c=0时，,此时 =1，c可达100,因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,18,1. 谐振功率放大器的动态特性,放大器的负载特性：VCC、VBB、vb 3个参变量不变，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R

10、p而变化。,四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性,动态特性曲线：集电极电路有负载阻抗，当改变eb使ic变化时，由于负载上有电压降，就必然会引起ec的变化，即考虑了负载的反作用后，所获得的eb、ec与ic的关系曲线。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,19,当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为,消去cost 可得，,而晶体管的内部电流电压关系式为,得出在ic ec坐标平面上的动态特性曲线方程：,斜率,截距,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,20,图中

11、动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：,从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载。,谐振功率放大器的动态线或集电极ic电流波形,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,21,例5.1 如图所示电路中：1) 当电源电压为Vcc(图中C点)时，动态特性曲线为什么不是从ec= Vcc的C点画起，而是从Q点画起？2) 当c为多少时，才从C点画起？3) 电流脉冲是从B点才开始发生的，在BQ这段区间并没有电流，为何此时有电压降BC存在？物理意义是什么？,解：1) 由于放大器工作于丙类， c 90

12、，因此从Q点画起。,2) 当c =90时，才从C点画起。,3) BC这段电压是由谐振回路的滤波作用所产生的基波电压，因此BC段虽然没有电流，但仍然有电压降。它的物理意义是谐振回路的储能作用。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,22,2. 功率放大器的负载特性,VCC、VBB、vb一定，只变化放大器的负载电阻而引起的放大器输出电压、输出功率、效率的变化特性称为负载特性。,三种工作状态:,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,23,根据上述分析，可以画出谐振功率放大器

13、的负载特性曲线,负载特性曲线,欠压状态时，P0和c随Rp增加而增加； 当Rp为临介值时， P0和c几乎都为最大； 当Rp进一步增大时，由于放大器已进入过压状态， P0和c反而下降。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,24,电压、电流随负载变化波形,各级电压对工作状态的影响,Vcc对工作状态的影响,进入,Vbm或VBB对工作 状态的影响,静态特性曲线向上方平移,欠压状态：,过压状态：,B,B,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,25,Vcc对工作状态的影响,返回,

14、在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,26,Vbm变化时电流、功率的变化,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,27,五、谐振功率放大器的计算,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。 以临界状态为例：, 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量icmax和c,导通角c,集电极电流脉冲幅值icmax,电流余弦脉冲的各谐波分量系

15、数0(c)、1(c)、 n(c)可查表求得，并求出各分量的实际值。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,28, 谐振功率放大器的功率和效率,交流输出功率：,直流功率：,集电极效率：,根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,29,例5.2 一个用3DA4C高频功率管构成 的丙类功率放大器，已知工作频率f0=10MHz ，P08W， Vcc24V。试求它的能量关系。,查手册得3DA4C的参数为

16、：,解：由前面的讨论可知，工作状态最好选用临界状态。,一般取=70,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,30, 由功率增益的定义：,可求得所需的基极激励功率为：,作业： 5-4 5-9,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,32,根据直流电源连接方式的不同，集电极(或基极)馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,5.5 高频功率放大器的电路组成,2020/9/16,Copyrights yaoping. All rights reserved.,33,集电极馈电电路应遵循的几个基本原则：,直流电流IC0是产生能量的源泉，它由VCC经管外电路输至集电极，除了晶体管的内阻外，没有其他电阻消耗能量。,高频基波分量Icm1应通过负载回路，以产生所需要的高频输出功率。故Icm1只应在负载回路上产生电压降，其余部分相对于Icm1是短路的。,高次谐波分量Icmn是“副产品”