第四章高频功率放大器课件.ppt

1、一、高频功率放大器在无线电发射机中的位置一、高频功率放大器在无线电发射机中的位置LC窄带高功放：回路作输出负载，又称谐振功率放大器，工作于乙类或丙类状态，具有放大、选频滤波作用。宽带高功放：用传输线变压器或者其他宽带匹配网络作输出负 载，不具备选频滤波作用。工作于甲类状态。v按负载分按负载分v按晶体管导通情况分按晶体管导通情况分甲类甲类(A(A类类)：集电极电流导通角：集电极电流导通角 =180=180o o乙类（乙类（B B类）：集电极电流导通角类）：集电极电流导通角 =90=90o o丙类（丙类（C C类）：集电极电流导通角类）：集电极电流导通角 9090o o，放大等幅载波及已调，放大等

2、幅载波及已调波波 相同点：1、都要求输出功率大和效率高；2、激励信号幅度均为大信号。不同点：1、工作频率与相对频宽不同；2、放大器的负载不同；3、放大器的工作状态不同。四、相同点：1、放大的信号均为高频信号；2、放大器的负载均为谐振回路。不同点：1、激励信号幅度大小不同；2、放大器的工作点不同；晶体管动态范围不同。ivBZBZBZVvVvgVvi 0n用折线来表示非线性曲线可以使计算简化，而且也能反映出特性曲线的基本特点，在强信号作用下，即非线性元件在大幅度的电压和电流的情况，采用这种近似方法是比较合适的 n但是，折线化的近似方法是很粗糙的，它完全忽略了曲线微小逐渐的的变化，在某些场合下这种微

3、小变化具有十分重要的意义时，比如信号较小且非线性元件又工作在特性曲线的弯曲部分时，这种方法产生误差太大，不能采用该方法。BZVBVttiimaxiimVivOOOBZVBZiBZiBZiVvVvgVvi 02 tVVtvimBicos 二极管截止二极管导通 0 cosBZimBBZiVtVVgVtvgti,()0wti timBBZVVVcos coscos tgVtiimcos1maximgVi t cos1coscosmaxtiti尖顶余弦脉冲ivg斜率vi(t)是一个以T=2/为周期的，可以用傅立叶级数展开研究 一个周期内的其他位置 0 cos1coscosmaxttititItIIti

4、mm2coscos)(210)cos1)(1()sincoscossin(2cos)(1)cos1(cossincos)(1 )cos1(cossin)(212maxmax1max0nnnnnitdtntiIitdttiIitdtiImnmv各频率成分中，除电流峰值imax外，其余均为流通角的函数，通常称它们为余弦脉冲余弦脉冲电流分解系数电流分解系数2 11211210nnnnnnn)cos)()sincoscos(sin)()cos(cossin)()cos(cossin)()()()(max1max10max0nmnmiIiIiI01n2.01.0余弦脉冲分解系数表余弦脉冲分解系数表103

5、201120n1204060nmI 可以看出，当可以看出，当 一定时，各次谐波可在特定流通角处取一定时，各次谐波可在特定流通角处取得最大值。得最大值。基波最大值出现在基波最大值出现在 =120 处。处。三次谐波最大值出现在三次谐波最大值出现在 =40。n0120 n 次谐波取最大值时的流通角为：次谐波取最大值时的流通角为：n 可以看出，基波最大值出现在可以看出，基波最大值出现在 =120 处。处。但是此时但是此时 ，这与效率有关。，这与效率有关。32.101因此，因此，值的选择需综合考虑。值的选择需综合考虑。二次谐波最大值出现在二次谐波最大值出现在 =60。maxiv例：如果某个非线性器件的伏

6、安特性可用折线表示，其中，=1V，g=10mA/V。现加偏置电压为VB=-1V，输入余弦信号的幅值Vim=4V，查表（pp366-368）计算电流中的直流、基波和二倍频分量幅值。5.04)1(1cosimBBZVVV60276060 391060 218060210.mAgViim205.01410)cos1(maxmA52.5I mA82.7I mA36.4I2m1m0查表：BZV4.2 4.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理ivbv1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi一、谐振功率放大器的工作原理分析一、谐振功率放大器的工作原理分析BBVCCV是集电极直

7、流电源电压，是集电极直流电源电压，是基极偏置电压；是基极偏置电压；L L、C C组成并联谐振回路，作为集电极负载组成并联谐振回路，作为集电极负载回路，负载回路既可以实现选频滤波的功能，回路，负载回路既可以实现选频滤波的功能，又实现阻抗匹配；又实现阻抗匹配；输入信号（又称为激励信号）输入信号（又称为激励信号）经变压器耦合到晶体管的输入经变压器耦合到晶体管的输入端得到端得到 ；放大后的信号通过变压器耦合到负载。放大后的信号通过变压器耦合到负载。bv 晶体管在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过晶体管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程中起开关控制作用BBBEQBZVVV当

8、当 时时 为甲类状态；为甲类状态；当当 BBBEQBZVVV时时 为乙类状态；为乙类状态；当当 BBBEQBZVVV时时 为丙类状态。为丙类状态。BZV称为晶体管的导通电压。称为晶体管的导通电压。7.2.1放大器的工作状态由偏置电压放大器的工作状态由偏置电压 BBV的大小决定的大小决定 2 2电路特点：电路特点：电路工作在丙类状态。电路工作在丙类状态。高，流过晶体管的电流为高，流过晶体管的电流为余弦脉冲；余弦脉冲；谐振回路做负载。其作用是：阻抗匹配，选出余弦脉谐振回路做负载。其作用是：阻抗匹配，选出余弦脉冲中的基波分量冲中的基波分量 3、工作原理：、工作原理：，且，且 cosbbmVt若激励电

9、压若激励电压 BBBZVV所以电路工作在丙类状态。所以电路工作在丙类状态。cosBEBBbBBbmVVVt7.2.1 电路的工作波形如下电路的工作波形如下图所示。晶体管的集电极图所示。晶体管的集电极电流电流 为周期性的余弦为周期性的余弦Ci脉冲脉冲(采用采用折线分析法折线分析法)。可以展开为傅立叶级数。可以展开为傅立叶级数。ivbv1Tr2TrBBVCCVCLBEvCEvCiCvBiLR7.2.1BZV其中其中 0max01()()2CCCIi dti 1max11cos()()c mCCIitdti max1cos()()cnmCCnIin tdti 0CI式中，式中，、1c mI2c mI

10、、cnmI分别为集电极电流的直流分分别为集电极电流的直流分量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。7.2.1012coscos2CCc mc miIItIt Ci的傅立叶级数展开式为的傅立叶级数展开式为 其中，其中，1()0()、()n 为余弦脉冲分解系数，为余弦脉冲分解系数，的关系曲线。的关系曲线。右图给出了导通右图给出了导通角与各分解系数角与各分解系数 1()0()、()n 由图可清楚地由图可清楚地看到各次谐波分量看到各次谐波分量随导通角随导通角 变化的趋变化的趋势。谐波次数越高，振幅就越小。势。谐波次数越高，振幅就越小。显然，只要知道电流脉冲的最大

11、值显然，只要知道电流脉冲的最大值 maxCi和导通角和导通角、就可以计算就可以计算 0CI、1c mI2c mI、cnmI。输出，即：输出，即：1coscosccmc mVtIRt 当当 LC回路谐振于回路谐振于 时，在时，在 回路两端得到回路两端得到 的最大的最大LC1cmc mVIR7.2.1式中 R为谐振回路谐振电阻为谐振回路谐振电阻 结论：丙类谐振功率放结论：丙类谐振功率放大器，流过晶体管的各极电大器，流过晶体管的各极电流均为余弦脉冲，但利用谐流均为余弦脉冲，但利用谐振回路的选频作用，其输出振回路的选频作用，其输出电压仍能反映输入电压的变电压仍能反映输入电压的变化规律，即输出信号基本上

12、化规律，即输出信号基本上是不失真的余弦信号，实现是不失真的余弦信号，实现线性放大的功能。线性放大的功能。谐振功率放大器的各极电压、电流波形 7.2.1丙类谐振功率放大器的电流、电压波形如下图所示。丙类谐振功率放大器的电流、电压波形如下图所示。在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率。如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。这涉及如何合如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。这涉及如何合理地利用好晶体管转移特性的非线性。理地利用好晶体管转移特

13、性的非线性。谐振功放的效率定义为：谐振功放的效率定义为：DoPP 输出信号功率为输出信号功率为：221111222cmocmcmcmVPIVIRR Icm1:集电极电流中的基波分量幅度集电极电流中的基波分量幅度)(1max1ccmiI因此得：cmcoViP1max21 :输出电压的幅度输出电压的幅度cmVPD：电源提供的功率电源提供的功率Po：输出信号的功率输出信号的功率 电源提供的功率是电源提供的功率是 ：它等于电源电压：它等于电源电压 和集电极和集电极电流中直流分量的乘积。（电流中直流分量的乘积。（C类功放的静态工作点电流为零）类功放的静态工作点电流为零）DPCCV CCcCCCDViVI

14、P0max0 可得谐振功率放大器的效率表示式为：可得谐振功率放大器的效率表示式为：CCmCCCmVVVIVIc010c1cm)()(2121)()(2101 其中：称为集电极电压利用系数cmCCVVoDCPPP 为集电极耗散功率CP如何提高如何提高C C类功率放大器的效率类功率放大器的效率v提高电压利用系数v选择合适的流通角 01012121CCcmCCmVVIICCcmVV1cmCmVIR提高R值 011gmax1 coscbmigV减小的值,icmax不变增大对前级Vbm的要求可能击穿放大管7060%8865例题1：在丙类谐振功率放大器中,若iCmax=10mA,又Vcc=10V,且Vcm

15、与Vcc近似相等，求：当为60时的输出功率以及集电极效率。其中：0(60)=0.218,1(60)=0.39mWViVIPCCCcmCmo5.911093.0105.0)60(21211max18.1210182.010)60(0max0CCCCCCDViVIPmWDoPP89.4%例题2：在丙类谐振功率放大器中,已知 ，求：该功率放大器的 ，和谐振回路谐振电阻 。24CCVV5oPW0700.9DPCPmaxciLR解：由附录3可查得 ，00700.2501700.44 10110.440.979%220.25 56.30.79oDPPW例题2：6.351.3CDoPPPW 11max112

16、2ocmcmcCCPIViV max122 51.050.44 0.9 24ocCCPiAV 11max0.9 2446.50.44 1.05cmCCLcmcVVRIi 例题3iviv1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi解：4V)211(10101020)cos-g(1iV)cos1(gVi33cmaximimcmax1V1214VcosVVVVVcosBZimBimBBZ2mA.421.01020)(iI30cmaxc07.8mA39.01020)(iI31cmaxcm14mW.3010)108.7(21RI21VI21P323L2cm1cmcm1o42mW10102.4

17、VIP3CCc0D 72.4%424.30PPDo 倍频器是一种使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的倍频器是一种使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的变换电路，用以提高频率。变换电路，用以提高频率。倍频器主要应用于以下几方面：倍频器主要应用于以下几方面：降低发射机主控振荡频率，以提高频率稳定性。降低发射机主控振荡频率，以提高频率稳定性。在频率合成器中，可应用各种倍数的倍频器以产生等于在频率合成器中，可应用各种倍数的倍频器以产生等于主频率各次谐波的频率源。主频率各次谐波的频率源。丙类倍频器：利用丙类放大器电流脉冲中的谐波获得倍丙类倍频器：利用丙类放大器电流脉冲中的谐波获得倍 频。频。倍频器有两

18、种主要形式：倍频器有两种主要形式：参量倍频器：利用晶体管的结电容随电压变化的非线参量倍频器：利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频，这是半导体器件所特有的性质。性来获得倍频，这是半导体器件所特有的性质。丙类放大器的电流是余弦脉冲状，包含有丰富的谐丙类放大器的电流是余弦脉冲状，包含有丰富的谐波。其集电极电流波。其集电极电流 Ci的傅立叶级数分解式为的傅立叶级数分解式为 0123coscos2cosCCc mc mc miIItItIt 如果集电极选频回路不是谐振在基频上，而是谐振如果集电极选频回路不是谐振在基频上，而是谐振在在n n次谐波上，那么，回路对基频和其他谐波的阻抗很小，次谐波上

19、，那么，回路对基频和其他谐波的阻抗很小，而对而对n n次谐波的阻抗最大，且呈纯电阻性。于是回路的输次谐波的阻抗最大，且呈纯电阻性。于是回路的输出电压和功率就是出电压和功率就是n n次谐波。这就起到了倍频作用。次谐波。这就起到了倍频作用。需要说明的是，用丙类谐振功率放大器实现倍频，需要说明的是，用丙类谐振功率放大器实现倍频，在采用最佳通角值的情况下，二次倍频器和三次倍频在采用最佳通角值的情况下，二次倍频器和三次倍频器的输出功率要比作为谐振功率放大器工作时分别减器的输出功率要比作为谐振功率放大器工作时分别减小小 12和和 13，而且倍频次数越高，输出功率越小。，而且倍频次数越高，输出功率越小。基于

20、上述原因，丙类倍频器的倍频次数一般只限基于上述原因，丙类倍频器的倍频次数一般只限于于2 23 3次，少数情况取次，少数情况取4 45 5次。次。7.62.丙类谐振功放效率高的原因在于导通角丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小小,也也就是晶体管导通时间短就是晶体管导通时间短,集电极功耗减小。但导通角集电极功耗减小。但导通角越小越小,将导致输出功率越小。将导致输出功率越小。所以选择合适的所以选择合适的角角,是丙是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。要考虑。7.6章末小结章末小结 1 1高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下类或丙类状态。相比之下,丙类谐振功放的输出功率丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类乙类大虽不及甲类乙类大,但效率高但效率高,节约能源节约能源,所以是高所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。频功放中经常选用的一种电路形式。3 3谐振功放属于窄带功放。谐振功放属于窄带功放。