丙類高頻功率放大器

1、1 高頻功率放大器2 小組成員 羅儀凡與陳衍文，完成的是對電路參數(shù)的確認以及分析 陳斯銘完成的是對電路的焊接與元件的選擇以及后續(xù)的調(diào)節(jié)和分析 黃路瑤完成的是對電路的仿真3學習目的：學習目的：1 1、高頻功率放大器的電路組成高頻功率放大器的電路組成2 2、諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理3 3、高頻功率放大器的高頻功率放大器的外部外部特性特性4 高頻（諧振）功率放大器高頻（諧振）功率放大器在發(fā)射機中的位置在發(fā)射機中的位置從圖中可見，高頻功放是無線發(fā)射機的重要組成部分從圖中可見，高頻功放是無線發(fā)射機的重要組成部分5 在無線電廣播和通信發(fā)射機中，為了獲得大功率的高在無線電廣播和通信發(fā)

2、射機中，為了獲得大功率的高頻信號，必須采用高頻功率放大器。頻信號，必須采用高頻功率放大器。窄帶高頻功率放大器窄帶高頻功率放大器：寬帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器：通常以通常以LC并聯(lián)諧振回路作負載，又稱為并聯(lián)諧振回路作負載，又稱為諧振功率放大器。諧振功率放大器。以傳輸線變壓器為負載，因此又稱為以傳輸線變壓器為負載，因此又稱為非諧振功率放大器。非諧振功率放大器。高頻功率放大器按工作頻帶的寬窄可分高頻功率放大器按工作頻帶的寬窄可分：61 1、使用高頻功率放大器的目的、使用高頻功率放大器的目的放大高頻大信號使發(fā)射機末級獲得足夠大的發(fā)射功率。放大高頻大信號使發(fā)射機末級獲得足夠大的發(fā)射功率。2、放大

3、的實質(zhì)：、放大的實質(zhì)： 實質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換。實質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換。將電源提供的直流功率轉(zhuǎn)變成將電源提供的直流功率轉(zhuǎn)變成交流信號功率輸出。交流信號功率輸出。3 3、高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題、高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題高效率輸出高效率輸出高功率輸出高功率輸出74.工作狀態(tài)工作狀態(tài) 1、：工作點設置在放大區(qū)工作點設置在放大區(qū)； 輸入信號輸入信號ui在整個周期都有集電極電流在整個周期都有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖。產(chǎn)生，如圖。ICUCEOQiCtO優(yōu)點：無失真，波形好優(yōu)點：無失真，波形好,；缺點：靜態(tài)缺點：靜態(tài)I IC較大，管耗大，效率低。轉(zhuǎn)換效率約為較大，管耗大，效率低

4、。轉(zhuǎn)換效率約為50%。8 2、：工作點設置在截止點上工作點設置在截止點上； 晶體管只在輸入信號的半個周期內(nèi)導通，有集電極電流晶體管只在輸入信號的半個周期內(nèi)導通，有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖。產(chǎn)生，如圖。優(yōu)點：優(yōu)點： 靜態(tài)靜態(tài)I IC=0，管耗小效率高。效率約為，管耗小效率高。效率約為78.5%。缺點：輸出脈沖電流，波形嚴重失真。缺點：輸出脈沖電流，波形嚴重失真。ICUCEOQiCtO9 4、：工作點設置在截止區(qū)以內(nèi)工作點設置在截止區(qū)以內(nèi)； 晶體管導通的時間小于半個周期，在輸入信號的小半個晶體管導通的時間小于半個周期，在輸入信號的小半個周期內(nèi)導通，有集電極電流周期內(nèi)導通，有集電極電流ic產(chǎn)生，如圖

5、。產(chǎn)生，如圖。78.5%。缺點：輸出電流波形嚴重失真。缺點：輸出電流波形嚴重失真。10 功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。式，為了進一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。諧振功率放大器通常工作于丙類狀態(tài)，屬于非線性電路諧振功率放大器通常工作于丙類狀態(tài)，屬于非線性電路11我們選擇的是讓功放工作在丙類，后面我們會介紹為什么要選擇丙類的功放狀態(tài)。12 一、一、基本電路原理基本電路原理1、電路組成、電路組成晶體管晶體管諧振回路諧振回路輸入回路輸入回路偏置電路偏置電路 VCC、VBB

6、為集電極和基極的直流電源電壓。為集電極和基極的直流電源電壓。為使晶體為使晶體管工作在丙類狀態(tài)，管工作在丙類狀態(tài)，VBB應小于晶體管的導通電壓應小于晶體管的導通電壓uBE（on），在沒有輸入信號時，晶體管處于截止狀態(tài)，在沒有輸入信號時，晶體管處于截止狀態(tài)，ic=0。iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC圖3.1.3丙類諧振功放原理電路13 由于由于RL比較大，所以，諧振回路的品質(zhì)因數(shù)比較??；比較大，所以，諧振回路的品質(zhì)因數(shù)比較??；但不影響諧振回路對諧波成分的抑制作用。但不影響諧振回路對諧波成分的抑制作用。L、C為濾波匹配網(wǎng)絡，與為濾波匹配網(wǎng)絡，與RL構成并聯(lián)諧振回路，

7、作為晶體構成并聯(lián)諧振回路，作為晶體管集電極負載。管集電極負載。選頻濾波選頻濾波阻抗匹配阻抗匹配完成以下功能：完成以下功能：142、電流、電壓波形、電流、電壓波形設輸入一高頻余弦信號為設輸入一高頻余弦信號為則則 當當uBE的瞬時值大于基射間導通的瞬時值大于基射間導通電壓電壓UBE(on) 時，晶體管導通，產(chǎn)生時，晶體管導通，產(chǎn)生基極脈沖電流基極脈沖電流iB，相應產(chǎn)生集電極，相應產(chǎn)生集電極脈沖電流脈沖電流ic，如圖所示。，如圖所示?；鶚O電流和基極電流和集電極電流為周期性非正弦函數(shù)。集電極電流為周期性非正弦函數(shù)。15用傅里葉級數(shù)展開得用傅里葉級數(shù)展開得cnccccciiiiIi3210式中：式中：I

8、co為直流電流分量為直流電流分量iC1為基波分量；為基波分量； iC1=Icm1COSCOSct iC2為二次諧波分量；為二次諧波分量；iC2=Icm2COSCOS2ct iCn為為n次諧波分量；次諧波分量； iCn=IcmnCOSCOSnct 16當集電極回路調(diào)諧在輸入信號頻率當集電極回路調(diào)諧在輸入信號頻率上時（即與高頻輸入信號上時（即與高頻輸入信號的基波諧振時）：的基波諧振時）：諧振回路對基波電流而言等效為一純電阻諧振回路對基波電流而言等效為一純電阻Re ；對其他各次諧波，回路因失諧呈現(xiàn)很小的電抗，可看成短路；對其他各次諧波，回路因失諧呈現(xiàn)很小的電抗，可看成短路；所以我們可以通過選頻網(wǎng)絡來

9、將我們所需的基波信號選出來，所以我們可以通過選頻網(wǎng)絡來將我們所需的基波信號選出來，只要將諧振頻率設置為基波信號的頻率就可只要將諧振頻率設置為基波信號的頻率就可直流分量只能通過回路電感線圈，直流電阻較小，可看成短路。直流分量只能通過回路電感線圈，直流電阻較小，可看成短路。 這樣，脈沖電流這樣，脈沖電流ic流經(jīng)諧振回路流經(jīng)諧振回路時只有基波電流才產(chǎn)生壓降。時只有基波電流才產(chǎn)生壓降。17 可見，利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集可見，利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集電極脈沖電流變換為不失真的余弦電壓輸出。電極脈沖電流變換為不失真的余弦電壓輸出。晶體管集射間的電壓為晶體管集射間的電壓為:)c

10、os()2cos()cos(210nwtIwtIwtIIicnmmcmccc其中，其中，Ucm為基波電壓振幅。為基波電壓振幅。若回路諧振電阻為若回路諧振電阻為Re，則，則18諧振功放工作原理小結(jié)：諧振功放工作原理小結(jié)： 設置設置VBB UBE(on) ，使晶體管工作于丙類。當輸入信號，使晶體管工作于丙類。當輸入信號較大時，可得集電極余弦電流脈沖。將較大時，可得集電極余弦電流脈沖。將LC回路調(diào)諧在信號頻回路調(diào)諧在信號頻率上，就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。率上，就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC諧振功放原

11、理電路19二、二、 輸出功率與效率輸出功率與效率1.放大器的輸出功率放大器的輸出功率PO2.集電極直流電源供給功率集電極直流電源供給功率PD3.集電極耗散功率集電極耗散功率PC4.放大器效率放大器效率c其中其中 集電極電流利用系數(shù)，又稱波形系數(shù)。集電極電流利用系數(shù)，又稱波形系數(shù)。為集電極電壓利用系數(shù)。為集電極電壓利用系數(shù)。mCmCIIg011)(20值越小，值越小，g1()值越大，效值越大，效率越高。率越高。效率效率：DoCPPCCcmC0c1m21VUII )(211g CCcm01)()(21VU 若若=1時，時，)(211gc00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80

12、 100 120 140 160 180 n()g1() 3() 2() 0 ()1 ()g1 ()2.01.0甲類工作狀態(tài)：甲類工作狀態(tài)：180 1)(1 g%505 . 0C 乙類工作狀態(tài)：乙類工作狀態(tài)：90 2/)(1 g%5 .784/C 丙類工作狀態(tài)：丙類工作狀態(tài)：設設60 8 . 1)(1 g%90C 00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140 160 180 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( ) 可見，丙類工作狀態(tài)的效率最高，當可見，丙類工作狀態(tài)的效率最高，當=60時，效率可時，效率可達達90，隨著，隨著的減

13、小，效率還會進一步提高。但當?shù)臏p小，效率還會進一步提高。但當40后后,波形系數(shù)的增加很緩慢，也就是說波形系數(shù)的增加很緩慢，也就是說 過小后，放大器效過小后，放大器效率的提高就不顯著了率的提高就不顯著了，此時的，此時的 下降迅速，為了達到一定下降迅速，為了達到一定的輸出功率，所要求的輸入激勵信號電壓的幅值將會過大，的輸出功率，所要求的輸入激勵信號電壓的幅值將會過大，從而對前級提出過高的要求。從而對前級提出過高的要求。 )(1a00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140160180 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( ) 諧振功

14、率放大器一般取諧振功率放大器一般取為為70左右。左右。顯然不行但輸出功率為最大0,)(, 01g效率太低但接近甲類放大器輸出功率最大最大時,)(1201O成倍頻器就可把功率放大器改裝調(diào)到若將諧振回路中心頻率利用這一特點振幅取到最大值即）最大（時從圖中還可以看出2,6022cmOI下圖就是我們設計的高頻功率放大器，它由兩級組成，為了在較寬的通帶內(nèi)使功率放大器增益相對穩(wěn)定，前一級為甲類放大器，后一級為丙類放大器。這樣能夠獲得比較高的效率和比較大的輸出功率圖上主要的元件就是R,C,L，以及三極管這兩張圖就是2N5551的參數(shù)左邊為第一級的甲類放大器，R1，R2為一個分壓偏置，L1，C4組成第一集諧振

15、回路，有著選頻的特性，選出基波。右邊的為第二級的丙類放大器，如圖，L2，R5，C3在基極產(chǎn)生負偏壓饋電，R6，R7為射極饋電，改變R7的大小就可以改變丙類功放的增益，L3，C6，C7為諧振回路，同樣為選頻功能，C6的調(diào)節(jié)可以微調(diào)諧振頻率，可以調(diào)節(jié)輸出波形更好可見此時的波形輸出并不好，通過C6的調(diào)節(jié)可以使輸出波形變更好調(diào)節(jié)了R7后，使得輸出的增益變大28 諧振功率放大器的特性分析11/2/2021 7:41 AM29放大器工作狀態(tài)的分類：放大器工作狀態(tài)的分類：丙類諧振功放按晶體管是否進入飽和區(qū)飽和區(qū)分：欠壓（不進入飽和區(qū)）過壓（進入飽和區(qū)）臨界（達到臨界飽和）11/2/2021 7:41 AM3

16、0當當放放大大器器工工作作在在諧諧振振狀狀態(tài)態(tài)時時，其其外外部部電電路路電電壓壓方方程程為為：若設：若設：tUuimicos輸入端：輸入端：tUuimBBBEcosV輸出端：輸出端：tUucmCcosVCCE其中：其中：tUuCmccos 一、一、高頻功率放大器的工作狀態(tài)高頻功率放大器的工作狀態(tài) iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC 1.高頻功放的動態(tài)特性高頻功放的動態(tài)特性 即當加上激勵信號及接上負載阻抗時，晶體管集電極電流即當加上激勵信號及接上負載阻抗時，晶體管集電極電流iC與與uBE、uCE的關系曲線。的關系曲線。11/2/2021 7:41 AM31 A A

17、1 1點處于放大區(qū)稱為點處于放大區(qū)稱為欠壓（欠壓（UndervoltageUndervoltage）狀）狀態(tài)態(tài) A A2 2點處于臨界區(qū)稱為點處于臨界區(qū)稱為臨界（臨界（CriticalCritical）狀態(tài)）狀態(tài) A A3 3點處于飽和區(qū)稱為點處于飽和區(qū)稱為過壓（過壓（OvervoltageOvervoltage）狀態(tài)）狀態(tài)功率放大器三種工作狀態(tài)和狀態(tài)波形功率放大器三種工作狀態(tài)和狀態(tài)波形11/2/2021 7:41 AM322.欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài) （1）欠壓欠壓：uCEmin 對應的對應的動態(tài)點動態(tài)點處于處于放大區(qū)放大區(qū),晶體管處晶體管處于放大狀態(tài)于放大狀態(tài)。ic

18、為為尖頂尖頂余弦脈沖。余弦脈沖。11/2/2021 7:41 AM33 （2）臨界臨界:uCEmin 對應的對應的動態(tài)點動態(tài)點處于放大區(qū)和飽和區(qū)之處于放大區(qū)和飽和區(qū)之間的間的臨界點臨界點，晶體管處在放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界點上。晶體管處在放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界點上。ic仍為余弦脈沖，但幅度有所減小，頂端變化平緩。仍為余弦脈沖，但幅度有所減小，頂端變化平緩。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損耗小，放輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率大器的效率 也就較大。也就較大。所以我所以我們要讓放大器工作在臨界狀態(tài)們要讓放大器工作在臨界狀態(tài)11/2/2021 7:41 AM34

19、 （3）過壓，過壓，uCEmin 對應的對應的動態(tài)點動態(tài)點處于處于飽和區(qū)飽和區(qū)，ic為中間凹陷為中間凹陷的脈沖波，隨著的脈沖波，隨著Ucm增增大大，uCE的減小的減小脈脈沖波的凹陷加深，高度沖波的凹陷加深，高度減小。減小。11/2/2021 7:41 AM35iC 凹陷的原因：凹陷的原因：諧振回路作負載。諧振回路作負載。飽和時，飽和時，uBE對對iC的影響的影響很小，很小，隨著飽和深度的隨著飽和深度的加深，加深，uCE繼續(xù)減小，使繼續(xù)減小，使iC迅速減小，從而出現(xiàn)凹迅速減小，從而出現(xiàn)凹陷。陷。Ucm越大，越大， uCEmin越小，越小，凹陷越深，脈沖高度越凹陷越深，脈沖高度越小。小。36二、影

20、響放大器工作狀態(tài)的因素二、影響放大器工作狀態(tài)的因素 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗高頻放大器的工作狀態(tài)是由負載阻抗R Re e、激勵電壓、激勵電壓Uim、供電電壓供電電壓V VCCCC、V VBBBB等等4 4個參量決定的。個參量決定的。1、負載特性、負載特性 （1）含義：諧振功放的負載特性含義：諧振功放的負載特性是指是指 VBB、Uim 和和 VCC 一一定，放大器性能隨定，放大器性能隨 Re 的變化特性。的變化特性。 （2）特性特性 37Re 的增加的增加（1）將引起將引起 Ucm ( )，UCEmin,iC高度略有下降。高度略有下降。c1mecmUIR （2） ReUcmUCEmin放

21、大器欠壓放大器欠壓過壓過壓 iC 由余弦由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC 電流電流所以我們選擇了一個相對合適的諧振網(wǎng)絡，使所以我們選擇了一個相對合適的諧振網(wǎng)絡，使RE為合適的值并使為合適的值并使得放大器工作在臨界狀態(tài)得放大器工作在臨界狀態(tài)38據(jù)此可以畫出據(jù)此可以畫出 I Ic0 和和 I Ic1m 隨隨 Re 變化的特性。變化的特性。 Ucm = ReI Ic1m Po = UcmI Ic1m/2 PD = VCCI IC0 PC = PDPo C = Po/ PD由由 I IC0 和和 I Ic1m 的變化就可以畫出的變化就可以畫出 Ucm、Po

22、、PD、PC、 C 隨隨 Re 變化的曲線。變化的曲線。 39 (2) 臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)： 臨界狀態(tài)的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最臨界狀態(tài)的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)。 發(fā)射機的末級常設計成這種狀態(tài)發(fā)射機的末級常設計成這種狀態(tài)。40 (4) 匹配負載：匹配負載：如果如果 Re 的取值使管子工作在臨界狀態(tài)，則的取值使管子工作在臨界狀態(tài)，則 Po 最大，且最大，且 C 較大較大，PC 較小，放大器性能接近最佳性能。較小，放大器性能接近最佳性能。將此時的將此時的 Re 稱為諧振功放的稱為諧振功放的匹配負載，

23、用匹配負載，用 Reopt 表示。表示。 o2CE(sat)CCo2cmeopt)(21U21PUVPR41包括包括集電極調(diào)制集電極調(diào)制和和基極調(diào)制基極調(diào)制兩種特性。兩種特性。 (1) 集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性 含義：含義：VBB、Uim 和和 Re一定，放大器性能隨一定，放大器性能隨 VCC變化變化的特性。的特性。 特性：特性：2、調(diào)制特性、調(diào)制特性42VCC的增加的增加（1）VBB、Uim一定一定，UBEmax一定一定,iC脈寬一定，高度略有增加脈寬一定，高度略有增加。 （2） VCCUcemin放大器放大器過過壓壓欠欠壓壓 iC 由由中間有凹陷中間有凹陷的脈沖波的脈沖波轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)橛?/p>

24、弦電流脈沖余弦電流脈沖。iC 電流電流43 過壓狀態(tài)：過壓狀態(tài)：隨隨 VCC減小減小，集電極電流脈沖的高度降低，集電極電流脈沖的高度降低，凹深加深，因而凹深加深，因而I IC0C0、I Ic1mc1m、V Vcm cm 將將迅速減小迅速減小。 0 0 (a) (b) 欠壓狀態(tài) 過壓狀態(tài) VCC 欠壓狀態(tài) 過壓狀態(tài) VCC Ic0 Icm1 Po P= Pc 44集電極調(diào)幅原理電路集電極調(diào)幅原理電路 圖中：圖中： tVtvcbmbcos)( 輸入高頻載波電壓輸入高頻載波電壓c 載波頻率載波頻率tVv cosm 調(diào)制信號電壓，調(diào)制信號電壓， 為調(diào)制頻率為調(diào)制頻率 ttVtvccmo)cos()(

25、為為諧振回路上的輸出電壓諧振回路上的輸出電壓。放大器工作在放大器工作在過壓狀態(tài)過壓狀態(tài)。45由圖可見此時工作在過壓狀態(tài)46(2) 基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性 含義：含義：Uim、VCC、Re 一定，放大器性能隨一定，放大器性能隨 VBB 變變化的特性?；奶匦?。 特性：特性：47VBB的增加的增加（1）VCC、Uim一定一定，VBB則則 UBEmax ，iC脈寬和高度均脈寬和高度均。 （2） VBBUcemin放大器放大器欠壓欠壓過過壓壓 iC 由由余弦電流脈余弦電流脈沖沖轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波中間有凹陷的脈沖波。iC 電流電流48 過壓狀態(tài)過壓狀態(tài)：隨隨VBB 增大，增大，集集電極電流電極電流的的寬度和高度寬度和高度均增加，均增加，凹陷加深，凹陷加深，I IC0 C0 和和 I Ic1mc1m、V Vcmcm 緩慢緩慢增大增大，近似不變。，近似不變。 欠壓狀態(tài)：欠壓狀態(tài)：隨隨 VBB 增加增加，集電極電流集電極電流的的寬度和高度寬度和高度均增加均增加，I IC0 C0 和和 I Ic1mc1m ，U Ucmcm( = ( = R Re eI Ic1mc1m) )近似近似線性增加線性增加。 49基極調(diào)幅原理電路基極調(diào)幅原理電路 )()(BB0BBtvVtV 基極偏置電