無線電通信-51-諧振功率放大器的工作原理及其折線分析法與功率放大器的高頻特性課件

第5章高頻功率放大器5.1概述5.2諧振功放原理5.3晶體管諧振功率放大器折線分析法5.4晶體管諧振功率放大器的高頻特性5.5高頻功率放大器的電路組成5.6丁類(D類)功率放大器5.7戊類(E類)功率放大器5.8寬帶高頻功率放大器5.9功率合成器5.10晶體管倍頻器學習內(nèi)容掌握高頻功率放大器的工作原理；掌握高頻功率放大器的折線近似分析法；掌握高頻功率放大器的電路組成原則與匹配網(wǎng)絡(luò)的計算；了解倍頻器的工作原理。

5.1概述1、使用諧振功率放大器的目的高效率輸出高功率輸出放大高頻大信號獲得足夠大的發(fā)射功率低頻功放高頻功放工作頻率音頻高頻、射頻相對帶寬超寬帶窄帶、寬帶負載純電阻LC諧振回路工作狀態(tài)甲類或乙類丙類高頻（諧振）功放與低頻功放的區(qū)別高頻（諧振）功放與低頻功放的共同點是輸出功率大、效率高高頻小信號放大器高頻功放電路性質(zhì)線性非線性應(yīng)用射頻放大器、功放推動級發(fā)射機末端功率放大放大器類型甲類丙類集電極輸出波形與輸入信號一致余弦脈沖

作用信號波形放大、傳輸將電源的能量盡可能以信號的形式輸出主要技術(shù)指標增益、噪聲輸出功率、效率高頻功放與高頻小信號放大器的比較高功放的分類兩種分類原則按晶體管的導通角分類按晶體管等效電路分類①

按導通角分——A、B、C類（或甲、乙、丙類）A類，

=180度B類，=90度

C類，<90度

(a)甲類class-Aamplifier(b)乙類class-Bamplifier(c)甲乙類class-ABamplifier(d)丙類class-Camplifier流通角:一個周期內(nèi)有電流流通的相角.

諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號,其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(c＜90)，為了不失真的放大信號，它的負載必須是諧振回路。

非諧振功率放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負載為無調(diào)諧負載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負載。諧振功率放大器的分析方法：圖解法，解析近似分析法（折線法）主要指標：輸出功率與效率還有輸出諧波分量盡量小，以免對其他頻道產(chǎn)生干擾5.2諧振功率放大器的工作原理β0高頻功放工作在大信號非線性狀態(tài)，晶體管的小信號等效電路的分析方法已不適用，所以分析方法一般利用晶體管的靜態(tài)特性曲線，通常所說的靜態(tài)特性曲線是指低頻區(qū)。

低頻區(qū)：

中頻區(qū)：

高頻區(qū)：

故高頻區(qū)或中頻區(qū)的分析和計算是相當困難,本節(jié)將從低頻區(qū)的靜態(tài)特性來解析晶體管的高頻功放的工作原理。功放主要技術(shù)要求：高輸出功率和高效率

功放工作于丙類的原因根據(jù)能量守恒定律：

（5.2.1）

效率：

（5.2.2）5.2.1獲得高效率所需要的條件由上式可得：

（5.2.3）

晶體管發(fā)射極電壓與電流

+－

任一元件（呈電阻性）上的耗散功率等于該元件的電流與該元件兩端電壓的乘積如何減小集電極耗散，提高集電極效率呢？

(

b)

t

w

或電壓

電流

o

V

BZ

V

CC

V

－

BB

V

bm

V

cm

v

bE

max

q

i

C

i

c

max

c

i

C

v

CE

v

BE

v

CE

min1.

iC

與vBE同相，與vCE反相；2.

iC

脈沖最大時，vCE最小；3.

導通角和vCEmin越小，Pc越?。籿

CE

ωlowhigh3ωnω2ω0集電極電流為周期性脈沖串，它使得只有在最低的時候才能通過，集電極耗散功率大大減小，集電極效率得到提高。另一方面，集電極波形相對于基極輸入的正弦波來說，明顯是失真的。那么高功放是如何解決這一問題的呢？余弦脈沖可以看作是多個頻率分量的疊加

（5.2.7）丙類功放基本電路

選頻作用：LC回路諧振于基頻，將集電極電流脈沖變換為輸出基頻余弦信號；阻抗匹配作用：使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。LC回路輕微失諧，造成濾波器的中心頻率偏移，會使有用頻率幅度降低，而無用頻率幅度可能升高，從而使增益下降且輸出波形產(chǎn)生失真；LC回路嚴重失諧，LC的導納變大（阻抗變?。?，使回路電流增大，而且電壓集中在晶體管上，因此晶體管容易燒毀。5.2.2功率關(guān)系電路正常工作（丙類、諧振）時，外部電路關(guān)系式：此處略去了回路的直流電阻壓降，且回路諧振于激勵信號頻率。

對于諧波分量，回路的阻抗很小，且呈容性，相當于短路LC回路可吸取的基頻功率為：

（5.2.10）故，放大器的集電極效率為：

（5.2.12）即，LC回路阻抗值為：

（5.2.11）

小結(jié)——丙類放大器提高效率的途徑1、集電極電流為周期性脈沖串，它使得只有在最低的時候才能通過，集電極耗散功率大大減小，集電極效率得到提高。2、減小角，越小，越大，則集電極效率越高。

為了對高頻功率放大器進行定量分析與計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0與基頻分量Icm1。最好能有一個明確的數(shù)學表達式來顯示二者與通角θc的關(guān)系，以便于電路設(shè)計和調(diào)試時，對放大器工作狀態(tài)的選擇指明方向。

考慮到諧振功率放大器工作于丙類（非線性、大信號）狀態(tài)，采取圖解法與數(shù)學解析分析相折中的辦法：折線近似分析法。5.3晶體管諧振功率放大器的折線近似分析法折線近似分析法的主要步驟2、作出動態(tài)特性曲線。1、測出晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，并對它們進行折線化處理。

圖5.3.1晶體管的輸出特性及其理想化iC=gcrvCE欠壓臨界過壓圖5.3.2晶體管靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)

VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe轉(zhuǎn)移特性iCVBZ0理想化首先，寫出集電極余弦脈沖電流表達式。iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)

=gcVbm(cosωt–cosc)=gcVbm(1–cosc)當t=0時，iC=iCmax取決于脈沖高度iCmax與通角c當t=c時，iC=0集電極余弦電流脈沖的分解

圖5.3.3尖頂余弦脈沖由傅里葉級數(shù)求系數(shù)，得其中：尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)波形系數(shù)再將集電極余弦電流脈沖分解成傅里葉級數(shù)

下面分析基波分量Icm1、集電極效率ηc和輸出功率Po隨通角c變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。

尖頂脈沖的分解系數(shù)

設(shè)計倍頻器參考值

解：1）

又∴

又∴

2）3）

查教材P235的附錄5.1余弦脈沖系數(shù)表可得：

或：

5.3.3高頻功率放大器的動態(tài)特性與負載特性

因此，下面分析四個參數(shù)Rp和電壓VCC、VBB、Vbm的變化對工作狀態(tài)的影響，即諧振功放的動態(tài)特性，從而闡明各種工作狀態(tài)的特點，為工作狀態(tài)的調(diào)整提供參考。

集電極效率ηc和輸出功率Po是否能最佳實現(xiàn)最終取決于功放中外部電路參數(shù)Rp和電壓

VBB、Vbm、

VCC。

靜態(tài)特性：集電極電路沒有負載下晶體管參數(shù)的關(guān)系。理想化折線（虛線）ic0VBZic0

晶體管轉(zhuǎn)移特性

晶體管輸出特性

下面推導動態(tài)特性+－

+－

+－

+－

放大器工作于諧振時，外部電路關(guān)系:

（5.3.17）內(nèi)部關(guān)系式:

（5.3.18）

功放基本電路

（5.3.8）又：

動態(tài)特性曲線（負載線或工作路）的斜率

故：

（5.3.19）

動態(tài)特性曲線（負載線或工作路）的截距

晶體管工作晶體管截止

00

123

臨界線

臨界線

（集電極飽和電壓）

臨界線飽和區(qū)工作區(qū)

出現(xiàn)凹頂3210180°BACD321負載增大VCCQVcm1.欠壓狀態(tài)2.臨界狀態(tài)3.過壓狀態(tài)RpVcmVcm

三種工作狀態(tài)的波形匯總

iCvcevbemax過壓區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓過壓0臨界Rp欠壓過壓0臨界Rp

00

臨界臨界欠壓

欠壓過壓過壓

負載特性曲線

00

臨界臨界欠壓

欠壓過壓過壓

負載特性曲線

00

臨界臨界欠壓

欠壓過壓過壓

解：1）

且故

iCt從圖中得到：

∴

故放大器不會燒毀3）

2）5.3.4各級電壓對工作狀態(tài)的影響

??過壓欠壓0臨過壓欠壓臨界

?

0

界

過壓欠壓0臨過壓欠壓臨界

0

界

各變量對功放工作狀態(tài)影響的總結(jié)

功放在過壓和欠壓工作狀態(tài)的一個重要特點

解：1）

作業(yè)： 5-4

5-95.5高頻功率放大器的電路組成要使高頻功放正常工作，在其輸入和輸出端需接有直流通路和交流通路：直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置及能量功率；交流匹配網(wǎng)絡(luò)：使高頻交

流信號能有效地進行傳輸。功放基本電路5.5.1直流饋電電路

根據(jù)直流電源連接方式的不同，可分為：串聯(lián)饋電線路：直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體管

形成串聯(lián)連接的方式。并聯(lián)饋電線路：直流電源、匹配網(wǎng)絡(luò)和晶體管

形成并聯(lián)連接的方式。并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋

串并饋直流供電路的優(yōu)缺點：優(yōu)點：并饋電路中，信號回路兩端