Chapter5高頻功率放大器課件

2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.1§5.1概述§5.2諧振功率放大器的工作原理§5.3晶體管諧振功率放大器的

折線近似分析法§5.5高頻功率放大器的電路組成Chapter5高頻功率放大器2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.21、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。2、高頻功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題①高效率輸出②高功率輸出

高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點:都是輸出功率大和效率高;聯(lián)想對比：§5.1概述

不同特點:兩者的工作頻率相對頻寬不同，因而負載網(wǎng)絡與工作狀態(tài)也不同。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.3工作狀態(tài)

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。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.41、原理電路外部電路關系式：晶體管的內部特性：§5.2

諧振功率放大器的工作原理2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.5故晶體管的轉移特性曲線：故得：2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.6高頻功率放大器中各分電壓與電流的關系（a）

諧振功率放大器各部分的電壓與電流的波形圖2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.7高頻功率放大器中各部分電壓與電流的關系2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.8LC回路能量轉換過程從能量的觀點解釋回路濾波問題

當晶體管由截止轉入導通時，由于回路中電感L的電流不能突變，因此，輸出脈沖電流的大部分流過電容C，即使C充電。充電電壓的方向是下正上負。這時直流電源VCC給出的能量儲存在電容C之中。過了一段時間，當電容兩端的電壓增大到一定程度(接近電源電壓)，晶體管截止。

由于這種周期性的能量補充，所以振蕩回路能維持振蕩。當補充的能量與消耗的能量相等時，電路中就建立起動態(tài)平衡，因而維持了等幅的正弦波振蕩。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.92、諧振功率放大器的功率關系和效率

功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉變?yōu)榻涣餍盘柟β瘦敵鋈ァ?/p>

有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。P==直流電源供給的直流功率Po=交流輸出信號功率Pc=集電極耗散功率根據(jù)能量守恒定律：故集電極效率：2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.10如何減小集電極耗散功率Pc？若使ic在ec最低的時候才能通過，則Pc將大為減小。晶體管集電極平均耗散功率：

故：要想獲得高的集電極效率，諧振功率放大器的集電極電流應該是脈沖狀。導通角小于180

，處于丙類工作狀態(tài)。

諧振功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)時

c＜90

，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級數(shù)：回路兩端的基頻電壓2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.11放大器的集電極效率：輸出交流功率：直流功率：基頻電流回路的諧振電阻——集電極電壓利用系數(shù)——波形系數(shù)2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.12一、折線法

折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進行分析和計算的方法?！?.3

諧振功率放大器的折線近似分析法折線分析法的主要步驟：①測出晶體管的轉移特性曲線ic~eb，及輸出特性曲線

ic~ec，并將這兩組曲線作理想折線化處理②作出動態(tài)特性曲線③根據(jù)激勵電壓vb的大小在已知理想特性曲線上畫出對應電流脈沖ic和輸出電壓vc的波形④求出ic的各次諧波分量Ic0、Icm1、Icm2、

…2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.13二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線晶體管實際特性和理想折線圖(a)中：圖(b)中：(gcr為臨界線的斜率)臨界線方程為進入2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.14③臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。②過壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。①欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。

在高頻功率放大器中，常常根據(jù)集電極電流是否進入飽和區(qū)，將它的工作狀態(tài)分為三種：返回2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.15三、集電極余弦電流脈沖的分解

當晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態(tài)的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。適用于欠壓或臨界狀態(tài)。尖頂余弦脈沖晶體管的內部特性為：它的外部電路關系式當時，尖頂余弦脈沖解析式2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.16若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數(shù)由傅里葉級數(shù)的求系數(shù)法得其中：尖頂脈沖的分解系數(shù)2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.17尖頂脈沖的分解系數(shù)由于：－波形系數(shù)由曲線可知：極端情況

c=0時，此時

=1，

c可達100％因此，為了兼顧功率與效率，最佳通角取70

左右。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.181.

諧振功率放大器的動態(tài)特性

放大器的負載特性：VCC、VBB、vb3個參變量不變，放大器的工作狀態(tài)就由負載電阻Rp決定，此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化。四、諧振功率放大器的動態(tài)特性與負載特性

動態(tài)特性曲線：集電極電路有負載阻抗，當改變eb使ic變化時，由于負載上有電壓降，就必然會引起ec的變化，即考慮了負載的反作用后，所獲得的eb、ec與ic的關系曲線。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.19當放大器工作于諧振狀態(tài)時，它的外部電路關系式為消去cos

t

可得，而晶體管的內部電流電壓關系式為得出在ic~ec坐標平面上的動態(tài)特性曲線方程：斜率截距2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.20圖中動態(tài)特性曲線的斜率為負值，它的物理意義是：

從負載方面看來，放大器相當于一個負電阻，亦即它相當于交流電能發(fā)生器，可以輸出電能至負載。諧振功率放大器的動態(tài)線或集電極ic電流波形2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.21例5.1

如圖所示電路中：1)當電源電壓為Vcc(圖中C點)時，動態(tài)特性曲線為什么不是從ec=Vcc的C點畫起，而是從Q點畫起？2)當θc為多少時，才從C點畫起？3)電流脈沖是從B點才開始發(fā)生的，在BQ這段區(qū)間并沒有電流，為何此時有電壓降BC存在？物理意義是什么？解：1)由于放大器工作于丙類，

θc<90°，因此從Q點畫起。2)當θc=90°時，才從C點畫起。3)BC這段電壓是由諧振回路的濾波作用所產(chǎn)生的基波電壓，因此BC段雖然沒有電流，但仍然有電壓降。它的物理意義是諧振回路的儲能作用。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.222.

功率放大器的負載特性

VCC、VBB、vb一定，只變化放大器的負載電阻而引起的放大器輸出電壓、輸出功率、效率的變化特性稱為負載特性。RP負載線斜率三種工作狀態(tài):欠壓狀態(tài)臨界狀態(tài)過壓狀態(tài)2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.23根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特性曲線負載特性曲線

欠壓狀態(tài)時，P0和ηc隨Rp增加而增加；當Rp為臨介值時，P0和ηc幾乎都為最大；當Rp進一步增大時，由于放大器已進入過壓狀態(tài)，

P0和ηc反而下降。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.24電壓、電流隨負載變化波形各級電壓對工作狀態(tài)的影響①Vcc對工作狀態(tài)的影響進入②Vbm或VBB對工作狀態(tài)的影響靜態(tài)特性曲線向上方平移欠壓狀態(tài)：過壓狀態(tài)：B'B"2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.25Vcc對工作狀態(tài)的影響返回在欠壓區(qū)內，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.26Vbm變化時電流、功率的變化2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.27五、諧振功率放大器的計算諧振功率放大器的主要指標是功率和效率。以臨界狀態(tài)為例：①首先要求得集電極電流脈沖的兩個主要參量icmax和

c導通角

c集電極電流脈沖幅值icmax②電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)

0(

c)、

1(

c)、…、

n(

c)可查表求得，并求出各分量的實際值。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.28③諧振功率放大器的功率和效率交流輸出功率：直流功率：集電極效率：④根據(jù)可求得最佳負載電阻：在臨界工作時，

接近于1，作為工作估算，可設定

=1。2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.29例5.2

一個用3DA4C高頻功率管構成的丙類功率放大器，已知工作頻率f0=10MHz，P0＝8W，Vcc＝24V。試求它的能量關系。查手冊得3DA4C的參數(shù)為：解：由前面的討論可知，工作狀態(tài)最好選用臨界狀態(tài)。一般取θ=70o,①④⑤③②2023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.30⑨由功率增益的定義：⑥⑦⑧可求得所需的基極激勵功率為：

作業(yè)：

5-45-92023/10/3Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.32

根據(jù)直流電