第2章 通信电子线路-高频功率放大器

第2章 高频功率放大器
2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系 高频功率 直流输入功率
2 1 1 2 1 U cm P0 = I c1mU cm = I c1m Re = 2 2 2 Re
PE = I C 0 EC
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极 损耗功率PC, 即 定义集电极效率ηC为 波形系数 集电极电压利用系数
可知，当Po一定时，减小PC可提高ηC。PC可表示为
1 PC = 2π
∫θi
−
θ
C
⋅ u ce d ω t
(2.1―12)
因此，减小iC·uce及通角θ可减小PC，由图2.3可看 出，iC 的最大值与uce 的最小值对应，通角θ越小，iC 越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。
第2章 高频功率放大器
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比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲电流，因此用折 线近似法。 高频功率放大器的主要特点：
工作在高频状态和大信号非线性状态。 工作在高频状态和大信号非线性状态。
2.2.1 谐振功率放大器的电路组成 谐振功率放大器的电路组成 图2.1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原 理电路。
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已知放大区集电极电流表示式为
′ iC = g m ( E B + U bm cos ω t − U B )
又根据uCE=EC-Ucmcosωt写出
这样，可得
EC − uCE cos ω t = U cm
(2.2―7)
EC − uCE iC = g m ( E B − U + ⋅ U bm ) U cm
α0(θ)、 α1(θ)、 αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、 基 波、 n次谐波的分解系数。
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α0, α1, α2, α3 α1 / α0＝g 1(θ)
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 －0.05 2.0
α1 α0＝g 1(θ )
1.0
10
30
50
70
90
110 130 150 170
θ /°
图2.5 余弦脉冲分解系数与θ的关系曲线
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2.2.2 动特性曲线－－图解分析法 动特性曲线－－图解分析法 －－ 动特性曲线是在晶体管的特性曲线上画出的谐振功率放大 器瞬时工作点的轨迹。小信号电压放大器是纯电阻负载， 晶体管仅仅在放大区工作，因此可近似等效为一个线性元 件。小信号电压放大器瞬时工作点的轨迹就是负载线，是 一条直线。谐振功率放大器是非线性工作，各个区域的特 性曲线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同， 所以称其为动特性曲线，以示与负载线的区别。
iC = iC max cos ωt − cos θ , 1 − cos θ − θ ≤ ωt ≤ θ
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1 θ sin θ − θ cos θ I Co = ∫−θ iC dωt =iC max π (1 − cos θ ) = iC max a0 (θ ) 2π 1 θ θ − sin θ cos θ I c1m = ∫ iC cos ωtd ωt =iC max = iC max a1 (θ ) −θ π π (1 − cos θ ) ⋅ ⋅ ⋅ 1 θ 2sin nθ cos θ − 2n sin θ cos nθ I cnm = ∫ iC cos nωtd ωt =iC max π −θ nπ (n 2 − 1)(1 − cos θ cos θ ) = iC max an (θ ) (n > 1)
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2.1 谐振功率放大器基本工作原理
高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。 高频功率放大器与低频功率放大器的异同点。 相同点： 相同点：要求输出功率大和效率高。 相异点：负载特性 相异点：负载特性：低频功放工作频率低，一般 用非调谐回路作负载，通过变压器或直接耦合。高 频功放工作频率高，相对带宽较窄，因此用谐振回 路作负载。工作状态： 工作状态：低频功放工作于甲类或乙类。 高频功放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。 分析方法：低频功放利用晶体管实际特性图解分析， 分析方法：
iC iC iC iC
0
ωt
0
ωt
0
ωt
0
ωt
R e增大 (a)
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Iclm IC0 Ucm PC
PE
ηC
P0 0 欠压区 R ecr 过压区 R e 0 欠压区 R ecr 过压区 Re
第2章 高频功率放大器 晶体管放大区的特性 晶体管截止区的特性 晶体管饱和区的特性
' ' iC = g m (uBE − U B ) uBE ≥ U B
iC = 0 iC = Scr uCE
' uBE < U B
Q uBE = EB + U bm cos ωt , uCE = E C −U cm cos ωt
u BE = EB + U bm cos ωt
iC = I Co + I c1m cos ωt + I c 2 m cos 2ωt + ⋅⋅⋅
(2.1 ─ 2)
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iC
gm
iC
EB
i Cmax UB ′ 0 u BE uB
－θ
θ
Ubm
－θ
0θ π
2π
ωt
图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形
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iC iC E C′ C u BEmax
①② ③
0 0
F C″
② ③
①
A′ A″ A EC t
图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形
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2.2.4
负载特性
负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时，谐 振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电 极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲 线。
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2.2 丙类谐振放大器的工作状态分析
分析方法： 解析法－－简单，概念清楚，可给出定量的近似结果。 图解法－－形象直观，但要获得定量的结果比较麻烦。 2.2.1 解析分析法
iC gm iC S cr
u CE u BE
u BE＝UB ′ 0 UB′ u BE 0 u CE
(a)理想化的转移特性 (b)理想化的输出特性 (a) (b)
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iC
＋
iB V u CE Re C
－
uc RL L
＋
ub
－
＋
－ ＋E －
B
－ E ＋ C
图2.1 谐振功率放大器原理电路
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2.1.2 工作原理 工作原理 设输入信号为
ub = U bm cos ωt
则由图2.1得基极回路电压为 (2.1 ─ 1) 由晶体三极管的转移特性曲线可得到集电极电流的 波形，如图2.2 。周期性脉冲可以分解成直流、 基波 (信号频率分量)和各次谐波分量, 即
' B
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可见，iC 与uCE是直线关系，两点决定一条直线， 因此只要在输出特性上求出谐振功率放大器的两个瞬时 工作点，它们的连线就是晶体管放大区的动特性曲线。 根据式(2.1―1)和式(2.1―4)的公式，取ωt=0，则有 uBE = u BE max = E B + U bm uCE = u CE max = EC + U cm 据此在图2.6所示的输出特性上确定C点。再取 ωt = 则
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第2章 高频功率放大器 章
2.1 谐振功率放大器基本工作原理 2.2 丙类功率放大器的工作状态分析 2.3 谐振功率放大器的高频特性 2.4 谐振功率放大器电路 2.5 高效率高频功率放大器及 功率合成技术
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高频功率放大器的主要功用是放大高频信号, 并且以高效 输出大功率为目的, 它主要应用于各种无线电发射机中。
∴ iC = g m ( EB + U bm cos ωt − U )
' B
当ωt=θ时
' iC = iC max = g m ( EB + U bm − U B ) = g m ⋅ U bm (1 − cos θ ) 当ωt=0时
' U B − EB cos θ = U bm
集电极余弦脉冲电流的解析表示式为
在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量 提高输出功率。因为
PC Po = 1 −1
(2.1―13)
ηC
可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，ηC越 高，输出功率Po越大。
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例1：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率Po=5W， 晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压 Uc=22.5V,试求：直流输入功率PE；集电极效率ηc；谐振电 阻Re；基波电流IC1m；导通角θ。
uBE = EB − U bm uCE = EC − U cm
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iC iC C u BEmax
i Cmax A EC 0 2θ 0 u CEmin B 0 u CE D u CE
ωt
图2.6 动特性曲线与集电极电流波形
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动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶 体管集电极电流iC与电极电压(uBE或uCE)的关系曲线, 它 在iC～uCE或iC～uBE坐标系统中是一条曲线。 动特性曲线的斜率为
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ub
Ubm
uc
π 2π