第六章 高频功率放大器

− VCC + − VBB + 高频功率放大器基本电路
P= = 直流电源供给的直流功 率 Po = 交流输出信号功率 Pc = 集电极耗散功率
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两点结论： 两点结论： 1) 设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率ηc自 设法尽量降低集电极耗散功率P 则集电极效率η 然会提高。这样，在给定P 然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功 就会增大； 率Po就会增大；
尖顶脉冲的分解系数
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由于： 由于：
ηc = P 1 V Icm1 1 α1(θc ) 1 o cm = = ξ = ξg1(θc ) P= 2 V Ic0 2 αn (θc ) 2 CC
g1(θc ) =
谐振功率放大器的折线近似分析法
vB
vB
vC
对谐振功率放大器进行分析计算， 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的 直流分量I 和基频分量I 。 直流分量 c0和基频分量 cm1。 13
由上图可见，在饱和区，根据理想化原理， 由上图可见，在饱和区，根据理想化原理，集电极电流 只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。 只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。 则 ic =gc(vB–VBZ) (vB ＞VBZ)
2)过压工作状态： 2)过压工作状态： 过压工作状态 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区， 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区， 交流输出电压较高且变化不大。 交流输出电压较高且变化不大。 3)临界工作状态： 3)临界工作状态： 临界工作状态 是欠压和过压状态的分界点， 是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上。 集电极最大点电流正好落在临界线上。
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如何减小集电极耗散功率P 如何减小集电极耗散功率 c
1 T 晶体管集电极平均耗散功率： 晶体管集电极平均耗散功率： ∫ ic ⋅ vCdt T 0
最低的时候才能通过，那么， 使ic在vC最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率 自然会减小。 自然会减小。 要想获得高的集电极效率， 故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集 电极电流应该是脉冲状。导通角小于180°，处于丙类工作 电极电流应该是脉冲状。导通角小于 ° 状态。 状态。 谐振功率放大器工作在丙类工作状态时θ 谐振功率放大器工作在丙类工作状态时θc＜90°，集 ° 电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数： 电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：
α0 (θc ) = α1(θc ) =
sin θc −θc cosθc π (1− cosθc )
θc − cosθc sin θc π (1− cosθc ) 2 sin nθc cosθc − ncos nθc sin θc αn (θc ) = ⋅ π n(n2 −1)(1− cosθc )
ic=Ico+ Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+Icm3cos3ωt+……
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直流功率： 直流功率：
P==VCC⋅ Ic0
2 Vcm 1 2 1 输出交流功率： 输出交流功率： P = V ⋅ I = = Icm1Rp o cm cm1 2 2Rp 2
Vcm Icm1 Rp
回路两端的基频电压 基频电流 回路的谐振阻抗
∆ic gc = ∆vB
vC =常 数
若临界线的斜率为gcr，则临界线方程可写为 ic=gcrvC 若临界线的斜率为 在非线性谐振功率放大器中， 在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入 饱和区，将放大区的工作状态分为三种： 饱和区，将放大区的工作状态分为三种： 三种 1)欠压工作状态： 1)欠压工作状态： 欠压工作状态 集电极最大点电流在临界线的右方， 集电极最大点电流在临界线的右方， 交流输出电压较低且变化较大。 交流输出电压较低且变化较大。 14
功率放大
高频功率放大器(高放)
工作频率、相对频带宽度
20 ~ 20000 Hz 535 ~ 1605 kHz 无调谐负载 (电阻、变压器 ) 选频网络负载
低频功放工作于甲类、甲乙类、乙类,高频功放工作于丙类
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3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处 、
相同之处：它们放大的信号均为高频信号， 相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。 载均为谐振回路。 不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。 晶体管动态范围不同。
QA、QB和QC 分别是甲类 乙类和丙类 工作时的 静态工作点
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6.2 高频谐振功率放大器工作原理
iC
＋
iB
vb
Rp
＋
vC C
vB － －
L
利用输入到基极的 信号来控制集电极 的直流电源所供给 的直流功率， 的直流功率，使之 转变为交流信号功 率输出
P = P +P = o c P P o o ηc = = P P +P = o c ηc P = o 1−η P c c
放大器的集电极效率： 放大器的集电极效率：
1 cm P 2 V ⋅ Icm1 1 o ηc = = = ξg1(θc ) P= V Ic0 2 CC
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V ξ = cm V CC
集电极电压利用系数
Icm1 波形系数，通角θ 的函数；θ 越小 (θ )越大 波形系数，通角θc的函数； c越小g1 θc 越大 g1( θc ) = Ic0
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右图可见： 右图可见： 当θc≈120°时，Icm1/icmax ° 达到最大值。 达到最大值。在Ic max与 负载阻抗R 负载阻抗 p为某定值的 情况下， 情况下，输出功率将达 到最大值。这样看来， 到最大值。这样看来， 取θc=120°应该是最佳通 ° 角了。但此时放大器处 角了。 于甲级工作状态效率太 低。
1、使用高频功率放大器的目的 、
放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。
2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题 、
①高效率输出 ②高功率输出
对比： 对比：高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点
输出功率大和效率高 2
低频功率放大器(低放)
工作状态
功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工 甲类 作方式，为了进一步提高工作效率还有丁类与戊类放大器。 作方式，为了进一步提高工作效率还有丁类与戊类放大器。
谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态， 谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路 丙类工作状态 功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率 功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率 6
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IC0
cos ωt－ cos θ c 1 +π 1 +θc = ∫− π iC d (ωt ) = 2π ∫−θc iC max 1－ cos θ c d (ωt ) 2π
1 sin θ c − cos θ c = iC max α 0 ( θ c ) = iC max ⋅ π 1 − cos θ c 同理： I Cm1 = iC max α1 ( θ c )；I Cm 2 = iC max α 2 ( θ c ) I Cmn = iC max α n ( θ c ) α1( θ c )、α1( θ c )、α n ( θ c ) − 尖顶余弦脉冲分解系数
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4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 、
共同点:都要求输出功率大和效率高 共同点:都要求输出功率大和效率高 功率放大器实质上是一能量转换器，把电源供的直流能 功率放大器实质上是一能量转换器， 量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。 量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号( 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通 窄带高频信号 带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为 带宽度只有其中心频率的1%或更小) 1%或更小 丙类工作状态( 90° 为了不失真的放大信号， 丙类工作状态(θc＜90°)，为了不失真的放大信号，它的负 谐振回路。 载必须是谐振回路 载必须是谐振回路。 非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放 大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载， 大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或 乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。 乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。 5
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外部电路关系式： 外部电路关系式：
vB = −VBB +Vbm cos ωt vC = VCC −Vcm cos ωt
vB
晶体管的内部特性： 晶体管的内部特性：
ic = gc( vB −VBZ )
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ve B
b
vb
V Z B –V B B
ω t
ib
ω t ic
ω t
ve C
c
V cm V cm V C C ω t
第六章 高频功率放大器
了解高频功放与低频功放的相同与不同之处； 掌握谐振功率放大器的工作原理和其功率关系。掌 握谐振功率放大器的折线近似分析法、集电极余弦 电流脉冲的分解和高频功率放大器的动态特性与负 载特性。
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6.1 概述
话 筒 音频 放大器 调制器 变频器 激励放大 输出功 率放大
载波 振荡器
越大或v 越小) 越小效率η 越高。因此， ξ越大(即Vcm越大或 Cmin越小)θc越小效率ηc越高。因此，丙 越大( 类谐振功率放大器提高效率η 的途径即为减小θ 类谐振功率放大器提高效率ηc的途径即为减小θc角；使LC 回路谐振在信号的基频上， 的最大值应对应v 的最小值。 回路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对应 C的最小值。 故谐振功率放大器的工作特点： 故谐振功率放大器的工作特点： 基极偏置为负值；半通角θ 基极偏置为负值；半通角θc＜90°，即丙类工作状态；负载 ° 即丙类工作状态； 谐振回路。 为LC谐振回路。 谐振回路 12