第三章高频功率放大电路课件

第第3 3章章 高频功率放大电路高频功率放大电路3.1 3.1 3.1 3.1 概述概述概述概述3.2 3.2 3.2 3.2 丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大电路3.3 3.3 3.3 3.3 宽带高频功率放大电路与功率合成电路宽带高频功率放大电路与功率合成电路宽带高频功率放大电路与功率合成电路宽带高频功率放大电路与功率合成电路3.4 3.4 3.4 3.4 集成高频功率放大电路及应用简介集成高频功率放大电路及应用简介集成高频功率放大电路及应用简介集成高频功率放大电路及应用简介本章重点：本章重点：1 1、谐振功率放大器的工作原理、谐振功率放大器的工作原理 2 2、谐振功率放大器性能指标计算、谐振功率放大器性能指标计算uu 用于发射机的中间级和末级用作功率放大，对它用于发射机的中间级和末级用作功率放大，对它用于发射机的中间级和末级用作功率放大，对它用于发射机的中间级和末级用作功率放大，对它的要求是输出较大的功率并具有较高的效率。的要求是输出较大的功率并具有较高的效率。的要求是输出较大的功率并具有较高的效率。的要求是输出较大的功率并具有较高的效率。3.1 概述概述一、高频功率放大器在无线电发射机中的位置一、高频功率放大器在无线电发射机中的位置n按晶体管导通情况分按晶体管导通情况分甲类甲类(A(A类类)：集电极电流导通角：集电极电流导通角 =180=180o o乙类（乙类（B B类）：集电极电流导通角类）：集电极电流导通角 =90=90o o丙类（丙类（C C类）：集电极电流导通角类）：集电极电流导通角 9090o o，放大等幅载波及已调，放大等幅载波及已调波波 二、分类二、分类n按负载分按负载分谐振功率放大器的特点：谐振功率放大器的特点：为了放大窄带高频信号，其工作状态通常选为丙类工作为了放大窄带高频信号，其工作状态通常选为丙类工作状态，为了不失真放大信号，它的负载必须为谐振回路。状态，为了不失真放大信号，它的负载必须为谐振回路。n用折线来表示非线性曲线可以使用折线来表示非线性曲线可以使计算简化，而且也能反映出特性计算简化，而且也能反映出特性曲线的基本特点，在强信号作用曲线的基本特点，在强信号作用下，即非线性元件在大幅度的电下，即非线性元件在大幅度的电压和电流的情况，采用这种近似压和电流的情况，采用这种近似方法是比较合适的方法是比较合适的 n但是，折线化的近似方法是很粗但是，折线化的近似方法是很粗糙的，它完全忽略了曲线微小逐糙的，它完全忽略了曲线微小逐渐的的变化，在某些场合下这种渐的的变化，在某些场合下这种微小变化具有十分重要的意义时，微小变化具有十分重要的意义时，比如信号较小且非线性元件又工比如信号较小且非线性元件又工作在特性曲线的弯曲部分时，这作在特性曲线的弯曲部分时，这种方法产生误差太大，不能采用种方法产生误差太大，不能采用该方法。该方法。补充：折线分析法补充：折线分析法1 1 1 1、用折线分析法研究正弦信号在非线性元件上的作用、用折线分析法研究正弦信号在非线性元件上的作用、用折线分析法研究正弦信号在非线性元件上的作用、用折线分析法研究正弦信号在非线性元件上的作用2 2、尖顶余弦脉冲、尖顶余弦脉冲ni(t)i(t)是一个以是一个以T=2T=2/为周期的为周期的周期函数周期函数，可以用傅立叶级数展开研究可以用傅立叶级数展开研究3 3、余弦脉冲电流分解系数、余弦脉冲电流分解系数n各频率成分中，除电流峰值各频率成分中，除电流峰值i imaxmax外，其余均外，其余均为流通角为流通角 的函数，通常称它们为余弦脉冲的函数，通常称它们为余弦脉冲电流分解系数电流分解系数4 4、余弦脉冲电流分解系数图、余弦脉冲电流分解系数图2.01.0余弦脉冲分解系数表余弦脉冲分解系数表2 21 1 可以看出，当可以看出，当 一定时，各次谐波可在特定流通角处取一定时，各次谐波可在特定流通角处取得最大值。得最大值。基波最大值出现在基波最大值出现在 =120 处。处。三次谐波最大值出现在三次谐波最大值出现在 =40。n 次谐波取最大值时的流通角为：次谐波取最大值时的流通角为：二次谐波最大值出现在二次谐波最大值出现在 =60。n例：如果某个非线性器件的伏安特性可用例：如果某个非线性器件的伏安特性可用折线折线表示表示，其中，其中，=1V=1V，g=10mA/Vg=10mA/V。现加偏置电。现加偏置电压为压为V VB B=-1V=-1V，输入余弦信号的幅值，输入余弦信号的幅值V Vimim=4V=4V，计，计算电流中的直流、基波和二倍频分量幅值。算电流中的直流、基波和二倍频分量幅值。查表：查表：3.2 3.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理1 1、电路的基本组成、电路的基本组成、电路的基本组成、电路的基本组成一、谐振功率放大器的工作原理分析一、谐振功率放大器的工作原理分析是集电极直流电源电压，是集电极直流电源电压，是基极偏置电压；是基极偏置电压；L L、C C组成并联谐振回路，作为集电极负载回路，负载回路既组成并联谐振回路，作为集电极负载回路，负载回路既可以实现选频滤波的功能，又实现阻抗匹配；可以实现选频滤波的功能，又实现阻抗匹配；输入信号（又称为激励信号）输入信号（又称为激励信号）经变压器耦合到晶体管的输入经变压器耦合到晶体管的输入端得到端得到 ；放大后的信号通过变压器耦合到负载。放大后的信号通过变压器耦合到负载。晶体管在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程晶体管在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用中起开关控制作用;当当 时时 为丙类状态。为丙类状态。称为晶体管的导通电压。称为晶体管的导通电压。7.2.1放大器的工作状态由偏置电压放大器的工作状态由偏置电压 的大小决定的大小决定 2 2电路特点：电路特点：电路工作在丙类状态电路工作在丙类状态,高，流过晶体管的电流为高，流过晶体管的电流为余弦脉冲；余弦脉冲；谐振回路做负载，且调谐于输入信号相同频率上。其谐振回路做负载，且调谐于输入信号相同频率上。其作用是：阻抗匹配，选出余弦脉冲中的基波分量。作用是：阻抗匹配，选出余弦脉冲中的基波分量。3、工作原理：、工作原理：，且，且 若激励电压若激励电压 所以电路工作在丙类状态。所以电路工作在丙类状态。7.2.1 电路的工作波形如下电路的工作波形如下图所示。晶体管的集电极图所示。晶体管的集电极电流电流 为周期性的余弦为周期性的余弦 脉冲脉冲(采用采用折线分析法折线分析法)。可以展开为傅立叶级数。可以展开为傅立叶级数。7.2.1其中其中 式中，式中，、分别为集电极电流的直流分分别为集电极电流的直流分量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。量、基波分量、以及各高次谐波分量的振幅。7.2.1 的傅立叶级数展开式为的傅立叶级数展开式为 其中，其中，、为余弦脉冲分解系数为余弦脉冲分解系数显然，只要知道电流脉冲的最大值显然，只要知道电流脉冲的最大值 和导通角和导通角、就可以计算就可以计算、。输出，即：输出，即：当当 回路谐振于回路谐振于 时，在时，在 回路两端得到回路两端得到 的最大的最大7.2.1式中 R为谐振回路等效总电阻为谐振回路等效总电阻 结论：丙类谐振功率放结论：丙类谐振功率放大器，流过晶体管的各极电大器，流过晶体管的各极电流均为余弦脉冲，但利用谐流均为余弦脉冲，但利用谐振回路的选频作用，其输出振回路的选频作用，其输出电压仍能反映输入电压的变电压仍能反映输入电压的变化规律，即输出信号基本上化规律，即输出信号基本上是不失真的余弦信号，实现是不失真的余弦信号，实现线性放大的功能。线性放大的功能。谐振功率放大器的各极电压、电流波形 7.2.1丙类谐振功率放大器的电流、电压波形如下图所示。丙类谐振功率放大器的电流、电压波形如下图所示。二、输出功率与效率二、输出功率与效率 在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率。如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。这涉及如何合如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。这涉及如何合理地利用好晶体管转移特性的非线性。理地利用好晶体管转移特性的非线性。谐振功放的效率定义为：谐振功放的效率定义为：输出信号功率为输出信号功率为：Ic1m:集电极电流中的基波分量幅度集电极电流中的基波分量幅度因此得：:输出电压的幅度输出电压的幅度PD：集电极电源提供的直流功率集电极电源提供的直流功率Po：谐振功放输出交流功率谐振功放输出交流功率 电源提供的功率是电源提供的功率是 ：它等于电源电压：它等于电源电压 和集电极和集电极电流中直流分量的乘积。（电流中直流分量的乘积。（C类功放的静态工作点电流为零）类功放的静态工作点电流为零）可得谐振功率放大器的效率表示式为：可得谐振功率放大器的效率表示式为：其中：称为集电极电压利用系数 为集电极耗散功率如何提高如何提高C C类功率放大器的效率类功率放大器的效率n提高电压利用系数提高电压利用系数n选择合适的流通角选择合适的流通角提高提高R值值减小减小 的值的值,icmax不变不变增大对前级增大对前级Vbm的要求的要求可能击穿放大管可能击穿放大管例题1：在丙类谐振功率放大器中,若iCmax=10mA,又Vcc=10V,且Vcm与Vcc近似相等，求：当为60时的输出功率以及集电极效率。其中：0(60)=0.218,1(60)=0.39mW89.4%例题2：解：查表得例题3解：谐振功率放大器与低频功率放大器的异同点谐振功率放大器与低频功率放大器的异同点谐振功率放大器与低频功率放大器的异同点谐振功率放大器与低频功率放大器的异同点相同点：1、都要求输出功率大和效率高；2、激励信号幅度均为大信号。不同点：1、工作频率与相对频宽不同；2、放大器的负载不同；3、放大器的工作状态不同。谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同点谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同点谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同点谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同点相同点：1、放大的信号均为高频信号；2、放大器的负载均为谐振回路。不同点：1、激励信号幅度大小不同；2、放大器的工作点不同；晶体管动态范围不同。2.丙类谐振功放效率高的原因在于导通角丙类谐振功放效率高的原因在于导通角小小,也就是也就是晶体管导通时间短晶体管导通时间短,集电极功耗减小。但导通角集电极功耗减小。但导通角越小越小,将导将导致输出功率越小。致输出功率越小。所以选择合适的所以选择合适的角角,是丙类谐振功放在是丙类谐振功放在兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。兼顾效率和输出功率两个指标时的一个重要考虑。7.6章末小结章末小结 1 1高频功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状高频功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。相比之下态。相比之下,丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类乙类大丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类乙类大,但效率高但效率高,节约能源节约能源,所以是高频功放中经常选用的一种电所以是高频功放中经常选用的一种电路形式。路形式。3 3谐振功放属于窄带功放。谐振功放属于窄带功放。1 1、A A类功率放大器的流通角应类功率放大器的流通角应 ，B B类功率放大类功率放大器的流通角应器的流通角应 ，C C类功率放大器的流通角应类功率放大器的流通角应 。2 2、谐振功率放大器工作在丙类的目的是为了提高放大器的（、谐振功率放大器工作在丙类的目的是为了提高放大器的（）。）。A A.输出功率输出功率 B B.效率效率 C C.增益增益 D D.工作频率工作频率练习