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第5章 高频功率放大器5.1 概述5.2 谐振功放原理5.3 晶体管谐振功率放大器折线分析法5.4 晶体管谐振功率放大器的高频特性5.5 高频功率放大器的电路组成5.6 丁类(D类)功率放大器5.7 戊类(E类)功率放大器5.8 宽带高频功率放大器5.9 功率合成器5.10 晶体管倍频器第5章高频功率放大器5.1概述1学习内容学习内容掌握高频功率放大器的工作原理；掌握高频功率放大器的工作原理；掌握高频功率放大器的折线近似分析法；掌握高频功率放大器的折线近似分析法；掌握高频功率放大器的电路组成原则与匹掌握高频功率放大器的电路组成原则与匹配网络的计算；配网络的计算；了解倍频器的工作原理。了解倍频器的工作原理。学习内容掌握高频功率放大器的工作原理；21、使用谐振功率放大器的、使用谐振功率放大器的目的目的高效率高效率输出输出高高功率输出功率输出放大放大高频大高频大信号获得信号获得足够大的发射足够大的发射功率功率5.1概述1、使用谐振功率放大器的目的高效率输出高功率输出低频功放低频功放高频功放高频功放工作频率工作频率音频音频高频、射频高频、射频相对相对带宽带宽超宽带超宽带窄带、宽带窄带、宽带负载负载纯电阻纯电阻LCLC谐振回路谐振回路工作状态工作状态甲类或乙类甲类或乙类丙类丙类高频高频（谐振）功放与低频功放的区别（谐振）功放与低频功放的区别高频（谐振）功放与低频功放的共同点是输出功率大、效率高低频功放高频功放工作频率音频高频、射频相对带宽超宽带窄带、宽4高频小信号高频小信号放大器放大器高频功放高频功放电路性质电路性质线性线性非线性非线性应用应用射频放大器、功放推射频放大器、功放推动级动级发射机发射机末端功率放大末端功率放大放大器类型放大器类型甲类甲类丙类丙类集电极输出波形集电极输出波形 与输入信号一致与输入信号一致余弦脉冲余弦脉冲 作用作用信号波形放大、传输信号波形放大、传输将电源的能量尽可能将电源的能量尽可能以信号的形式输出以信号的形式输出主要技术指标主要技术指标增益、噪声增益、噪声输出功率、效率输出功率、效率高频功放与高频小信号放大器的比较高频功放与高频小信号放大器的比较高频小信号高频功放电路性质线性非线性应用射频放大器、功放推动5高功放的分类两种两种分类原则分类原则按晶体管的按晶体管的导通角导通角分类分类按晶体管按晶体管等效电路等效电路分类分类 按按导通角导通角分分A A、B B、C C类（或甲、乙、丙类）类（或甲、乙、丙类）A类，=180=180度度B类，=90=90度度 C类，9090度度 高功放的分类两种分类原则按晶体管的导通角分类按晶体管等效电路6(a)甲类甲类class-Aamplifier(b)乙类乙类class-Bamplifier(c)甲乙类甲乙类class-ABamplifier(d)丙类丙类class-Camplifier流通角:一个周期内有电流流通的相角.(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类c7谐振功率放大器谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号通常用来放大窄带高频信号,其其工作状态通常选为丙类工作状态工作状态通常选为丙类工作状态(c90)，为了，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振功率放大器非谐振功率放大器可分为可分为低频功率放大器低频功率放大器和和宽宽带高频功率放大器带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调。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。率放大器以宽带传输线为负载。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析近似分析法（折线法）主要指标：输出功率与主要指标：输出功率与效率效率还有输出谐波分量尽量小，以免对其他频道产生干扰谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状态通常选80 高频功放工作在大信号非线性状态，晶体管的小高频功放工作在大信号非线性状态，晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线，通常所说的静态一般利用晶体管的静态特性曲线，通常所说的静态特性曲线是指低频区。特性曲线是指低频区。低频低频区：区：中频区：中频区：高高频区：频区：故高频故高频区或中频区的分析和区或中频区的分析和计算是相当计算是相当困难困难,本本节将从低节将从低频区的静态特性来解析晶体管频区的静态特性来解析晶体管的高频功放的工作原理。的高频功放的工作原理。5.2谐振功率放大器的工作原理0高频功放工作在大信号功放主要功放主要技术技术要求要求：高高输出输出功率功率和和高高效率效率功放工作于丙类的原因功放工作于丙类的原因根据根据能量守恒定律：能量守恒定律：（5.2.15.2.1）效率：效率：（5.2.25.2.2）功放主要技术要求：高输出功率和高效率功放工作于丙类的原因根10由上式可得：由上式可得：（5.2.35.2.3）由上式可得：（5.2.3）11晶体管发射极电压与电流晶体管发射极电压与电流+任一元件（呈电阻性）上的耗散功率等于该元件的电流与该元件两端电压的乘积如何减小集电极耗散，提高集电极效率呢？晶体管发射极电压与电流+任一元件（呈电阻性）上的1213(b)tw或电压电流oVBZVCCVBBVbmVcmvbE maxqiCic maxciCvCEvBEvCEmin1.iC与与vBE同相，与同相，与vCE反相；反相；2.iC脉冲最大时，脉冲最大时，vCE最小；最小；3.导通角和导通角和vCEmin越小，越小，Pc越小；越小；vCE(b)tw或电压电流oVBZVCCV1415lowhigh3n2 20集电极电流为集电极电流为周期性脉冲串周期性脉冲串，它使得，它使得 只有在只有在 最低的时候才能通过，最低的时候才能通过，集电极耗散功率大大减小，集电极效集电极耗散功率大大减小，集电极效率得到提高率得到提高。另一方面，集电极波形相对于基极输入的正弦。另一方面，集电极波形相对于基极输入的正弦波来说，明显是波来说，明显是失真的失真的。那么高功放是如何解决这一问题的。那么高功放是如何解决这一问题的呢？呢？余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加（5.2.7）lowhigh3n20 集电极电流为周期性脉冲串，它使16丙类丙类功放基本功放基本电路电路选频作用选频作用：LCLC回路回路谐振谐振于基频，于基频，将集电极将集电极电流电流脉冲变换脉冲变换为输出为输出基频余基频余弦信号；弦信号；阻抗匹配作用：阻抗匹配作用：使负载使负载阻抗与放大器所需要的阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹功率最大，即它起着匹配网络的作用。配网络的作用。丙类功放基本电路选频作用：LC回路谐振于基频，将集电极电17LCLC回路轻微失谐，造成滤波器回路轻微失谐，造成滤波器的中心频的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，率偏移，会使有用频率幅度降低，而无而无用频率幅度可能升高，用频率幅度可能升高，从而从而使增益下降使增益下降且输出且输出波形产生失真波形产生失真；LCLC回路严重失谐，回路严重失谐，LCLC的导纳变大（阻抗的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集变小），使回路电流增大，而且电压集中中在在晶体管晶体管上，因此晶体管容易烧毁上，因此晶体管容易烧毁。LC回路轻微失谐，造成滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度18电路正常工作电路正常工作（丙类、（丙类、谐振谐振）时，时，外部电路关系式：外部电路关系式：此处略去了回路的直流电阻压降，且回路谐振于激励信号频率。对于谐波分量，回路的阻抗很小，且呈容性，相当于短路5.2.2功率关系电路正常工作（丙类、谐振）时，外部19LCLC回路可吸取的基频功率为：回路可吸取的基频功率为：（5.2.105.2.10）故，放大器的集电极效率为：故，放大器的集电极效率为：（5.2.125.2.12）即，即，LCLC回路阻抗值为：回路阻抗值为：（5.2.115.2.11）LC回路可吸取的基频功率为：（5.2.10）故，放大器的集20小结小结丙类放大器提高效率的途径丙类放大器提高效率的途径1 1、集电极电流为周期性脉冲串，它使得、集电极电流为周期性脉冲串，它使得 只有在只有在 最低的时候才能通过，最低的时候才能通过，集电极耗散功率大大减小，集电集电极耗散功率大大减小，集电极效率得到提高。极效率得到提高。2 2、减小减小 角角，越小，越小，越大，越大，则集电极效率越高。则集电极效率越高。小结丙类放大器提高效率的途径1、集电极电流为周期性脉冲串21为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角c的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的222 2、作出作出动态特性曲线特性曲线。1 1、测测出出晶晶体体管管转转移移特特性性曲曲线线和和输输出出特特性性曲曲线线，并对它们进行并对它们进行折线化折线化处理。处理。折线近似分析法的主要步骤2、作出动态特性曲线。1、测出晶体管23图图 5 5.3.1 3.1 晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE欠压临界过压图5.3.1晶体管的输出特性及其理想化iC=gcr24图图 5 5.3.2 3.2 晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBEVBZ)(vBEVBZ)图5.3.2晶体管静态转移特性及其理想化iC=g25VbmvbetwtiC0-c+cVBBo-c+cvbe转移特性iCVBZ0理想化首先，写出集电极余弦脉冲电流表达式。iC=gc(vBEVBZ)(vBE VBZ)=gcVbm(costcos c)=gcVbm(1cos c)当t=0时，iC=iC max 取决于脉冲高度iC max与通角c当t=c时，iC=0VbmvbewtwtiC0-qc+qcVBBo-qc+qcv26图5.3.3 尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得由傅里叶级数求系数，得其中：其中：尖顶余弦脉冲的分解系数波形系数波形系数再将集电极余弦电流脉冲分解成傅里叶级数图5.3.3尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得其中：尖顶27 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。尖顶脉冲的分解系数设计倍频器参考值设计倍频器参考值下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出28解解：1 1）又又 又又 解：1）又又292 2）3 3）查教材查教材P235P235的附录的附录5.15.1余弦脉冲系数表余弦脉冲系数表可得：可得：或或：2）3）查教材P235的附录5.1余弦脉冲系数表可得：30 因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm、VCC。5.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性因此，31静态特性：集电极电路没有负载下晶体管参数的关系。静态特性：集电极电路没有负载下晶体管参数的关系。理想化折线理想化折线（虚线虚线）ic0VBZic0 晶体管转移晶体管转移特性特性 晶体管输出特性晶体管输出特性下面推导动态特性静态特性：集电极电路没有负载下晶体管参数的关系。理想化折线（32+放大器工作于谐振放大器工作于谐振时时，外部电路关系，外部电路关系:（5.3.175.3.17）内部关系式内部关系式:（5.3.185.3.18）功放基本功放基本电路电路+放大器工作于谐振时，外部电路33（5.3.85.3.8）又：又：动态特性曲线（负载动态特性曲线（负载线或工作路）的线或工作路）的斜率斜率故故：（5.3.195.3.19）动态特性曲线（负载动态特性曲线（负载线或工作路）的截距线或工作路）的截距（5.3.8）又：动态特性曲线（负载线或工作路）的斜率34晶体管工晶体管工作作晶体晶体管管截止截止0 00 0晶体管工作晶体管截止00351 12 23 312336临界线临界线 临界线37临界线临界线（集电极饱和电压）（集电极饱和电压）临界线（集电极饱和电压）38临界线临界线饱和区饱和区工作区工作区出现凹顶出现凹顶临界线饱和区工作区出现凹顶393210180BACD321负载增大负载增大VCCQVcm1.欠压状态欠压状态2.临界状态临界状态3.过压状态过压状态RpVcmVcm三三种工作状态种工作状态的波形汇总的波形汇总3210180BACD321负载增大VCCQVcm1.欠压40iCvcevbemax过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区欠压过压0临界Rp欠压过压0临界RpiCvcevbemax过压区临界区欠压区欠压过压0临界Rp欠4100临临界界临临界界欠压欠压欠压欠压过压过压过压过压负载特性曲线负载特性曲线00临界临界欠压欠压过压过压负载特性曲线4200临临界界临临界界欠压欠压欠压欠压过压过压过压过压负载特性曲线负载特性曲线00临界临界欠压欠压过压过压负载特性曲线4300临临界界临临界界欠压欠压欠压欠压过压过压过压过压00临界临界欠压欠压过压过压44解解：1 1）且且故故解：1）且故45iCt从图中得到：从图中得到：iCt从图中得到：46故放大器不会烧毁故放大器不会烧毁3 3）2 2）故放大器不会烧毁3）2）475.3.4 5.3.4 各级电压对工作状态的影响各级电压对工作状态的影响过压过压欠压欠压0临临过压过压欠压欠压临临界界0界界5.3.4各级电压对工作状态的影响过压欠压0临过压欠48过压过压欠压欠压0临临过压过压欠压欠压临临界界0界界过压欠压0临过压欠压临界0 界49各变量对功各变量对功放放工作工作状态状态影响的总结影响的总结功放在过功放在过压和压和欠压工作状态欠压工作状态的一个重要的一个重要特点特点各变量对功放工作状态影响的总结功放在过压和欠压工作状50解解：1 1）解：1）5152作业：5-45-9作业：535.5 5.5 高频高频功率放大器的电路组成功率放大器的电路组成 要使高频功放正常要使高频功放正常工作，在其输入和输出工作，在其输入和输出端需端需接接有直流通路和交流通路：有直流通路和交流通路：直流馈电线路直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的：为晶体管各级提供合适的偏置及能偏置及能量功率；量功率；交流匹配网络交流匹配网络：使高频交：使高频交 流信号能有效地进行传输流信号能有效地进行传输。功放基本电路功放基本电路5.5高频功率放大器的电路组成要使高频功放正常工作545.5.1 5.5.1 直流直流馈电电路馈电电路 根据直流电源连接方式的不同根据直流电源连接方式的不同，可可分为：分为：串联馈电线路：直流电源串联馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管、匹配网络和晶体管 形成串联连接的方式。形成串联连接的方式。并联并联馈电线路：直流电源馈电线路：直流电源、匹配网络和晶体管、匹配网络和晶体管 形成并联连接的方式。形成并联连接的方式。并并联联反反馈馈串串联联反反馈馈5.5.1直流馈电电路根据直流电源连接方式的不同，55 串并馈直流供电路的优缺点：串并馈直流供电路的优缺点：优点：优点：并并馈电路中，信号回馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电回路安装比较方便，调谐电容容C C上无高压，安全可靠上无高压，安全可靠；串联电路的特点正好与并馈电路相反串联电路的特点正好与并馈电路相反缺点：缺点：并馈电路中，并馈电路中，LCLC处于高频高电位上，它对处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；的稳定性；串并馈直流供电路的优缺点：优点：并561 1.集电极集电极馈电电路馈电电路集电极电路对不同频率电路的等效电路集电极电路对不同频率电路的等效电路1.集电极馈电电路 集电极电路对不同频率电路57常常用用集集电电极极电电路路LCLC回路阻抗特性回路阻抗特性频谱频谱以上两个电路均以上两个电路均满足：满足：串馈串馈并馈并馈常用集电极电路LC回路阻抗特性频谱以上两个电路均满足58
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