《高频电子线路》阳昌汉版 第3章_高频功率放大器

第 3 章 高频功率放大器概述丙类高频功率放大器的工作原理 丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器电路

3.1 概 述一、高频功率放大器的功能用小功率的高频信号去控制高频功率放大器，将直 流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出， 并保证输出与输入的频谱相同。

ω

高频功率 ω 放大器

二、高频功率放大器的分类窄带高频功率放大器 (谐振功率放大器)其放大信号的相对带宽一 般不超过10%,通常采用 LC谐振回路作负载 .

分类：

宽带高频功率放大器

其放大信号的相对带宽一 般可达30%,通常采用宽 频带的传输线变压器作负 载。

三、高频功率放大器的主要技术指标1、输出功率 放大器的负载RL上得到的最大不失真功率 2、效率 高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值 3、功率增益

高频输出功率与信号输入功率的比值4、谐波抑制度

是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量相对于基波分量越小越好4

3.2 丙类高频功率放大器的工作原理一、 高频功率放大器工作状态的选择

2θ

2θ甲类( θ=180 ) 乙类( θ=90 )

2θ 丙类 (θ<90 )

max 50%VQ U BZ

max 78.5%

max 78.5%

VQ U BZ

VQ U BZ

谐振功率放大器通常工作于丙类。

二、 丙类高频功率放大器的电路组成 中间级 输出级

特点： (1)输入信号大，一般在几百毫伏~几伏数量级 (2)一般VBB < UBZ,发射结反偏， 保证放大器工作于丙类状态。 (3)负载为LC回路，调谐于输入信号 的中心频率，选频滤波和阻抗变换 作用。 (4)采用近似的分析方法——折线法 来分析其工作原理和工作状态。7

三、丙类高频功率放大器的工作原理 iC iB

iC

gc

iCICM

+ uBE

+ uCE–

uc+VBB c

UBZ

uBE c

c

c

ub

Ubm

设ub U bm cos t则uBE VBB U bm cos t ,VBB U BZ

iC 为尖顶余弦脉冲 ,可用傅立叶级数展开8

uBEUBZ VBB 0 c iB 0 ic C ICM 0 c uCE VCC 0各级电流、电压波形

t

iBmax

iC I C0 I c1m cos t I c2m cos 2 t ... I cnm cos n t ...

tIC0 t

(基波)

由LC回路的选频(选基波)作用：

uc I c1m cos t Rp U cm cos t(U cm I c1m Rp )

uc t9

uCE VCC uc VCC U cm cos t

丙类高频功放工作原理小结： (1) 设置VBB< UBZ ,使晶体管工作于丙类。 (2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。 (3)将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换 为不失真的余弦电压输出。 iC iB

+ uBE

+ uCE–

uc+

谐振功放电路与 小信号谐振放大器 电路有何区别？

类型小信 号调

谐放 大器

调谐功放与小信号调谐放大器的比较 任务 实质 性能 输入信 工作 号幅度 状态 指标能量 换器 将直 能量 换为 流能 输出 转 — 流 转 交 量

小 甲类— 不失真地 提高信号 幅度 μV — mV 线 性 工 作状态 数量级在信号不 失真或轻 度失真的 条件下提 高输出功 率 大 几百 mV —V 数量级 丙类— 非线性 工作状 态

电压放大 倍数 ， 选频特性 等

高频 调谐 功率 放大 器

输出功率 效率 信号失真 度等

3. 3 丙类高频功率放大器的折线分析法折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。 一、 晶体管特性曲线的理想化及其解析式1. 转移特性曲线(正向传输特性曲线 - 集电极电压恒定时，集电极 ) 电流与基极电压的关系曲线

iC g c (uBE U BZ )iC 0

uBE U BZuBE U BZ

实际 理想

iC gc -称为跨导 uBE

2. 输出特性曲线-是以基极电压(或基极电流)为参量的集电极电流 与集电极电压的关系曲线。临界饱和线

临界线方程： iC g cr uCE饱和区 放大区

g cr 为临界线的斜率

二、 集电极余弦电流脉冲的分解

uBE VBB U bm cos tiC g c (uBE U BZ ) uBE U BZiC 0

uBE U BZ

iC gc (VBB U bm cos t U BZ )当 t = c 时，iC=0,则cos c U BZ VBB U bm

U BZ VBB U bm cos c

g cU bmiC I CM

iC gcU bm (cos t cos c )

I CM 1 cos ccos t cos c 1 cos c14

当 t = 0 时，iC=ICM ,则I CM g cU bm (1 cos c )

利用傅里叶级数，可将iC的脉冲序列展开为

iC I C0 I c1m cos t I cnm cos n tI C0I c1m

1 sin c c cos c iC d t ICM (1 cos ) 2 c

I CM 0 ( c )

直流分量分解系数 I CM 1 ( c )

1 c sin c cos c iC cos td t I CM (1 cos c )I cnm

基波分量分解系数

i

1

C

cos n td ( t ) I CM an ( c )

n次谐波分量分解系数

注： ( c ) 余弦电流脉冲分解系数15

1 0

c 120 0 , 1 ( c )最大 c 60 0 , 2 ( c )最大 c 40 0 , 3 ( c )最大

1 ( c ) g1 ( c ) 0 ( c ) -波形系数

三、 功率与效率(1)直流功率： P= =? (2)输出功率： PO =? (3)集电极损耗功率： P P P c o (4)集电极效率：

c =?

U cm VCC

—集电极电压利用系数 -波形系数17

1 ( c ) g1 ( c ) 0 ( c )

(5)导通角的选择：1 c g1 ( c ) 2 在 1 条件下， 1 则 c g1 ( c ) 2 甲类： c 180 乙类： c 90 丙类： c 90

C 78.5%

c 78.5% c 78

.5%

但导通角不能取得太小，因为 导通角越小，效率越高， c小 1 ( c )小 I c1m小 Po小 为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600~800, c 82.5%-90% g1 ( c ) 1.8 - 1.65

例1 某谐振功率放大器，VCC = 24 V,Po = 5W, c = 70 º = , 0.9, 求该功放的 c、 P=、Pc、ICM 和回路谐振阻抗Rp。

1 1 (1) c g1 ( c ) 1.75 0.9 79% 解： 2 25 (2) P 6.3 ( W ) c 0.79 (3) Pc P Po 6.3 5 1.3 (W)Po

(4)U cm VCC 0.9 24 21.6(V)1 因为Po I c1mU cm 2 2P 2 5 o 故 I c1m 0.463(A) U cm 21.6 I c1m 0.463 I CM 1.05 (A) 1 ( c ) 0.44

U cm (5) Rp 46.65 ( ) I c1m

四、丙类高频功率放大器的动态特性 1. 什么是静态特性？没有带负载阻抗的条件下得到的 iC f (uBE , uCE ) 的关系，是晶体管本身固有的。

2. 什么是动态特性？

是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入 信号Ubm和输出电压Ucm(或谐振电阻Rp )一定的条件下， 集电极电流iC = f (uBE, uCE)的关系称为放大器的动态特性。20

3.动态特性的表示形式若设： ub

U bm cos t

当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：输入端： uBE输出端： uCE

?

? 其中： uc U cm cos t 由上两式消除 cos t 可得：uBE VCC uCE VBB U bm U cm

iCgc

又利用晶体管的内部特性关系式(折线方程) :

iC g c uBE U BZ 可得： VCC uCE iC g c VBB U bm U BZ U cm UBZ

uBE21

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