第3章 高频调谐功率放大器(含例题).ppt

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1、1 1、概述概述 2 2、高频高频功率放大器的工作原理功率放大器的工作原理 3 3、高频高频功率放大器的动态分析功率放大器的动态分析 4 4、高频高频功率放大器的实际电路功率放大器的实际电路5 5、宽带、宽带高频高频功率放大器功率放大器第第3 3章章 高频功率放大器高频功率放大器 提高放大器的输出功率与效率，应该从哪几方面入手？提高放大器的输出功率与效率，应该从哪几方面入手？为什么低频功率放大器不能够工作于丙类？而高频功率放大器则为什么低频功率放大器不能够工作于丙类？而高频功率放大器则可以工作于丙类工作状态？可以工作于丙类工作状态？为什么丙类工作状态能获得高的输出效率？为什么丙类工作状态能获得

2、高的输出效率？丙类放大器为什么一定要采用调谐回路作为集电极（阳极）负载？回丙类放大器为什么一定要采用调谐回路作为集电极（阳极）负载？回路为什么一定要调谐到谐振状态？回路失谐将产生什么结果？路为什么一定要调谐到谐振状态？回路失谐将产生什么结果？思考如下几个问题：思考如下几个问题：如何保证高频功放电路工作于丙类工作状态？如何保证高频功放电路工作于丙类工作状态？高频功率放大器和高频高频功率放大器和高频小信号小信号放大器的异、同放大器的异、同高频功率放大器和高频功率放大器和低低频小信号放大器的异、同频小信号放大器的异、同谐振功率放大器中，欠压、临界、过压三种工作状态根据什么来谐振功率放大器中，欠压、临

3、界、过压三种工作状态根据什么来划分的？它们各有什么特点？划分的？它们各有什么特点？3.1 3.1 概概 述述为了使发射机末级为了使发射机末级获得足够大的发射功率，必须采用高频获得足够大的发射功率，必须采用高频功率放大器功率放大器。它是发射设备的重要组成部分。它是发射设备的重要组成部分。功率放大电路是一种以功率放大电路是一种以“输出较大功率为目的输出较大功率为目的”的放大电路。的放大电路。1 1、高频功率放大器的、高频功率放大器的性能要求性能要求安全安全为了获得大的输出信号功为了获得大的输出信号功率，放大器就必须大信号运率，放大器就必须大信号运用，包括大的动态电压和大用，包括大的动态电压和大的动

4、态电流，并往往的动态电流，并往往“接近接近管子的极限运用管子的极限运用”。所以必。所以必须须“选用合适的功率管选用合适的功率管”，注意注意“管子的保护管子的保护”，保证，保证其安全工作。其安全工作。ABQ 功率三角形 “不失真不失真”地输出所需要信号功率地输出所需要信号功率因而由器件特性非线性引起的因而由器件特性非线性引起的非线性失真也就越大非线性失真也就越大。所。所以必须以必须采取必要措施减少失真采取必要措施减少失真。输出功率输出功率 注意：注意：确切的说，失真在允许范围内确切的说，失真在允许范围内，即允许轻微非线性波，即允许轻微非线性波 形失真形失真要想要想Po大，应使大，应使Vom和和I

5、om都要大。都要大。高效率高效率功率放大器功率放大器实质上实质上是一个是一个“能量转换器能量转换器”，是在输入信号地作用下，是在输入信号地作用下，将直流电源的直流功率将直流电源的直流功率“转换为转换为”输出信号功率输出信号功率。可节约能源可节约能源越大越大当给定当给定Po时时所需的所需的就越小就越小相应地相应地也就越小也就越小(几乎减少一半几乎减少一半)可见：提高效率是十分重要的，是功率放大器的一个重要研究方向。可见：提高效率是十分重要的，是功率放大器的一个重要研究方向。功率增益。功率增益。（和上述三个要求相比，却是第二位的）（和上述三个要求相比，却是第二位的）2.要解决的问题要解决的问题F减

6、小失真（线性度）减小失真（线性度）F管子的保护管子的保护F提高输出功率提高输出功率F提高效率提高效率如何解决？如何解决？F 选用合适的功率管选用合适的功率管F 管外电路的合理设计管外电路的合理设计F 选用功率管的合适的选用功率管的合适的“运用状态运用状态”直流馈电电路直流馈电电路 高频功率放大器的输出电路高频功率放大器的输出电路 3.功率管的运用特性功率管的运用特性 在功率放大中，往往在功率放大中，往往选择选择“静态工作点静态工作点”，使功率管运用，使功率管运用在特性的不同区段上，实现甲类、乙类、甲乙类、丙类等不同在特性的不同区段上，实现甲类、乙类、甲乙类、丙类等不同运用状态，为了进一步提高工

7、作效率还提出了丁类与戊类放大运用状态，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。器。具体可具体可按照按照“电流通角电流通角”的不同的不同来划分。来划分。（注意理解为什么选丙类状态？）（注意理解为什么选丙类状态？）特点特点:在输入信号的在输入信号的整整个周期内个周期内,晶晶体管都是导通的体管都是导通的特点特点:在输入信号的在输入信号的半半个周期内个周期内,晶体管都是导通的晶体管都是导通的甲类（甲类（A A类）类）乙类（乙类（B B类）类）甲乙类（甲乙类（ABAB类）类）丙类（丙类（C C类）类）管子的运用状态不同，相应管子的运用状态不同，相应的最大集电极效率也就不同的最大集电极效率也就不同

8、当当Po一定时，一定时，减少减少要减少要减少，提高，提高的方法：的方法：减少当随着导通时间的减少，效率逐渐提高当随着导通时间的减少，效率逐渐提高使管子运用在开关状态。如：丁类效效率率逐逐步步提提高高结论：结论：在功率放大器中，管子的运用状态在功率放大器中，管子的运用状态从甲类转向乙类、丙类或开关状态的丁从甲类转向乙类、丙类或开关状态的丁类，类，目的都是为了高效率的输出所需的目的都是为了高效率的输出所需的功率。功率。不过，这些高效率的运用状态将不过，这些高效率的运用状态将使集使集电极电流波形严重失真电极电流波形严重失真，都需要在电路都需要在电路中采用中采用“特定的措施特定的措施”。丙类丙类(C类

9、类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。4.效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决lowhigh3n2 20通通过过谐谐振振负负载载，从从丙丙类类余余弦弦周周期期脉脉冲冲里里恢恢复复基基波波完完整整周周期期信号。信号。有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器丙类丙类32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管因因“工作频率工作频率”与与“相对频宽相对频宽”不同不同,使得两者使得两者“负负载网络载网络”和和“工作状态工作状态”也不同也不同!（注意理解）（注意理解）共同之处：共同之处：都要求都要求输出

10、功率大和效率高输出功率大和效率高不同之处：不同之处：非线性非线性(大信号大信号)谐振与非谐振谐振与非谐振5.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较两者工作频率两者工作频率与与相对频宽不同相对频宽不同低频功率：低频功率：工作频率工作频率低低,但但相对相对频带宽度很宽。频带宽度很宽。采用采用无调谐负载无调谐负载，如，如:电阻、变压器电阻、变压器（为什么（为什么不能够不能够采用调谐负载？）采用调谐负载？）高：高：工作频率工作频率高（由几百高（由几百KHZKHZ一直到几百、一直到几百、几千甚至几万几千甚至几万MHZMHZ）,但但相对频带窄。相对频带窄。采用

11、采用选频网络选频网络做负载做负载（为什么（为什么不能够不能够采用采用无调谐负载无调谐负载？）？）两种放大器的两种放大器的工作状态不同工作状态不同低频功率：可选低频功率：可选甲类、甲乙甲类、甲乙类、乙类类、乙类（限于推挽电路）（限于推挽电路）高频功率：一般选丙类高频功率：一般选丙类如：如：低频（音频）低频（音频）:20Hz:20Hz20kHz20kHz如：如：AMAM广播信号广播信号:535kHz1605kHz，BW=10kHz相对相对频宽频宽6.功放设计中各方面的折中关系功放设计中各方面的折中关系F减小失真（线性度）减小失真（线性度）F管子的保护管子的保护F提高输出功率提高输出功率F提高效率提

12、高效率（1）丙类导通角丙类导通角r r1 1 衡衡量量回回路路传传输输能能力力优优劣劣的的标标准准，通通常常以以“中中介介回回路路的的传传输输效效率率 k k（简简称称中介回路效率）代表。中介回路效率）代表。k k：中介回路的传输效率。中介回路的传输效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp如果如果：rr1C1L1C1RpL1IKRp 要想回路的传输效率高，则要想回路的传输效率高，则空载空载Q Qo o越大越好，有载越大越好，有载Q QL L越小越小越好，越好，也就是说，也就是说，中介回路本身的损耗越小越好中介回路本身的损耗越小越好 但从要求但从要求回路滤波作用良好来考虑，则回路滤波作用良好

13、来考虑，则Q QL L值又应该足够大。值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，从兼顾这两方面出发，Q QL L值一般不应小于值一般不应小于1010。在功率很大的放。在功率很大的放大器中，大器中，Q QL L也有低到也有低到1010以下的。以下的。注注意意：由由于于高高频频功功率率放放大大器器工工作作在在非非线线性性(丙丙类类)工工作作时时，放放大大器器的的内内阻阻变变动动剧剧烈烈：导导通通时时，内内阻阻很很小小；截截止止时时内内阻阻近近于于无无穷穷大大。因因此此输输出出电电阻阻不不是是常常数数。所所谓谓线线性性电电路路的的阻阻抗抗匹匹配配(负载阻抗与电源内阻相等负载阻抗与电源内阻相等)概念也就失去

14、了意义。概念也就失去了意义。高高频频调调谐谐功功率率放放大大器器的的阻阻抗抗匹匹配配就就是是在在给给定定的的电电路路条条件件下下，改改变变负负载载回回路路的的可可调调元元件件，将将负负载载阻阻抗抗Z ZL L转转换换成成放放大大管管所所要要求求的的最最佳佳负负载载阻阻抗抗R Rp p，使使管管子子送送出出的的功功率率P P0 0能能尽尽可可能能多多的的馈馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。在在大大功功率率输输出出级级，T T型型、型型等等滤滤波波型型的的匹匹配配网网络络就就得得到到了了广广泛泛的的应应用用。图图中中R R2 2代代表表终终端

15、端(负负载载)电电阻阻，R R1 1代代表表由由R R2 2折折合合到到左左端的等效电阻，故接线用虚线表示。端的等效电阻，故接线用虚线表示。(2)(2)滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 2 2、级间耦合网络级间耦合网络 由于末级和中间级的电平和负载状态不同，因此对它们的由于末级和中间级的电平和负载状态不同，因此对它们的要求也有差别。要求也有差别。对于输出回路，对于输出回路，应力求输出功率大，效率高应力求输出功率大，效率高。由于天线阻。由于天线阻抗（抗（RARA与与CACA）在正常情况下是不变的，故可以使它与集电极回）在正常情况下是不变的，故可以使它与集电极回路匹配，使末级工作于临界状态，以

16、获得最大的输出功率。这路匹配，使末级工作于临界状态，以获得最大的输出功率。这时，回路的传输效率时，回路的传输效率 也很高。也很高。对于中间级而言，对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。多级功放中间级的一个多级功放中间级的一个很大问题是很大问题是后级放大器的输入阻抗是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的

17、工作状态发这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。化，其输出电压将不稳定。为了达到保证送给下级以稳定激励电压的目的，对于中间为了达到保证送给下级以稳定激励电压的目的，对于中间级应采取如下措施：级应采取如下措施：1)1)使中间级放大器工作于使中间级放大器工作于过压状态过压状态，使它近似为一个恒，使它近似为一个恒压源。压源。2)2)降低级间耦合回路的效率降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本身。回路效率降低后，其本身 的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化

18、相对于回路本身的损耗的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效率一般为而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效率一般为 k k=0.1-=0.1-0.50.5，平均在，平均在0.30.3上下。也就是说，中间级的输出功率应为后一上下。也就是说，中间级的输出功率应为后一级所需激励功率的级所需激励功率的3-103-10倍。倍。例 题例1、试说明高频放大器（在临界状态）宁可偏向过压状态而不偏向欠压状态的原因？负载特性曲线负载特性曲线答：在过压PC下降,而在欠压PC上升,容易烧毁管子例2、坦克的天线（、坦克的天线（负载负载）碰地或碰到装甲车壳会带来什么结果

19、？）碰地或碰到装甲车壳会带来什么结果？答：坦克碰地或碰到装甲车壳会带来如下结果：答：坦克碰地或碰到装甲车壳会带来如下结果：（1 1）据负载特性，当）据负载特性，当时，工作状态将变化到欠压状态；时，工作状态将变化到欠压状态；（2 2）此时晶体管工作不安全，因为）此时晶体管工作不安全，因为急剧增加。急剧增加。负载特性曲线负载特性曲线例3、若丙类谐振功率放大器工作在临界状态、若丙类谐振功率放大器工作在临界状态:（1 1）当增大）当增大集电极电源电压集电极电源电压其它参数不便，试问高其它参数不便，试问高频功放的工作状态如何变化？频功放的工作状态如何变化？（2 2）当增大）当增大激励信号振幅激励信号振幅

20、时，其它参数保持不变，时，其它参数保持不变，则高频功放的工作状态如何变化？则高频功放的工作状态如何变化？答：答：(1)由临界状态进入欠压状态由临界状态进入欠压状态(2)由临界状态进入过压状态由临界状态进入过压状态知识点：高频功率放大器的集电极调制特性知识点：高频功率放大器的集电极调制特性知识点：高频功率放大器的放大特性知识点：高频功率放大器的放大特性例4.谐振功率放大器输出功率谐振功率放大器输出功率Po已测出，在电路参数不变已测出，在电路参数不变时，为提高时，为提高Po采用提高采用提高Vbm的办法。但效果不明显，试分的办法。但效果不明显，试分析原因，并指出为了达到析原因，并指出为了达到Po明显

21、提高的目的，可采用什么明显提高的目的，可采用什么措施措施?负载特性曲线负载特性曲线采用提高采用提高Vbm提高提高Po效果不明显效果不明显说明放大器工作在过压工作状态，说明放大器工作在过压工作状态，为了达到为了达到Po明显提高的目的可以明显提高的目的可以减小减小Rp或增加或增加Vcc。本本 章章 小小 结结高频功率放大器的高频功率放大器的性能要求性能要求：安安全、全、“不失真不失真”、高效率、高效率。主要。主要技术指标是技术指标是输出高功率与高效率输出高功率与高效率。为了获得高的输出功率与效率，为了获得高的输出功率与效率，应采用应采用丙类工作状态丙类工作状态。允许采用丙类工作状态的允许采用丙类工

22、作状态的先决条先决条件件，则是，则是 “允许采用调谐回路做允许采用调谐回路做负载负载”提高放大器的输出功率与效率，提高放大器的输出功率与效率，应该从哪几方面入手？应该从哪几方面入手？为什么在丙类工作时，就能获为什么在丙类工作时，就能获得高的输出功率与效率？得高的输出功率与效率？丙类放大器为什么一定要采用丙类放大器为什么一定要采用调谐回路作为集电极（阳极）调谐回路作为集电极（阳极）负载？回路为什么一定要调谐负载？回路为什么一定要调谐到谐振状态？回路失谐将产生到谐振状态？回路失谐将产生什么结果？什么结果？为保证晶体管能工作在丙类工作状为保证晶体管能工作在丙类工作状态，给晶体管基极加一态，给晶体管基

23、极加一“负偏压负偏压”思考思考思考思考思考思考一、概述一、概述 为什么低频功率放大器不能够工为什么低频功率放大器不能够工作于丙类？而高频功率放大器则作于丙类？而高频功率放大器则可以工作于丙类工作状态？可以工作于丙类工作状态？丙丙类类放放大大器器的的效效率率高高，但但是是波波形失真也严重，如何解决？形失真也严重，如何解决？分析方法分析方法折线近似法分析法折线近似法分析法二、高频二、高频功率放大器的工作原理功率放大器的工作原理1 1、电路结构、电路结构VBBVBB是基极偏置是基极偏置，为，为负偏压负偏压，保，保证电路工作在丙类工作状态证电路工作在丙类工作状态放大高频大信号放大高频大信号,属于非线性

24、工作状态；属于非线性工作状态；基极偏置为负值基极偏置为负值,半通角半通角 c90，即丙类工作状态；，即丙类工作状态；电流脉冲是尖顶余弦脉冲，电流脉冲是尖顶余弦脉冲，但集电极输出电压为但集电极输出电压为余余弦弦；负载为负载为LC谐振回路。（这里采用抽头接入）谐振回路。（这里采用抽头接入）（LCLC谐振回路有两个作用：滤波（尖顶余弦谐振回路有两个作用：滤波（尖顶余弦“变变”余弦）、阻抗变换）余弦）、阻抗变换）tw或电压电流oVBZVCCVBBVbmVcmv bE maxqiCic maxciCvBEvCEvCEv CEmin特特 点：点：1.1.利用谐振回路的选频作用，将利用谐振回路的选频作用，将

25、失真的集电极脉冲电流失真的集电极脉冲电流变换变换成成不失真的余弦电压输出不失真的余弦电压输出。2.2.i iC C脉冲最大时，脉冲最大时，v vCECE最小最小。3 3、如何减小集电极耗散功率、如何减小集电极耗散功率P Pc c？晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：可见使可见使i ic c在在v vCECE最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。减小。效率就提高。而且效率就提高。而且导通角和导通角和v vCEminCEmin越小，越小，P Pc c越小；越小；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

26、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。导通角小于应该是脉冲状。导通角小于180180，处于丙类工作状态。，处于丙类工作状态。4.4.如果失谐，则损耗快速增加！如果失谐，则损耗快速增加！2 2、工作原理、工作原理定性分析（定性分析（注意注意“电流、电压关系电流、电压关系”）3 3、定量分析、定量分析（1 1）方法）方法折线近似分析法折线近似分析法（2 2）电流电流脉冲脉冲的分解和计算的分解和计算尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数（3 3）高频功放的功率关系）高频功放的功率关系 高频放大器的高频放大器的工作状态工作状态是由负载阻抗是由负载阻抗R Rp p、激励电压、

27、激励电压v vb b、供、供电电压电电压V VCCCC、V VBBBB等等4 4个参量决定的。即：个参量决定的。即：放大特性放大特性调制特性：调制特性：集电极调制特性和基极调制特性集电极调制特性和基极调制特性负载特性负载特性三、高频功率放大器的动态分析三、高频功率放大器的动态分析+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE _uceicUoABOECQgd1 1、谐振功率放大器的动态特性曲线、谐振功率放大器的动态特性曲线2 2、在丙类谐振放大器中，、在丙类谐振放大器中，根据根据一个周期内一个周期内，晶体管工作晶体管工作“是是否否 有部分时间进入饱和区有部分时间进入饱和区”，可将

28、其分为欠压、过压和临界，可将其分为欠压、过压和临界三三 种工作状态。种工作状态。2、高频功放的工作状态高频功放的工作状态 1 1、在放大器中，根据晶体管工作、在放大器中，根据晶体管工作是否进入截止区和进入截止是否进入截止区和进入截止 区的时间相对长短区的时间相对长短，即根据晶体管的，即根据晶体管的“导通角导通角”的不同，的不同，分分 为为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作状态。甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作状态。ic三种工作状态三种工作状态集电极电流脉冲形状集电极电流脉冲形状欠压欠压临界临界过压过压3.几个特性曲线几个特性曲线调整放大器的知道基础调整放大器的知道基础欠压过压0临界Rp欠压过压0临界

29、Rp欠压状态欠压状态:I:IC0C0、I IC1C1几乎不变；功放相当于一个恒流源；几乎不变；功放相当于一个恒流源；V Vcmcm变化，变化，P Po o较小，较小，c c低，低，P Pc c较大；较大；过压状态过压状态:电压电压几乎不变，相当于一个恒压源几乎不变，相当于一个恒压源;Icm1Icm1变化，变化，cc可达最高可达最高,但但PoPo较小；较小；中间放大级中间放大级临界状态临界状态:输出功率输出功率P Po o最大最大，效率，效率c c也较高也较高，可以说是，可以说是 “最佳工作状态最佳工作状态”。常选此状态为末级功放输出状态。常选此状态为末级功放输出状态。负载特性负载特性CCCC对工作状态的影响对工作状态的影响-集电极调制特性集电极调制特性过压欠压0临界VCC过压欠压0临界VCCbmbm对工作状态的影响对工作状态的影响-放大特性放大特性欠压过压0临界Vbm欠压过压0临界VbmBBBB对工作状态的影响对工作状态的影响基集调制特性基集调制特性