w高频功率放大器要点.pptx

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1、高频功率放大器的地位第1页/共47页第一节 概述一、高频功率放大器的功能高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入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(通常称为功率放大）。其输出信号与输入信号的频谱相同。二、高频功率放大器的主要技术指标高频输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。由于输出功率高，通常要求效率高，因此，高频功率放大器多选择工作在丙类工作状态。三、高频功率放大器的分类可分为窄带放大器（谐振功率放大器）和宽带放大器（传输线变压器为负载的宽频带高频功率放大器)两类。窄带信号举例：中波段调幅广播，载波频率531-1602kHz，信息带宽9kHz,相对

2、带宽0.6 1.7.第2页/共47页第二节 谐振高频功放的工作原理一、基本电路及其特点电路形式：中间级（a）、输出级（b）实际负载是下一级的输入阻抗实际负载是天线 天线等效阻抗 CA、rA中间级、输出级的负载均可等效为并联谐振回路第3页/共47页高频功率放大器的特点特点1、为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为静态负偏压，由Vbb 0来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲波型；非线性状态（非线性电路），且输入是大信号；特点2、负载为LC并联谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。第4页/共47页二、工作原理输入信号ub=Ubmco

3、st发射结电压ube=Vbb+Ubmcostib为脉动形状，同样ic也为脉动形状ic与ub周期相同，可分解成无数个正弦波之和第5页/共47页分析讨论当集电极LC回路调谐于高频输入信号频率时，由于回路的选择性，对集电极电流的基波分量来说，回路等效为纯电阻，且为最大值Rp,；对各次谐波来说，回路失谐，呈现很小的阻抗，LC回路两端可近似认为短路；而直流分量只能通过回路电感支路，其直流电阻很小，可近似认为短路。晶体管c、e极间压降LC并联回路两端的压降uc电压符号的定义：下为+，上为-第6页/共47页由于谐振回路的选频，集电极的输出电压仍是与输入电压相同的正弦波，相位相反，幅度增大。第7页/共47页第

4、三节 折线分析法一、特性曲线的理想化放大器特点：工作在大信号、非线性状态晶体管工作的三个区：线性区、饱和区、截止区第8页/共47页（一）输入特性的理想化（折线化）0.2 0.4 0.6 0.8 1.05101520对于晶体管的输入特性来说，当集电极电压大于一定值后，输入特性就可用一条输入特性曲线来表示。用如图虚线表示理想化（折线化）的输入特性曲线。输入特性表达式为:ib=0 ube Ubzib=gb(ube-ubz)ube Ubz第9页/共47页（二）正向传输特性的理想化正向传输特性是指ic与ube的关系曲线。因为ic=ib（放大区）正向传输特性表达式为:ic=0 ube Ubz 截止区 ic

5、=gc(ube-Ubz)ube Ubz 线性区Ubz第10页/共47页（三）输出特性的理想化1、饱和区发射有余，收集不足，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。这样，理想化特性曲线对不同的vbe(ib)值，重合为一条通过原点的斜线，这斜线称为饱和临界线，斜率用gcr表示。ic=gcruce ，gcr=ic/uce2、放大区收集能力充足，因此集电极电流只受基极电流的控制，而与集电极电压无关，各条特性曲线均为平行的水平线。ic=ib，ic=ib为了分析方便，理想化输出特性曲线中的参变量ib改为ube，ic=gc(ube-Ubz)第11页/共47页总结饱和临界线：ic=gcruce放大区

6、：ic=gc(ube-Ubz)截止区：ic=0第12页/共47页二、集电极余弦电流脉冲的分解设激励信号ub=Ubmcost则ube=Vbb+Ubmcost当ubeUbz时ic=gc(ube-Ubz)=gc(Vbb+Ubmcost-Ubz)定义发射结临界导通时的t为半通角c，或称通角在-ctc，发射结导通当t=c时，ic=0，可得ICM、c结果1第13页/共47页结果2中间结果结果3第14页/共47页余弦电流脉冲的分解系数 称为余弦脉冲分解系数0(c)称为直流分量分解系数1(c)称为基波分量分解系数n(c)称为n次谐波分量分解系数以上系数均可查表获得。第15页/共47页g1第16页/共47页三、

7、功率和效率1、直流电源供给的功率2、输出功率3、晶体管集电极消耗的功率4、集电极的功率第17页/共47页讨论1、在=1的理想条件下，甲类放大c=180o，g1(c)=1，故甲类放大器的理想效率c=50；乙类放大c=90o，g1(c)=1.57，故乙类放大器的理想效率c=78.5；丙类放大c 1.57，故丙类放大器的理想效率c78.5；第18页/共47页2、高频功率放大器在谐振电阻Rp一定的条件下，c=120o时，输出功率最大，但集电极效率只有66；c=1o 15o时，输出功率很小，但集电极效率最高；因此，在实际中，为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，通常取c=60o 80o。g1第19页/共

8、47页四、动态特性1、晶体管的静态特性：是晶体管在集电极电路内没有负载阻抗的条件下得到的ic=f(ube,uce)的关系，这是晶体管本身所固有的。也就是晶体管的输入、输出特性曲线。2、放大器的动态特性：在高频功率放大器的电路和输入、输出条件确定后，也就是在晶体管、电源电压Vcc和Vbb、输入信号振幅Ubm和输出信号振幅Ucm（或Rp）一定条件下，ic=f(ube,uce)的关系。第20页/共47页类推如何用图解法来分析丙类功率放大器的动态特性呢，我们可以采用类似于模拟电路的方法，找到两个ic与uce的关系方程，图解两个方程的交点即是丙类功率放大器的动态特性。同样我们已知三极管的输出特性，并已经

9、理想化放大区：ic=gc(ube-Ubz)；只要再找到另外一个方程即可。第21页/共47页推导第二个ic=f(uce)当放大器工作在谐振状态时晶体管外部电路约束，方程1ubeUbz，晶体管工作在线性区时，内部约束，方程2晶体管内部、外部电路共同约束，方程1、2的交点第22页/共47页截距法绘动态特性2、当ubeUbz时ic0，但由于谐振回路的作用，uce0动态特性为图上BC段1、当ubeubz时ic=gd(uce-U0)，首先确定B点(U0,0)，由B点作斜率为gd=-gcUbm/Ucm的直线，与ubemax=Vbb+Ubm的交点即为A点（ic峰值），则图上BA段，为ubeUbz段的动态特性动

10、态特性AB-BC是折线第23页/共47页虚拟电流法1、首先确定AB延长线与Vcc线的交点QQ点横坐标是Vcc，纵坐标为虚拟电流IQ2、然后确定A点A点横坐标是ucemin=Vcc-Ucm，纵坐标是ubemax=Vbb+UbmAQ间连线，与横轴的交点即为B3、最后确定C点 C点横坐标是ucemax=Vcc+Ucm，纵坐标是ic=0,(ubemin=Vbb-Ubm Ubz)第24页/共47页动态特性总结A(Vcc-Ucm,ubemax)B(U0,0)C(Vcc+Ucm,0)Q(Vcc,IQ)AB斜率gdubemax=Ubm+VbbU0=Vcc-UcmcoscIq=-gc(Ubz-Vbb)gd=-g

11、cUbm/Ucm第25页/共47页动态特性的三种状态1、欠压状态动态特性为A1B1-B1C1，A1处于放大区，电流为尖脉冲2、临界状态动态特性为A2B2-B2C2，A2处于临界线上，电流为尖脉冲3、过压状态动态特性为MA3-A3B3-B3C3，晶体管工作进入了饱和区，集电极电流为一个凹顶脉冲结论：对于欠压和临界状态，由于集电极电流为尖顶脉冲，其直流分量和基波分量可按尖顶脉冲分解系数求得。而过压状态，由于集电极电流为凹顶脉冲，它相当于一个尖顶脉冲减去两个小的尖顶脉冲，不能用尖顶脉冲的分解系数。第26页/共47页五、负载特性负载特性是指在晶体管及Vcc、Vbb、Ubm 一定时，改变回路谐振电阻Rp

12、，高频功率放大器的工作状态、电流、电压、功率和效率随Rp变化的关系。随着Rp的增大，高频功率放大器的工作状态由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。第27页/共47页晶体管及Vcc、Vbb、Ubm 一定，Vcc与IQ=-gc(Ubz-Vbb)不变，因此Q点固定不变。又由于cosc=(Ubz-Vbb)/Ubm不变，通角c为常数，则gd的绝对值与Rp成反比。另外，ubemax=Vbb+Ubm不变，则动态特性的A点在ubemax线上随Rp的增大而变化。随着Rp的增大，高频功率放大器的工作状态由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。讨论第28页/共47页结论：1、在欠压状态大部分范围内，Po、c都

13、较低，随Rp变化，输出信号电压振幅将产生较大变化，因此，除了特殊场合外，很少采用这种状态。2、在临界工作状态，Po最大，c也高，常用于发射机的功率输出级，以便获得最大输出功率。3、在过压状态，当Rp变化时，输出信号电压振幅变化较小，多用于需要维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。在弱过压区，集电极效率最高，而输出功率下降不多。第29页/共47页六、各级电压对工作状态的影响（一）Vcc对工作状态的影响其它条件不变1、当Vcc由Vcc变到Vcc时，Iq、ubemax不变，ic依然是尖脉冲，Ic1m不变，gd 不变，原动态特性向右平移，由临界进入欠压。2、当Vcc由Vcc变到Vcc时，I

14、q、ubemax不变，ic变为凹顶脉冲，Ic1m下降，|gd|变大，原动态特性向左移，由临界进入过压。第30页/共47页Vcc对电流和功率的影响第31页/共47页（二）Ubm对工作状态的影响其它条件不变1、当Ubm由Ubm增大到Ubm时，Q不变，ubemax增大（A上移），cosc减少，c增大，1增大，|gd|减小（AB绕Q左旋），由欠压进入临界。2、当Ubm 由Ubm增大到Ubm时，Q 不变，ubemax增大（A上移），Ucm基本不变，|gd|变大（AB绕Q右旋），由临界进入过压。第32页/共47页Ubm对电流和功率的影响第33页/共47页（三）Vbb对工作状态的影响其它条件不变1、当Vbb

15、由Vbb增大到Vbb时，Vcc不变，Iq增大（绝对值减少，Q上移），ubemax增大（A上移），Ucm增大，|gd|减小（AB左旋），由欠压进入临界。2、当Vbb 由Vbb增大到Vbb时，Vcc 不变，Iq增大（绝对值减少，Q上移），ubemax增大（A上移），Ucm略增大，|gd|略减小（AB基本向上平移），由临界进入过压。第34页/共47页第四节 谐振功率放大电路谐振功率放大器是由输入回路、晶体管和输出回路组成。输入、输出回路在谐振功率放大器中的作用是，提供放大器所需的正常偏置；实现滤波（调谐于基波频率）；保证阻抗匹配。可认为它由直流馈电电路和匹配网络两部分组成。第35页/共47页一、直流

16、馈电电路（一）集电极馈电电路（a）串联馈电L是高频扼流圈，对直流短路，对交流开路C是电源滤波电容（去藕电容），对直流开路，对交流短路第36页/共47页（b）并联馈电L是高频扼流圈，对直流短路，对交流开路C是电源滤波电容（去藕电容），对直流开路，对交流短路C是隔直电容（耦合电容），对直流开路，对交流短路P54串并优缺点第37页/共47页（二）基极馈电电路直接串联叠加原理第38页/共47页自给反向偏置电路第39页/共47页二、匹配网络根据谐振功率放大器在发射机中所处位置的不同，常将谐振功率放大器所采用的匹配网络分为输入、输出和极间耦合三种电路。输入匹配用于信号源与谐振功率放大器之间；输出匹配网络用

17、于输出级与天线负载之间；级间耦合匹配网络用于高频功率放大器的推动级与输出级之间。匹配网络在电路中的作用是实现滤波与阻抗匹配。第40页/共47页（一）输入匹配网络对于一个给定的信号源，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。这就是进行输入阻抗匹配的依据。第41页/共47页为了使信号源的功率有效地加到高频功率晶体管的发射结上，可采用输入匹配网络来实现低输入电阻与高信号源内阻的匹配。其中电感L1的品质因数在大功率电路中取QL=210，R2是T的输入电阻。第42页/共47页第43页/共47页（二）级间耦合匹配网络对于级间耦合匹配网络来说，其负载是下一级功率放

18、大器的输入阻抗。为了保证级间功率放大器在其负载变化时，仍能向下一级提供平稳的输出电压，应选取级间功率放大器工作在过压状态。R1是保证T1工作在过压状态所需的最佳电阻，Co=2Cob（T1的输出电容），R2是T2的输入电阻。第44页/共47页输出匹配网络模型匹配网络1、使负载阻抗与放大器所需要最佳阻抗匹配，即将负载阻抗装换为放大器所需要最佳阻抗（临界状态）。2、抑制工作频率范围以外的不需要的频率，即滤波作用。第45页/共47页（三）输出匹配网络为了输出得到最高输出功率，功率放大器应工作于临界状态。R1是保证T工作在临界状态所需的最佳电阻，Co=2Cob，R2是负载电阻。第46页/共47页感谢您的观看！第47页/共47页