高频第3章高频调谐功率放大器.ppt

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1、第第3章章高频调谐功率放大器高频调谐功率放大器本章知识点及结构本章知识点及结构高高频频调调谐谐功功率率放放大大器器工作原理工作原理（原理电路、电流电压分析、评价指标）（原理电路、电流电压分析、评价指标）3.2，3.3,3.7(倍频器倍频器)工作状态分析工作状态分析（动态特性、工作状态分类与判别（动态特性、工作状态分类与判别）3.4实用电路实用电路（直流馈电、自给偏压、匹配网络（直流馈电、自给偏压、匹配网络）3.5、3.623.1 概述概述3.2 调谐功率放大器的工作原理调谐功率放大器的工作原理（重点）（重点）3.3功率和效率功率和效率（重点）（重点）3.4调谐功率放大器的工作状态分析调谐功率放

2、大器的工作状态分析（难点）（难点）3.5调谐功率放大器的实用电路调谐功率放大器的实用电路（重点）（重点）3.6功率晶体管的高频效应功率晶体管的高频效应（指导实践）（指导实践）3.7 倍频器倍频器第3章 高频调谐功率放大器3回顾问题：（模拟电子技术中的功放内容）回顾问题：（模拟电子技术中的功放内容）1.放大器的实质？放大器的实质？3.工作状态对效率的影响？工作状态对效率的影响？2.放大器的两种工作状态？放大器的两种工作状态？（已学的）（已学的）3.1 概述41.1.放大器的放大器的实质实质 是一种能量转换器件是一种能量转换器件.将将直流电直流电源输出的源输出的直流能量转换为交流能量直流能量转换为

3、交流能量，供给负载。供给负载。52.功率放大器的工作状态：功率放大器的工作状态：甲类（线性状态），甲乙类甲类（线性状态），甲乙类 乙类（非线性状态）乙类（非线性状态）6放大器的三种工作状态的应用放大器的三种工作状态的应用：2.高频功率放大器高频功率放大器 工作频率高，相对频带很窄，工作频率高，相对频带很窄，因此，适宜采用调谐回路作负载（即有选因此，适宜采用调谐回路作负载（即有选频功能）。频功能）。1.低频功率放大器低频功率放大器 工作频率低，相对频带宽，工作频率低，相对频带宽，因此，都采用无调谐负载（即无选频功能的因此，都采用无调谐负载（即无选频功能的负载）负载），如电阻、变压器等。如电阻、变

4、压器等。甲类甲类，乙类，乙类丙类（非线性状态）丙类（非线性状态）7本节问题：本节问题：3.1 概述一、高频功率放大器一、高频功率放大器在无线电发射机中的位置在无线电发射机中的位置?二二.高频功率放大器性能的高频功率放大器性能的评价指标评价指标？四、调谐功率放大器的四、调谐功率放大器的基本电路基本电路形式（构成）？形式（构成）？三、调谐功放三、调谐功放与小信号调谐放大器与小信号调谐放大器的的比较比较8一、高频功率放大器一、高频功率放大器在无线电发射机中的位置在无线电发射机中的位置9 功率放大器的作用及其实质，决功率放大器的作用及其实质，决定了衡量它性能的定了衡量它性能的两个主要指标：两个主要指标

5、：1.（输出的交流）（输出的交流）功率功率2.（直流能量转化为交流能量的）（直流能量转化为交流能量的）效率效率二二.高频功率放大器的性能指标高频功率放大器的性能指标放大输入信号，使之达到放大输入信号，使之达到足够的（交流）功足够的（交流）功率输出率输出，以满足天线发射远距离传输信号的，以满足天线发射远距离传输信号的要求，或其他负载的要求。要求，或其他负载的要求。10三、调谐功放与小信号调谐放大器的比较三、调谐功放与小信号调谐放大器的比较类型类型实质实质任务任务输输入入信信号幅度号幅度工作工作状态状态性性 能能指指 标标小信号小信号调谐调谐电压电压大器大器能能量量转转换换器器将将直直流流能能量量

6、转转换换为为交交流流能能量量输出输出不不 失失 真真地地 提提 高高信信 号号 幅幅度度 小小 数量级数量级甲类甲类线线性性工工作状态作状态电电压压放放大倍数，大倍数，选选频频特特性等性等高频高频调谐调谐功率功率放大器放大器在在信信号号不不失失真真或或轻轻度度失失真真的的条条件件下下提提高高输输出出功功率率 大大几百几百V数数量级量级丙类丙类非非线线性性工工作作状状态态输输出出功功率，率，效率，效率，信信号号失失真度等真度等11四、高频功率放大器的典型电路四、高频功率放大器的典型电路12 3.2 3.2 调谐功率放大器的工作原理调谐功率放大器的工作原理一、调谐功率放大器的一、调谐功率放大器的电

7、路电路形式（构成）？形式（构成）？二、调谐功率放大器如何完成它的功能二、调谐功率放大器如何完成它的功能 （即它的（即它的工作原理工作原理）?问题：问题：133.2.1 3.2.1 原理电路原理电路14因工作于大信号非线性状态，因工作于大信号非线性状态，所以，采用所以，采用折线近似分析法折线近似分析法，分析其，分析其导通角、集电极电流、输出电压等参量导通角、集电极电流、输出电压等参量。调谐功率放大器的折线近似分析法调谐功率放大器的折线近似分析法153.2.2 3.2.2 调谐功率放大器的折线近似分析法调谐功率放大器的折线近似分析法一、晶体管特性的折线化一、晶体管特性的折线化二、集电极余弦脉冲电流

8、分析二、集电极余弦脉冲电流分析 三、槽路电压三、槽路电压16转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 一、晶体管特性的折线化一、晶体管特性的折线化17 将电子器件的特性理想化，每条特性曲线将电子器件的特性理想化，每条特性曲线用一组折线来代替。用一组折线来代替。1.1.折线近似分析法折线近似分析法18ubeicg2.导通角的计算导通角的计算Uj19结论结论：导通角是调谐功率放大器的重要参数导通角是调谐功率放大器的重要参数 2.导通角的计算导通角的计算 续续丙类工作状态下丙类工作状态下,20ictccic1ic2ic3IcoIcmax注意：注意：高频调谐功率放大器，选频的对象是：高频调谐

9、功率放大器，选频的对象是：集电极电流集电极电流 ic中的不同频率成分。中的不同频率成分。二、集电极余弦脉冲电流分析二、集电极余弦脉冲电流分析 21直流分量：直流分量：基波分量：基波分量：n n次谐波次谐波:直流分量分解系数直流分量分解系数 基波分量分解系数基波分量分解系数 n n次谐波分量分解系数次谐波分量分解系数 22余弦脉冲分解系数曲线图余弦脉冲分解系数曲线图 其中其中总结：总结：2324三、槽路电压（即谐振回路两端电压）三、槽路电压（即谐振回路两端电压）25三、槽路电压（即谐振回路两端电压）三、槽路电压（即谐振回路两端电压）集电极抽头处基波电压幅值集电极抽头处基波电压幅值 则晶体管集电极

10、与发射极间电压为则晶体管集电极与发射极间电压为：263.3 3.3 功率和效率功率和效率晶体管晶体管直流功率直流功率 交流功率交流功率槽路槽路脉冲功率脉冲功率 正弦功率正弦功率1.1.集电极效率集电极效率 2.2.槽路效率槽路效率 集电极电流利用系集电极电流利用系数数，尽量大尽量大谐振回路谐振回路 尽量大，尽量大，在保证选频性能的前提下，在保证选频性能的前提下，尽量小（尽量小（510）2.2.槽路效率槽路效率 27 某调谐功率放大器，已知某调谐功率放大器，已知 问：（问：（1 1）当）当 时，时，及及 值是多少值是多少？（2 2）若）若 保持不变，将保持不变，将 提高到提高到80%80%，减少

11、多少？减少多少？应用例：应用例：283.43.4调谐功放的工作状态分析调谐功放的工作状态分析 调谐功放的调谐功放的性能性能随电路随电路外部参数变化外部参数变化的规律？的规律？调谐功放的动态特性调谐功放的动态特性分析出分析出研究目的：研究目的：29 放大器瞬时工作点移动的轨迹放大器瞬时工作点移动的轨迹3.4.1 调谐功放的动态特性调谐功放的动态特性即晶体管即晶体管内部特性内部特性和和外部特性外部特性结合起来的特性结合起来的特性1.由晶体管由晶体管内部特性内部特性转移特性曲线转移特性曲线2.在放大器在放大器有载有载情况下（负载回路处于谐振情况下（负载回路处于谐振状态），输入、输出电压的表示式状态）

12、，输入、输出电压的表示式 晶体管晶体管外部特性外部特性3.将以上两特性方程联立，得到将以上两特性方程联立，得到ic=f(uce)关系关系的的动态特性曲线动态特性曲线30ubeicgUj31转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 晶体管特性的折线化晶体管特性的折线化3233 由此由此直线方程直线方程，描点法作图。，描点法作图。取点如下：取点如下：1)1)静态工作点静态工作点Q Q2)2)起始导通点起始导通点B B3）BQ延长线与延长线与ubemax交交于点于点C344.4.丙类放大器的动态电阻丙类放大器的动态电阻 （即（即动态特性折线动态特性折线BC段斜率的倒数）段斜率的倒数）等于：

13、晶体管导通时等于：晶体管导通时集电极电压集电极电压脉冲波脉冲波形形的高度的高度与集电极余弦与集电极余弦脉冲电流的高度脉冲电流的高度之比。之比。35欠压状态、临界状态、过压状态欠压状态、临界状态、过压状态 结合丙类状态下，晶体管实际导通时间，得结合丙类状态下，晶体管实际导通时间，得到描述到描述放大器放大器瞬时工作点移动轨迹瞬时工作点移动轨迹的的动态特性为动态特性为折线折线AB、BC。根据放大器动态特性折线根据放大器动态特性折线BC段与折线段段与折线段ubemax交点交点C的不同位置的不同位置，定义放大器的三种工作状，定义放大器的三种工作状态为：态为：36例：某调谐功率放大器，工作于例：某调谐功率

14、放大器，工作于临界状态，临界状态，Ec=24V，Ucm=21V，Eb=0V,ub=3cos t(1)做出动态特性曲线做出动态特性曲线,并标明各并标明各相关点的值相关点的值.(2)求输出功率求输出功率Po、集电极效率集电极效率 c373.4.2 外部参数变化对调谐功放工作状态的影响外部参数变化对调谐功放工作状态的影响1.负载特性负载特性2.调制特性调制特性3.振幅特性振幅特性调谐功放的调谐功放的性能性能随电路随电路负载变化负载变化的规律？的规律？调谐功放的调谐功放的工作状态工作状态随随集电极电源电压集电极电源电压和和基极偏置电压变化基极偏置电压变化的规律？的规律？调谐功放的调谐功放的工作状态工作

15、状态随随激励（输入）电压激励（输入）电压振幅变化振幅变化的规律？的规律？381.1.负载特性负载特性（1）变化变化对工作状态的影响对工作状态的影响（2 2）负载特性曲线）负载特性曲线结论：结论：动态特性折线的斜率动态特性折线的斜率 k k 工作状态工作状态:临界临界过压过压欠压欠压电流波形电流波形:余弦脉冲余弦脉冲 余弦脉冲余弦脉冲 顶端下凹，马顶端下凹，马鞍形鞍形 欠压状态：欠压状态：P PO O较小，较小，较小，较小，P PC C 较大，在实际中较少使用。较大，在实际中较少使用。过压状态过压状态：弱过压，：弱过压，P PO O 较大，较大，最高；最高；深度过压，深度过压，P PO O 和和

16、 下降，且集电极电流波形下凹下降，且集电极电流波形下凹 严重，谐波增多，一般应用较少。严重，谐波增多，一般应用较少。临界状态临界状态：P PO O最大，最大，也较高。也较高。一般调谐功率放大器工作在临一般调谐功率放大器工作在临界状态比较好。界状态比较好。3940EbEb、UbmUbm、RcRc保持恒定，放大器性能随保持恒定，放大器性能随EcEc变化的变化的特性特性2.2.调制特性调制特性EcEc 、UbmUbm、RcRc保持恒定，放大器性能随保持恒定，放大器性能随EbEb 变变化的特性。化的特性。(1)(1)集电极调制特性集电极调制特性(2)(2)基极调制特性基极调制特性41EcEc 、EbE

17、b 、RcRc保持恒定，放大器性能随保持恒定，放大器性能随UbmUbm 变化的特性。变化的特性。3.3.振幅特性振幅特性42例：某谐振功率放大器原工作在临界状态，例：某谐振功率放大器原工作在临界状态，（1）若输入信号振幅增加为原来的）若输入信号振幅增加为原来的2倍，功放倍，功放的工作状态如何变化？输出功率将如何变化？的工作状态如何变化？输出功率将如何变化？（2）若负载电阻增加为原来的）若负载电阻增加为原来的2倍，功放的工倍，功放的工作状态如何变化？输出功率将如何变化？并说作状态如何变化？输出功率将如何变化？并说明理由。明理由。（3）若回路失谐，会有何危险？）若回路失谐，会有何危险？433.5

18、3.5 调谐功放的实用电路调谐功放的实用电路一、馈电线路（为晶体管各电极提供馈电电源）一、馈电线路（为晶体管各电极提供馈电电源）二、基极偏置电路二、基极偏置电路三、输入输出匹配电路三、输入输出匹配电路调谐功放电路的组成：调谐功放电路的组成：(为了更好地辨认电路为了更好地辨认电路)调谐功放电路实例调谐功放电路实例44一、一、直流馈电电路直流馈电电路根据直流电源连接方式的不同，可分为：根据直流电源连接方式的不同，可分为：串联馈电线路串联馈电线路：直流电源、晶体管和负载三者之间串联。：直流电源、晶体管和负载三者之间串联。并联馈电线路并联馈电线路：直流电源、：直流电源、晶体管和负载晶体管和负载三者之间

19、并联。三者之间并联。45 （1 1）扼扼流流圈圈阻阻抗抗应应比比相相应应支支路路的的阻阻抗抗大大一一个个数数量级（即大量级（即大1010倍）倍）扼流圈和旁路电容的选取原则扼流圈和旁路电容的选取原则:（2 2）旁路电容应比相应支路阻抗小一个数量旁路电容应比相应支路阻抗小一个数量级。级。4647二、基极偏置电路二、基极偏置电路 （即代替基极偏置电压（即代替基极偏置电压E Eb b的电路）的电路）采用射极或基极电流的采用射极或基极电流的直流成分直流成分，通过通过一定阻值的电阻而造成的压降，作为放大器的一定阻值的电阻而造成的压降，作为放大器的基极自给偏压基极自给偏压.481.1.射极电流自给偏压射极电

20、流自给偏压 2.2.基极电流自给偏压基极电流自给偏压 493.3.两种偏置方式比较两种偏置方式比较 射射极电流自给偏压：对放大器起负反馈作用，极电流自给偏压：对放大器起负反馈作用，能够自动维持放大器的工作稳定。但要消能够自动维持放大器的工作稳定。但要消 耗一定的耗一定的基极电流自给偏压：对基极电流自给偏压：对 有调节作用，这对有调节作用，这对 改善输入信号源的稳定性有利。改善输入信号源的稳定性有利。5051 输入匹配电路输入匹配电路：三、输入、输出匹配网络三、输入、输出匹配网络 匹配电路作用 实现信号源输出阻抗与放大器实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以期获输入阻抗之间的匹配，以期

21、获得得最大的激励功率最大的激励功率。输出匹配电路输出匹配电路：将负载变换为放大器所需的最将负载变换为放大器所需的最佳负载电阻，以保证佳负载电阻，以保证放大器输放大器输出功率最大。出功率最大。放大器工作在放大器工作在临界状态的等效电阻临界状态的等效电阻，就是放大，就是放大器阻抗匹配所需的最佳负载电阻。器阻抗匹配所需的最佳负载电阻。丙类放大器的阻抗匹配丙类放大器的阻抗匹配521.1.并联谐振回路形式并联谐振回路形式：用于：用于前级、中间级前级、中间级放大器放大器以及某些需要可调电路的输出级以及某些需要可调电路的输出级2.2.滤波器形式：滤波器形式：用于大功率、低阻抗宽带输出级，用于大功率、低阻抗宽

22、带输出级，如无线电发射机多用此种电路。如无线电发射机多用此种电路。匹配电路形式 53b.b.最佳负载电阻最佳负载电阻 a.a.临界状态槽路抽头部分的电压幅值临界状态槽路抽头部分的电压幅值 （1）最佳负载电阻的计算（已知）最佳负载电阻的计算（已知Po、Ec、晶晶体管饱和压降体管饱和压降Uces)1.1.并联谐振回路形式并联谐振回路形式：54（2）电路中如何实现）电路中如何实现计算线圈匝数的主要依据计算线圈匝数的主要依据 55 例题谐振功放电路如下图例题谐振功放电路如下图(a)(a)所示。要求其工所示。要求其工作状态如图作状态如图(b)(b)所示。已知所示。已知R RL L=100=100，f f

23、0 0=z z，B=1.5MHzB=1.5MHz，C=100pF,EC=100pF,EC C=12V=12V，N N1 1+N+N2 2=60=60匝。匝。求：求：N N3 3,N,N1 1,N,N2 2。(不考虑不考虑LCLC回路本身的谐振电阻回路本身的谐振电阻R R0 0)562.2.滤波器型匹配网络滤波器型匹配网络 在甚高频或大功率输出级，广泛利用在甚高频或大功率输出级，广泛利用L L、C C变换变换网络来实现调谐和阻抗匹配。网络来实现调谐和阻抗匹配。型、型、型两种类型型两种类型 57T型型匹配网络元件参数匹配网络元件参数（设设Qc2已知）已知）58 型匹配网络元件参数为型匹配网络元件参

24、数为（设设QC1已知）已知）591、倍频器在无线电发射机中的位置、倍频器在无线电发射机中的位置3.7 倍频器倍频器603.采用倍频器的主要原因采用倍频器的主要原因(1)可降低主振频率可降低主振频率(2)FM、PM发射机中，用于增加调制度。发射机中，用于增加调制度。(3)可减小输出、输入信号之间的影响可减小输出、输入信号之间的影响,(4)提高发射机的工作频率稳定性。提高发射机的工作频率稳定性。2、倍频器的作用、倍频器的作用614.丙类倍频器工作原理丙类倍频器工作原理Ucnm：n次谐波的电压次谐波的电压幅值，幅值，n162由于倍频器主要是利用了余弦尖顶脉冲的谐波分由于倍频器主要是利用了余弦尖顶脉冲

25、的谐波分量，量，即：即：63结论：结论：(1)(1)在同样条件下，丙类倍频器的输出功率、效率在同样条件下，丙类倍频器的输出功率、效率 远小于丙类功率放大器。远小于丙类功率放大器。因为因为)()(1qaqan，且，且 越大，降低的越多。越大，降低的越多。(3)(3)高次谐波电流的幅度比基波小，在倍频器的高次谐波电流的幅度比基波小，在倍频器的输出中，不仅要滤去高次谐波，还要滤去占相输出中，不仅要滤去高次谐波，还要滤去占相当比重的基波成分。当比重的基波成分。二次倍频器：二次倍频器：三次倍频器：三次倍频器：(2)(2)为提高输出功率、效率，要适当选择为提高输出功率、效率，要适当选择 最佳导通角与倍频次

26、数的关系为：最佳导通角与倍频次数的关系为：64本章总结本章总结理解：理解：计算：用折线分析法计算丙类功放的性能指标计算：用折线分析法计算丙类功放的性能指标 （输出功率、效率等）（输出功率、效率等）分析：分析：丙类功放的工作原理丙类功放的工作原理丙类倍频器的工作原理丙类倍频器的工作原理丙类功放负载特性、调制特性丙类功放负载特性、调制特性丙类功放实际电路构成（馈电方式、偏丙类功放实际电路构成（馈电方式、偏置电路、匹配网络）置电路、匹配网络）651 1、高频功放的调整是保证放大器工作在、高频功放的调整是保证放大器工作在_状态，获得状态，获得所需要的所需要的_和和_2 2、丙类功放输出波形不失真是由于

27、丙类功放输出波形不失真是由于_3 3、谐振功率放大器工作于临界状态，集电极电源电压，、谐振功率放大器工作于临界状态，集电极电源电压，测得集电极直流电流测得集电极直流电流 ,输出功率输出功率 ,集电极电压利用系数集电极电压利用系数 。求：。求：（1 1）直直流流功功率率，集集电电极极基基波波电电流流振振幅幅，集集电电极极效效率率和和负负载阻抗。载阻抗。（2 2）根根据据理理想想化化负负载载特特性性曲曲线线，问问当当负负载载电电阻阻增增加加一一倍倍或减少一半时，交流输出功率分别如何变化。或减少一半时，交流输出功率分别如何变化。（3 3）若要求功率放大器的效率最大，它应工作于何种状）若要求功率放大器的效率最大，它应工作于何种状态？（欠压、临界、过压，弱过压）态？（欠压、临界、过压，弱过压）本章习题：本章习题：66