东华大学高频电子电路通信电子电路课件.pdf

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1、在交流、直流并存的电路中，要注意字母大小写的物理意义。(1)小写字母，小写下标，表示交流瞬时值举例：。,，。(力(2)大写字母，小写下标，表示幅值举例：L(3)大写字母，大写下标，表示直流值举例：Vo(t),VcEC E(4)小写字母，大写下标，含有直流的瞬时值。举例：UC E =VCE+Uc e第4章 高频功率放大器4.1概述1高频功率放大器的功能高频功率放大器是是发送设备的重要组成部分。问题：PA的位置及所处理信号的特点？功率放大器是一种换能器，其基本原理就是利用输入到基极的激励信号，去控制集电极直流电源所提供的直流功率，把它转变为与输入信号频谱结构相同的交流输出。高频功率放大器功能原理图

2、如图41所Z j S O激励小信号3|-3大信号-高频功放-图41高频功率放大器将高频信号进行功率放大，实质是在输入高频信号的控制下，将电源的直流功率转变成高频功率。输入输出信号频谱相同，但输出信号被放大。大家以前学过的放大电路还有用于增强电压幅度或电流幅度的电压放大电路和电流放大电路。无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。放大电路的共性：功率放大电路和其它放大电路没有本质的区别，都是在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率,为输出信号功率，在性能要求和器件运用特性上却是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信

3、号，衡量其放大性能的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，但其输出功率并不一定大。功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真或失真较小的输出功率，通常是在大信号状态下工作。从能量控制的角度来看，功率放大电路是一种能量转换电路,它是将直流电源的能 量 输 出信号的能量，因此必然存在能量损耗。2高频功率放大器的分类高频功率放大器按照工作频带的范围，可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器用于放大以载频为中心，相对带宽窄的信号。相对带宽是指发送有用信号的频带宽度与载波中心频率之比。例如调频广播载波频率范围881 0 8 M H z,载波中心频率为0.5x(88+108)M

4、Hz=98MHz,信号频带宽度为(1。8-88)M7Z=20MHz,相对带宽为 20 MHz/98MHz=0.2；窄带高频功率放大器一般都采用具有选频功能的谐振回路作负载，所以又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，X称为非谐振功率放大器。由于不采用调谐网络，因此这种高频功率放大器可以在很宽范围内变化工作频率而不必调谐。宽带高频功率放大器只能选用甲类和乙类推挽放大工作状态。谐振功率放大器与非谐振功率放大器共同点：都要求输出功率大，效率高；不同点：二者的工作频率与相对带宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。放大器可以按照电流导通角的不同分为甲类（A类）、乙

5、类（B类）、甲乙 类（AB类）和 丙 类（C类）。导通角e是指一个信号周期内集电极电流导通角的一半，导通角 满足：0 1 8 0。放大器的导通角是由什么确定的？转移特性曲线输出特性曲线 .如沈如阴 常 量展 沈 0阴2加=常 量C类：e 90,UBBV UBZ图4-2 静态工作点的设置与工作状态的关系导通角e的大小是由静态工作点确定的，如图42所示。图中Un”Z为截止电压或起始导通电压。硅管 U z-。5.7 v ；错管 UBZ=0-3 0.4 V o甲类功率放大器在整个周期内导通，8=180。,口相同，输出波形不失真，极限效率5 0%。考虑到晶体管的饱和压降影响，实际的集电极效率只有3 5%

6、。为了提高效率，低频放大器工作在乙类推挽。乙类功率放大器在半个周期内导通，9=90。输出电流为余弦脉冲，含有丰富谐波。为保证不失真输出,采用乙类推挽形式（正半周一个管子导通，负半周另一个管子导通，然后二个管子叠加得到一个完整的正弦波形）。极限效率78%,实际效率60%左右。为了防止交越失真，常工作在甲乙类推挽。甲乙类功率放大器在大于半个周期小于一个周期内导通,90。”180。丙类功率放大器晶体管仅在小于半个周期内导通，8 L2 C4构成）。Li、L2为高频扼流圈；C2、C3为电源退耦电容；C 1、C4分别为输入、输出回路的耦合电容，起到隔直通交的作用。G4）输出谐振回路。主要起无损耗地传输高频

7、信号及其能量、滤除谐波成分及阻抗匹配的作用。高频功率放大器的输出回路可以是LC并联谐振回路，也可以是互感耦合回路或各种LC匹配网络。图(a)所示中间级放大器的负载通过互感耦合与谐振回路连接；图(b)所示末级功放则通过L、G 匹配网络与天线负载连接。无论是中间级还是末级放大器，最终都可等效为下图所示并联谐振电路。rRy=-=Q C DL 八图中 re e，式中d为有2=叱 r_ CtCA载品质因数 匕，总 电 容 K,回路谐振角频率为=后。这部分电路有两个作用。首先，利用它的谐振特性，从众多电流分量中选出有用的基波分量，起到选频作用；其次，将负载电阻变换成晶体管集电极所需的最佳负载电阻。4.2.

8、2晶体管特性曲线的折线近似丙类功率放大器工作在大信号状态，因此不能采用线性等效电路来分析。T 程卜.通常采用解析近似法,也就是折线分析法来简化该分析过程。折线分析法首先是将晶体管的特性曲线理想化，每条曲线都用一条或几条折线来代替，然后写出理想化曲线的数学解析式。这种方法优点：简单，易于进行概括性的理论分析，且物理概念清楚;不足之处：只能进行估算，存在一定误差，在电路设计完成后还要进行必要的调整，但该方法对定性分析高频功率放大器的特性实用可晶体管的特性曲线包括输入特性曲线、正向传输特性曲线和输出特性曲线。下面将分别讨论晶体管三条特性曲线的理想化。1输入特性曲线理想化输入特性曲线如图45所示。以

9、称为晶体管的导通电压或截止电压。该特性曲线的数学表达式为B j Sb(BE UBZ)UUBBEE UUBBZZ(4.2.1)其中，g b是折线的斜率，即g户 怒gbIB|/_ _ _ UBE0 UBz 小图45理想化输入特性曲浅由图可知，理想化的晶体管输入特，生曲线包括两段，一段对应晶体管截止的情况；另一段对应晶体管导通的情况。2正向传输特性曲线将输入特性的勿乘以力就可得到理想化正向传输特性曲线如图46所示。Megcnk“BEUBZ图46理想化正向传输特性曲线理想化正向传输特性曲线的表达式为C0Sc(“BE UBZ)“BE UBZ(4.2.3)式中4为曲线的斜率，即g c=a=a=乩(4.2.

10、4)&称为理想化晶体管的跨导！它表示晶体管工作于放大区时，单位基极电压变化产生的集电极电流变化。3 输出特性曲线首先对晶体管在不同区的工作特性加以讨论。晶体管有三个工作区，它们是饱和区、放大区和截止区。图4-7给出理想化的输出特性曲线。在0 A线以左的为饱和区，晶体管工作在饱和区时有如下特点。集电极电流只受4“控制，而 与 无关，C E对有强烈的控制作用，E略微下降，导致江迅速减小。OA称为饱和临界线，其斜率为ger O它表示晶体管工作于饱和区时，单位集电极电压变化引起集电极电流的变化关系。_ _ _ _ _ _在0 A线以右的放大区，晶体管工作在该区的特点心基本与%无关，只受到喉的控制,所以

11、各条输出曲线均以限为参变量，且都近似与“轴平行。在截止区，B E UBZ时，ZC=0 o了解晶体管的特性曲线是分析高频功率放大器的基础。4.2.3高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理电路如图4-8 所示。I十放大器一般都采用功率增益较大的共发射极电路。当VBB为反向偏置电压，即噎0或。噎 嚷时，发射结只在信号周期的部分时间内处于导通状态，只有当物E的瞬时值大于晶体管的导通电压。吟 基极导通时才产生基极电流和集电极电流江。基极和集电极电流的特点（很重要）。）、心均为一系列高频余弦脉冲，这时高频功率放大器工作在丙类（C类）状态。假 定 输 入 信 号 为 单 频 正 弦 波4=Leos

12、 叫三极管发射结的电压为UBE=VBB+ub=VBB+Vbm cos（4.2.5）1集电极电流江晶体管正向转移特性曲线由曲线可看出：%EUB Z,发射结导通，集电极电流L可表示为ic=gc(“BE UBz)(4.2.6)将 式(4.2.5)代 入 式(4.2.6)得ic=gcBB+VbmCOSat-UBz)(4.2.7)由图4一8可得，a时，心=0,代 入 式(4.2.7)可求得0=gcBB+ybmcos(ot-UBZ)(4.2.8)“VRRcos 0=-(4.2.9)UBZ，RR0-arccos-b m(4.2.10)式中e为晶体管的导通角。注 意:导通角与输出效率和输出功率密切相关，应了解

13、如何根据电路的指标要求设置所需的导通角。特别要注意%（分两种情况考虑,大于。或小于0）将 式（4.2.7）减（4.2.8）得L （COS 应 COS 夕）（42.11）当邮=0时,将心=/代入式（4.2.11）得cm a x=gc%（l C O S。）（4.2.12）把 式（4.2.12）与 式（4.2.11）相除得,_,cos cot-cos 0-cmax 1 八l-cos”(4.2.13)式(4.2.13)是集电极余弦脉冲电流的解析表达式，L 取决于余弦脉冲的高度Kax和导通角8。(注意：必须正确理解该式的物理意义)2 集电极电流L 的傅立叶分析用傅立叶级数将式(4.2.13)表示的余弦脉

14、冲电流心展开，c -，co+cl加 1 c 2 w i *Icnin .(4.2.14)可以看出，L可分解为直流分量、基波分量、二次谐波分量、三次谐波分量和n次谐波分量。图4-9集电极余弦脉冲电流L与各次谐波的波形图41 0集电极余弦脉冲电流L的频谱图廉谱0 2e 3G)结论：谐波次数越高，谐波的幅值则越小。式(4.2.1 4)中的为直流、基波和各次谐波分量的振幅,可用傅立叶级数中的系数法求得直流分量：co1 p i一曾(如)=42万 J-71s i n O-e c o s。、./八、-4-c-/)=c cm mda xx O u (e/)l -c o s，(4.2.15)基波分量幅值cm1

15、但.7/、/n/O sinecosO i cos cotd(3t)=旦 史(-27r L。TI 1 -cos 0)=一%(4.2.16)cmn1cos2万cmax2 sin(n)cos0-n cos()sin0 _7i nn1 cm a x (6)(4.2.17)上式中的外、%，.，称为余弦脉冲的分解系数。图4-1 1给出导通角e与各分解系数的关系曲线。a(6)图411余弦脉冲分解系数双。）关系曲线。波形系数&（）与导通角8 的（小 _ Llm _/&=0=词称为波形系数，是导通角。的函数；研究高频谐振功率放大器需要特别关注的是心和&1，前者与直流功率有关，后者与输出基波功率有关。3集电极电压

16、飞高频谐振功率放大器的负载为LC谐振回路，该谐振回路调谐在基波频率。上（输入信号的频率），因此|输出回路只对集电极电流中白|分量呈现很大的谐振电阻，耐过直|流分量几和其它高次谐波分量呈可I很小的失谐阻抗或近似短路 换句话说,集电极余弦脉冲电流L经过具有选频功能的LC谐振回路，其它各次谐波和直流被滤除，|只有基波电|流才能在回路两端产生较大砸床uc=-vcm cos cot=-IcmlRx cos cot(4.2.18)式 中 曦-IclmR,him是基波电流分量的振幅，&是输出回路的有载谐振电阻。由图48可知，集射极电压的瞬时值UC E =VCC+Uc=VC C-ICOS(4.2.19)注意理

17、解这几个问题；1)式(4.2.18)中的负号?2)(4.2.19)如何得到的？结论，丙类谐振功率放大器，流过晶体管各极的电流均为余弦脉冲，但利用谐振回路的选频作用，输出电压为基波正弦信号。结论：1）当%。或。“4Z时，才有基极电流15产生，所以骁为余弦脉冲。为晶体管的截止电压或导通电压。硅管的心为0.50.7V,错管的0.30.4V。2）只有当1基极导通后，晶体管由截止区进入放大区，才会产生集电极电流,C J。与，3是具有相同的周期的余弦脉冲。3）前面已经分析过，周期性的余弦脉冲可通过傅立叶级数展开为一系列的谐波和直流分量。丙类功放的负载是具有选频功能的LC谐振回路，通过调节回路的电抗，使其谐

18、振频率等于输入激励信号的频率,LC谐振回路对谐振频 率（也就是基波频率口）呈现的阻抗为该谐振回路对次谐波呈现的阻抗为乙ncoL na)LQe叫/(/-1)j(n2-l)Qe j(n2-l)Qen(-1)24.2.20)假设。e=1 0,则n23452nz0.0667 0.0375 0.0267 0.0208可见高频功率放大器的输出回路对于基波电流而言，等效为一个纯电阻&，而对于高次谐波2口，3例”来说，回路的阻抗与基波的阻抗相比，小到可以近似地认为其短路，且输出回路中电感的存在，对直流可近似看成短路，这正是谐振回路两端电压可以被近似认为是与输入激励信号同频的正弦基波电压，高频功率放大器能实现线

19、性放大功能的理论基础。4.2.4高频谐振功率放大器的效率和输出功率功率放大电路实质上是依靠激励信号对基极电流以及集电极电流的控制，把集电极电源的直流功率转换为负载回路的交流功率，转换效率越高，就可以在同样的直流功率下输出更大的交流功率。追求高转换效率是功率放大电路的基本设计要求之一。高频谐振功放集电极输出电压CE中包含直流分量与交流分量，其交流分量与4波形一样，但相位相差Knowing from(4.2.19)UC E =VCC+Uc=VCC-IcmiRY C 0S/放大器输出的基波功率与(4.2.21)电源提供的直流功率与2-(4.2.2 2)根据能量守恒定律，集电极耗散功率2Pc=PDPo

20、集电极效率%(4.2.23)，=%=殳光(4.2.24)式中“()一点一瓯称为波形系数,是导通角。的函数；人 称为集电极电压利用系数，它总是小于1的。由式(4.2.24)可知，要提高效率在，有两种途径1)一种是提高集电极电压利用系数即 提 高 而L=4加&是输出基波电压的幅值，&=。濡，通过提高回路的有载品质因数来实现增大小12)另一种是提高波形系数&。由图4i i 可知，导通角。越小，&越大，效率“越高，但内却越小,输出功率巴也就越低。为了兼顾输出功率匕和效率%,必须选取合适的导通角思考：why%（。）越小，输出功率与就越低?_ icm -c271i cosa)td(G)t)=e。g-s i

21、 n e c o s。、./z.a(-)=%侦%(8)C /C llldA 1 /71 1 C O S V(4.2.16)事实上，导通角越小，G m a x =S 7 b m。-COS ）也就越小。如取9=120。时，达到最大值,输出功率最大，但修的值相对较小，集电极的效率仅为64%左右；若取8=70。，此时虽然必的值相对减小，输出功率有一定程度下降，但集电极的效率可达到85.9%0在 工 程 设 计 中。的取值通常在65。75。之间。=70。左右为最佳导通角，可兼顾输出功率和效率两个重要指标。请自学课本P58的两个例题。图4-1 2谐振功率放大器各级电压、电流波形UCE C C +=_ Ic

22、mlR C 0 S t注意：集电极损耗1 pp=2万 J”iudcot,减、小r 外，与，C E的,乘积，可减小晶体管的瞬时损耗。由图4 1 2可以看出，当晶体管集电极电流1最大时，晶体管的集电结压降%最小，这时它们的乘积最小，也即晶体管的损耗最小，而要达到这个要求，晶体管的集电极负载回路必须工作在谐振状态。可见，一旦负载回路失谐，将导致放大器的损耗功率增加，效率降低。问题：用上图描述电压电流的关系时,电路必须满足什么状态？结论：1、cmax、b e m a x、c e m in出现在同一时刻；2、集 电 极 功 耗 很 小,效 率 高;4.2.5谐振功率放大器的效率与工作状态谐振功率放大器的

23、效率与其工作状态有密切关系。图413给出甲、乙、丙三种工作状态的相应波形。V取 八*二1（这里做了什么近似？），从图4 13可知1）选择2为静态工作点，功放工作于甲类工作状态，整个周期内晶体管都是导通，8=180。，%（。）=%（180。）=0.5,=%（180。）=0.5 4 （180）=111 v%=融1（。）=-也c 2 1 2VCCxl当静态工作点位于交流负载线中心时，V y V c c,片1,m ax=50%2）选择仪为静态工作点，功放工作在乙类工作状态，晶体管在半个周期内导通，夕=90。，%(。)=%(90。)=0.5由 式(4.2.15)、(4.2.16)sin。一 Seos 8

24、1 cos。)=，c m a x 4 (4.2.15)2乃 A。td t)一 ；(-1 c o s。1 3 x 0 1(4.2.16)J/L L A L U D L z可得cmaxCO 5 elm7Ccmax3）选择a为静态工作点，功放工作于丙类工作状态，晶体管只有很短的时间内导通，890。，%(6)=%(90)0.5 o但药(。)J/J,所以提高输出功率和提高效率是矛盾的,必须折衷考虑。通过上述分析可得出如下结论：1）当输入信号，回路谐振电阻&给定时，如希望得到尽可能大的功率输出，应采用甲类或乙类功放。丙类功率放大器效率的提高是以功率放大器的电压增益下降为代价的，随着导通角不断地减小，由甲类

25、到甲乙类，到乙类，再到丙类，谐振功率放大器的效率越来越高，但电压增益却越来越低，因此对输入信号的幅度要求越来越高。2）增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。对于丙类功率放大器，在回路谐振电阻&给定时,如果要增大输出功率，则需增大吗当器件确定时，就是要增大输入信号振幅嗑；如果要提高效率,需增大L或减小屋。（减小人。即减小集电极功耗，通过降低静态工作点可以实现）。3）丙类功放当减小到使几=0时,则有心=0,_ _也就是说，当与=，2=。，这对提高效率有益。甲类的用只与静态工作点有关，而与输出身无关，也就是说，即使功放输出的交流信号为0,直流电源仍旧提供直流功率，这时电源提供的能量将全部被晶体管消耗掉了，这就是为什么甲类效率最低。