第2章高频功率放大器5.ppt

第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器第第2章章 高频功率放大器高频功率放大器 任务任务：实现高频信号的功率放大。窄带高频功率放大器（以LC并联谐振回路作负载），又称为谐振功率放大器。原理组成原理组成：谐振功率放大器是如何工作的，那些参数直接关系到它的效率和输出功率。目标目标：达到高效率，大功率，高稳定性输出。实现方法实现方法：如何保证上条件得到满足-直流馈电和输出 匹配网络。分析分析：在什么条件下能实现高效率和高功率输出。关键问题关键问题：与器件功耗联系的功率管温升受限。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器本章内容 2.1 谐振功率放大器基本工作原理谐振功率放大器基本工作原理 2.2 丙类功率放大器的工作状态分析丙类功率放大器的工作状态分析 2.3 谐振功率放大器的高频特性谐振功率放大器的高频特性 2.4 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 2.5 高效率高频功率放大器及高效率高频功率放大器及 功率合成功率合成技术技术 第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2.1 谐振功率放大器基本工作原理谐振功率放大器基本工作原理功率功率放大器与放大器与信号信号放大器的异同点。放大器的异同点。共同点：放大器，在结构上相似共同点：放大器，在结构上相似。不同点：不同点：器件器件，工作状态工作状态：低频信号放大器工作于甲类或乙类；高频功放工作于丙类甚至于丁类，效率大为提高。：低频信号放大器工作频率低，一般用非调谐回路作负载，通过变压器或直接耦合。高频功放工作频率高，相对带宽较窄，因此用谐振回路作负载。低频信号放大器利用晶体管实际特性图解分析，比较准确。高频功放输出电流ic为脉冲电流，因此用折线近似法。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2.2.1 谐振功率放大器的电路组成谐振功率放大器的电路组成 图2.1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理电路。iCuCECucReLRLECEBViBub图2.1 谐振功率放大器原理电路 第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器 设输入信号为 coscosbbmBEBbmuUtuEUt则由图2.1得基极回路电压为：(2.1 1)设三极管发射极的导通电压为UB，在时，iC0；只有在uBEUB 时，集电极才有电流输出，iCgm(uBE-UB)所以集电极电流将是余弦脉冲。12coscos2CCoc mc miIItIt(2.1 2)BBEUu第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器图2.2 丙类工作情况的输入电压、集电极电流波形 EB00iCgmUBuBEuBUbmiC02iCmax t t2.1.2 工作原理工作原理第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器 集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，谐振角频率0等于输入信号的角频率。回路两端的电压：uc1ecosR coscosccmc mCECcCcmuUtItuEuEUt晶体管集射极间的电压ub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如图2.3所示。90o，丙类工作状态=90o，乙类工作状态=180o，甲类工作状态第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器图2.3 电流、电压波形 ub02UbmuBE0EBUBUbm22iC,ic1iCic1iCmaxiclm22 t t tuc0Ucm2uCEEC20 t t第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器由图可见，虽然集电极电流为脉冲，但由于LC并联谐振回路的选频滤波作用，集电极电压仍为余弦波形，且uCE与uBE反相。另外，已知集电极电流iC中有很多谐波分量，如果将LC振荡回路调谐在信号的n次谐波上，即0=n，则在回路两端将得到n的电压 uc=IcnmRencos(nt)的输出信号，它的频率是激励信号频率的n倍，所以这种谐振功率放大器称为倍频器。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2.1.3 高频谐振功率放大器中的能量关系高频谐振功率放大器中的能量关系高频平均功率直流输入功率直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率PC,即12201111222c mcmc mcmeeUPIUIRR0ECCPIECEoPPP定义集电极效率集电极效率C为波形系数集电极电压利用系数011011011()22()c mcmCECCc mCcmCPIUgPIEIgIUE 第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器11oCCEoPPPP可知，当Po一定时，减小PC可提高C。PC可表示为(2.112)因此，减小iCuce及导通角可减小PC，由图2.3可看出，iC的最大值与uce的最小值对应，通角越小，iC越集中在ucemin附近，集电极损耗也就越小。丙类放大器效率高还可从集电极损耗功率来看。由tduiPceCC21提高效率：1)减小导通角；2）减小ucemin。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器11CoCPP(2.113)可见，当晶体管允许损耗功率PC一定时，C越高，输出功率Po越大。在高频功率放大器中，提高集电极效率的同时，还应尽量提高输出功率。因为第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器例1：某谐振功率放大器，已知Ec=24V，输出功率Po=5W，晶体管集电极电流中的直流分量Ico=250mA，输出电压幅值Uc=22.5V,试求：直流输入功率PE；集电极效率c；谐振电阻Re；基波电流IC1m。解：直流输入功率PE=IcoEc=6(w)集电极效率c=Po/PE83%谐振电阻Re=Uc2/2Po=50.6()基波电流IC1m=Uc/Re 445(mA)第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器分析方法：解析法简单，概念清楚，可给出定量的近似结果。图解法形象直观，但要获得定量的结果比较麻烦。2.2.1解析分析法（两处近似）(a)理想化的转移特性(b)理想化的输出特性2.2丙类谐振放大器的工作状态分析丙类谐振放大器的工作状态分析0iCgmUBuCEuBE0iCScruBEuCEuBE UB(a)(b)第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器晶体管工作在放大区晶体管工作在截止区晶体管工作在饱和区()0CmBEBBEBCBEBCcr CEig uUuUiuUiS ucos,cosBEBbmCECcmuEUt uEUt(cos)CmBbmBigEUtU当ic=0时的导通角满足cosBBbmUEUmax()(1 cos)CCmBbmBmbmiigEUUgU集电极余弦脉冲电流的解析表示式为maxcoscos,1 cosCCtiit第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器maxmax01maxmax1max2max1sincos()2(1 cos)1sincoscos()(1 cos)12sincos2 sincoscos(1)(1 coscos)()(1)CoCCCc mCCCcnmCCCnIi d t iiaIitd t iiannnIin td t innian0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的电流分解系数。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器图2.5余弦脉冲分解系数与的关系曲线0,1,2,30.50.40.30.20.100.051030507090110130150 170/1.02.01/0 g1()g1()10 cossincossin011aag波形系数：第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2.2.2 动特性曲线图解分析法动特性曲线图解分析法 小信号电压放大器仅仅在放大区工作，负载是纯电阻，因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。谐振功率放大器不是仅工作在线性区，各个区的特性曲线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，工作点的轨迹就不是一条直线，所以瞬时工作点的轨迹称为动特性曲线。iC uCE第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器 已知放大区集电极电流表示式为(cos)CmBbmBigEUtU又根据uCE=EC-Ucmcost写出：cosCCEcmEutU所以)()(CEcmbmCcmbmBBmbmcmCECBBmCuUUEUUUEgUUuEUEgi动特性曲线在放大区部分是直线。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器在取 iC=0 时，得到线性区的另一点A，对应的t=。在t=0时，有：min1maxCEemCCCECBbmBmCURIEUiUUEgi对应于输出特性上的C点。cos01emCCCECRIEUi在谐振功率放大器的输出特性上求出的两个瞬时工作点，就得到在放大区的动特性曲线。t继续增加时，就表现为非线性，集电极电流维持为0，但集电极电压继续增大。瞬时工作点在横坐标轴上向右移动。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器图2.6动特性曲线与集电极电流波形iCiCmax002uCEmin0iCCAuBEmaxECDuCEuCEB t第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器 动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶体管集电极电流iC与电压 uCE 的关系曲线,它在输出特性上 iCuCE（转移特性上 iCuBE）是一条折线。max10CEemCCCECURIEUi当t=/2 时,瞬时工作点为EC点。当t=时，瞬时工作点为D点CCECEUi0虽然动特性是折线，晶体管输出电流时余弦脉冲，但放大器输出电压是完整的余弦波形。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2.2.3 谐振功率放大器的工作状态谐振功率放大器的工作状态 1)欠压状态：C点在放大区，余弦脉冲高度最大，但Ucm 比较小2)临界状态：C点在放大区与饱和区的边界上，余弦脉冲 高度同上，Ucm 接近最大3)过压状态：C点在饱和区，集电极电流波形出现凹陷明 显下降，Ucm 略大于临界状态。谐振功率放大器的工作状态是根据瞬时工作点C在动特性曲线上所处位置来确定的。谐振功率放大器的输出功率和效率由EB、Ubm、EC、Re、UB 和 gm 六个参量决定。第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器iCiC00EFCCCAAABEC0uBEmaxuCEuc t图2.7 三种状态下的动特性及集电极电流波形 第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器要点回顾：1.关键问题2.原理结构 负载不同3.实现高效率的方法，导通角如何实现高功率与高效？4.三极管的工作状态，解析分析法：导通角，最大电流的表达式5.动特性曲线(四点)从输出特性上寻找同时实现高功率与高效的状态6.放大器的工作状态由六个参数确定，对应着一动特性 曲线。S(Eb,Ubm;Ec,Re;gm,UB)。7.需要记住的四个图：结构，输入输出（电压电流），三极管特性，动特性曲线8.负载特性第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器iCuCECucReLRLECEBViBub第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器EB00iCgmUBuBEuBUbmiC02iCmax t t第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器0iCgmUBuCEuBE0iCScruBEuCEuBE UB(a)(b)第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器iCiC00EFCCCAAABEC0uBEmaxuCEuc t第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器2.2.4 负载特性负载特性 负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率C随之变化的曲线。0000iCiCiCiCRe增大(a)t t t t第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器IclmIC0Ucm0欠压区过压区RecrRePEPCP00欠压区过压区RecrReC(b)(c)图2.8 电流波形随Re的变化及其负载特性。(a)电流波形；(b)、(c)负载特性Recr称为临界电阻。此时输出功率最大，所以临界状态为最佳工作状态。功放一般工作在临界或弱过压状态。处于过压状态时，三极管会工作在那几个区？第第2 2章章 高频功率放大器高频功率放大器高频功放三种工作