第5章高频调谐功率放大器.pptx

5.1 概述（1）使用高频功放的目的（2）功率放大器使用中需解决的两个问题（3）高频功率放大器的种类（4）高频功放与小信号放大器的比较（5）高频功放与低频功放的区别（6）工作状态（7）高频功放的主要技术指标（1）使用高频功放的目的从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分无线发射机无线接收机目的：放大高频大信号,使发射机末级获得足够大的发射功率。（2）功率放大器使用中需解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。特点都是输出功率大和高。联想对比：联想对比：（3）高频功率放大器的种类谐振功率放大器（学习重点）特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末级；不易于自动调谐。宽带功率放大器（了解即可）特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带内对高频信号进行功率放大；功率增益有限，一般用于中小功率级。（4）工作状态）工作状态三极管三极管四种工作状态四种工作状态 根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期期内三极管的导通情况划分内三极管的导通情况划分乙类：乙类：导通角等于导通角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：导通角大于导通角大于180丙类：丙类：导通角小于导通角小于180 工作状态工作状态 半导通角半导通角 理想效率理想效率 负负 载载 应应 用用 甲类甲类 c=180 50%电阻，回路电阻，回路 低频，高频低频，高频 乙类乙类 c=90 78.5%推挽推挽 低频低频 甲乙类甲乙类 90 c180 50%h h78.5%推挽推挽 低频低频 丙类丙类 c90 h h78.5%选频回路选频回路 高频高频 丁类丁类 开关状态开关状态 90%100%选频回路选频回路 高频高频 （4）工作状态）工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；类工作状态；谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通信号的通带宽度只有其中心频率的带宽度只有其中心频率的1%1%或更小或更小)，其工作状态通常选为其工作状态通常选为丙类工作状态丙类工作状态(c c9090)，为了不失真的放大信号，它的，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。负载必须是谐振回路。高频小信号放大器高频小信号放大器高频功率放大器高频功率放大器放大器原理电路放大器原理电路（5）高频功放与高频小信号放大器的比较）高频功放与高频小信号放大器的比较icebtooictVBZ相同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQebtooict（5）高频功放与高频小信号放大器的比较）高频功放与高频小信号放大器的比较（5）高频功放与高频小信号放大器的比较）高频功放与高频小信号放大器的比较高频小信号高频小信号放大器放大器高频功放高频功放电路性质电路性质线性线性非线性非线性应用场合应用场合发射机送给功放的信号发射机送给功放的信号接收机天线送来的信号接收机天线送来的信号发射机末端发射机末端放大器类型放大器类型甲类甲类丙类丙类集电极输出波形集电极输出波形与输入信号一致与输入信号一致余弦脉冲余弦脉冲设计的目的设计的目的信号波形放大、传输信号波形放大、传输将电源的能量尽可能将电源的能量尽可能以信号的形式输出以信号的形式输出最关心的指标最关心的指标电压增益电压增益效率效率（6）高频（谐振）功放与低频功放的区别）高频（谐振）功放与低频功放的区别低频功放低频功放高频功放高频功放工作频率工作频率音频音频(3003400Hz)射频射频应用场合应用场合接收机末端接收机末端发射机末端发射机末端负载负载纯电阻纯电阻LC谐振回路谐振回路放大器类型放大器类型甲类或乙类甲类或乙类丙类丙类相同之处相同之处：要求输出功率大、效率高。要求输出功率大、效率高。不同之处不同之处：工作频率、相对频宽、放大器负载、放大器的工作工作频率、相对频宽、放大器负载、放大器的工作状态不同。状态不同。（7）高频功放的主要技术指标主要指标：输出功率效率（将电源能量转换成输出信号能量的能力）大家应当了解的工程指标谐波场强20的场强与0的场强之比小于万分之二在发射机1km处20的场强小于50(uV/m)谐波功率（小于25mW）注意注意:该电路该电路和小信号调谐放大器的不同和小信号调谐放大器的不同(bias)(bias)5.2.1 放大器原理电路放大器原理电路各元件的作用：各元件的作用：Ec（V VCCCC）是直流电源电压；是直流电源电压；Eb（Vbb）是基极是基极偏置电源电压。偏置电源电压。输入信号输入信号经变压器经变压器T1 耦合到晶体管基耦合到晶体管基-射极，射极，这个信号也这个信号也叫激励信号。叫激励信号。L、C 组成并联谐振回路，作为集电极负载，组成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也叫这个回路也叫槽路。槽路。放大后的信号通过变压器耦合到负载放大后的信号通过变压器耦合到负载 RL上以上以达到阻抗匹配的要求。达到阻抗匹配的要求。电路图中各变量关系及波形分析分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲vBEiCtiC t分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加等效为了分析更清晰，先假设没有抽头为了分析更清晰，先假设没有抽头由于由于LC的选频作用的选频作用ictccic1ic2ic3IcoIcmax注意：注意：高频调谐功率放大器，选频的对象是：高频调谐功率放大器，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。集电极余弦脉冲电流分析集电极余弦脉冲电流分析 分析第三步：分析第三步：VCC减去减去vo得到集电极电压得到集电极电压vCtvC分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）可以看出，可以看出，vBEmax最大时，最大时，iC最大值最大值iCmax，vC最小值最小值vCmin通过滤波器滤掉除了 之外的所有分量，实现只对信号频率的放大。回路失谐造成的后果：对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失真；对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管可能由于功率过大而烧毁。为什么i ic c的波形时有时无,而输出的波形v vo o却能是连续的?如果能从频谱的角度来理解最好，即ic是有很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余弦分量Icm1cost,这也是为什么要用选频网络作负载的原因。功率关系和效率功率关系和效率余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加ticttt功率关系和效率功率关系和效率ictccic1ic2ic3IcoIcmax功率关系和效率功率关系和效率 tvC谐振功放的特点n（1）放大高频大信号，属于非线性工作状态；n（2）基极偏置为负值，c90，丙类n（3）电流脉冲是尖顶余弦脉冲；n（4）负载是LC谐振回路。讨论：讨论：不论由于上述什么原因使不论由于上述什么原因使Vcm增大时，则增大时，则也增大，从而使也增大，从而使 提高。提高。不过不过 也不能任意提高，因为在管子导通的也不能任意提高，因为在管子导通的某一瞬间，集电极电压某一瞬间，集电极电压 vc下降的最小值为下降的最小值为 ，则，则 ，当减小到一定程度（约为，当减小到一定程度（约为1 1 2V2V），晶体管进入饱和区。此后虽然），晶体管进入饱和区。此后虽然Vcm仍可增仍可增大，大，vcmin进一步减小，电压利用系数也有所提高，进一步减小，电压利用系数也有所提高，但其变化缓慢极限为但其变化缓慢极限为1 1。此折线可以表示为导通角和电流峰值分析导通角和电流峰值分析用折线分析法分析大输入信号vBiCttiC 电流余弦脉冲ic的表达式iCtvB考虑在流通角内考虑在流通角内Vbm代入代入vBcosc的表达式iCtvBVbm电流最大值iCmax的表达式tiC iCmax恰好为恰好为cosc c直流分量：直流分量：基波分量：基波分量：n n次谐波次谐波:0，1.n等仅等仅与半通角有关与半通角有关c对高频谐振功放效率的影响余弦脉冲的分解系数余弦脉冲的分解系数c对高频谐振功放效率的影响余弦脉冲的分解系数余弦脉冲的分解系数5.3.3 高频功放动态特性及负载特性1.动态特性 高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压、激励电压vb、供电电压、供电电压VCC、VBB等等4个参量决定的。个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器，就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。样的变化。在考虑了负载的作用后，所获得在考虑了负载的作用后，所获得vC、vBE与与ic的关系曲的关系曲线叫做动态特性曲线线叫做动态特性曲线 。当当vC、vBE同时变化时，同时变化时，icvC关系的动态特性曲线关系的动态特性曲线 。（。（负载线负载线）t1.动态特性外部电路关系负载线的表达式t代入代入画出负载线iCt三极管工作三极管工作三极管截止三极管截止负载线的Q点（注意是虚拟的）虚拟电流iCt三极管工作三极管工作三极管截止三极管截止负载线的A点放大器的三种工作状态之欠压状态iCt放大器的三种工作状态之临界状态iCt放大器的三种工作状态之过压状态iCt三极管工作区三极管工作区三极管饱和区三极管饱和区三种状态的波形汇总功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）vBEmaxicvCIcm1Ic0VcmRp欠压区欠压区过压区过压区临临界界态态功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）Icm1Ic0VcmRp欠压区欠压区过压区过压区临临界界态态Rp欠压区欠压区过压区过压区临临界界态态P=PcPo三种状态的小结（欠压状态特点）欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。三种状态的小结（临界状态特点）临界状态的特点是临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高输出功率最大，效率也较高，比最大效，比最大效率差不了许多，可以说是率差不了许多，可以说是最佳工作状态最佳工作状态，发射机的末级常，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。态为例。三种状态的小结（过压状态特点）过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高在弱过压时，效率可达最高，但输出功率，但输出功率有所下降，发射机的中间级、有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状集电极调幅级常采用这种状态态。掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。指标是很有帮助的。1.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响1.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响临临界界过压区过压区欠压区欠压区用于集电用于集电极调幅时要极调幅时要工作与过压工作与过压状态状态1.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响2.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响2.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响临临界界欠压区欠压区过压区过压区用于基用于基极调幅时要极调幅时要工作与过压工作与过压状态状态2.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响各变量对功放状态影响的总结谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带信号的通带宽度只有其中心频率的宽度只有其中心频率的1%或更小或更小)，其工作状态通常选，其工作状态通常选为为丙类工作状态丙类工作状态(c c90)，为了不失真的放大信号，它，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。的负载必须是谐振回路。小小 结结高频功放是谐振功放，其效率高频功放是谐振功放，其效率c=Po/P=Po/(Po+Pc)。甲、。甲、乙、丙类功放通过提高乙、丙类功放通过提高集电极输出功率集电极输出功率，使信号输出功率，使信号输出功率增加；丁戊类功放通过降增加；丁戊类功放通过降低集电极耗散功率低集电极耗散功率，使信号输出，使信号输出功率增加。功率增加。欠压和临界时，欠压和临界时，ic为余弦脉冲，过压时为余弦脉冲，过压时ic为余弦凹顶脉冲。为余弦凹顶脉冲。负载变化时，负载变化时，Ic1,Ico和和Vc变化曲线，变化曲线，pc、po和和p=和和c变化曲线变化曲线VCC改变对工作状态的影响Vbm改变对工作状态的影响1.已知高频功放的输出功率已知高频功放的输出功率P0=5W，集电极电源电压，集电极电源电压Vcc=+24V，若要求，若要求功放集电极效率功放集电极效率C=80%，则，则P=为为（）A、6.25W B、5W C、11.25W D、1.25W 2.高功放中，高功放中，Ubm对对Ic1m、Ico的影响为（的影响为（）A、B、C、3.丙类谐振功率放大器的半导通角丙类谐振功率放大器的半导通角 （）A、=180 B、90作业五作业五