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任务 2.3 高频功率放大器

任务 2.3 高频功率放大器. 2.3.1 高频功率放大器概述. 2.3.2 丙类谐振高频功率放大器的工作原理. 2.3.3 丙类谐振高频功率放大器的性能分析. 2.3.4 丙类谐振高频功率放大器的电路. 2.3.5 宽带高频功率放大器. 本讲导航. 教学内容. 2.3.1 功率放大器的概述. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理. 教学目的. 1. 了解高频谐振功率放大器的分类和特点. 2. 理解高频谐振功率放大器的工作原理、分析方法， 掌握其 计算方法. 教学重点. 本讲导航. 教学难点. 1. 高频功率放大器的基本概念和类型.

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任务 2.3 高频功率放大器

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Presentation Transcript

  1. 任务2.3高频功率放大器 2.3.1高频功率放大器概述 2.3.2丙类谐振高频功率放大器的工作原理 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 2.3.4丙类谐振高频功率放大器的电路 2.3.5宽带高频功率放大器

  2. 本讲导航 教学内容 2.3.1 功率放大器的概述 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 教学目的 1.了解高频谐振功率放大器的分类和特点 2.理解高频谐振功率放大器的工作原理、分析方法，掌握其计算方法

  3. 教学重点 本讲导航 教学难点 1.高频功率放大器的基本概念和类型 2.高频谐振功率放大器的特点 高频谐振功率放大器的工作原理

  4. § 2.3.1高频功率放大器概述 在无线通信中，发射机发射的信号都需要有一定的功率，才能覆盖一定范围或到达目的地。传输距离越远，需要的功率越大。在高频电路中，需要用高频功率放大器对发射信号进行功率放大，以输出足够大的功率。

  5. § 2.3.1高频功率放大器概述 定义:高频功率放大器又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier) ；用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率。 应用:它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。 高频功率放大器有三个主要任务： ① 输出足够的功率； ② 具有高效率的功率转换； ③ 减小非线性失真。

  6. § 2.3.1高频功率放大器概述 高频功率放大器的主要作用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高频能量输出。

  7. 一、高频功率放大器的分类 § 2.3.1高频功率放大器概述 通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器 为了提高效率，一般工作于丙类状态或乙类状态 窄带型 采用传输线变压器作负载。 传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。 宽带型

  8. 二、高频功率放大器的主要性能指标 输出功率:PO =Pv-PＴ 效率:η= Po/Pv 功率增益:Ap =Po/Pi 非线性失真THD § 2.3.1高频功率放大器概述

  9. 三、高频谐振功率放大器的特点 § 2.3.1高频功率放大器概述 作为功率放大器,谐振功放与低频功放都要求输出功率大、效率高,因此它们的主要性能指标都是输出功率Po、效率η和ＡＰ.但它们的工作频率和相对频带相差很大,负载性质和工作状态也不同. 低频功放的工作频率约为20Hz～20kHz, 其工作频率低,相对频带很宽, 不能采用谐振网络作为负载, 而采用电阻、变压器等非谐振负载,且常工作于乙类或甲乙类状态. 谐振功放的工作频率高(从几百千赫到几百兆赫,甚至更高),相对频带却很窄,因此一般采用谐振网络作为负载,且常工作于丙类或乙类(甚至丁类)状态.

  10. § 2.3.1高频功率放大器概述 谐振功放和小信号谐振放大器都是高频放大器,且负载均为谐振网络.但由于它们放大信号的大小不同,所以存在着较大的差别. 小信号谐振放大器属于小信号放大器,它用来不失真放大微弱的高频信号,同时抑制干扰信号, 主要的性能指标是Au、fBW和选择性，工作在甲类状态。其谐振网络的作用是抑制干扰信号。 谐振功放是大信号放大器，它要求效率要高,因此这种放大器常工作在丙类(或乙类、丁类)状态,其谐振网络的作用是从失真的集电极电流脉冲中选出基波、滤除谐波,从而得到不失真的输出电压.

  11. 高频谐振功率放大器的特点 采用谐振网络作负载。 一般工作在丙类或乙类状态。 技术指标要求输出功率大、效率高。 要求非线性失真小 。 § 2.3.1高频功率放大器概述 　　由于丙类谐振功率放大器的放大管工作在乙类或丙类状态，其分析方法只能采用图解法进行分析。

  12. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 一、丙类谐振高频功率放大器电路如下图所示：

  13. 二、电路各元件的作用 LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。 谐振网络的谐振频率调谐在输入信号的频率上。 作用：消除失真、匹配。 ＶBB:基极直流电压 作用:保证三极管工作在丙类状态。 ＶBB的值应小于放大管的导通电压Uon；通常取ＶBB≤0 ＶCC：集电极直流电压 作用：给放大管合理的静态偏置; 提供直流能量。 一般情况下ＶCC大于ＶBB 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  14. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 三、电路的工作原理 1.电路状态 θ=180°，为甲类工作状态 θ=90°，为乙类工作状态 θ＜90°，为丙类工作状态 　　在丙类工作状态下，uBE=ＶBB+Ubmcosωct较小，且uBE＞Uon时才有集电极电流流过，故集电极耗散功率小、效率高。

  15. ub为余弦电压 ub=ui=UｂmCOSωct uBE= ＶBB+ui = ＶBB+ UｂmCOSωct ＞Uon时,管子导通, < Uon时,管子截止. 根据三极管的转移特性可得到集电极电流 iC， iC为余弦脉冲波；如下图所示。 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 2.电路参数

  16. 放大管的转移特性及波形 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  17. ic的导电角θ用下面的公式进行计算 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  18. 根据傅立叶级数的理论，iC可分解为： ic电流的特点： Ico为直流电流分量 iC1为基波分量； iC1=Icm1COSωct iC2为二次谐波分量；iC2=Icm2COS2ωct …… …… iCn为n次谐波分量； iCn=IcmnCOSnωct 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 式中： ic=Ico+iC1+iC2+iC3+………+iCn+………

  19. 余弦脉冲分解 Ico=iCmax·α0（θ） Icm1=iCmax·α1（θ） …… …… Icmn=iCmax·αn（θ） iCmax是ic波形的脉冲幅度 αn（θ）的大小可根据余弦脉冲分解系数表查 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  20. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  21. 由于LC回路谐振于基波频率,则回路对基波电流呈现很大的纯电阻性阻抗R(R为谐振电阻),而对直流和谐波电流呈现的阻抗很小,可近似看成短路。因此，ic的各种成分中，只有基波分量才能在回路两端产生降压。uc=RIcm1COSωct =Ucm COSωct因而输出电压为不失真的放大余弦波形,与输入电压同频,反相. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 3.电路工作原理分析

  22. 可见谐振回路具有从众多电流分量中选取有用分量的作用，即选频作用，故输出回路两端只能建立起基波电压.由于是自下而上地流过谐振回路，因此的极性是上负下正。则可见谐振回路具有从众多电流分量中选取有用分量的作用，即选频作用，故输出回路两端只能建立起基波电压.由于是自下而上地流过谐振回路，因此的极性是上负下正。则 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  23. 各信号的波形如下图所示： 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 当iC信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，可得其谐振网络压降和极间电压为： uBE=ＶBB+Ubmcosωct uCE=ＶCC-Ucmcosωct

  24. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  25. 四、功率关系 放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻R上的功率，即 集电极直流电源供给功率PV等于集电极电流直流分量与VCC的乘积，即 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理

  26. 直流输入功率PV与集电极输出高频功率Po之差为集电极耗散功率PC，即直流输入功率PV与集电极输出高频功率Po之差为集电极耗散功率PC，即 放大器集电极效率η等于输出功率与直流电源供给功率之比，即 g1(θ)为集电极的电流利用系数，即 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 它是耗散在晶体管集电结上的损耗功率。 ξ为集电极电压利用系数

  27. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 五、倍频器 定义：倍频器是一种输出频率等于输入频率整数倍的电路。 应用：广泛应用在发射机、频率合成器等电子设备中。 优点：采用倍频器，可以降低发射机主振器的频率，有利 于稳频，提高发射机的工作稳定性和扩展发射机的波段。对 于调频和调相发射机，采用倍频器还可以加大频偏和相偏， 从而加深调制度。 方法：实现倍频的方法主要有两种：丙类倍频器和参量倍 频器。

  28. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 参量倍频器是利用变容二极管的结电容与外加 电压的非线性关系对输入信号进行非线性变换， 再由谐振回路从中选取所需的n次谐波分量，从 而实现n倍频的，其工作频率可达100MHz以上。

  29. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 丙类倍频器是利用丙类功率放大器实现的，它是利用丙类谐振功率放大器的输出谐振回路谐振于n次谐波上，则谐振回路上获得的就是n次谐波电压，在负载上得到的信号的频率为输入信号频率的n倍，即实现了n倍频。 一般只为2-3倍的放大。

  30. 2.3.2 谐振功率放大器的工作原理 (1)集电极电流脉冲中包含的谐波分量幅度总是随着ｎ的增大而迅速减小。因此，倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低。 （2)倍频器的输出谐振回路需要滤除高于ｎ和低于ｎ的各次分量。低于ｎ的谐波分量幅度比有用的ｎ次分量幅度大，不易滤除。因此丙类倍频器的工作频率一般不超过几十兆赫兹。

  31. 本讲小结 1.高频放大器的分类 2.谐振功率放大器的特点 3.高频功率放大器的技术指标 4.丙类谐振功率放大器电路 5.丙类谐振功率放大器的工作原理 6.功率关系

  32. 本讲作业 1.为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高频功率放大器可以工作于丙类？ 2.为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态？为什么采用谐振回路作负载？谐振回路为什么要调谐在工作频率？ 3.简述丙类谐振功率放大器电路中各部分的作用。 4.一谐振功放的输出功率Po=5W,Vcc=24V。 (1)当集电极效率为60%时,求其集电极功耗Pc和集电极电流直流分量Ico； (2)若保持Po不变,将η提高到80%,问此时Pc为多少?

  33. 本讲导航 教学内容 2.3.3 丙类谐振功率放大器的性能分析 教学目的 1.了解丙类谐振功率放大器的工作状态 2.掌握丙类谐振功率放大器的动态线 3.掌握R、VCC、Ubm、VBB变化对工 作状态的影响

  34. 教学重点 教学难点 本讲导航 丙类谐振功率放大器的工作状态 1.丙类谐振功率放大器的动态线 2.R、VCC、Ubm、VBB变化对工 作状态的影响

  35. § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 一、丙类谐振功率放大器的工作状态 谐振功率放大器的工作状态是根据uBE=VBB+Ubmcosωt uCE=VCC-Ucmcosωt时瞬时工作点在特性曲线上所处位置确定的。以ub= Ubmcosωt从小到大变化为例： 当ub不太大，以至uBE<Uon时，管子将截止；当ub变大使uBE>Uon时，管子将导通。如果ub的振幅不很大，管子导通时均处于放大区则放大器工作于欠压状态；随ub振幅增大，则管子导通时将从放大区进入临界饱和区，于是称丙类放大器工作在临界状态；如果ub振幅继续增大使管子处于饱和区，则称丙类放大器工作在过压状态。

  36. 欠压状态：管子导通时瞬时工作点均处于放大区；欠压状态：管子导通时瞬时工作点均处于放大区； 临界状态：管子导通时瞬时工作点已达到临界饱和线； 过压状态：管子导通时瞬时工作点将进入饱和区； § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析

  37. 在实际工作中，丙类放大器的工作状态不但与Ubm有关，还与VCC、VBB和R有关。 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 在丙类谐振功放中，工作状态不同，放大器的输出功率和管耗就大不相同，因此必须分析各种工作状态的特点，以及Ubm、VCC、VBB和R的变化对工作状态的影响，即对丙类谐振功放的特性进行分析。 借助动态线来分析四参数变化对工作状态的影响。

  38. 二、丙类谐振功率放大器的动态线 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 1.基本概念： 大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析，为此就要在输出特性曲线上作出交流负载线。 由于谐振功放的集电极负载是谐振回路，且集电极电压与集电极电流的波形截然不同，因此其交流负载线已不是直线了，是一条曲线，又称为动态线。 是谐振功放工作点变化的轨迹。 用逐点描述法去画。

  39. 2.动态线的作法： § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 三极管的输出特性曲线转上的参变量iB换成uBE，在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不变的情况下，假设ωct取不同的值，根据式uBE=VBB+ UbmCOSωct和uc=VCC-UcmCOSωct可得以相对应的uBE和uCE值，从而确定输出特性曲线上的各个“动态点”，然后依次连接各个“动态点”就可以得到动态线。 具体步骤如下：

  40. § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 1. 确定VBB、VCC、Ucm、Ubm和Uon、 θ的值 2. 将ωct取不同的值,如00、300、450、600、900、1800等 3. 对于ωct< θ或等于θ,管子将导通,根据 uBE=VBB+ UbmCOSωct和uc=VCC-UcmCOSωct来确定点 4. 对于ωct>θ管子将截止,ic=0,则点在横轴上,根据 uc=VCC-UcmCOSωct来确定点 5. 用光滑的曲线连接起来得到动态线

  41. § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 A: ωct=0 管子将导通, uBE=VBB+ Ubm,最大; uc=VCC-Ucm最小. F: ωct= θ管子将处于临界状态, ic=0 uc=VCC-UcmCOS θ G: ωct= 900,管子将截止, ic=0 , uc=VCC H:ωct= 1800管子将截止, ic=0 , uc=VCC +Ucm最大 A----- F,管子导通; F ---- G---- H管子截止. 其图形如下图所示

  42. 动态线 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析

  43. 3.不同工作状态的动态线 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 如果保持VBB、VCC、和Ubm不变，则改变Ucm（实际上是改变R）对谐振功放的动态线和工作状态的影响如图所示

  44. 4.根据动态线分析放大器的特性 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 总之，在VBB、VCC、和Ubm不变的条件下，随着Ucm的增大，谐振功放的工作状态由欠压向临界、过压状态变化。在欠压-临界状态，iC为余弦脉冲，随着Ucm的增大，iC的宽度不变而幅度略有减小；在过压状态下，iC为顶部下凹的余弦波形，随着Ucm的增大，iC的宽度不变而下凹加深，且幅度减小。 （1）放大器工作在过压状态时，ic波形会出现下凹。 （2）动态线、放大器的工作状态与VBB、VCC、 Ucm和Ubm的大小有关系。

  45. 三、丙类谐振功率放大器的特性 负载特性：R变化对放大器的影响（ Ucm） 基极调制特性：VBB变化对放大器影响 调制特性 集电极调制特性：VCC变化对放大器影响 放大特性： Ubm变化对放大器的影响 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 由于Ubm、VCC、VBB和R的变化对放大器的工作状态有影响，故特性包含以下几种：

  46. 1.负载特性： 工作状态的变化 ic波形的变化 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 负载特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不变时，放大器的工作状态随R变化的特性 随着R从小→大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化 ic波形的宽度基本不变

  47. Ucm、Ico、Icm1的变化特性 PO、PV、Pc、η的变化特性 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析

  48. § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 显然，当 R=Rp时， 即放大器处于临界状态时，P0 达到最大值，η也较大，故临界状态为谐振功放的最佳工作状态，与之相应的Rp称为谐振功放的最佳负载或匹配负载。欠压状态的 P0与 η 都较小，而Pc 大，因此除个别场合外，一般很少采用。不难理解，为了保证功率管的安全，在调试谐振功放时应避免其工作在强欠压状态。（R=0，管耗Pc最大）

  49. 2.基极调制特性 工作状态的变化 ic波形的变化 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析 基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，放大器的工作状态随VBB变化的特性 随着VBB从小→大，放大器将由欠压状态→ 临界状态→过压状态变化 （与Ubm变化相似） ic波形的宽度变大

  50. Ucm、Ico、Icm1的变化特性 § 2.3.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析

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