第3章調(diào)諧功放

本章重點(diǎn)和難點(diǎn)高頻功率放大器的用途和特點(diǎn)兩種近似分析方法:

折線(xiàn)近似分析法和冪級(jí)數(shù)近似分析法高頻功率放大器的工作原理功率和效率：三個(gè)功率和一個(gè)效率工作狀態(tài)（過(guò)壓、欠壓和臨界）直流饋電電路，自給偏壓環(huán)節(jié)第3章高頻調(diào)諧功率放大器3.1概述（高頻功率放大器的用途和特點(diǎn)）

高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換電路，它將直流電源提供的能量部分地轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。一、用途高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。它的作用是放大信號(hào)，使之達(dá)到足夠功率輸出。作為載波發(fā)射機(jī)及無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)的輸出級(jí)或輸出前一級(jí)。二、高頻功率放大器的特點(diǎn)

高頻功率放大器的輸入信號(hào)大，為幾百毫伏到幾伏。這種放大器的輸出功率較大，以滿(mǎn)足天線(xiàn)發(fā)射或其他負(fù)載的要求。效率較高。通信中應(yīng)用的高頻功率放大器，按其工作頻率、輸出功率、用途等不同要求，可以采用晶體管和電子管作為其電子器件。晶體管有耗電少、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多場(chǎng)合應(yīng)用。對(duì)千瓦級(jí)以上的發(fā)射機(jī)，大多數(shù)采用電子管功率放大器。本章主要討論晶體管功率放大器。

1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉在研究熱傳導(dǎo)理論時(shí)發(fā)表了“熱的分析理論”著作，提出并證明了將周期函數(shù)展開(kāi)為正弦級(jí)數(shù)的原理，奠定了傅里葉級(jí)數(shù)的理論基礎(chǔ)。

正弦信號(hào)的分析方法已知，這樣就可將復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)化為可分析的已知信號(hào)。

十九世紀(jì)末，人們才制造出用于工程實(shí)際的電容器。二十世紀(jì)以后，諧振電路、濾波器、正弦振蕩器等一系列具體問(wèn)題的解決為正弦函數(shù)與傅里葉分析的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。復(fù)習(xí)（傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換）人們漸漸認(rèn)識(shí)到，采用頻率域的分析方法較之經(jīng)典的時(shí)間域方法有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。周期信號(hào)的頻譜分析：任何周期函數(shù)在滿(mǎn)足一定的條件下，可以展成正交函數(shù)線(xiàn)性組合的無(wú)窮級(jí)數(shù)。如果正交函數(shù)集是三角函數(shù)集{cosω1t,sinω1t}或指數(shù)函數(shù)集{ejnωt}，稱(chēng)該周期函數(shù)所展成的級(jí)數(shù)就是“傅里葉級(jí)數(shù)”。三角形式傅里葉級(jí)數(shù)：指數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)：可看出，周期信號(hào)可分解成直流分量和許多正弦、余弦分量。這些分量的頻率必定是基頻f1（f1=1/T1）的整數(shù)倍。分別稱(chēng)為基波、二次諧波、三次諧波等。直流分量的大小以及基波與各次諧波的幅度、相位取決于周期信號(hào)的波形。周期為T(mén)的矩形信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)：周期為T(mén)的矩形信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)：ω1周期增大，譜線(xiàn)間隔變小，譜線(xiàn)長(zhǎng)度趨于零。離散頻譜變成連續(xù)頻譜。對(duì)非周期信號(hào)，引入頻譜密度（傅里葉變換）。當(dāng)

uBE=UBB+ub=UBB+Ubmcosωt>Uj時(shí)，導(dǎo)通；否則，截止。3.2調(diào)諧功率放大器的工作原理3.2.1基本原理電路ub+-當(dāng)ube=ub-Eb=Ubmcosωt-Eb>Uj時(shí)，導(dǎo)通；否則，截止。EbEc3.2.2晶體管特性的折線(xiàn)化在大信號(hào)電路中，為簡(jiǎn)化分析,可以將晶體管特性曲線(xiàn)理想化，即用一條或幾條直線(xiàn)組成折線(xiàn)來(lái)代替，稱(chēng)為折線(xiàn)近似分析法。計(jì)算精度低，但仍滿(mǎn)足工程需要。ubeic?-Eb?Ujubeic

?Ubmg1.導(dǎo)通時(shí)間的衡量：導(dǎo)通角θ3.2.3導(dǎo)通角輸入信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況用對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通角度2θ來(lái)表示，θ稱(chēng)為導(dǎo)通角。ωt當(dāng)ube=ub-Eb=Ubmcosωt-Eb>Uj時(shí)，導(dǎo)通；否則，截止。icωtθθic1ic2IcoIcmax3.2.4集電極余弦脈沖電流分析余弦脈沖的特征表達(dá)：峰值Icmax和導(dǎo)通角θ余弦特征的分解：直流成分、基波及二、三…次諧波。Ic0=α0(θ)Icmax,Ic1m=α1(θ)Icmax,Ic2m=α2(θ)Icmax,…α0(θ),α1(θ),α2(θ),…被稱(chēng)為尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)，是θ的函數(shù)。α1>α0Ic0=Icmaxα0(θ)Ic1m=Icmaxα1(θ)Ic2m=Icmaxα2(θ)iC頻譜3.2.5槽路電壓LC回路阻抗Rcicωtθθic1ic2ic4IcoIcmaxUj-EbIcmaxubetibticuceucECUcmUbmubeic?-Eb?UjubeUbmg（a）波形（b）大?。╟）相位并聯(lián)回路調(diào)諧在基波，Q值足夠高（5至10）。EbEcLC回路阻抗RciC頻譜icωtθθic1ic2ic4IcoIcmaxEbEc例：丙類(lèi)諧振功率放大器如圖所示。輸出回路Q(chēng)值足夠高，且諧振于輸入信號(hào)頻率。若C1、C2對(duì)交流短路。當(dāng)輸入信號(hào)為余弦波時(shí)，試畫(huà)出1、2、3三點(diǎn)和R1上的電壓波形。3.3功率和效率

（1）晶體管集電極輸出的交流功率Ec（2）電源供給的直流功率Ec（3）集電極損耗功率（4）集電極效率Ec

為了兼顧效率和輸出功率，一般以400~700為宜。此時(shí)，比值在1.7到1.9之間。（4）集電極效率Ec若飽和壓降為1V，在Ec=12V時(shí)，電壓利用系數(shù)Ucm/Ec=11/12=0.917丙類(lèi)甲類(lèi)乙類(lèi)

α1/α2Ej=0.6V，g=10mA/V，Icmax=20mA，Ec=12V時(shí)，忽略飽和壓降。求θ=600時(shí)的輸出功率、效率和Eb。從分解系數(shù)曲線(xiàn)圖可讀出，α1(600)=0.38,α0(600)=0.22可求出Eb-在放大區(qū)，晶體管的內(nèi)部特性：ic=g(ube-Ej)晶體管的外部特性：3.4

諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析3.4.1諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)特性EcEbEcEbω-ic=g(ube-Uj)導(dǎo)通點(diǎn)B假設(shè)點(diǎn)Q（靜態(tài)工作點(diǎn)）對(duì)于放大區(qū)中的動(dòng)態(tài)特性直線(xiàn)，斜率絕對(duì)值的倒數(shù)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻Rc’。

3.4.2諧振功放的三種工作狀態(tài)欠壓狀態(tài)：Ucemin>Uces，晶體管工作在放大和截止區(qū)。Ucemin<Uces，晶體管工作在飽和、放大和截止區(qū)。過(guò)壓狀態(tài)：

臨界狀態(tài)：Ucemin=Uces，進(jìn)入飽和區(qū)邊緣。icωtθθic1ic2ic4IcoIcmaxEbEc放大區(qū)：ic=g(ube-Uj)EbEcic=g(ube-Uj)IcmaxθEcEbω-ic=g(ube-Uj)導(dǎo)通點(diǎn)B假設(shè)點(diǎn)Q（靜態(tài)工作點(diǎn)）3.4.2諧振功放的三種工作狀態(tài)欠壓狀態(tài)：Ucemin>UcesUcemin<Uces過(guò)壓狀態(tài)：

臨界狀態(tài)：Ucemin=Uces以C點(diǎn)位置劃分CCC3.4.3參數(shù)變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

1.電阻的影響：負(fù)載特性

研究的問(wèn)題：當(dāng)EC、Eb和Ubm不變，改變諧振電阻Rc時(shí)，放大器的電流，電壓，功率和效率隨Rc的變化情況。當(dāng)Rc由小變大時(shí)，斜率絕對(duì)值（R’c是斜率絕對(duì)值的倒數(shù)）由大變小，動(dòng)態(tài)線(xiàn)以Q為圓心，由①變到③。ubeic?-Eb?UjubeicgUbm?ubemaxicmaxuceicEC?QuceminUces?ubemax?uceminubemax?當(dāng)Rc小時(shí)，Ucemin>Uces，欠壓狀態(tài)。

當(dāng)Rc大時(shí)，Ucemin<Uces，過(guò)壓狀態(tài)。

Ucemin=Uces，臨界狀態(tài)，Rc=Rcp（最佳負(fù)載電阻）。

Picuce負(fù)載特性（1）欠壓區(qū)Rc欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)Rc欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)Ic1mIcoPsubemaxUcmIcmax幾乎不變（略減小），Ic1m,Ic0幾乎不變（略減小）Ucm=Ic1mR線(xiàn)性增加，Ps=ECIc0幾乎不變（略減小）PC當(dāng)Rc線(xiàn)性增加時(shí)，PoicuceRc欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)Rc欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoPsPcubemaxUcm負(fù)載特性（2）過(guò)壓區(qū)：余弦脈沖頂部下凹Po在強(qiáng)過(guò)壓狀態(tài)，電流波形強(qiáng)烈畸變，效率會(huì)下降。負(fù)載特性（3）小結(jié)

例某高頻功放工作在臨界狀態(tài),已知EC=18V，

gcr=0.6A/V（線(xiàn)段OA，也稱(chēng)為臨界飽和線(xiàn)），θ=60°，Rc=100Ω，求Po、Ps和集電極效率ηc。2.Ec的影響—集電極調(diào)制特性

uceicubemax?QEC??QEC?QEC????icEC欠壓區(qū)過(guò)壓區(qū)臨界區(qū)Ic1mIco研究的問(wèn)題：當(dāng)Rc、Ubm、Eb不變時(shí)，EC的影響。在欠壓區(qū)，Ico、Ic1m基本不變。

只有工作在過(guò)壓區(qū)，才能有效地實(shí)現(xiàn)EC對(duì)Ic1m的控制作用，故集電極調(diào)幅電路應(yīng)工作在過(guò)壓區(qū)。

進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，隨著|Eb|在正向偏置方向增大，脈沖電流的寬度增加，最大幅度幾乎不變，但凹陷加深，結(jié)果使Ico、Ic1m和相應(yīng)的Ucm增大得十分緩慢。

UcmIcoIc1m臨界-Eb過(guò)壓欠壓OUBB2uBEicuBEmax1uBEmax2UBB3ubUBB1uBEmax3Uonict飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)

當(dāng)Ubm固定，基極漸漸變?yōu)檎蚱脮r(shí)，電流的幅度和寬度均增大，狀態(tài)由欠壓區(qū)進(jìn)入過(guò)壓區(qū)。

3.Eb的影響—基極調(diào)制特性研究的問(wèn)題：當(dāng)Rc、Ubm、EC不變時(shí)，Eb的影響。要實(shí)現(xiàn)Eb對(duì)Ucm的有效控制，要求工作在欠壓區(qū)-Eb4.Ubm的影響—振幅特性u(píng)BEicuBEmax1uBEmax2ubUBBuBEmax3Uonict飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)UcmIcmlIcoUbm過(guò)壓臨界欠壓OOωticOωticUbm增大OωticωtOictUbm線(xiàn)性功率放大器tUcmUbmUcm振幅限幅器UcmtUbmUcm

固定Eb、增大Ubm和固定Ubm、-Eb增加類(lèi)似。3.5

調(diào)諧功率放大器的實(shí)用電路要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有：直流饋電（供電）線(xiàn)路：為晶體管各級(jí)提供合適的偏置；交流匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號(hào)有效地傳輸。3.5.1直流饋電電路

以集電極直流饋（供）電電路為例。饋電電路有兩種基本形式：串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電。

串饋就是把功放管，負(fù)載回路和直流電源三部分串聯(lián)起來(lái)。并饋就是將這三部分并聯(lián)起來(lái)。電路構(gòu)成原則：1.除晶體管內(nèi)部外，盡量沒(méi)有其他電阻消耗直流能量。2.負(fù)載回路產(chǎn)生所需的高頻輸出功率，濾除不要的諧波分量。Lc：扼流圈，對(duì)交流呈現(xiàn)大感抗，相當(dāng)于斷路。Cc：旁路電容，對(duì)交流有短路作用。3.5.2自給偏壓環(huán)節(jié)基極饋電電路也分串饋和并饋。串饋就是將高頻輸入信號(hào)電壓、基極直流電源和晶體管的發(fā)射結(jié)相串聯(lián)。并饋就是將三部分并聯(lián)起來(lái)。但基極很少使用獨(dú)立電源，多利用射極電流或基極電流的直流分量，在某個(gè)電阻上產(chǎn)生的電壓作為放大器的自給偏壓。串IeoCBLBLBLBCERBReVTVTVTIBOEb

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