高頻電子線路(第六章-功率放大器)

第六章

高頻功率放大器電路性質(zhì)：非線性放大器種類：丙類基礎(chǔ)知識：折線分析法1本章的知識結(jié)構(gòu)§6.1概述§6.2工作原理（重點）§6.3功率放大器的折線分析法（重點）一定要徹底吃透2本章知識的特點知識特點變量較多、題型非常靈活多變?nèi)龢O管不再單純處于工作區(qū)必須熟練掌握折線法學(xué)習(xí)方法一定要把教材208頁的波形圖徹底理解先畫圖再做題，理清變量關(guān)系。熟練掌握3§6.1概述（1）使用高頻功放的目的（2）功率放大器使用中需解決的兩個問題（3）高頻功率放大器的種類（4）高頻功放與小信號放大器的比較（5）高頻功放與低頻功放的區(qū)別（6）工作狀態(tài)（7）高頻功放的主要技術(shù)指標(biāo)4（1）使用高頻功放的目的從圖中可見，高頻功放是無線發(fā)射機的重要組成部分無線發(fā)射機無線接收機目的：放大高頻大信號,使發(fā)射機末級獲得足夠大的發(fā)射功率。5（2）功率放大器使用中需解決的兩個問題①高效率輸出②高功率輸出高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點都是輸出功率大和高。聯(lián)想對比：6（3）高頻功率放大器的種類諧振功率放大器（學(xué)習(xí)重點）特點是負(fù)載是一個諧振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末級；不易于自動調(diào)諧。寬帶功率放大器（了解即可）特點是負(fù)載是傳輸線變壓器，可在很寬的頻帶內(nèi)對高頻信號進行功率放大；功率增益有限，一般用于中小功率級。7（4）高頻功放與高頻小信號放大器的比較高頻小信號放大器高頻功放電路性質(zhì)線性非線性應(yīng)用場合發(fā)射機送給功放的信號接收機天線送來的信號發(fā)射機末端放大器類型甲類丙類集電極輸出波形與輸入信號一致余弦脈沖設(shè)計的目的信號波形放大、傳輸將電源的能量盡可能以信號的形式輸出最關(guān)心的指標(biāo)電壓增益效率8icebtooictVBZ相同之處：它們放大的信號均為高頻信號，而且放大器的負(fù)載均為諧振回路。不同之處：諧振功率放大器波形圖小信號諧振放大器波形圖icQebtooict（4）高頻功放與高頻小信號放大器的比較9激勵信號幅度大小不同；放大器工作點不同；晶體管動態(tài)范圍不同。（5）高頻（諧振）功放與低頻功放的區(qū)別低頻功放高頻功放工作頻率音頻射頻應(yīng)用場合接收機末端發(fā)射機末端負(fù)載純電阻LC諧振回路放大器類型甲類或乙類丙類相同之處：要求輸出功率大、效率高。不同之處：工作頻率、相對頻寬、放大器負(fù)載、放大器的工作狀態(tài)不同。10（6）工作狀態(tài)三極管四種工作狀態(tài)

根據(jù)正弦信號整個周期內(nèi)三極管的導(dǎo)通情況劃分乙類：導(dǎo)通角等于180°甲類：一個周期內(nèi)均導(dǎo)通甲乙類：導(dǎo)通角大于180°丙類：導(dǎo)通角小于180°11（6）工作狀態(tài)表2-1不同工作狀態(tài)時放大器的特點

工作狀態(tài)

半導(dǎo)通角

理想效率

負(fù)

載

應(yīng)

用

甲類

qc=180°

50%

電阻

低頻

乙類

qc=90°

78.5%

推挽，回路

低頻，高頻

甲乙類

90°＜qc＜180°

50%＜h＜78.5%

推挽

低頻

丙類

qc＜90°

h＞78.5%

選頻回路

高頻

丁類

開關(guān)狀態(tài)

90%~100%

選頻回路

高頻

功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無調(diào)諧負(fù)載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；

諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號(信號的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(

c＜90

)，為了不失真的放大信號，它的負(fù)載必須是諧振回路。12（7）高頻功放的主要技術(shù)指標(biāo)主要指標(biāo)：輸出功率效率（將電源能量轉(zhuǎn)換成輸出信號能量的能力）大家應(yīng)當(dāng)了解的工程指標(biāo)諧波場強2ω0的場強與ω0的場強之比小于萬分之二在發(fā)射機1km處2ω0的場強小于50(uV/m)諧波功率（小于25mW）13§6.2諧振功率放大器工作原理§6.2.1獲得高效率所需要的條件（1）為什么諧振功率放大器要處于丙類？不難看出，設(shè)法降低Pc可以提高功放的效率14Pc與ic和Vc的關(guān)系+Vc-icPc的瞬時功率為ic和Vc的乘積15甲類、乙類、丙類放大器的演示16為什么在丙類時Pc最小可見丙類放大器的Pc最小，效率最高17直流電源VCC給出的能量儲存在電容C之中。高頻功放提高效率的途徑：（1）工作在丙類工作狀態(tài)；（2）在（1）的前提下，ic最大，vc最?。ǘ叩瓜啵?。18（2）諧振功放的基本電路為什么必須以LC回路作為負(fù)載？首先，為了提高功放效率，在基極回路加入了反向偏置電壓VBB，從而使放大器處于丙類。因此集電極輸出的波形不再是余弦信號，而是余弦脈沖（原因參見第五章折線法，或看前兩頁的Flash）19vBiC近似為vBiC（2）諧振功放的基本電路考慮在流通角內(nèi)20余弦脈沖可以看作是多個頻率分量的疊加ωticωtωtωt21通過LC回路,濾去無用分量，只留下Icm1cosωt分量22回路失諧可能造成什么后果?從輸出信號和三極管兩個角度來分析對輸出來說，如果LC回路失諧，相當(dāng)于濾波器的中心頻率偏移，會使有用頻率幅度降低，而使無用頻率得到放大，從而使輸出波形產(chǎn)生失真；對三極管來說，如果LC回路失諧，根據(jù)第三章知識，則LC的導(dǎo)納變大（阻抗變小），使回路電流增大，而且電壓集中在三極管上，三極管可能由于功率過大而燒毀。23（3）電路圖中各變量關(guān)系及波形分析分析第一步：輸入信號有反向偏置電壓，從而輸出為余弦脈沖vBEiCtiC

t24分析第二步：把集電極余弦電流脈沖看成一系列電流源的疊加等效為了分析更清晰，先假設(shè)沒有抽頭由于LC的選頻作用25分析第三步：VCC減去vo得到集電極電壓vCtvC26vBE、iC、vC的相位關(guān)系27分析第四步：把輸入信號，集電極電流，集電極電壓對齊畫出28分析第五步：把輸入信號，集電極電流，集電極電壓畫到同一個坐標(biāo)中（從圖中可以讀出很多關(guān)系）可以看出，vBEmax最大時，iC最大值iCmax，vC最小值vCmin29晶體管內(nèi)部特性：30外部電路關(guān)系：§6.2諧振功率放大器工作原理（4）對2個問題的解釋問題一（可能會引起同學(xué)們困惑的問題）為什么ic的波形時有時無,而輸出的波形vo卻能是連續(xù)的?問題二（有的題目已知條件不給θc,而解題中又需要θc

）半流通角θc通常取多大比較合適?31問題一：為什么ic的波形時有時無,而輸出的波形vo卻能是連續(xù)的?如果能從頻譜的角度來理解最好，即ic是有很多余弦分量相加而成的，經(jīng)過濾波器將其他分量濾除，剩下的自然是一個基頻余弦分量Icm1cosωt另外一種理解方法是：LC具有儲能作用，當(dāng)ic為0時，由于C上電壓不能突變，所以在LC之間來回充放電，可以用自行車飛輪或一個單擺來比喻。3233LC回路能量轉(zhuǎn)換過程回路的這種濾波作用也可從能量的觀點來解釋。回路是由L、C二個儲能元件組成。

由于這種周期性的能量補充，所以振蕩回路能維持振蕩。當(dāng)補充的能量與消耗的能量相等時，電路中就建立起動態(tài)平衡，因而維持了等幅的正弦波振蕩。（1）截止進入導(dǎo)通時：L的電流不能突變，對C充電。直流電源VCC給出的能量儲存在電容C之中。（2）晶體管截止：C上電壓不能突變，通過L進行放電。將LC比喻成單擺如果把單擺擺到左邊比喻成能量儲存到電感，則單擺擺到右邊可比喻成能量儲存到電容，要是單擺持續(xù)擺動，不需要手一直推，而在適當(dāng)?shù)臅r候推很短的一下（可比喻成ic

）即可。34問題二：半流通角θc通常多大合適?如果θc取值過大，趨向甲類放大器，則效率太低；如果θc取值過小，效率雖然提高了，但輸出功率的絕對值太?。ㄒ驗閕c脈沖太低）；這是一對矛盾，根據(jù)實驗折中，人們通常取3536§6.2.2功率關(guān)系和效率§6.2.2功率關(guān)系和效率余弦電流脈沖ic可分解為付立葉級數(shù)：3738tvC3940諧振功放的特點（1）放大高頻大信號，屬于非線性工作狀態(tài)；（2）基極偏置為負(fù)值，

c＜90

，丙類（3）電流脈沖是尖頂余弦脈沖；（4）負(fù)載是LC諧振回路。§6.3功率放大器的折線分析法§6.3.1晶體管特性曲線理想化及表達式

折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進行分析和計算的方法。

對諧振功率放大器進行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0和基頻分量Icm1。41421、輸出特性折線化若臨界線的斜率為gcr，則臨界線方程可寫為ic=gcrec431)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。

在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。442、轉(zhuǎn)移特性折線化§6.3.2集電極余弦脈沖電流ic分解iC

t在第五章的折線分析法中我們已經(jīng)得到從第五章可知它為cosθc從第五章可知它為iCmax45§6.3.2集電極余弦脈沖電流iC分解46§6.3.2集電極余弦脈沖電流iC分解同理可得其中：要求掌握不要求掌握47θc對高頻諧振功放效率的影響余弦脈沖的分解系數(shù)48θc對高頻諧振功放效率的影響余弦脈沖的分解系數(shù)495051§6.3.3高頻功放動態(tài)特性及負(fù)載特性1.動態(tài)特性

高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。

為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。

在考慮了負(fù)載的作用后，所獲得vC、vBE與ic的關(guān)系曲線叫做動態(tài)特性曲線。

當(dāng)vC、vBE同時變化時，ic—vC關(guān)系的動態(tài)特性曲線。（負(fù)載線）t521.動態(tài)特性外部電路關(guān)系負(fù)載線的表達式t代入53畫出負(fù)載線iCt三極管工作三極管截止54功放隨時間變化的Flash演示55負(fù)載線的Q點（注意是虛擬的）56—虛擬電流57iCt三極管工作三極管截止負(fù)載線的A點第五次作業(yè)教材P272頁習(xí)題6.2習(xí)題6.3習(xí)題6.458對負(fù)載線的簡要復(fù)習(xí)59從“時間t”的角度畫出并理解負(fù)載線iCvC工作區(qū)截止區(qū)工作區(qū)截止區(qū)iCvC工作區(qū)截止區(qū)工作區(qū)截止區(qū)vCtVCCvCtVCCvCtVCCvCtVCCvCtVCCvCiC60例題6.1一高頻諧振功放,已知求：61例題6.1(解)62例題6.1(解)63642.負(fù)載特性

如果VCC、VBB、Vbm3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻Rp決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。放大器的三種工作狀態(tài)之欠壓狀態(tài)iCt65放大器的三種工作狀態(tài)之臨界狀態(tài)iCt66臨界狀態(tài)的特點(1)往往利用這些特點來解題。iCvC67臨界狀態(tài)的特點(2)iCt做題時常用此方法68放大器的三種工作狀態(tài)之過壓狀態(tài)iCt三極管工作區(qū)三極管飽和區(qū)69三種狀態(tài)的波形匯總70例題6.2一高頻諧振功放處于臨界狀態(tài),且已知求71例題6.2(解)72例題6.2(解)iCt73例題6.2(解)74例題6.2(解)75功放的負(fù)載特性（即Rp變化對功率和效率的影響）vBEmaxicvCIcm1Ic0VcmRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界態(tài)76功放的負(fù)載特性（即Rp變化對功率和效率的影響）Icm1Ic0VcmRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界態(tài)Rp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界態(tài)P=PcPo77三種狀態(tài)的小結(jié)（欠壓狀態(tài)特點）

欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。78三種狀態(tài)的小結(jié)（臨界狀態(tài)特點）臨界狀態(tài)的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機的末級常設(shè)計成這種狀態(tài)，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態(tài)為例。79三種狀態(tài)的小結(jié)（過壓狀態(tài)特點）過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。80

掌握負(fù)載特性，對分析集電極調(diào)幅電路、基極調(diào)幅電路的工作原理，對實際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標(biāo)是很有幫助的。負(fù)載特性的動畫演示81§6.3.4各極電壓對工作狀態(tài)的影響821.其他條件不變,VCC改變對工作狀態(tài)的影響831.其他條件不變,VCC改變對工作狀態(tài)的影響臨界過壓區(qū)欠壓區(qū)841.其他條件不變,VCC改變對工作狀態(tài)的影響852.其他條件不變,Vbm改變對工作狀態(tài)的影響862.其他條件不變,Vbm改變對工作狀態(tài)的影響臨界欠壓區(qū)過壓區(qū)872.其他條件不變,Vbm改變對工作狀態(tài)的影響883.其他條件不變,VBB改變對工作狀態(tài)的影響89各變量對功放狀態(tài)影響的總結(jié)例題6.3一個諧振功放處于過壓狀態(tài)，如果想把它調(diào)到臨界狀態(tài)，可以采取哪些措施？90過壓和欠壓狀態(tài)的一個重要特點

（做題時常用）過壓狀態(tài)下：欠壓狀態(tài)下：91例題6.4已知一高頻功放處于臨界狀態(tài),輸出功率為10W，Vcc=12V，半流通角為70度,集電極電壓利用系數(shù)為0.96，且α1=0.44，α0=0.25(1)求P=、Pc、ηc、Rp(2)若Vbm增加一倍Po=?92例題6.4(解)方法一：從Vcm和Icm1入手方法二：從ηc入手（后面的步驟略）9394總結(jié)—諧振功率放大器的計算諧振功率放大器的主要指標(biāo)是功率和效率。以臨界狀態(tài)為例：1)首先要求得集電極電流脈沖的兩