《通信電子電路》(課件)_第三章_第1～4節(jié)

1、第三章 高頻調諧功率放大器3.1 概述3.2 調諧功率放大器的工作原理3.3 功率和效率3.4 調諧功率放大器的工作狀態(tài)分析3.5 調諧功率放大器的實用電路3.6 功率晶體管的高頻效應 3.7 倍頻器 3.8 集成高頻功率放大電路返回總目錄一、本章內(nèi)容二、本章重點和難點（一）本章重點 1.調諧功放的用途與特點(與小信號調諧放大器進行 比較)； 2.折線近似分析法； 3.調諧功放的工作原理； 4.功率和效率，區(qū)別五種功率和兩種效率； 5.工作狀態(tài)(過壓狀態(tài)、欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài))和阻 抗變換問題； 6.直流饋電電路；自給偏壓環(huán)節(jié)基流偏壓與射 流偏壓； 7.倍頻器。（二）本章難點 1.工作狀態(tài)分析特

2、別是過壓狀態(tài)； 2.自給偏壓環(huán)節(jié)； 3.調諧功率放大器動態(tài)負載線。reverse bias 反向偏置 zero bias 零偏置 forward bias 正向偏置2. C class 丙類3. tank circuit 槽路4. power 功率5. efficiency 效率6. cosine pulse 余弦脈沖三、相關英文詞匯一、作用 高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它是將電源供給的直流能量轉換為高頻交流輸出。 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，使之達到足夠功率輸出，以滿足天線發(fā)射或其他負載的要求。 作為載波發(fā)射機及無線電發(fā)射機輸出級或輸出前一級(末級

3、或末前級)。3.1 概述1.輸入信號強，電壓在幾百毫伏幾伏數(shù)量級附近;2.為了提高放大器的工作效率，它通常工作在丙類，即晶體管工作延伸到非線性區(qū)域飽和區(qū)、截止區(qū);3.要求：輸出功率大、效率高。二、特點 高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，用解析法分析較困難，故工程上普遍采用近似的分析方法折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。三、分析方法3.2 調諧功率放大器的工作原理一、電路二、折線近似分析法直線段近似法三、晶體管導通的特點、導通角、 余弦脈沖電流的分析四、槽路電壓注意:該電路和小信號調諧放大器的不同(bias)一、電路各元件的作用： Ec 是直流電源電壓； Eb 是基極偏置電源電壓。 輸入

4、信號經(jīng)變壓器T1 耦合到晶體管基-射極，這個信號也叫激勵信號。 L、C 組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負載，這個回路也叫槽路。 放大后的信號通過變壓器耦合到負載 RL上以達到阻抗匹配的要求。二、折線近似分析法直線段近似法圖3-2 晶體管特性及其折線化 所謂折線近似分析法，是將電子器件的特性理想化，每條特性曲線用一組折線來代替。這樣就忽略了特性曲線彎曲部分的影響，簡化了電流的計算，可滿足工程的需要。 在轉移特性的放大區(qū)，折線化后的線斜率為（約幾十至幾百）。此時，理想靜態(tài)特性可用下式表示 （3-1） 折線近似分析法可以使計算簡化，在一定程度上能反映出特性曲線的基本特點。對于分析大幅度電壓或電流作用下

5、的非線性電路有一定的準確度。常用來分析大信號調幅、檢波和調諧功率放大器。三、晶體管導通的特點、導通角、余弦脈沖電流的分析 1.晶體管導通的特點 無信號：晶體管截止 有信號：激勵信號 Eb+Uj 導通 當激勵信號 ube 足夠大，放大器工作在放大區(qū)和截止區(qū)，集電極電流是周期性的余弦脈沖，波形如圖3-3示。將ube表示式 代入式（3-1）可得(3-3) 根據(jù)導通角的定義， 當 時， 即 由此可得導通角 與Eb、Ubm、Uj 間的關系2.導通時間的衡量導通角 1）當Eb、Uj一定，改變激勵信號，就可改變導通角 (3-4) 2）當管子定下來，Uj 一定，在一定激勵信號下，改變Eb 就可改變導通角的大小

6、。圖3-3 折線法分析非線性電路電流電壓波形1）采用折線近似分析法 ic是周期性余弦脈沖電流。2）余弦特征的表達峰值Icmax ,導通角 3）余弦特征的分解直流成分、基波及 2、3、 n次諧波 。3.余弦脈沖電流的分析 周期性余弦脈沖電流可用傅里葉級數(shù)展開。為此，需要求得余弦脈沖電流的幅度Icmax 。將式（3-4）代入式（3-3）得到 當時，電流 ic 為最大值，以Icmax表示這樣電流 ic又可寫成 (3-5) (3-6)電流 ic 的傅里葉級數(shù)展開式為 (3-7)其中，ic 直流分量為(3-8)基波分量幅值為 (3-9)對于 n 次諧波的幅值為 (3-10) 上述各式都包含兩部分，一部分

7、是最大電流 Icmax ，另一部分是以 為變量的函數(shù)。 對應于直流分量、基波分量，n 次諧波分量的函數(shù)，分別用 、 、 表示，即 直流成分為 基波成分為 2次諧波為 、 、 稱作余弦脈沖分解系數(shù)，它們是導通角 的函數(shù)。 為了使用方便，將幾個常用系數(shù)與 的關系繪制在圖3-4中。圖3-4 余弦脈沖分解系數(shù)曲線 、 的特點1）2）當 ， ， 四、槽路電壓1.波形基本正弦 條件1）槽路調諧于基波 2）QL 足夠高（QL =510）2.大小 Rc抽頭部分諧振電阻3.相位圖3-3 折線法分析非線性電路電流電壓波形3.3 功率和效率 從能量轉換方面看，放大器是通過晶體管把直流功率轉換成交流功率，通過槽路把脈

8、沖功率轉換為正弦功率，然后傳輸給負載。在能量的轉換和傳輸過程中，不可避免地產(chǎn)生損耗，所以放大器的效率不能達到100。功率放大器功率大，電源供給、管子發(fā)熱等問題也大。為了盡量減小損耗，合理地利用晶體管和電源，必須了解功率放大器的功率和效率問題。 調諧功率放大器有如下五種功率需要考慮。1.電源供給的直流功率PS ；2.通過晶體管轉換的交流功率，即晶體管集電極輸出的交流功率Po ；3.通過槽路送給負載的交流功率,即RL 上得到的功率PL;4.晶體管在能量轉換過程中的損耗功率，即晶體管損耗功率PC ；5.槽路損耗功率 PT。 以上五項功率的相互關系可用圖3-5表示。電源供給的功率PS ，一部分(PC)

9、損耗在管子，使管子發(fā)熱；另一部分(Po)轉換為交流功率，輸出給槽路。通過槽路一部分(PT)損耗在槽路線圈和電容中，另一部分(PL)輸出給負載RL。圖3-5 調諧功率放大器中的功率關系 晶體管轉換能量的效率叫集電極效率，以 表示，其計算式為 (3-21) 槽路將交流功率Po傳送給負載的效率，叫槽路效率以 表示，其計算式為 (3-22) 下面分析 、 與哪些因素有關，以便設計出高效率的放大器。 電源供給功率PS和交流輸出功率Po可分別表示為 1.集電極效率（3-23）（3-24） 集電極效率 為 (3-25) 上式說明 與 、 成正比，是余弦脈沖基波分量和直流分量分解系數(shù)之比，代表著集電極電流基波

10、幅值與直流電流之比，所以這個比值叫集電極電流利用系數(shù)。因為 、 都是 的函數(shù)，所以它與負載、激勵大小及導通角有關。討論： 不論由于上述什么原因使Ucm增大時，則也增大，從而使 提高。 不過 也不能任意提高，因為在管子導通的某一瞬間，集電極電壓 uce下降的最小值為 ，則 ，當減小到一定程度（約為12V），晶體管進入飽和區(qū)。此后雖然Ucm仍可增大，ucemin進一步減小，電壓利用系數(shù)也有所提高，但其變化緩慢極限為1。 一般管子飽和電壓可按1V計算，高頻時可適當增大，例如，某放大區(qū)電源電壓 ，管子飽和壓降1V， 電壓利用系數(shù)為 根據(jù)以上分析，在調整較好的調諧放大器中 對比，甲類放大器 為180,查

11、曲線可知 由此可見丙類放大器的 比甲類約高一倍，這正是丙類優(yōu)于甲類的地方。 2.槽路效率 圖3-6是負載折算到槽路的等效回路，Um為回路兩端的電壓幅值。由圖可以看出，負載功率PL是RL所吸收的功率，槽路損耗功率PT是槽路空載電阻R0所吸收的功率；而集電極輸出的基波功率Po相當于總電阻R所吸收的功率。這些功率都可用槽路電壓和各有關電阻表示。即圖3-6 負載折算到槽路的等效回路及其功率關系將上兩式代入式（3-28）可得（3-29） 上式表明， 決定于槽路的空載與有載品質因數(shù)。Q0愈大，QL愈小，則 愈高。實際上，由于受到槽路元件質量的限制，Q0不可能很大，一般只有幾十到幾百。QL也不能太小，否則槽

12、路濾波效果太差，輸出波形不好，一般至少要 ，若 ， ，則 如果選用較好的L、C 元件，Q0 可再大些， 也可再高些，故在電路設計中 可按0.80.9估計。 知道了 和 ，就可以根據(jù)負載要求的輸出功率PL 計算晶體管損耗。 （3-30） PC 是選用晶體管容量的依據(jù)。例如 ， 則 若PL =1W，則晶體管損耗PC=0.31W，所選用晶體管功率容量必須大于此值。為留有余地，可選用PCM =0.5W 的管子。 在甲類放大器中，同樣容量的管子，理論上最高輸出功率也只有0.25W ，同丙類放大器相比要差4倍之多。 綜上所述，為了盡可能利用小功率容量的管子和電源，輸出較大的功率，應力求和 高。 高要適當選

13、取 ，電壓利用系數(shù)盡可能大； 高，要求槽路空載品質因數(shù)Q0大，即應選用低損耗的電感和電容元件。 為了討論調諧功率放大器不同工作狀態(tài)對電壓、電流、功率和效率的影響，需要對調諧功率放大器的動態(tài)特性進行分析。3.4 調諧功率放大器的工作狀態(tài)分析 調諧功率放大器的動態(tài)特性是晶體管內(nèi)部特性和外部特性結合起來的特性（即實際放大器的工作特性）。晶體管內(nèi)部特性是無載情況下，晶體管的輸出特性和轉移特性。 晶體管外部特性是有載情況下，晶體管輸入、輸出電壓（ ， ）同時變化時， ， 特性。一、調諧功率放大器的動態(tài)特性放大區(qū)動態(tài)特性由下列三個方程求得，即內(nèi)部特性方程 (3-31)外部特性方程 (3-32)將 代入式（

14、3-31），得 (3-33)由于則有 代入式（3-33）得 (3-34) 在回路參數(shù)、偏置、激勵、電源電壓確定后， 。它表明放大器的動態(tài)特性是一條直線，只需找出兩個特殊點，就可把動態(tài)線繪出。 例如，要確定靜態(tài)工作點Q 和起始導通點B 。 對于靜態(tài)工作點Q，其特征是 ，代入式（3-34）得 由于調諧功率放大器放大器Eb 和 Uj 的值恒為正，所以ic 為負值。Q 點的坐標（見圖3-7）為 Q點位于橫坐標的下方，即對應于靜態(tài)工作點的電流為負，這實際上是不可能的，它說明Q點是個假想點，反映了丙類放大器處于截止狀態(tài)，集電極無電流。 對于起始導通點B,其特征是 ,代入式（3-34）得解方程得 此時 ,晶

15、體管剛好處于截止到導通的轉折點，B點得坐標為圖3-7調諧功率放大器的動態(tài)特性 從上式可以看出，調諧功率放大器的動態(tài)電阻不僅與導通角 有關，而且與等效負載電阻Rc有關。 連Q,B點的直線并延長與 相交于C 點，BC段就是晶體管處于放大區(qū)的動態(tài)線。 由圖3-7可見，放大區(qū)的動態(tài)特性，類似于低頻放大器的負載特性，但是與它有著嚴格的區(qū)別。其動態(tài)線不僅是負載的函數(shù)，而且是導通角的函數(shù)。丙類放大器的動態(tài)電阻是1.調諧功率放大器的三種工作狀態(tài) 根據(jù)調諧功率放大器在工作時是否進入進入飽和區(qū)，可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過壓和臨界三種。1)欠壓若晶體管在任何時刻都工作在放大狀態(tài)，稱放大器工作在欠壓狀態(tài)；2)臨

16、界若剛剛進入飽和區(qū)的邊緣，稱放大器工作在臨界狀態(tài)；3)過壓若晶體管工作時有部分時間進入飽和區(qū)，則稱放大器工作在過壓狀態(tài)。二、調諧功率放大器的三種工作狀態(tài)及其判別方法 (欠壓) (臨界) (過壓)2. 工作狀態(tài)的判別方法三、 Rc 、Ec 、Eb 和Ubm變化對放大器工作狀態(tài)的影響因為 所以放大器的這三種工作狀態(tài)取決于集電極等效負載電阻 Rc電源電壓Ec偏置電壓Eb激勵電壓幅值Ubm 當調諧功率放大器的電源電壓、偏置電壓和激勵電壓幅值一定后，放大器的集電極電流，槽路電壓、輸出功率、效率隨晶體管等效負載電阻的變化特性被稱做調諧功率放大器的負載特性。 圖3-8表示在三種不同負載電阻Rc 時，作出的三

17、條不同動態(tài)特性QA1 ,QA2 , QA3A31. Rc變化對放大器工作狀態(tài)的影響 調諧功放的負載特性 圖3-8不同負載電阻時的動態(tài)特性 其中QA1 對應于欠壓狀態(tài)， QA2 對應于臨界狀態(tài)， QA3 A3 對應于過壓狀態(tài)。 圖3-9 放大器的負載特性曲線（1）欠壓狀態(tài) ， Ucm 幾乎隨R c成正比增加； ，可見輸出功率Po 隨R c增大而增加； ，接近常量； ，隨R c增大而增加； ，隨R c增大而減小。1）不同工作狀態(tài)下，電流、電壓 、功率、效率與 RL的關系 （2）過壓狀態(tài)( ) 輸出功率Po 隨 R c增大而減小。在臨界狀態(tài)Po 最大。 PS ，PC ， 自行分析。結論： 臨界狀態(tài)時

18、，放大器輸出功率Po最大，效率也較高。一般調諧功率放大器工作在臨界狀態(tài)、弱過壓狀態(tài)比較好。 2）阻抗匹配 在一定 Ec、Ubm下 ,調整Rc,使Rc=Rcp使放大器工作在臨界狀態(tài),可獲得最大的輸出功率Po 和高的效率 。符合此條件叫“阻抗匹配”。2. Ec變化對放大器工作狀態(tài)的影響 調諧功放的集電極調制特性 集電極調制特性是指當Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨集電極電源電壓Ec 變化的特性。 當Ec改變時，放大器工作狀態(tài)的變化如圖3-10示。因為Rc不變，動態(tài)負載特性曲線的斜率不變又因為Eb、Ubm不變，ubemax = Ubm - Eb也不變，因而，對應于ucemin的動態(tài)點必定在

19、的那條輸出特性曲線上移動。 Ec 變化，ucemin 也隨之變化。使得ucemin和Ucm的相對大小發(fā)生變化。當Ec較大時， ucemin 具有較大數(shù)值， ucemin Uces ，放大器工作在欠壓狀態(tài)。隨著Ec減小，ucemin 也減小，當ucemin=Uces ，放大器工作在臨界狀態(tài)。 Ec再減小, uceminEc2 時，放大器工作在欠壓狀態(tài)； Ec Ec2 時，放大器工作在過壓狀態(tài)。 即當Ec由大變小時，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓，ic波形也由余弦脈沖波形變?yōu)橹虚g出現(xiàn)凹陷的脈沖波?？梢奅c控制ic波形的變化。 由于Ec控制ic 波形的變化，Ic1m、Ic0以及Ucm=Ic1mRc 也同樣隨Ec變化而變化。如圖3-11所示。 這是集電極調制特性。該特性是晶體管集電極調幅的理論依據(jù)。 由圖可見，只有在過壓狀態(tài)Ec對Ucm才能有較大的控制作用，所以集電極調幅應工作在過壓狀態(tài)。 圖3-11 集電極調制特性 基極調制特性是指當Ec、Ubm、Rc保持恒定，