1,第三章高頻調(diào)諧功率放大器,2,3.1概述3.2調(diào)諧功率放大器的工作原理3.3功率和效率3.4調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析3.5調(diào)諧功率放大器的實(shí)用電路3.6功率晶體管的高頻效應(yīng)3.7倍頻器3.8集成高頻功率放大電路,一、本章內(nèi)容,3,二、本章重點(diǎn)和難點(diǎn),（一）本章重點(diǎn)1.調(diào)諧功放的用途與特點(diǎn)(與小信號(hào)調(diào)諧放大器進(jìn)行比較)；2.折線近似分析法；3.調(diào)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(guò)壓狀態(tài)、欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài))和阻抗變換問(wèn)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。,4,（二）本章難點(diǎn)1.工作狀態(tài)分析特別是過(guò)壓狀態(tài)；2.自給偏壓環(huán)節(jié)；3.調(diào)諧功率放大器動(dòng)態(tài)負(fù)載線。,5,reversebias反向偏置zerobias零偏置forwardbias正向偏置2.Cclass丙類3.tankcircuit槽路4.power功率5.efficiency效率6.cosinepulse余弦脈沖,三、相關(guān)英文詞匯,6,一、作用高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)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(hào)，使之達(dá)到足夠功率輸出，以滿足天線發(fā)射或其他負(fù)載的要求。作為載波發(fā)射機(jī)及無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出級(jí)或輸出前一級(jí)(末級(jí)或末前級(jí))。,3.1概述,7,1.輸入信號(hào)強(qiáng)，電壓在幾百毫伏幾伏數(shù)量級(jí)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(diǎn),8,高頻功率放大器因工作于大信號(hào)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(lái)分析其工作原理和工作狀態(tài)。,三、分析方法,9,3.2調(diào)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(dǎo)通的特點(diǎn)、導(dǎo)通角、余弦脈沖電流的分析四、槽路電壓,10,注意:該電路和小信號(hào)調(diào)諧放大器的不同(bias),一、電路,11,各元件的作用：,Ec直流電源電壓；Eb基極偏置電源電壓。,L、C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負(fù)載，這個(gè)回路也叫槽路。放大后的信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到負(fù)載RL上以達(dá)到阻抗匹配的要求。,輸入信號(hào)經(jīng)變壓器T1耦合到晶體管基-射極，這個(gè)信號(hào)也叫激勵(lì)信號(hào)。,12,二、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,13,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(lái)代替。這樣就忽略了特性曲線彎曲部分的影響，簡(jiǎn)化了電流的計(jì)算，可滿足工程的需要。,14,在轉(zhuǎn)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(shí)，理想靜態(tài)特性可用下式表示（3-1）,15,折線近似分析法可以使計(jì)算簡(jiǎn)化，在一定程度上能反映出特性曲線的基本特點(diǎn)。對(duì)于分析大幅度電壓或電流作用下的非線性電路有一定的準(zhǔn)確度。常用來(lái)分析大信號(hào)調(diào)幅、檢波和調(diào)諧功率放大器。,16,三、晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn)、導(dǎo)通角、余弦脈沖電流的分析,1.晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn)無(wú)信號(hào)：晶體管截止有信號(hào)：激勵(lì)信號(hào)Eb+Uj導(dǎo)通,17,當(dāng)激勵(lì)信號(hào)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),18,根據(jù)導(dǎo)通角的定義，當(dāng)時(shí)，即由此可得導(dǎo)通角與Eb、Ubm、Uj間的關(guān)系,19,2.導(dǎo)通時(shí)間的衡量導(dǎo)通角,1）當(dāng)Eb、Uj一定，改變激勵(lì)信號(hào)，就可改變導(dǎo)通角(3-4)2）當(dāng)管子定下來(lái)，Uj一定，在一定激勵(lì)信號(hào)下，改變Eb就可改變導(dǎo)通角的大小。,20,圖3-3折線法分析非線性電路電流電壓波形,21,1）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(dá)峰值Icmax,導(dǎo)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,22,周期性余弦脈沖電流可用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)。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,（3-3）,（3-4）,23,當(dāng),時(shí)，電流ic為最大值，以Icmax表示,這樣電流ic又可寫成,(3-5),(3-6),24,電流ic的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為,(3-7),其中，ic直流分量為,(3-8),25,基波分量幅值為,(3-9),對(duì)于n次諧波的幅值為,(3-10),上述各式都包含兩部分，一部分是最大電流Icmax，另一部分是以為變量的函數(shù)。,26,對(duì)應(yīng)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,27,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(dǎo)通角的函數(shù)。為了使用方便，將幾個(gè)常用系數(shù)與的關(guān)系繪制在圖3-4中。,28,圖3-4余弦脈沖分解系數(shù)曲線,29,、的特點(diǎn)1）2）當(dāng)，,30,四、槽路電壓,1.波形基本正弦條件1）槽路調(diào)諧于基波2）QL足夠高（QL=510）,31,2.電路分析Rc抽頭部分諧振電阻,32,圖3-3折線法分析非線性電路電流電壓波形,33,3.3功率和效率,調(diào)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(guò)晶體管轉(zhuǎn)換的交流功率，即晶體管集電極輸出的交流功率Po；3.通過(guò)槽路送給負(fù)載的交流功率,即RL上得到的功率PL;,34,4.晶體管在能量轉(zhuǎn)換過(guò)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(xiàng)功率的相互關(guān)系：電源供給的功率PS，一部分(PC)損耗在管子，使管子發(fā)熱；另一部分(Po)轉(zhuǎn)換為交流功率，輸出給槽路。通過(guò)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(fù)載RL。,35,圖3-5調(diào)諧功率放大器中的功率關(guān)系,36,晶體管轉(zhuǎn)換能量的效率叫集電極效率，以表示，其計(jì)算式為(3-21),37,槽路將交流功率Po傳送給負(fù)載的效率，叫槽路效率，以表示，其計(jì)算式為(3-22)下面分析、與哪些因素有關(guān)，以便設(shè)計(jì)出高效率的放大器。,38,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）,39,集電極效率為(3-25)上式說(shuō)明與、成正比，前者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幅值與直流電流之比，所以這個(gè)比值叫集電極電流利用系數(shù)。因?yàn)椤⒍际堑暮瘮?shù)，所以它與負(fù)載、激勵(lì)大小及導(dǎo)通角有關(guān)。,40,討論：不論由于上述什么原因使Ucm增大時(shí)，則也增大，從而使提高。不過(guò)也不能任意提高，因?yàn)樵诠茏訉?dǎo)通的某一瞬間，集電極電壓uce下降的最小值為,41,，則，當(dāng)減小到一定程度（約為12V），晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。此后雖然Ucm仍可增大，ucemin進(jìn)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。,42,一般管子飽和電壓可按1V計(jì)算，高頻時(shí)可適當(dāng)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,43,根據(jù)以上分析，在調(diào)整較好的調(diào)諧放大器中對(duì)比，甲類放大器為180,查曲線可知由此可見(jiàn)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。,44,2.槽路效率,圖3-6是負(fù)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(fù)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(dāng)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(guān)電阻表示。即,45,2.槽路效率,圖3-6是負(fù)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(fù)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(dāng)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(guān)電阻表示。即,46,圖3-6負(fù)載折算到槽路的等效回路及其功率關(guān)系,47,將上兩式代入式（3-28）可得,（3-29）,48,上式表明，決定于槽路的空載與有載品質(zhì)因數(shù)。Q0愈大，QL愈小，則愈高。實(shí)際上，由于受到槽路元件質(zhì)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(shè)計(jì)中可按0.80.9估計(jì)。,49,知道了和，就可以根據(jù)負(fù)載要求的輸出功率PL計(jì)算晶體管損耗。,（3-30）,50,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。,51,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(yīng)力求和高。高要適當(dāng)選取，電壓利用系數(shù)盡可能大；高，要求槽路空載品質(zhì)因數(shù)Q0大，即應(yīng)選用低損耗的電感和電容元件。,52,為了討論調(diào)諧功率放大器不同工作狀態(tài)對(duì)電壓、電流、功率和效率的影響，需要對(duì)調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。,3.4調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析,53,調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性是晶體管內(nèi)部特性和外部特性結(jié)合起來(lái)的特性（即實(shí)際放大器的工作特性）。晶體管內(nèi)部特性是無(wú)載情況下，晶體管的輸出特性和轉(zhuǎn)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(shí)變化時(shí)，特性。,一、調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,54,放大區(qū)動(dòng)態(tài)特性由下列三個(gè)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（3-31），得(3-33)由于則有,55,代入式（3-33）得(3-34)在回路參數(shù)、偏置、激勵(lì)、電源電壓確定后，。它表明放大器的動(dòng)態(tài)特性是一條直線，只需找出兩個(gè)特殊點(diǎn)，就可把動(dòng)態(tài)線繪出。例如，要確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q和起始導(dǎo)通點(diǎn)B。對(duì)于靜態(tài)工作點(diǎn)Q，其特征是，代入式（3-34）得,56,由于調(diào)諧功率放大器Eb和Uj的值恒為正，所以ic為負(fù)值。Q點(diǎn)的坐標(biāo)（見(jiàn)圖3-7）為,57,對(duì)于起始導(dǎo)通點(diǎn)B,其特征是,代入式（3-34）得解方程得此時(shí),晶體管剛好處于截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，B點(diǎn)的坐標(biāo)為,58,圖3-7調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,59,連Q,B點(diǎn)的直線并延長(zhǎng)與相交于C點(diǎn)，BC段就是晶體管處于放大區(qū)的動(dòng)態(tài)線。由圖3-7可見(jiàn)，放大區(qū)的動(dòng)態(tài)特性，類似于低頻放大器的負(fù)載特性，但是與它有著嚴(yán)格的區(qū)別。其動(dòng)態(tài)線不僅是負(fù)載的函數(shù)，而且是導(dǎo)通角的函數(shù)。,60,從上式可以看出，調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)電阻不僅與導(dǎo)通角有關(guān)，而且與等效負(fù)載電阻Rc有關(guān)。,丙類放大器的動(dòng)態(tài)電阻是,61,二、調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)及其判別方法,1.調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)根據(jù)調(diào)諧功率放大器在工作時(shí)是否進(jìn)入飽和區(qū)，可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過(guò)壓和臨界三種。,62,1)欠壓若晶體管在任何時(shí)刻都工作在放大狀態(tài)，稱放大器工作在欠壓狀態(tài)；2)臨界若剛剛進(jìn)入飽和區(qū)的邊緣，稱放大器工作在臨界狀態(tài)；3)過(guò)壓若晶體管工作時(shí)有部分時(shí)間進(jìn)入飽和區(qū)，則稱放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。,63,2.工作狀態(tài)的判別方法,(欠壓)(臨界)(過(guò)壓),64,三、Rc、Ec、Eb和Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響,因?yàn)?所以放大器的這三種工作狀態(tài)取決于集電極等效負(fù)載電阻Rc電源電壓Ec偏置電壓Eb激勵(lì)電壓幅值Ubm,65,當(dāng)調(diào)諧功率放大器的電源電壓、偏置電壓和激勵(lì)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(fù)載電阻的變化特性被稱做調(diào)諧功率放大器的負(fù)載特性。圖3-8表示在三種不同負(fù)載電阻Rc時(shí)，作出的三條不同動(dòng)態(tài)特性QA1,QA2,QA3A3,1.Rc變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響調(diào)諧功放的負(fù)載特性,66,圖3-8不同負(fù)載電阻時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,67,其中QA1對(duì)應(yīng)于欠壓狀態(tài)，QA2對(duì)應(yīng)于臨界狀態(tài)，QA3A3對(duì)應(yīng)于過(guò)壓狀態(tài)。,68,圖3-9放大器的負(fù)載特性曲線,69,（1）欠壓狀態(tài)，Ucm幾乎隨Rc成正比增加；可見(jiàn)輸出功率Po隨Rc增大而增加；接近常量；隨Rc增大而增加；隨Rc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(guān)系,70,（2）過(guò)壓狀態(tài)()輸出功率Po隨Rc增大而減小。在臨界狀態(tài)Po最大。PS，PC，自行分析。,71,結(jié)論：,臨界狀態(tài)時(shí)，放大器輸出功率Po最大，效率也較高。一般調(diào)諧功率放大器工作在臨界狀態(tài)、弱過(guò)壓狀態(tài)比較好。,72,73,2）阻抗匹配,在一定Ec、Ubm下,調(diào)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”。,74,2.Ec變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響調(diào)諧功放的集電極調(diào)制特性,集電極調(diào)制特性是指當(dāng)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(dāng)Ec改變時(shí)，放大器工作狀態(tài)的變化如圖3-10示。,75,因?yàn)镽c不變，動(dòng)態(tài)負(fù)載特性曲線的斜率不變。又因?yàn)镋b、Ubm不變，ubemax=Ubm-Eb也不變，因而，對(duì)應(yīng)于ucemin的動(dòng)態(tài)點(diǎn)必定在的那條輸出特性曲線上移動(dòng)。,76,Ec變化，ucemin也隨之變化。使得ucemin和Ucm的相對(duì)大小發(fā)生變化。當(dāng)Ec較大時(shí)，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(dāng)ucemin=Uces，放大器工作在臨界狀態(tài)。Ec再減小,uceminEc2時(shí)，放大器工作在欠壓狀態(tài)；Ec<Ec2時(shí)，放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。即當(dāng)Ec由大變小時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)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?jiàn)Ec控制ic波形的變化。,79,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(diào)制特性。該特性是晶體管集電極調(diào)幅的理論依據(jù)。由圖可見(jiàn)，只有在過(guò)壓狀態(tài)Ec對(duì)Ucm才能有較大的控制作用，所以集電極調(diào)幅應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)。,80,圖3-11集電極調(diào)制特性,81,基極調(diào)制特性是指當(dāng)Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨基極偏置電壓Eb變化的特性。因?yàn)椋?dāng)Ubm一定時(shí)，ubemax隨Eb改變，從而導(dǎo)致icmax和的變化。,3.Eb變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響基極調(diào)制特性,82,在欠壓狀態(tài)下，由于ubemax較小，所以icmax和也較小，從而Ic0、Ic1m都較小。當(dāng)Eb增大，icmax和也增大，從而Ic0和Ic1m也隨之增大，當(dāng)Eb增大到一定程度，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)壓，電流波形出現(xiàn)凹陷。,83,但此時(shí)，icmax和還會(huì)增大，所以Ic0、Ic1m隨著Eb增大略有增加。又由于Rc不變，所以Ucm的變化規(guī)律與Ic1m一樣。如圖3-12示。該特性是晶體管基極調(diào)幅的理論依據(jù)。由圖可以看出，在欠壓區(qū)，高頻振幅Ucm基本隨Eb成線性變化，所以Eb對(duì)Ucm有較強(qiáng)的控制作用，這就是基極調(diào)幅的工作原理。,84,圖3-12基極調(diào)制特性,85,4.Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響振幅特性,調(diào)諧功放的振幅特性是指當(dāng)Ec、Eb、Rc保持恒定，放大器的性能隨激勵(lì)振幅Ubm變化的特性。因?yàn)?，Eb和Ubm決定了放大器的ubemax，因此改變Ubm的情況和改變Eb的情況類似。,86,圖3-13調(diào)諧功放的振幅特性,87,由圖可見(jiàn)：在欠壓區(qū)，高頻振幅Ucm基本隨Ubm線性變化，所以為使輸出振幅Ucm反映輸入信號(hào)Ubm的變化，放大器必須在Ubm變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。當(dāng)調(diào)諧功放用作限幅器，將振幅在較大范圍內(nèi)變化的輸入信號(hào)變換為振幅恒定的輸出信號(hào)時(shí)，放大器必須在Ubm變化范圍內(nèi)工作在過(guò)壓狀態(tài)。,