6高频功率放大器

高频电子线路教案第六章高频功率放大器有星号标注的为重点内容，希望掌握6 高频功率放大器6.1 概述为了获得 足够大的高频输出功率，也必须采用高频功率放大器。例如，绪论中所示发射机方框图的高频部分，由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、未级功率放大级，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。这里所提到的放大级都属于高额功率放大器的范畴。由此可见，高频功率故大器是发送设备的重要组成部分。高频功率放大器和低额功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。但由于二者的工作频 率和相对频带宽度相差很大，就决定了它们之间有着根本的差异：低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20 至 20000Hz，高低频率之比达1000 倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高额功率放大器的工作频率高(由几百 kHz 一直到几百、几千甚至几万 MIb) ，但相对频带很窄，频宽越小。因此，高额功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类 (限于推挽电路 )状态；高额功率放大器则一般都工作于丙类(某些特殊情况可工作于乙类)。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的不同之点则是二者的工作频频与相对频宽不同，因而负载网络与工作状态也不同。功率放大器按工作状态分类：A（甲）类：导通角为o180； AB（甲乙）类：导通角为o90B（乙）类：导通角为o90； C （丙）类：导通角为o90近年来双出现了D类、 E类及 S类等开关功率放大器乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，近年来，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100%，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率)的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是所谓戊类放大器。这两类放大器是晶体管高频功率放大器的新发展。尤其是戊类放大器，是1975 年才出现的新型放大器，值得重视。由于高额功率放大器通常工作于丙类，属于非线性电路，因此不能用线性等效电路来分析。对它们的分析方法可以分为两大类广类是图解法即利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算；另一类是解析近似分折法，即将电子器件的特性曲线用某些近似解析式来表示，然后对放大器的工作状态进行分折计算。员常用的解析近似分折法是用折线段来表示电子器件的特性曲线，称为折线法。总的说来，图解法是从客观实际出发，计算结果比较准确，但对工作状态的分折不方便，手续较烦冗；折线近似法物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。对于晶体管高频功率放大器工作状态的分析，远不如电子管高频功率放大器的理论那么成熟。因为内部的物理过程比电子管复杂得多，尤其是在高频大信号工作时，更是如此。因此，晶体管高额功率放大器工作状态的计算相当困难，有些地方就是直接采用与电子管类比的方法来讨论的。通常只进行定性分析与估算，再依靠实验调整到预期的状态。高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽量高频电子线路教案第六章高频功率放大器有星号标注的为重点内容，希望掌握小，以免对其它频道产生于扰。如前所述，高频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，这是研究这种放大器时应抓住的主要矛盾。工作状态的选择就是由这主要矛盾决定的。可以这样说，在给定电子器件之后，为了获得高的输出功率与效率，应采用丙类工作状态。而允许采用丙类工作的先决条件，则是工作额率高、频带窄、允许采用调谐回路做负载。6.2 谐振功率放大器的工作原理 晶体管的工作情况与频率有极密切的关系通常可以把它的工作额率范围划分成如下三个区域：低额区：ff5 .0；中频区：Tfff2 .05.0；高额区：TTfff2.0f与Tf的关系是：Tff晶体管在低频区工作时，可以不考虑它的等效电路中的电抗分量与渡越时间的影响，此时能用分析电子高频功率放大器相类似的方法来分析计算晶体管电路，内容比较成熟。中频区的分析计算要考虑晶体管各个结电容的作用。高频区则需进一步考虑电极引线电感的作用。因此，中频区和高频区的严格分析与计算是相当因难的。本书将从低频区来说明晶体管高频功率放大器的工作原理。在 64 节再对晶体管在中频与高频区工作时的特点，进行定性的说明。6.2.1获得高效率所需要的条件从“低频电子线路”课程我们已经知道，不论是晶体管放大器还是电子管放大器，它们的作用原理都是利用输入到基扳(或栅极 )的信号，来控制集电极(或阳极 )的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。这种转换当然不可能是百分之百的，因为直流电源所供给的功率除了转变为交流输出功率的那一部分外，还有一部分功率以热能的形式捎耗在集电极(或阳极 )上，成为集电极 (阳极 )耗散功率。为方便起见，下面只讨论晶体管电路，但所得结论同样适用于电子管电路。设P直流电源供给的直流功率，Po交流输出信号功率，Pc集电极耗散功率。那么，根据能量守恒定律应有：PPo+ Pc，为了说明晶体管放大器的转换能力，采用集电极效率 vc，其定义为：PcPoPoc/。由上式可以得出以下两点结论；（1）尽量降低集电极耗散功率Pc，集电极效率自然会提高。在给定P时，晶体管的交流输出功率就会提高。由上面的式子可得：PcPocc 1如果c20%（甲类放大 )，则由上式得(Po)l l4Pc；如果c75%(丙类放大 )，则得到 (Po)23Pc”显然，(Po)2(Po)l。由此可见， 对于给定的晶体管，在同样的集电极耗散Pc 的条件下， 当c 由 20提高到75时，输出功率提高12 倍。可见，提高效率对输出功率有极大的影响。这一概念是十分重要的。 当然，这时输人直流功率也要相应地提高，才能在 Pc 不变的情况下， 增加输出功率。如何减小集电极耗散呢?参看图 1 所示的高额功率放大器的基本电路。我们知道， 在任一元件(呈电阻性 )上的耗散功率等于通过该元件的电流与该元件两端电压的乘积。因此，晶体管的集电极耗散功率在任何瞬间总是等于瞬时集电极电压vc 与瞬时集电极电流ic 的乘积。 如果使 ic 只有在 vc 最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。由此可见，要想获得高的集电极效率，放大器的集电极电流应该是脉冲状。当电流流通角小于180。 时，即为丙类工作状态，这时基极直流偏压 VBB使基极处于反向偏置状态。对于如图所示的NPN 型管来说，只有在激励信号vb 为正值的一段时间 (c至c)内才有集电极电流产生。1.基本电路结构除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：大功率晶体管，能承受高电压，大电流，一般工作时发射极反偏(C 类)；输入激励电路：提供所需要电压；输入谐振回路：（1）滤波选频，(2)阻高频电子线路教案第六章高频功率放大器有星号标注的为重点内容，希望掌握抗匹配。图 6.2.1 高额功率放大器的基本电路图 6.2.2 晶体管的转移特性曲线可以看出2 工作原理分析：图 2 中，将晶体管的转移持性理想化为一条直线交横轴于VBZ，VBZ称为裁止电压或起始电压。硅管的VBZ 0.40.6V，锗管的VBZ 0.20.3V。由因可知，2c是在一周期内的集电极电流流通 角，因此，c可称为半流通角或截止角(意即 wtc时，电流被截止)。为方便起见，以后将c简称为通角。由图2 可以看出（ VBB取绝对值）：BBBZcbmVVVcos则： cbmBBBZcVVVos/ 必须强调指出，集电极电流ic 虽然是脉冲状，包含很多谐波，失真很大，但由于在集电极电路内采用的是并联谐振回路(或其它形式的选频网络)，如使这并联回路谐振于基频，那么它对基频呈现很大的纯电阻性阻抗，而对谐波的阻抗则很小，可以看作短路，因此，并联谐振电路由于通过ic 所产生的电位降vc 也几乎只含有基频。这样，ic 的失真虽然很大，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。2. 功率关系cbmBBBVVvcos，ccmCCCVVvcos且集电极电流脉冲可以分解为：ntItItIIiccos2coscoscmncm1cm1co直流电源VCC 供给的直流功率为：PVcc*Ico 由于回路对基额谐振，呈纯电阻Rp 对其它谐波的阻抗很小，且呈容性 因此， 只有基频电流与基频电压才能产生输出功率。此时，回路可吸取的基频功率为：Po 0.5*Icm1*Vcm0.5Vcm2/Rp0.5*I cm12*Rp 因此，所需要的回路阻抗RpVcm/Icm1（ Vcc-vcmin）/Icm1Vcm2/2Po 则， Pc P-Po，因此可得集电极效率为：c coCCcmcm cgIVIVPPo 115.05.0CCcm VV称为集电极电压利用率；IcoIgcm c1 1称为波形系数，是通角c的函数，c越小，cg1越大。上式说明越大，c越小，则c效率越高。uBi?-UB?-UBuBE CCi?CCUbg高频电子线路教案第六章高频功率放大器有星号标注的为重点内容，希望掌握6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法6.3.1晶体管特性曲线以及其解析式 所谓折线近似分析法首先是要将电子器件的特性曲线理想化，每一条特性曲线用一条或几条直线 (组成拆线 )来代替。 这样， 就可以用简单的数学解析式宋代表电子器件的特性曲线。因而实际上只要知道解析式中的电子器件参数，就能进行计算，并不得要整套的特性曲线。这种计算比较简单，而且易于进行概括性的理论分析。它的缺点是准确度较低。但对于晶体管电路来说，目前还只能进行定性估算，因此只讨论折线近似法就行了。在对晶体管特性曲线进行折线化之前必须说明，由于晶体管特性与温度的关系很密切，因此，以下的讨论都是假定在温度恒定的情况。此外，因为实际上员常用共发射极电路，所以以后的讨论只限于共发射极组态。晶体管的静态特性曲线在折线法中主要用到的有两组：输出特性曲线与转移特性曲线。输出特性曲线是指基极电流(电压 )恒定时， 集电极电流与集电极电压的关系曲线。转移特性曲线是指集电极电压恒定时，集电极电流与基极电压的关系曲线。直线 1 将晶体管的工作区分为饱和区与放大区：在它的左方为饱和区，右方为放大区(当然，在靠近横轴处，ic 为 0，为截止区 )。这一点在低频电子线路)中已经讲过了。在高频功率放大器中，又常根据集电极电流是否进入饱和区，将它的工作状态分为三种；当放大器的集电极最大点电流在直线 1 的右方时，交流输出电压也较低，称为欠压工作状态：当集电极最大点电流进入直线1 的左方饱和区时，交流输出电压较高，称为过压工作状态；当集电极最大点电流正好沼在直线l 上时，称为临界工作状态。因此，直线1 称为临界线。对于今后的分析来说，最重要的是表征这条临界线的方程。它是一条通过原点，斜率为gcr的直线。因此，临界线方程可写为icgcr*vc 图 6.3.1 晶体管输出特性及其理想化图 6.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化由晶体管的转移特性曲线可以看出：当当BZBVV，0ci，BZBVV，BZBccVVgi。常数ceuBEc cVig，是折线斜率。6.3.2集电极余弦电流脉冲的分解当晶