通信電子電路于洪珍第三章-第1～4節(jié)1

1、第三章 高頻調(diào)諧功率放大器,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,,返回總目錄,一、本章內(nèi)容,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

2、.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(diǎn) 1.工作狀態(tài)分析——特別是過壓狀態(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。,,reverse bias 反向偏置 zero bias 零偏置

3、 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(guān)英文詞匯,一、作用 高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換

4、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,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

5、功率大、效率高。,二、特點(diǎn),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——折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。,,三、分析方法,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,注意:該電路和小信號(hào)調(diào)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；

6、 Eb 是基極偏置電源電壓。 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)。 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)通過變壓器耦合到負(fù)載 RL上以達(dá)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

7、分的影響，簡化了電流的計(jì)算，可滿足工程的需要。 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） 折線近似分析法可以使計(jì)算簡化，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

8、準(zhǔn)確度。常用來分析大信號(hào)調(diào)幅、檢波和調(diào)諧功率放大器。,,,,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) 無信號(hào)：晶體管截止 有信號(hào)：激勵(lì)信號(hào) Eb+Uj 導(dǎo)通 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),根據(jù)導(dǎo)通角的定義， 當(dāng) 時(shí)，

9、 即 由此可得導(dǎo)通角? 與Eb、Ubm、Uj 間的關(guān)系,,,,,,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，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。,,,圖3-3 折線法分析非線性電路電流

10、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(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,,周期性余弦脈沖電流可用傅里葉級(jí)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(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)

11、,電流 ic 的傅里葉級(jí)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(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)。,,,,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,,直流成分為 基波成分為 2次諧波為 、 、 稱作

12、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。,,,,,,,,,,,,圖3-4 余弦脈沖分解系數(shù)曲線,、 的特點(diǎn)1）2）當(dāng) ， ，,,,,,,,,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 =5~10）

13、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(zhuǎn)換方面看，放大器是通過晶體管把直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率，通過槽路把脈沖功率轉(zhuǎn)換為正弦功率，然后傳輸給負(fù)載。在能量的轉(zhuǎn)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(dá)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

14、源，必須了解功率放大器的功率和效率問題。 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.通過槽路送給負(fù)載的交流功率,即RL 上得到的功率PL;4.晶體管在能量轉(zhuǎn)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(xiàng)功率的相互關(guān)系可用圖3-5表示。電源供給的功率PS ，一部分(PC)損耗在

15、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。,圖3-5 調(diào)諧功率放大器中的功率關(guān)系,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) 槽路將交流功率Po傳送給

16、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。,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

17、 (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)?

18、 、 都是? 的函數(shù)，所以它與負(fù)載、激勵(lì)大小及導(dǎo)通角有關(guān)。,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 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 ，則 ，當(dāng)減小到一定程度（約為1?2V），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。

19、,,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,,,,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(fù)載折算到槽路的等效回路，U

20、m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,,,,,,,,,,,,圖3-6 負(fù)載折算到槽路的等效回路及其功率關(guān)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(zhì)因數(shù)。Q0愈大，QL愈小，則 愈高。實(shí)際上，由于受

21、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0.8?0.9估計(jì)。,,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）,,,PC 是選用晶體管容量的依據(jù)。例如

22、 ， 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(yīng)力求和 高。 高要適當(dāng)選取? ，電壓利用系

23、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。,,,,,,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,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

24、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,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

25、 (3-32)將 代入式（3-31），得 (3-33)由于則有,,,,代入式（3-33）得

26、 (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）

27、得,,由于調(diào)諧功率放大器放大器Eb 和 Uj 的值恒為正，所以ic 為負(fù)值。Q 點(diǎn)的坐標(biāo)（見圖3-7）為,Q點(diǎn)位于橫坐標(biāo)的下方，即對(duì)應(yīng)于靜態(tài)工作點(diǎn)的電流為負(fù)，這實(shí)際上是不可能的，它說明Q點(diǎn)是個(gè)假想點(diǎn)，反映了丙類放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極無電流。 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

28、點(diǎn)得坐標(biāo)為,,圖3-7調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,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)。,,,,連Q,B點(diǎn)的直線并延長與 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，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)。丙類放大器的動(dòng)態(tài)電阻是,,1

29、.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、過壓和臨界三種。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壓狀態(tài)。,二、調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)及其判別方法,(欠壓)

30、 (臨界) (過壓),,,,,,,,,2. 工作狀態(tài)的判別方法,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,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

31、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 , QA3A’3,,,,,,,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,圖3-8不同負(fù)載電阻時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,其中QA1 對(duì)應(yīng)于欠壓狀態(tài)， QA2 對(duì)應(yīng)于臨界狀態(tài)， QA

32、3 A’3 對(duì)應(yīng)于過壓狀態(tài)。,圖3-9 放大器的負(fù)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 、

33、功率、效率與 RL的關(guān)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。,,,,,,,,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)、弱過壓狀態(tài)比較好。,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

34、“阻抗匹配”。,,,,,,,,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。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)

35、態(tài)點(diǎn)必定在的那條輸出特性曲線上移動(dòng)。,,,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, ucemin< Uces 時(shí)，放大器工作在過壓狀態(tài)。,圖3-10 Ec改變時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影

36、響,Ec =Ec2 時(shí)，放大器工作在臨界狀態(tài)； Ec >Ec2 時(shí)，放大器工作在欠壓狀態(tài)； Ec <Ec2 時(shí)，放大器工作在過壓狀態(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。可見Ec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。

37、 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，只有在過壓狀態(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)工作在過壓狀態(tài)。,,,,,,,,,圖3-11 集電極調(diào)制特性,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)?，當(dāng)Ubm一定時(shí)， ubemax 隨Eb 改變，從而導(dǎo)致 icmax 和 ? 的變

38、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,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)入過壓，電流波形出現(xiàn)凹陷。,,,但此時(shí)，icmax和?

39、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。,,,,圖3-12 基極調(diào)制特性,4. Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響 ——振幅

40、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。,,圖3-13 調(diào)諧功放的振幅特性,由圖可見： 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)