第2章 高频调谐功率放大器 章2.1 概述 2.2 高频功率放大器的工作原理 2.3 高频功率放大器的动态分析 2.4 高频功率放大器的实用电路

下一页

返回

2.1 概述在高频范围内，为了获得足够的高频输出功率， 在高频范围内，为了获得足够的高频输出功率，必须采 用高频功率放大器，这是发送设备的重要组成部分。 用高频功率放大器，这是发送设备的重要组成部分。 1.低频功放与高频功放的异同点 低频功放与高频功放的异同点 输出功率大 (1)共同点 ) 效率高 (2)区别 ) 高频功放 低频功放 高频调谐 工作频率低( ~ ①工作频率低(200~20000Hz) ①工作频率高 ) 功率放大器 ②相对频带宽度窄 ②相对频带宽度很宽 选频网络作负载 采用选频网络 ③采用电阻或变压器作负载 ③采用选频网络作负载 工作在丙类 丙类状态 一般工作在甲、 ④工作在丙类状态 ④一般工作在甲、乙、甲乙类 不能用线性模型来分析， ⑤不能用线性模型来分析，一 图解法或 般采用图解法 折线法分析 般采用图解法或折线法分析

Q点设在 点设在 电流导通角分类 分类) 2.功率放大器工作状态的分类(按电流导通角分类) 放大区中部 功率放大器工作状态的分类 A类(甲类):导通角θ = 180°,晶体管始终工作在线性放大区； ):导通角 晶体管始终工作在线性放大区 线性放大区； 类 甲类): AB类(甲乙类):导通角 θ > 90° ,Q点设在放大区内但接近 ):导通角 类 甲乙类): 点设在放大区内但接近 截止区； 截止区； B类(乙类):导通角 θ = 90° ,Q点设在截止区边缘； ):导通角 点设在截止区边缘； 类 乙类): 点设在截止区边缘 C类(丙类):导通角 θ < 90° ,Q点设在截止区内； ):导通角 点设在截止区内； 类 丙类): 点设在截止区内 D类(丁类)、 类(戊类)工作于开关状态。 )、E类 戊类)工作于开关状态。 类 丁类)、 3.晶体管的静态特性曲线 晶体管的静态特性曲线 (1)输入特性曲线 )iB

2.1 概述

U BZ

uBE

(2)转移特性曲线 ) iC = f ( BE )u =常量 uCE

常用

(3)输出特性曲线 ) iC = f ( CE )u =常量 一族曲线 uBE

ic

iC饱和区

Q截止区

QA类： = 180° , 类θ Q点位于放大区 点位于放大区 B类： = 90° , 类 θ U BB = U BZ C类： < 90° , 类 θ U BB < U BZuBEO

UBB

U

ICEO EC

BZ

uCE

横轴为 uCE

横轴为 uBE

2.2 高频功率放大器的工作原理 2.2.1 工作原理分析1.电路结构 电路结构+ uS + ub -UBB C L

ic + uCE C Rp

+ ub -UBB

+ L u c1 -

EC

EC (b) 等效电路

(a) 原理电路

从电路结构上看，它由四部分组成： 从电路结构上看，它由四部分组成： (1)直流偏置电

路，其中基极偏置电路：为晶体管发射 )直流偏置电路，其中基极偏置电路： 结提供负偏压，使放大器工作于C类状态 类状态。 结提供负偏压，使放大器工作于 类状态。 (2)输入回路：提供所需的信号电压。 )输入回路：提供所需的信号电压。 是高频大功率晶体管， (3)晶体管是高频大功率晶体管，能承受高电压、大电 )晶体管是高频大功率晶体管 能承受高电压、 流，而且 fT↑,一般发射结反偏。 ,一般发射结反偏。 谐振回路组成， 选频和 (4)输出回路：由LC谐振回路组成，具有选频和阻抗匹 )输出回路： 谐振回路组成 具有选频 的作用。 配的作用。

2.工作原理 工作原理 (1)集电极电流 ic ) 设输入的交流信号为 ub (t ) = U bm cos ωt 则加到晶体管基极、 则加到晶体管基极、发射极之间 的有效电压为 uBE = ub (t ) U BB = U BB + U bm cos ωt 由晶体管的转移特性曲线有： 由晶体管的转移特性曲线有： uBE < U BZ 时，截止且 ic = 0 uBE > U BZ时，导通且有 ic = g c (uBE U BZ ) ic

+ ub -

+ uBE

+ uCE C _

ic

Rp

+ L u c1 -

-UBB

EC

gC

ic

∴有 θ ic = g c ( U BB + U bm cos ωt U BZ )C

-UBB

UBZ

uBE θ C ub

θC

θC

仿真

Ubm

2.工作原理 工作原理 (1)集电极电流 ic ) ic = g c ( U BB + U bm cos ωt U BZ ) ①当ωt = θ c 时，ic = 0有cos θ c = U BB + U BZ U bm

ic+ ub + uBE + uCE C Rp

_

+ L u c1 -

θ c = arc cos

U BB + U BZ U bm

-UBB

EC

∴ ic = g c [U bm cos ωt (U BB + U BZ )] = g c (U bm cos ωt U bm cos θ c )= g cU bm (cos ωt cos θ c )

ic

gC

icIcmax

②当ωt = 0 时，有 I c max = g cU bm (1 cos θ c ) 即 I c max 尖顶余 g cU bm = 1 cos θ c 弦脉冲 代入上式有 cos ωt cos θ c ic = I c max 1 cos θ c

-UBB θC

UBZ

uBE θC θC ub

θC

Ubm

(1)集电极电流 ic ) cos ωt cos θ c ic = I c max 1 cos θ c

周期性的尖 周期性的尖 顶余弦脉冲

进行傅立叶级数展开有： 对集电极电流 ic 进行傅立叶级数展开有： ic = I co + I cm1 cos ωt + I cm1 cos 2ωt + + I cmn cos nωt + ic Icmax ic1 ic2 ic3 Ico ωt θc θc

其中各系数分别为： 其中各系数分别为： I sin θ c θ c cos θ c 1 π I co = ic d (ωt ) = c max = I c maxα 0 (θ c ) ∫ π 2π π 1 cos θ c θ c sin θ c cos θ c 1 π I cm1 = ∫ ic cos ωtd (ωt ) = I c max i = I c maxα1 (θ c ) π π π (1 cos θ c ) 1 π I cmn = ∫ ic cos nωtd (ωt ) = I c maxα n (θ c ) 尖顶余弦脉冲 π π 的分解系数

((2)集电极输出电压 uCE 3)) 、电流波形图 )电压、 电压 uBE = U BB + U bm cos ωt i 设高频功放输出端的LC谐振回路谐振于输入信号频率即基 谐振回路谐振于 设高频功放输出端的 谐振回路谐振于输入信

号频率即基 θ c u cos ωt cos u ic = I c max呈纯电阻， U 波频率ω ,谐振电阻为R ,则此回路对gi 中基波电流呈纯电阻， 基波电流呈纯电阻θ p c 1 cos c -U t -U U U 而对其他谐波失谐阻抗很小，因此回路选出基波电流， 而对其他谐波失谐阻抗很小， 因此回路选出基波电流，滤除其余 θ u i = i i b c β θ 各次谐波。 各次谐波。 u uCE = Ec U cm1 cos ωt I U 故LC回路两端的电压为 回路两端的电压为 i t ic ic1 uc1 = I cm1 R p cos ωt Icmax I ic

BE

b

BZ

C

BB

BB

bm

C

BZ

c

BE

C

b

cmax

bm

b

= U cm1 cos ωt u uCE c

t

c2

ic3

co

ωt θcUcm1 t

EC

θc

故集电极输出电压为 uCE = Ec I cm1 R p cos ωt+ uCE C -

iC频谱

ic

+ ub -

+ uBE

Rp

L

_

+ uc1 -

LC 回路 阻抗

0

ω

2ω

3ω

Rp

仿真

ω-UBB EC

(1)集电极直流电源Ec提供的直流功率 PD = Ec I co ) (2)集电极输出回路得到的高频交流功率 ) 2 1 1 2 1 U cm1 Po = U cm1 I cm1 = I cm1 R p = 2 2 2 Rp1

2.2.2 高频功放的功率和效率

重点

U cm1 α 集电极电压利用系数 ξ = (3)集电极功耗 PC = PD Po ) Ec α (4)集电极回路的能量转换效率 ) I cm1 α1 (θ2.0) c 波形系数 g1 (θ c ) = g = P U I 1 α 0 (θ c ) α I co 1.0 η = o = cm1 cm1 = ξ g1 (θ c ) α PD 2 Ec I co 2 查图2.5 查图 θ 讨论： 讨论： U cm1 I cm1 R p = ①ξ = ∴ R p ↑→ U cm1 ↑→ ξ ↑→ η ↑ Ec Ec I cm1 α1 (θ c ) ②g1 (θ c ) = I = α (θ ) ∴θ c ↓→ g1 (θ c ) ↑→ η ↑ θ c ↓ co 0 c ξ 提高功率效率的两个措施： ③提高功率效率的两个措施： ↑ 和 g1 (θ c ) ↑ 兼顾两者， 兼顾两者，最佳 α 的措施： 提高Po 的措施： 1 (θ c ) ↑ θc ↑ 矛盾 导通角θ c = 70°o 1 2 3 c

RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率 上，且回路的 值足够 串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上 且回路的Q值足够 1. D类功率放大器 类功率放大器 则通过回路的电流i 是角频率为ω的余弦波 的余弦波， 高，则通过回路的电流 c1或ic2是角频率为 的余弦波，RL上可得相 D类功的晶体管工作于开关状态：导通时，管子进入饱和区， 类功的晶体管工作于开关状态 类功的晶体管工作于开关状态：导通时，管子进入饱和区， 对输入信号不失真的输出功率。 对输入信号不失真的输出功率。 其内阻接近于0;截止时，电流为零，内阻接近于无穷大。 其内阻接近于 ；截止时，电流为零，内阻接近于无穷大。 u E 两种基本电路， D类功放有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开 类功放有电压开关型 类功放有电压开关型和电流开关型两种基本电路 关型D类功放是已推广应用的电路 类功放是已推广应用的电路。 关型 类功放是已推广应用的电路。 E -2U VT E U C i (1

) D类功放的原理分析 ωt ) 类功放的原理分析 i T ub1和ub2是由 i通过变压器 1产 是由u 通过变压器T u L uA C 生的两个极性相反的输入激励电压。 极性相反的输入激励电压 生的两个极性相反的输入激励电压。 u ωt VT i 正半周：VT 管饱和导通，VT ui正半周： 1管饱和导通， 2 i uL R 管截止，电源E 对电容C充电 充电， 管截止，电源 C对电容 充电，电容 u ωt u 上的电压很快充至( 上的电压很快充至(EC-UCES1)值，A 点对地的电压u ( 点对地的电压 A=(EC-UCES1) 。A C C CES CES 1 C c1 C c1 1 b1 i c2 2 c2 L b2 L

因此u 类和 近似为矩形波电压，幅值为( )。若 、 和 因此 A近似为矩形波电压，幅值为 2.2.3 D类和 类功率放大器简介(EC-2UCES)。若L、C和 类和E类功率放大器简介

ωt

尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样， 尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样， ui负半周： VT1管截止，VT2管饱和导通。VT2管的直流电 负半周： 管截止， 管饱和导通。 每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高。 每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高。 源由电容C上充的电荷供给 上充的电荷供给， 源由电容 上充的电荷供给，uA= UCES2≈0 。

(2)输出功率及效率的计算 ) uA的基波分量为 u A1 = U A1m cos ωt uA为矩形方波，用傅里叶级数展开后可求得其基波分量的振 矩形方波， 相应电流为ic1 = u A1 RL 4 u 幅为： 幅为： U ≈ E EA

A1m

E -2U VT1管电流 c1 (或VT2管电流 U 管电流i 或 ωt i ic2)的直流电流为： 的直流电流为： 的直流电流为 ID 4 Ec 1 T 4 Ec 4 ID = ωt ∫ T4 π cos ωtdt = π 2 RL i RLT 1 ωt 电源供给的直流功率： 电源供给的直流功率：PD = 2 Ec I D I D = ic1 = u A1 RL = u A1 u 2 8Ec RL PD = 2 即 π RL 1 T 4 Ec ωt 4 = cos ωtdt T 放大器的输出功率为： 放大器的输出功率为： RLT ∫ 4 π 2 1 U A1m 8 Ec2 Po T Po = = 2 4 1 η = Ec = 100% 4 故效率为： 故效率为： 2 RL π RL = P sin ωt T D ωT π RL 4 实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容、 实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容、 4 Ec 电路分布电容的影响(使管压降波形u 电路分布电容的影响(使管压降波形 A有一定上升沿和下降 = 2 π RL ),从而使 类功放的效率小于100%,典型值大于 %。 从而使D类功放的效率小于 %,典型值大于90%。 %,典型值大于 沿),从而使 类功放的效率小于C CES CES c1 c2 L

π

c

C

2.E类功放 类功放 D类功放 由两个晶体管组成；E类功放：由单个晶体管组成。 类功放: 两个晶体管组成 晶体管组成； 类功放 类功放： 单个晶体管组成 晶体管组成。 类功放 E类功放中的晶体管工

作于开关状态，而且当开关导通 类功放中的晶体管工作于开关状态， 类功放中的晶体管工作于开关状态 或断开)的瞬间，只有当器件的电压(或电流)降为零后， (或断开)的瞬间，只有当器件的电压(或电流)降为零后， 才能导通(或截止)。 )。这就避免了在开关转换瞬间内的器件 才能导通(或截止)。这就避免了在开关转换瞬间内的器件 功耗，从而克服了D类功放的缺点 类功放的缺点。 功耗，从而克服了 类功放的缺点。

2.2.4 丙类倍频器定义：倍频器指输出信号频率是输入信号频率的整数倍 整数倍。 定义：倍频器指输出信号频率是输入信号频率的整数倍。 在无线电发射机中常采用倍频器， 在无线电发射机中常采用倍频器，其目的是降低振荡器 频率，提高振荡器的稳定度。 频率，提高振荡器的稳定度。 常用的倍频器： 常用的倍频器： 丙类倍频器：利用丙类放大器脉冲电流的谐波获得倍频。 丙类倍频器：利用丙类放大器脉冲电流的谐波获得倍频。 参量倍频器：利用结电容电压变化的非线性来获得倍频。 参量倍频器：利用结电容电压变化的非线性来获得倍频。

二次谐波倍频器的电流、 1.电路结构 电路结构 二次谐波倍频器的电流、电压关系为 + iC ic晶体管倍频器与高频功放的电路 uce uc2 基本相同。唯一不同之处 不同之处是其集电极 基本相同。唯一不同之处是其集电极 + 回路对输入信号的某次谐波频率调谐。 回路对输入信号的某次谐波频率调谐。 2.工作原理分析 工作原理分析 iC1 iC2 已知丙类功放集电极电流 已知丙类功放集电极电流 - Ec + ic为尖顶余弦脉冲，,且 为尖顶余弦脉冲，且 ic为尖顶余弦脉冲 为尖顶余弦脉冲， ic = I co +LC谐振特性 + I cm1 cos 2ωt + + I cmn cos nωt + I cm1 cos ωt 谐振特性 仿真 ic频谱 IC1 IC2 若集电极回路调谐于n次谐波 则回路对基波和其他谐 次谐波， 若集电极回路调谐于 次谐波，则回路对基波和其他谐 IC3 ICO IC4 波阻抗很小，而对n次谐波阻抗达到最大值，且呈电阻性。 波阻抗很小，而对 次谐波阻抗达到最大值，且呈电阻性。 次谐波阻抗达到最大值 因此回路输出电压是n次谐波 故起到了倍频作用。 因此回路输出电压是 次谐波，故起到了倍频作用。 ω 0 2ω 3ω 次谐波， 4ω 说明： 说明： (1)丙类倍频器一般只限于二、三倍频的应用。 )丙类倍频器一般只限于二、三倍频的应用。 损耗↑→η↓ η↓) (n↑→损耗 η↓) 损耗 (2)在作倍频器应用时，为了使输出最大，一般选使α n (θ c )最 )在作倍频器应用时，为了使输出最大， 大的导通角， 大的导通角，其值为 重点 θ c = 120° n

2.2.4 丙类倍

频器二次谐波倍频器的电流、 1.电路结构 电路结构 二次谐波倍频器的电流、电压关系为 + iC ic晶体管倍频器与高频功放的电路 uce uc2 基本相同。唯一不同之处 不同之处是其集电极 基本相同。唯一不同之处是其集电极 + 回路对输入信号的某次谐波频率调谐。 回路对输入信号的某次谐波频率调谐。 2.工作原理分析 工作原理分析 iC1 iC2 已知丙类功放集电极电流 已知丙类功放集电极电流 - Ec + ic为尖顶余弦脉冲，,且 为尖顶余弦脉冲，且 ic为尖顶余弦脉冲 为尖顶余弦脉冲， ic = I co +LC谐振特性 + I cm1 cos 2ωt + + I cmn cos nωt + I cm1 cos ωt 谐振特性 仿真 ic频谱 IC1 IC2 若集电极回路调谐于n次谐波 则回路对基波和其他谐 次谐波， 若集电极回路调谐于n次谐波，则回路对基波和其他谐 IC3 ICO IC4 波阻抗很小，而对n次谐波阻抗达到最大值，且呈电阻性。 次谐波阻抗达到最大值 波阻抗很小，而对 次谐波阻抗达到最大值，且呈电阻性。 因此回路输出电压是n次谐波，故起到了倍频作用。 因此回路输出电压是 次谐波，故起到了倍频作用。 ω 0 2ω 3ω 次谐波 4ω 说明： 说明： (1)丙类倍频器一般只限于二、三倍频的应用。 )丙类倍频器一般只限于二、三倍频的应用。 损耗↑→η↓ η↓) (n↑→损耗 η↓) 损耗 (2)在作倍频器应用时，为了使输出最大，一般选使α n (θ c )最 )在作倍频器应用时，为了使输出最大， 大的导通角， 大的导通角，其值为 记住 θ c = 120° n

3.功率和效率 功率和效率 (1)集电极直流电源Ec提供的直流功率 PD = Ec I co ) (2)集电极输出回路得到的高频交流功率 ) 2 1 1 2 1 U cmn Pon = U cmn I cmn = I cmn R p = 2 2 2 Rp (3)集电极功耗 ) PC = PD Po (4)集电极回路的能量转换效率 ) Pon U cmn I cmn 1 η= = = ξ n g n (θ c ) PD 2 Ec I co 2 【说明】 说明】 丙类倍频器不适合对调幅信号进行倍频，可以对窄带 窄带FM、 ①丙类倍频器不适合对调幅信号进行倍频，可以对窄带 、 PM信号进行倍频。 信号进行倍频。 信号进行倍频 ②倍频次数高时，采用变容二极管、阶跃二极管构成的参 倍频次数高时，采用变容二极管、 量倍频器，其倍频次数达几十倍以上。锁相环可以做成几百倍 量倍频器，其倍频次数达几十倍以上。锁相环可以做成几百倍 的倍频器。 的倍频器。