.,4.1概述,4.2諧振功率放大器的工作原理,4.3晶體管諧振功率放大器的折線近似分析法,4.4晶體管功率放大器的高頻特性,4.5高頻功率放大器的電路組成,Chapter4諧振功率放大器,4.6晶體管倍頻器,.,2、功率信號放大器使用中需要解決的兩個問題：高效率輸出高功率輸出聯想對比：諧振功率放大器與高頻小信號諧振放大器；諧振功率放大器與低頻功率放大器；,4.1概述,1、使用諧振功率放大器的目的放大高頻大信號使發射機末級獲得足夠大的發射功率。,.,3、諧振功率放大器與小信號諧振放大器的異同之處,相同之處：它們放大的信號均為高頻信號，而且放大器的負載均為諧振回路。,不同之處：激勵信號幅度大小不同；放大器工作點不同；晶體管動態范圍不同。,諧振功率放大器波形圖,小信號諧振放大器波形圖,.,小信號諧振放大器波形圖,2c是在一周期內的集電極電流流通角，因此，c可稱為半流通角或截止角(意即t=c時，電流被截止)。為方便起見，以后將c簡稱為通角,2c,.,諧振功率放大器波形圖,2c,.,共同之處:都要求輸出功率大和效率高。功率放大器實質上是一個能量轉換器，把電源供給的直流能量轉化為交流能量，能量轉換的能力即為功率放大器的效率。功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率,4、高頻功率放大器與低頻功率放大器的異同之處,不同之處：工作頻率與相對頻寬不同；放大器的負載不同；放大器的工作狀態不同。,.,5、工作狀態：,功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。,諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態，屬于非線性電路,.,諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號,其工作狀態通常選為丙類工作狀態(c90)，為了不失真的放大信號，它的負載必須是諧振回路。非諧振功率放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負載為無調諧負載，工作在甲類或乙類工作狀態；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負載。諧振功率放大器的分析方法：圖解法，解析法,.,1、原理電路,諧振功率放大器的基本電路,(1)晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉變為交流能量的過程中起開關控制作用。,(2)諧振回路LC是晶體管的負載,(3)電路工作在丙類工作狀態,外部電路關系式：,晶體管的內部特性：,4.2諧振功率放大器的工作原理,.,根據晶體管的轉移特性曲線可得：,諧振功率放大器轉移特性曲線,故得：,必須強調指出：集電極電流ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。,.,11,諧振功率放大器中各部分電壓與電流的關系,（a）,2、電流與電壓波形：,.,(,b),1.iC與vBE同相，與vCE反相；,2.iC脈沖最大時，vCE最小；,3.導通角和vCEmin越小，Pc越小；,.,高頻功率放大器中各部分電壓與電流的關系,.,LC回路能量轉換過程,回路的這種濾波作用也可從能量的觀點來解釋。,回路是由L、C二個儲能元件組成。,當晶體管由截止轉入導電時，由于回路中電感L的電流不能突變，因此，輸出脈沖電流的大部分流過電容C，即使C充電。充電電壓的方向是下正上負。這時直流電源VCC給出的能量儲存在電容C之中。過了一段時間，當電容兩端的電壓增大到一定程度(接近電源電壓)，晶體管截止，電容通過電感放電，下一周期到來重復以上過程。,由于這種周期性的能量補充，所以振蕩回路能維持振蕩。當補充的能量與消耗的能量相等時，電路中就建立起動態平衡，因而維持了等幅的正弦波振蕩。,3、LC回路的能量轉換過程,.,4、諧振功率放大器的功率關系和效率,功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉變為交流信號功率輸出去。,有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。為了表示晶體管放大器的轉換能力引入集電極效率c,P=直流電源供給的直流功率；Po=交流輸出信號功率；Pc=集電極耗散功率；,根據能量守衡定理：,故集電極效率：,.,由上式可以得出以下兩點結論：,如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過規定值，那么提高集電極效率c，將使交流輸出功率Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。,1)設法盡量降低集電極耗散功率Pc，則集電極效率c自然會提高。這樣，在給定P=時，晶體管的交流輸出功率Po就會增大；,.,如何減小集電極耗散功率Pc,可見使ic在vCE最低的時候才能通過，那么，集電極耗散功率自然會大為減小。,晶體管集電極平均耗散功率：,故：要想獲得高的集電極效率，諧振功率放大器的集電極電流應該是脈沖狀。導通角小于180，處于丙類工作狀態。,諧振功率放大器工作在丙類工作狀態時c90，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級數：,.,直流功率：,輸出交流功率：,Vcm-回路兩端的基頻電壓Icm1-基頻電流Rp-回路的諧振阻抗,放大器的集電極效率：,集電極電壓利用系數:,為通角c的函數；c越小g1(c)越大,波形系數:,.,越大(即Vcm越大或vcEmin越小)c越小,效率c越高。因此，丙類諧振功率放大器提高效率c的途徑為：1、減小c角；2、使LC回路諧振在信號的基頻上，即ic的最大值應對應vcE的最小值。,放大高頻大信號,屬于非線性工作狀態；基極偏置為負值,半通角c90，即丙類工作狀態；電流脈沖是尖頂余弦脈沖；負載為LC諧振回路。,故諧振功率放大器的工作特點：,.,4.3.1折線法,所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態特性曲線后進行分析和計算的方法。工程上都采用近似估算和實驗調整相結合的方法對高頻功率放大器進行分析和計算。折線法就是常用的一種分析法。對諧振功率放大器進行分析計算，關鍵在于求出電流的直流分量Ic0和基頻分量Icm1。,4.3諧振功率放大器的折線近似分析法,.,折線分析法的主要步驟：,1、測出晶體管的轉移特性曲線icvBE及輸出特性曲線icvCE，并將這兩組曲線作理想折線化處理。2、作出動態特性曲線。3、根據激勵電壓vb的大小在已知理想特性曲線上畫出對應電流脈沖ic和輸出電壓vc的波形。4、求出ic的各次諧波分量Ic0、Ic1、Ic2由給定的負載諧振阻抗的大小，即可求得放大器的輸出電壓、輸出功率、直流供給功率、效率等指標。,.,晶體管實際特性和理想折線,根據理想化原理晶體管的靜態轉移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。,由上圖可見，根據理想化原理，在放大區,集電極電流只受基極電壓的控制,與集電極電壓無關;在飽和區，集電極電流只受集電極電壓的控制，而與基極電壓無關。,4.3.2晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線,.,則臨界線方程可寫為ic=gcrvCE(2)gcr為臨界線的斜率,則轉移特性方程可寫為ic=gc(vBEVBZ)(vBEVBZ)(1),gc-轉移特性方程的斜率,式(1)和(2)是折線近似法的基礎，應很好地掌握。,.,在非線性諧振功率放大器中，常常根據集電極是否進入飽和區，將放大區的工作狀態分為三種：,1)欠壓工作狀態：集電極最大點電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。,2)過壓工作狀態：集電極最大點電流進入臨界線之左的飽和區，交流輸出電壓較高且變化不大。,3)臨界工作狀態：是欠壓和過壓狀態的分界點，集電極最大點電流正好落在臨界線上。,.,當晶體管特性曲線理想化后，丙類工作狀態的集電極電流脈沖是尖頂余弦脈沖。這適用于欠壓或臨界狀態。,尖頂余弦脈沖,晶體管的內部特性為：,它的外部電路關系式,ic=gc(vBEVBZ)(1),vBE=VBB+Vbmcost(2),vCE=VCCVcmcost(3),將式(2)代入式(1)，得ic=gc(VBB+VbmcostVBZ)(4)當t=c時，ic=0，代入上式得0=gc(VBB+VbmcoscVBZ)(5)即,4.3.3集電極余弦電流脈沖的分解,.,(6),.,因此，知道了Vbm、VBB與VBZ各值，c的值便完全確定。將式(4)與式(5)相減，即得ic=gcVbm(costcosc)(7)當t=0時，ic=icmax，因此icmax=gcVbm(1cosc)(8),將式(7)與式(8)相除，即得,或,式(9)即為尖頂余弦脈沖的解析式，它完全取決于脈沖高度icmax與通角c。,(9),.,若將尖頂脈沖分解為傅里葉級數,由傅里葉級數的求系數法得,其中：,尖頂脈沖的分解系數,.,尖頂脈沖的分解系數,當c120時，Icm1/icmax達到最大值。在Icmax與負載阻抗Rp為某定值的情況下，輸出功率將達到最大值。這樣看來，取c=120應該是最佳通角了。但此時放大器處于甲級工作狀態效率太低。,右圖可見：,.,尖頂脈沖的分解系數,：,波形系數,由曲線可知：極端情況c=0時，,此時=1，c可達100%,因此，為了兼顧功率與效率，最佳通角取70左右。,由于,.,1.諧振功率放大器的動態特性,晶體管的靜態特性是在集電極電路內沒有負載阻抗的條件下獲得的。如，維持基極電壓vBE不變，改變集電極電壓vCE，就可求出icvCE靜態特性曲線族。如果集電極電路有負載阻抗，則當改變vBE使ic變化時，由于負載上有電壓降，就必然同時引起vCE的變化。,4.3.4諧振功率放大器的動態特性與負載特性,.,高頻放大器的工作狀態是由負載阻抗Rp、激勵電壓vb、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。如果VCC、VBB、vb3個參變量不變，則放大器的工作狀態就由負載電阻Rp決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負載特性。,所謂動態特性是和靜態特性相對應而言的，在考慮了負載的反作用后，所獲得的vCE、vBE與ic的關系曲線就叫做動態特性。,.,當放大器工作于諧振狀態時，它的外部電路關系式為,vBE=VBB+Vbmcost,vCE=VCCVcmcost,消去cost可得，,vBE=VBB+Vbm,另一方面，晶體管的折線化方程為,ic=gc(vBEVBZ),得出在icvCE坐標平面上的動態特性曲線(負載線或工作路)方程：,=gd(vCEV0),.,圖中示出動態特性曲線的斜率為負值，它的物理意義是：,從負載方面看來，放大器相當于一個負電阻，亦即它相當于交流電能發生器，可以輸出電能至負載。,用類似的方法，可得出在icvBE坐標平面的動態特性曲線。,根據上式可作出功放的動態特性曲線如圖所示：,ic=gd(vCEV0),.,動態線作法：AB為動態特性曲線，也稱為工作路。取B點，作斜率為gd的直線；取Q、A兩點，連成直線。,特殊點說明A點：0，vBE達到最大，vCE達到最小，iC達到最大；,Q點：90，vCEVCC，虛擬電流IQgc（VBBVBZ）,icvCE坐標平面上的動態特性曲線的作法與相應的ic波形,vCE=VCCVcmcost,vBE=VBB+Vbmcost,vBE=VBB,ic=gd(vCEV0),.,2.功率放大器的負載特性,在VCC、VBB、vb為一定，只變化放大器的負載電阻而引起的放大器輸出電壓、輸出功率、效率的變化特性稱為負載特性。,電壓、電流隨負載變化波形,1)在負載電阻RP由小至大變化時，負載線的斜率由小變大，如圖中123。不同的負載，放大器的工作狀態是不同的,所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。,.,2)欠壓、過壓、臨界三種工作狀態,欠壓狀態:B點以右的區域。在欠壓區至臨界點的范圍內，根據Vc=RpIc1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區內必隨負載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。,臨界狀態:負載線和vbmax正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界狀態時，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。,根據Rp與VBEmax相交在不同區域，可分為三種工作狀態:,.,過壓狀態,電壓、電流隨負載變化波形,過壓狀態放大器的負載較大，如動態線3就是這種情況。動態線穿過臨界點C后，電流沿臨界線下降，因此集電極電流ic呈下凹頂狀，過壓愈重，則ic波頂下凹愈厲害，嚴重時，ic波形可分裂為兩部分。根據傅里葉級數對ic波形分解可知，波形下凹的ic，其基波分量Ic1會下降，下凹愈深，則Ic0、Ic1的下降也就愈激烈因此放大器的輸出功率和效率也要減小。,.,根據上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負載特性曲線,負載特性曲線,欠壓狀態的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調幅，需采用這種工作狀態。,.,過壓狀態的優點是，當負載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩且幅值較大，在弱過壓時，效率可達最高，但輸出功率有所下降，發射機的中間級、集電極調幅級常采用這種狀態。,負載特性曲線,.,臨界狀態的特點是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態，發射機的末級常設計成這種狀態，在計算諧振功率放大器時，也常以此狀態為例。,負載特性曲線,掌握負載特性，對分析集電極調幅電路、基極調幅電路的工作原理，對實際調整諧振功率放大器的工作狀態和指標是很有幫助的。,.,1.導通角c的調整,由,若保持Vb不變增大偏置VBB；或保持VBB不變增大激勵電壓振幅Vb；或同時增大VBB和Vb，這三種情況均可使導通角c增大，若相反，則可使c減小。但是采取上述三種方法中的任一個方法，當c增大時，ic脈沖電流的振幅Im會加大，輸出功率Po當然也會加大，而當c減小時，Im和Po均將減小。有時希望增大c，但要保持Im不變，則應在增加VBB的同時，適當減小激勵Vb。,4.3.5放大器工作狀態及導通角的調整,.,2.欠壓、臨界、過壓工作狀態的調整,調整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態，大致有以下幾種方法：改變集電極負載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵Vb。,改變VBE,.,(1)改變Rp，但Vb、VCC、VBB不變當負載電阻Rp由小至大變化時，放大器的工作狀態由欠壓經臨界轉入過壓。在臨界狀態時輸出功率最大。,負載特性曲線,.,VCC變化時對工作狀態的影響,在欠壓區內，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。,(2)改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變當集電極供電電壓VCC由小至大變化時，放大器的工作狀態由過壓經臨界轉入欠壓。,.,改變VCC對工作狀態的影響,.,(3)Vbm變化，但VCC、VBB、Rp不變或VBB變化，但VCC、Vb、Rp不變這兩種情況所引起放大器工作狀態的變化是相同的。因為無論是Vbm還是VBB的變化，其結果都是引起vBE的變化。,由vBE=-VBB+VbmcostvBEmax=-VBB+Vbm,當VBB或Vbm由小到大變化時，放大器的工作狀態由欠壓經臨界轉入過壓。,.,在過壓區中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調幅的實現提供依據；因為在集電極調幅電路中是依靠改變VCC來實現調幅過程的。改變VCC時，其工作狀態和電流、功率的變化如上圖所示。,1.改變VCC對工作狀態的影響,各極電壓對工作狀態的影響,VCC由小大時，對應工作狀態由過壓臨界欠壓。,.,Vbm變化時電流、功率的變化,2.改變vbm對工作狀態的影響,當vbm由小到大變化時，放大器的工作狀態由欠壓臨界過壓。,.,例4-1諧振功率放大器輸出功率Po已測出，在電路參數不變時，為提高Po采用提高Vbm的辦法。但效果不明顯，試分析原因，并指出為了達到Po明顯提高的目的，可采用什么措施?,負載特性曲線,采用提高Vbm提高Po效果不明顯說明放大器工作在過壓工作狀態，為了達到Po明顯提高的目的可以減小Rp或增加Vcc。,.,諧振功率放大器的主要指標是功率和效率。以臨界狀態為例：,1)首先要求得集電極電流脈沖的兩個主要參量icmax和c,導通角c,集電極電流脈沖幅值Icm,4.3.6諧振功率放大器的計算,.,2)電流余弦脈沖的各諧波分量系數0(c)、1(c)、n(c)可查表求得，并求得個分量的實際值。,3)諧振功率放大器的功率和效率,直流功率：,P=Ic0VCC,交流輸出功率：,集電極效率：,.,4)根據,可求得最佳負載電阻：,在臨界工作時，接近于1，作為工作估算，可設定=1。“最佳”的含義在于采用這一負載值時，調諧功率放大器的效率較高，輸出功率較大。可以證明，放大器所要求的最佳負載是隨導通角c改變而變化的。c小，Rp大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳負載電阻值。在實際電路中，放大器所要求的最佳電阻需要通過匹配網絡和終端負載(如天線等)相匹配。,.,2)根據,求得Vb,3)根據icmax=gcVb(1cosc)求得icmax、Ic1、Ic0,c=70，cos70=0.342，,Ic1=icmax1(70)=20.436=0.872AIc0=icmax0(70)=20.253=0.506A,1)根據圖可求得轉移特性的斜率gc,例4-1某諧振功率放大器的轉移特性如圖所示。已知該放大器采用晶體管的參數為：fT150MHz，功率增益Ap13dB，管子允許通過的最大電流IcM=3A，最大集電極功耗為Pcmax=5W。管子的VBZ=0.6V，放大器的負偏置VBB=1.4V，c=70，VCC=24V，=0.9，試計算放大器的各參數。,.,4)求交流電壓振幅：Vcm=VCC=240.9=21.6V對應功率、效率。P=VCCIC0=240.506=12WPo=,Pc=P=-Po=2.6W回路損耗電阻r1,衡量回路傳輸能力優劣的標準，通常以輸出至負載的有效功率與輸入到回路的總交流功率之比來代表。這比值叫做中介回路的傳輸效率k，簡稱中介回路效率。,.,從回路傳輸效率高的觀點來看，應使QL盡可能地小。但從要求回路濾波作用良好來考慮，則QL值又應該足夠大。從兼顧這兩方面出發，QL值一般不應小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。,故有:,.,M變化對工作狀態的影響,負載特性曲線,.,反射電阻,初級回路Q值,次級回路Q值,臨界耦合系數,因此中介回路效率可用耦合系數表示:,在考慮天線回路后，中介回路的諧振電阻為,其對工作狀態的影響如圖所示，其中PA為天線功率。,PA在微欠壓時獲得最大輸出功率,復合輸出回路,.,PA-天線功率,Po集電極輸出功率功率,P=-電源供給功率,k-中介回路效率,c-集電極效率,總效率,.,例題：,.,1.160MHz，13W諧振功率放大電路放大器的功率增益達9dB，可向50負載供出13W功率，電路如圖所示。,基極采用自給偏置電路，Ib0在Lb的直流電阻上產生很小的負向偏置電壓，C1、C2、L1構成T型匹配網絡，調節C1和C2，使本級的輸入阻抗等于前級放大器所要求的50匹配電阻，以傳輸最大的功率。集電極采用并饋電路。LC，為高頻扼流圈CC為高頻旁路電容。對于交流信號，放大器的輸出端采用L型匹配網絡，調節C3、C4可使50的負載阻抗變換為功率放大管所要求的最佳匹配阻抗Rp。,4.5諧振功率放大器實例,.,放大器的功率增益為7dB，可給50負載輸出25W功率，電路如圖所示。,本電路基極部分與上圖相同，集電極的饋電是串饋形式，L2不是高頻扼流圈，而是網絡元件，L2、L3、C3、C4構成型匹配網絡。,2.50MHz，25W調諧功率放大電路,.,在發射系統中常采用晶體管丙類倍頻器來獲得所需要的發射信號頻率。采用倍頻器的原因：(1)降低主振器的頻率，對頻率穩定指標是有利的。(2)為了提高發射信號頻率的穩定程度，主振器常采用石英晶體振蕩器，但限于工藝，石英諧振器的頻率目前只能達到幾十MHz，為了獲得頻率更高的信號，主振后需要倍頻。(3)加大調頻發射機信號的頻移或相移，即加深調制度。(4)倍頻器的輸入信號與輸出信號的頻率是不相同的，因而可削弱前后級寄生耦合，對發射機的穩定工作是有利的。(5)展寬通頻帶倍頻器常有三種形式：1、乘法器實現倍頻；2、丙類放大器倍頻，3、參量倍頻器，是利用晶體管的結電容隨電壓變化的非線性來實現倍頻。,4.6晶體管倍頻器,.,丙類倍頻器,4.6.1原理框圖,某系統發射信號頻率為49MHz，該頻率由16.333MHz三倍頻而來。16.333MHz振蕩器輸出接激勵級，若將輸出負載回路調諧在三次諧波頻率上即可得到49MHz的發射頻率。其如圖所示。,.,4.6.2晶體管丙類倍頻電路與工作原理,丙類倍頻器的基本電路如圖所示。Rb_自偏電阻，也可用高頻扼流圈代之，C2是高頻旁路電容,L、C是調諧回路，調諧在輸入信號的某次諧波頻率上。,.,丙類倍頻器工作在丙類，因為丙類放大器的集電極電流ic是一脈沖波形，電流含有輸入信號的基頻和高次諧頻。輸出回路調諧于某次諧波即可實現某次諧波的放大。導通角的大小又該如何選取呢？這要根據倍頻器的倍頻次數來決定，由余弦脈沖分解系數可見，二次諧波系數的最大值對應在導通角c=60附近，三次諧波系數的最大值所對應的導通角約為40，諧波次數更高時，導通角更小。倍頻器應該工作在欠壓、臨界還是過壓狀態呢？一般工作在欠壓和臨界狀態。,丙類倍頻器工作的工作狀態:,.,4.6.3負載回路的濾波作用,丙類放大管集電極電流ic的基波分量的振幅最大，二階諧波次之，諧波次數愈高，其幅值也愈小。作為基波放大時，負載回路要濾除高次諧波分量還是比較容易的。但是，作為倍頻器，要濾除的是幅值較大的低次諧波分量，這會有不少困難。,.,負載回路中的吸收電路,(1)提高回路的品質因數Qo，設倍頻次數為n，則輸出調諧回路的Q約需Qo10n，若n=3，則Qo95。(2)在輸出回路旁并接吸收回路吸收回路