东华大学高频电子电路通信电子电路课件.docx

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1、在交流、直流并存的电路中，要注 意字母大小写的物理意义。(1)小写字母，小写下标，表示 交流瞬时值举例：。(2)大写字母，小写下标，表示 幅值举例：Vcm(3)大写字母，大写下标，表示直流值举例：%VcECE(4)小写字母，大写下标，含有 直流的瞬时值。举例：CE=%+ce第4章 高频功率放大器4.1概述1高频功率放大器的功能高频功率放大器是是发送设备的重 要组成部分。问题：PA的位置及所处理信号的特 点？功率放大器是一种换能器，其基本 原理就是利用输入到基极的激励信 号，去控制集电极直流电源所提供 的直流功率，把它转变为与输入信 号频谱结构相同的交流输出。高频 功率放大器功能原理图如图41所

2、7J o激励小信号3 |3大信号 高频功放 图41高频功率放大器将高频信号进行功 率放大，实质是在输入高频信号的 望制下，将电源的直流功率转变成 频功率。输入输出信号频谱相同，但输出信 号被放大。大家以前学过的放大电路还有用于 增强电压幅度或电流幅度的电压放 大电路和电流放大电路。无论哪种放大电路，在负载上都同 时存在输出电压、电流和功率，上 述称呼上的区别只不过是强调的输 出量不同而已。放大电路的共性：功率放大电路和其它放大电路没有 本质的区别，都是在输入信号的作 用下，将直流电源的直流功率, 为输出信号功率，在性能要求和器件运用特性上却是 不同的。对电压放大电路的主要要 求是使负载得到不失

3、真的电压信 号，衡量其放大性能的主要指标是 电压增益、输入和输出阻抗等，但 其输出功率并不一定大。功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真或失真较小的输 出功率，通常是在大信号状态下工 作。从能量控制的角度来看，功率 放大电路是一种能量转换电路,它 是将直流电源的能量输出信 号的能量，因此必然存在能量损耗。2高频功率放大器的分类高频功率放大器按照工作频带的 范围，可分为窄带高频功率放大器 和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器用于放大以载 频为中心，相对带宽窄的信号。相对带宽是指发送有用信号的频带 宽度与载波中心频率之比。例如调频广播载波频率范围88108MHz,载波中心频率为 0.5

4、x(88+108) MHz = 98MHz ,信号频带宽度为(1。8 - 88)MWz =2。MHz,相对带宽为 20 MHz/98MHz =0.2； 窄带高频功率放大器一般都采用具 有选频功能的谐振回路作负载，所 以又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器采用工作频带 很宽的传输线变压器作为负载，X 称为非谐振功率放大器。由于不采 用调谐网络，因此这种高频功率放 大器可以在很宽范围内变化工作频 率而不必调谐。宽带高频功率放大 器只能选用甲类和乙类推挽放大工 作状态。谐振成率放大器与非谐振功率放大器共同点：都要求输出功率大，效率高；不同点：二者的工作频率与相对带宽不同， 因而负载网络和工作状态

5、也不同。放大器可以按照电流导通角的不同 分为甲类（A类）、乙类（B类）、甲 乙类（AB类）和丙类（C类）。导通角夕是指一个信号周期内集电 极电流导通角的一半，导通角。满 足：0180放大器的导通角是由什么确定的？图4-2静态工作点的设置与工作状态的关系导通角e的大小是由静态工作点确 定的，如图42所示。图中Ubz为截 止电压或起始导通电压。硅管 Uz=0.5 0.7 v；错管 Ubz=0-3 0.4 Vo甲类功率放大器在整个周期内导 通，8 = 180。，3相同，输出波形不失 真，极限效率50%。考虑到晶体管 的饱和压降影响，实际的集电极效 率只有35%。为了提高效率，低频放大器工作在 乙类推

6、挽。乙类功率放大器在半个周期内导 通，9 = 90。输出电流为余弦脉冲， 含有丰富谐波。为保证不失真输出, 采用乙类推挽形式（正半周一个管 子导通，负半周另一个管子导通， 然后二个管子叠加得到一个完整的 正弦波形）。极限效率78%,实际效率60%左右。 为了防止交越失真，常工作在甲乙类推挽。甲乙类功率放大器在大于半个周期 小于一个周期内导通,90。”180。 丙类功率放大器晶体管仅在小于半 个周期内导通，890。输出电流 为余弦脉冲电流，有丰富谐波，由 于负载为谐振网路，其选频作用使 输出电压波形与输入激励信号的电 压波形相同。在上述几类功率放大器中，丙类功 率放大器的效率最高，可高达 85.

7、9%o为了提高效率，谐振功放常工作于 乙类或丙类，甚至丁类或戊类状态。 图43给出各种状态下集电极输出电流的波形。3高频功率放大器的性能指标 高频功率放大器的主要性能指标是 输出功率和效率。在功放中，效率的提高就显得非常 重要。表现在1）放大器输出相同功率时，放大 器效率高可以节约直流电源的电能，2）采用相同器件的条件下，效率 高的放大器可以输出更大的功率。功率放大器实质上是一个能量转换 器一一把电源供给的直流能量转换 为输出的交流能量。当然这种转换 不可能是百分之百的，直流电源提供的功率一部分转换为 交流输出功率，另一部分功率主要 以热能的形式消耗在集电极上，我 们称之为集电极耗散功率。1）

8、集电极效率小效率定义为功率放大器负载获得 的输出功率与和电源提供的直流功率之比。7cA Pd根据能量守恒定律有 Pd=Pc”。丐为集电结的耗散功率。Pd Pc i + 2Po(4.1.2)由式(4.1.2)可得出两方面的结论:当要求输出功率只保持不变时，减 小集电极耗散功率只可提高效率。如果维持晶体管的耗散功率e不超过允许值，那么提高效率么，就 可增加输出功率例如么=20%, P=P/4；当么=80%, PO=PCO显然，提高效率可显著增加输出功 率。2）集电结耗散功率E夕 FL(4.1.3)式中。为晶体管集电极电流瞬时值; UCE为晶体管集射极间电压瞬时值； 。为晶体管集电极电流导通角。3)

9、集电极电源的直流功率与Pd = Vcc【co(4.1.4)注意：式中的心的物理意义：对于甲类功率放大器而言，为直流 偏置电流；对乙类和丙类功率放大器而言，为 集电极电流瞬时值L （小写字母，大 写下标，含有直流的瞬时值）中的 平均直流分量。4）输出功率乙只是指由电子器件送给谐振回路的 基波信号功率，也就是输出的基波 功率。111 TT 2(4.1.5)P =-T V =T2/? = m_o 2 dm cm 2 01加 E 2 r什么是基波?研究功率放大器的设计要解决的重要问题：较大的输出功率和较高的效率，而 增加输出功率和提高效率的关键是 降低耗散功率，因此设法减少耗散功率是高频功放 设计的重

10、要目标。4.2高频谐振功率放大器的工作原理4.2.1 高频谐振功率放大器的电路组成 通常发送设备的功放由多级构成。Vcc(C)(d)图44高频谐振功率放大器电路图44 (a)为发送设备的中间放大级电路。(b)为末级放大器，弓、Q为天线等效电路，a为天线对地的等效电容；G为天线等效辐射损耗电阻；/为电感线圈的损耗电阻，l、G匹 配网络，通过调节c,使回路谐振在 输入信号频率。输出回路实质是谐振回路。假设回 路有载品质因数2 1,把折合到 电感支路如图(c),然后利 用串并联互换关系，等效为典型的 并联谐振回路(d)o以图(a)为例，分析高频功率放大 器基本组成。1）电子器件是高频大功率管，能承受

11、高电压大 电流，并具有较高的特征频率人。 它在电路中主要起开关控制作用， 控制直流能量转变为交流输出能 量。2）电源。高频功率放大器包括两个电源，基 极电源噎和集电极电源展。其中基极供电电源画成独立的电源 嚷,是为了讲述原理的方便，实际 电路中则由集电极电源通过偏置 电路产生工作于丙类功放所需的偏 置电压。注意噎和l的作用调整噎可以改变放大器工作状态 （如工作在甲类、乙类、甲乙类和 丙类），使噎嚷或噎为负值，即能 保证晶体管工作在丙类状态。人则 用于提供直流能量。3）馈电电路。其作用是既保证把电压噎和嘎馈送 到晶体管的各极，又防止交流信号 进入直流电源影响系统的稳定性。 馈电电路包括基极馈电电

12、路（由C1、 L、C2构成）和集电极馈电电路（由 C3、L2、C4构成）。Li、L2为高频扼 流圈；C2、C3为电源退耦电容；C1、C4分别为输入、输出回路的耦合电 容，起到隔直通交的作用。4）输出谐振回路。主要起无损耗地传输高频信号及其 能量、滤除谐波成分及阻抗匹配的 作用。高频功率放大器的输出回路可以是 LC并联谐振回路，也可以是互感耦 合回路或各种LC匹配网络。图（a）所示中间级放大器的负载通 过互感耦合与谐振回路连接； 图（b）所示末级功放则通过L、G匹 配网络与天线负载连接。无论是中间级还是末级放大器，最 终都可等效为下图所示并联谐振电 路。2 r2 tRy = - = = Qeco

13、QL八图中 Cre ，式中2为有Q =叱c_ c,cA载品质因数 /，总电容K,回路谐振角频率g=/。这部分电路有两个作用。首先，利用它的谐振特性，从众多 电流分量中选出有用的基波分量， 起到选频作用；其次，将负载电阻变换成晶体管集 电极所需的最佳负载电阻。4.2.2晶体管特性曲线的折线近似 丙类功率放大器工作在大信号状 态，因此不能采用线性等效电路来 分析。工程上通常采用解析近似法, 也就是折线分析法来简化该分析过 程。折线分析法首先是将晶体管的特性 曲线理想化，每条曲线都用一条或 几条折线来代替，然后写出理想化 曲线的数学解析式。这种方法优点：简单，易于进行概 括性的理论分析，且物理概念清

14、楚; 不足之处：只能进行估算，存在一 定误差，在电路设计完成后还要进行必要的调整，但该方法对定性分 析高频功率放大器的特性实用可鬻晶体管的特性曲线包括输入特性曲 线、正向传输特性曲线和输出特性 曲线。下面将分别讨论晶体管三条 特性曲线的理想化。1输入特性曲线理想化输入特性曲线如图45所 示。加称为晶体管的导通电压或截 止电压。该特性曲线的数学表达式 为/ =(UBEUbz()其中，gb是折线的斜率，即gL普7bgbf) k KbeUbz图45理想化输入特性曲线由图可知，理想化的晶体管输入特 性曲线包括两段，一段对应晶体管 截止的情况；另一段对应晶体管导 通的情况。2正向传输特性曲线将输入特性的

15、勿乘以/就可得到理想化正 向传输特性曲线如图46所示。a Ube Ubz图46理想化正向传输特性曲线理想化正向传输特性曲线的表达式 为 式中gc为曲线的斜率，即* 0Ubz)UBE Ubz(4.2.3)（424）gc称为理想化晶体管的跨导！它表 示晶体管工作于放大区时，单位基 极电压变化产生的集电极电流变 化。3输出特性曲线首先对晶体管在不同区的工作特性 加以讨论。晶体管有三个工作区，它们是饱和 区、放大区和截止区。图47给出 理想化的输出特性曲线。在0A线以左的为饱和区，晶体管 工作在饱和区时有如下特点。集电极电流只受CE控制，而与班无 关。”对，L有强烈的控制作用，%略 微下降，导致江迅速

16、减小。| | OA称为饱和临界线，其斜率为g。它表示晶体管工作于饱和区时，单 位集电极电压变化引起集电极电流 的变化关系。在0A线以右的放大区，晶体管工 作在该区的特点ic基本与%无关,只受到喉的控制, 所以各条输出曲线均以为参变量，且都近似与CE轴平行。在截止区，UBE 时，ZC =0 o 了解晶体管的特性曲线是分析高频 功率放大器的基础。4.2.3高频功率放大器的工作原理 高频功率放大器的工作原理电路如 图48所示。kA十放大器一般都采用功率增益较大的共发射极电路。当为反向偏置电压，即噎0或。噎时，发射结 只在信号周期的部分时间内处于导 通状态，只有当的瞬时值大于晶 体管的导通电压巴 基极

17、导通时才产生基极电流和集电极电流江。基极和集电极电流的特点（很重 要）。友、心均为一系列高频余弦脉冲，这 时高频功率放大器工作在丙类（C 类）状态。假定输入信号为单频正弦波 % = Vbm COS 3t ,三极管发射结的电压为UBE =VBB+Ub=VBB+Vbm C0S a (4.2.5 )1集电极电流江晶体管正向转移特性曲线由曲线可看出：%eUbz,发射结导通，集电极电流，c可表示为ic=sSuBE-UBz） （4.2.6）将式（4.2.5）代入式（4.2.6）得ic=gcBB+VbmCOSa)t-UBz) (4.2.7)由图4一8可得，& 时，k =0,代入式(4.2.7)可求得。=今+

18、 %冽 cs & - %z)(4.2.8)“Vrrcos 3 =Ubm (4.2.9)RR(4.2.10)0 - arccos-Ubm式中夕为晶体管的导通角。注意:导通角与输出效率和输出功 率密切相关，应了解如何根据电路 的指标要求设置所需的导通角。特别要注意乐 （分两种情况考虑,08大于0或小于0）将式（4.2.7）减（4.2.8）得 L=gJL（COS如一COS。）（42.11） 当权=0时,将ic= *ax代入式（4.2.11）得 “max = g几（1 - COS （4.2.12）把式（4.2.12）与式（4.2.11）相除 得 _ e cos cot - cos 0(4.2.13)-

19、 cmax i八1 cos式（4.2.13）是集电极余弦脉冲电流 的解析表达式，心取决于余弦脉冲 的高度&ax和导通角8。（注意：必须 正确理解该式的物理意义）2集电极电流电的傅立叶分析用傅立叶级数将式(4.2.13)表示的 余弦脉冲电流心展开，C =，C0 +c 21n . Icmn .(4.2.14)可以看出，L可分解为直流分量、基 波分量、二次谐波分量、三次谐波 分量和n次谐波分量。图4-9集电极余弦脉冲电流L与各 次谐波的波形ib图410集电极余弦脉冲电流L的 频谱图海谱0 S 2g)33结论：谐波次数越高，谐波的幅值 则越小。式(4.2.14)中的心&,2,，&,为直 流、基波和各次

20、谐波分量的振幅, 可用傅立叶级数中的系数法求得直流分量：Dcd (cot)=.x .sin-cos cmdx /71l-cos。) = 4max%(9)(4.2.15)基波分量幅值cm1 / 小max/9 sin9cos。i, cos 3tdl3t) -(2% L。7i l cos 夕)=Zcmaxl (8)(4.2.16)cmn ic cos ritd(t) 2 ecmax2 sin(。)cos0-yicos(h。)sin0、n-1)(1 - cos。):cmax% (4.2.17)上式中的外、%，.，(,)称为余 弦脉冲的分解系数。一图4-11给出导通角。与各分解系 数的关系曲线。图411

21、余弦脉冲分解系数 关系曲线。）、波形系数&（o）与导通角e的&一覆一即称为波形系数，是导 通角。的函数；研究高频谐振功率放大器需要特别 关注的是和&1，前者与直流功率 有关，后者与输出基波功率有关。3集电极电压E高频谐振功率放大器的负载为LC 谐振回路，该谐振回路调谐在基波 频率Q上（输入信号的频率），因此 |输出回路只对集电极电流中的噩 |分量呈现很大的谐振电阻，而对直| |流分量4。和其它高次谐波分量即 I很小的失谐阻抗或近似短路。换句 话说,集电极余弦脉冲电流L经过具 有选频功能的LC谐振回路，其它各 次谐波和直流被滤除，|只有基波电 |流才能在回路两端产生较大的电匠uc = 一匕加 c

22、os cot = -IcmlRx COS cot(4.2.18)式中以-，cl利& ,，clm是基波电流分 量的振幅，&是输出回路的有载谐 振电阻。由图48可知，集射极电压的瞬时值UCE =VCC+Uc=VCC-IanlG COS(4.2.19)一 ic注意理解这几个问题；1)式(4.2.18)中的负号？2) (4.2.19)如何得到的？结论，丙类谐振功率放大器，流过 晶体管各极的电流均为余弦脉冲， 但利用谐振回路的选频作用，输出 电压为基波正弦信号。结论：1）当脸 。或。噎 ，功放处于 丙类工作状态，当班4z时，才 有基极电流,8产生，所以为余 弦脉冲。为晶体管的截止电压 或导通电压。硅管的

23、心为0.50.7 V,错管的0.30.4V。2）只有当S 4z基极导通后，晶 体管由截止区进入放大区，才会 产生集电极电流c Jc与或是具有 相同的周期的余弦脉冲。3）前面已经分析过，周期性的余 弦脉冲可通过傅立叶级数展开为 一系列的谐波和直流分量。丙类 功放的负载是具有选频功能的 LC谐振回路，通过调节回路的电 抗，使其谐振频率等于输入激励 信号的频率,LC谐振回路对谐振 频率（也就是基波频率口）呈现 的阻抗为小。该谐振回路对次 谐波呈现的阻抗为yicdL ncoLQej(/-D1)2 jn2-l)Qe_ n一面 _i)24.2.20)假设2 = 1,则n23452 Rz0.06670.03

24、750.02670.0208可见高频功率放大器的输出回路对 于基波电流而言，等效为一个纯电 阻&,而对于高次谐波2刃，3例” ”一来说，回路的阻抗与基波的阻 抗相比，小到可以近似地认为其短 路，且输出回路中电感的存在，对 直流可近似看成短路，这正是谐振回路两端电压可以被近似认为是与 输入激励信号同频的正弦基波电 压，高频功率放大器能实现线性放 大功能的理论基础。4.2.4高频谐振功率放大器的效率 和输出功率功率放大电路实质上是依靠激励信 号对基极电流以及集电极电流的控 制，把集电极电源的直流功率转换 为负载回路的交流功率，转换效率 越高，就可以在同样的直流功率下输出更大的交流功率。追求高转换

25、效率是功率放大电路的基本设计要 求之一O高频谐振功放集电极输出电压与E 中包含直流分量与交流分量，其交 流分量与“波形一样，但相位相差71Knowing from (4.2.19)UCE VCC+Uc = VCC- IC0S 3t放大器输出的基波功率与P0 =1 V 2cmv Icm cml _ _ I/ t72 ?2 2 cm cmX(4.2.21)电源提供的直流功率?2 = 匕 （4.2.22）根据能量守恒定律，集电极耗散功率2 Pc =Pd-Po （4.2.23）集电极效率%2 -cc【co1二不曾（。）(4.2.24)(g _【elm _ - ()式中修W 一可称为波形系数，是导通角夕

26、的函数； ,嚷称为集电极电压利用系数， 它总是小于1的。由式(4.2.24)可知，要提高效率在 ，有两种途径1) 一种是提高集电极电压利用系数 九即提高而是输出 基波电压的幅值，Rf = QeJ ,通过 提高回路的有载品质因数来实现增 大仁2)另一种是提高波形系数&。由图411可知，导通角。越小，&越 大，效率“越高，但内却越小, 输出功率心也就越低。为了兼顾 输出功率与和效率%,必须选取 ,适的导通角。思考：why%越小，输出功率与就越低？Icm = ； 4 COSC0td(3t) =L( sinc：sg):2八 式 1-cos(4.2.16)事实上，导通角越小，cmax =乩右机(1 -

27、COS 0)也就越小。 如取6 = 120。时，火达到最大值, 输出功率最大，但修的值相对较 小，集电极的效率仅为64%左右； 若取。= 70。，此时虽然外的值相 对减小，输出功率有一定程度下 降，但集电极的效率可达到85.9%O 在工程设计中。的取值通常在 65。75。之间。70。左右为最佳导 通角，可兼顾输出功率和效率两个重要指标。请自学课本P58的两个例题。图4-12谐振功率放大器各级电 压、电流波形UCE = CC +Uc CC - IcmlR C0S t注意：集电极损耗1 eOv = iurracot , 7 ,? 2,减小与”的乘积，可减小晶体管的瞬时损耗。由图 412可以看出，当

28、晶体管集电极电流c最大时，晶体管的集电结压降心最 小，这时它们的乘积最小，也即晶体管 的损耗最小，而要达到这个要求，晶体 管的集电极负载回路必须工作在谐振 状态。可见，一旦负载回路失谐，将导 致放大器的损耗功率增加，效率降低。问题：用上图描述电压电流的关系时, 电路必须满足什么状态？结论： 刻;1、icmax、bemax、cemin出现在同一时2、集电极功耗很小，效率高;4.2.5谐振功率放大器的效率与工作状 态谐振功率放大器的效率与其工作状态 有密切关系。图413给出甲、乙、丙 三种工作状态的相应波形。V取空冷=1（这里做了什么近似？）,从图413可知1）选择为静态工作点，功放工作于 甲类工

29、作状态，整个周期内晶体管 都是导通，。=180。，%（8） = %（180。）= 0.5,%（。）= 4（180。）= 0.5 修（180） = 1xl11 v%=B（）=- c 2 1 2VCC当静态工作点。/位于交流负载线中心 时，噎，2=1,7 max =5。 2）选择。B为静态工作点，功放工作在 乙类工作状态，晶体管在半个周期内导通，8 = 90。, %（e）= 4（90。）= 0.5 由式（4.2.15）、（4.2.16）J fvr7儿=茱/3)=臂(sine - Ocos。、 ./八、os。）= 5%（4.2.15）加二Acos以（&）二（*ym% = icmax。） （4 2 1

30、6） 2兀 ,711 - COS 04.工 D,可得He maxcmax7Ccmax二 工=工=78.5%2 yCc【co 2 Vcc 2 43）选择Qc为静态工作点，功放工作于丙类工作状态，晶体管只有很短的时间内导通，890。，%(8) = %( 90) 0.5 o。，&(。)个,牝个，但火4,只J,所 以提高输出功率和提高效率是矛盾的, 必须折衷考虑。通过上述分析可得出如下结论：1）当输入信号，回路谐振电阻&给 定时，如希望得到尽可能大的功率输 出，应采用甲类或乙类功放。丙类功 率放大器效率的提高是以功率放大 器的电压增益下降为代价的，随着导 通角不断地减小，由甲类到甲乙类， 到乙类，再到

31、丙类，谐振功率放大器 的效率越来越高，但电压增益却越 来越低，因此对输入信号的幅度要求 越来越高。2）增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重 要途径。对于丙类功率放大器，在回路谐振电 阻&给定时,如果要增大输出功率，则 需增大4吗当器件确定时，就是要增 大输入信号振幅%;如果要提高效率, 需增大/加或减小屋。（减小即减小 集电极功耗，通过降低静态工作点可 以实现）。3）丙类功放当L减小到使=。时, 则有=。，也就是说，当a=0,这对提高效率有益。甲类的只与静态工作点有关，而与 输出身无关，也就是说，即使功放输 出的交流信号为0,直流电源仍旧提 供直流功率，这时电源提供的能量将 全部被晶体管消耗掉了，这就是为什么甲类效率最低。