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高频3章
第三章:
高频功率放大器
1.基本内容
高频功率放大器(简称高频功放)主要用于放大高频信号或高频已调波(即窄带)信号。
由于采用谐振回路作负载,解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗变换等问题,因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。
就放大过程而言,它与低频功入有很大差异:
①工作频率以及相对频带宽度相差较大,高频频率高且相对带宽窄;②高频功放以选频网络作为负载,既要求足够的输出功率,又要求提高效率;③高频功放工作在丙类(或丁类),放大器件属于非线性运用,需要采用非线性分析方法(如折线分析法等).高频谐振功放的主要特点是:
输出功率足够大;效率高;非线性失真小及频带宽度满足要求等.
2.基本要求
(1)充分了解高频功率放大器的工作原理及特点。
(2)深刻理解高频功率放大器动态特性的含义,三种工作状态的特点及判别。
掌握欠压、临界状态下功放性能指标的估算方法。
(3)充分理解高频功率放大器的负载特性、调制特性和放大特性。
(4)了解高频功率放大器实际电路中的直流馈电方法和阻抗匹配的概念。
高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器,将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出,它主要应用于各种无线电发射机中。
高频功率放大器希望输出的谐波分量尽可能小,以免对其它频道产生干扰.国际对谐波辐射规定是:
①对中波广播来说,在空间任一点的谐波场强不得超过基波场强的0.02%.②无论电台的功率有多大,在距电台一公里处的谐波场强不得大于50μv/m.在一般情况下,假如任一谐波的辐射功率不超过25mW,即可认为满足上述要求。
3.高频功率放大器的主要技术指标
(1)高频输出功率:
输出功率Po
(2)效率η:
输出功率/直流电源功率:
Po/Pi
(3)功率增益:
输出功率/输入功率:
Po/Pi
(4)带宽:
B0.7
(5)矩形系数Kr0.1=B0.1/B0.7
4.高频功率放大器的分类
高频功率放大器可分为窄带放大器和宽带放大器两类。
例如,中波段调幅广播的载波频率为(535-1605)kHz,而传送信息的相对带宽只有0.6%-1.7%,发射机中的高频功率放大器一般采用窄带选频网络为负载。
3.1谐振功率放大器的工作原理
1、谐振式高频功率放大器的电路及其特点
晶体管高频功率放大器的原理电路如图5-1所示,由晶体管、输出谐振回路和输入回路三部分组成。
如图3.1.1所示。
图3.1.1晶体管高频功率放大器的原理电路
谐振式高频功率放大器的特点是:
①为了提高效率,放大器常工作于丙类状态,晶体管发射结为负偏置,由Eb(VBB)来保证,流过晶体管的电流为余弦的脉冲波形;②负载为谐振回路,除了确保从电流脉冲波中取出基波分量,获得正弦电压波形外,还能实现放大器的阻抗匹配。
2、工作原理
设输入信号为ub=Ubmcosωt
由图3.1.1得基极回路电压为
uBE=VBB+Ubmcosωt(3.1.1)
放大器常工作于丙类状态,如图3.1.3所示.
图3.1.3高频功放的工作状态
输出电流为余弦脉冲,含有直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,输出谐振回路选出基波分量,就实现了功率放大。
3、晶体管的工作区域
低频区:
f<0.5fβ。
中频区:
f在0.5fβ--0.2fT之间。
高频区:
f在0.2fT—fT之间。
3.1.2余弦电流脉冲的分解
如图3.1.3所示,基电极电流余弦脉冲是由脉冲高度Icm和通角θc来决定的.在已知条件下,通过理想化正向传输特性求出集电极电流脉冲.
设激励信号为ub=Ubmcosωt,则uBE=VBB+Ubmcosωt.而晶体管理想化正向传输特性可表示为
ic=0uBE ic=gc(uBE-Ubz)uBE>Ubz 将ube代入式中可得 ic=gc(VBB+Ubmcosωt-Ubz)(3.1.7) 由图5-2可知,当ωt=θc时,ic=0,代入式(5-3)中可得 cosθc=(Ubz-VBB)/Ubm 上式表明,已知VBBUbz和Ubm可确定高额功率放大器的半同角θc,有时也称θc为通角。 但是,必须注意的是,必须主意的是高频功率放大器得实际全通角为2θc所以 ic=gcUbm(cosωt-cosθc) 当ωt=0时,ic= 可得 =gcUbm(1-cosθc) 综上可得集电极余弦电流脉冲的表示式为 ic= (cosωt-cosθc)/(1-cosθc)(3.1.11) 由傅立叶级数知识知周期性脉冲可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即: 各个分量都是θ的函数,其关系见课本46页式(3.1.13). 3.1.3谐振功率放大器的输出功率与效率 在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率PO为. P0=UC1mIc1m/2……………………………(3.1.14) 集电极电源供给的 PD=VCCICO................(3.1.15) Pc为耗散在晶体管集电结中的热能 PC=PD-P0………………………………(3.1.16) (3.1.18) 直流输入功率与集电极输出高频功率之比就是集电极定义集电极效率.式(3.1.18)中ξ为集电极电压利用系数.g1是导通角的函数,θ值越小,g1越大,放大器的效率也就越高.丙类工作状态时,θ=600,g1=1.8,ηc=90%. 由式(3.1.16)、(3.1.18)可以得到输出功率Po和集电极损耗功率Pc之间的关系为: 设基波电流振幅ib且与ub同相,则激励功率为 高频功放的功率放大倍数为 例1、某高频功放工作在临界状态,通角θ=750,输出功率P0为30W,VCC=24V,所用的高频管的SC=1.67A/V,管子能安全工作。 (1)计算此时的集电极效率和临界负载电阻; (2)若输入信号频率提高一倍,其他条件不变,功放的输出功率约是多少? (注: ) (1)∵ ∴ (2) 例2、如图,已知功率放大器的Vcc=12V,Vces=2V,θc=70°,且分解系数a0(70°)=0.253,a1(70°)=0.436,求功率放大器的P0、P=、Pc和ηc。 由图,iCM=0.6A, IC1M=iCMa1(70°)=0.6x0.436=0.2616 IC0iCMa0(70°)=0.6x0.253=0.1518 PO=IC1MUC1M/2=0.5X0.2616X10=1.31W P==ICOVCC=0.1518X12=1.82W ηC=PO/P=1.31/1.82=72% 作业: 讨论题3.1.1、3.1.2;习题3.3 3.2谐振功率放大器的特性分析 3.2.1高频功放的工作状态与负载特性 一、三种工作状态 高频谐振功率放大器的工作状态是指处于丙类或乙类放大时,在输入信号激励的一周内,是否进入晶体管特性曲线的饱和区来划分。 可以分为欠压(undervoltage)、临界(critical)和过压(overvoltage)三种状态。 1.高频功放的动态特性方程 由uBE=VBB+Ubmcosωt uCE=VCC-Ucmcosωt 得cosωt=(Vcc-uCE)/Ucm 所以uBE=VBB+(VCC-uCE)Ubm/Ucm ic=gc(uBE-Ubz) =-gcUbm/Ucm(uCE-Uo) =gd(uCE-Uo) 斜率gd=-gcUbm/Ucm为负,为能量发生器 截距U0=VCC-Ucm(Ubz-VBB)/Ubm 即动态特性为直线 2.高频功放动态特性曲线的作法: 两点确定一直线: a令ic=0,得uCE=U0=Vcc-((Ubz–VBB)Ucm/Ubm; b令uce=0,得IC=-gdU0=gcUbmU0/Ucm cQ点令uce=VCC ic=gd(uce-Uo)=gc(Ubz-Vbb); duce=ucecmin=Vcc-Ucm,VbB=VbBmax=VBB+Vbm点 连接其中两点即可 3.动态特性曲线的讨论 下图给出了谐振功率放大器不同工作状态的电压和电流波形。 当Ucm增大到Ucm=Ucm2时,动态特性与Ubemax决定A2点。 A2在临界线上,晶体管的工作状态为临界状态。 对应的集电极电流仍为余弦脉冲; 当Ucm增大到Ucm=Ucm3时,动态特性将发生较大变化。 动态特性与Ubemax的交点在Ubemax的延长线上,但对应A3点。 而A3对应于Ucemin代表了Ucm=Ucm3时的动态特性。 晶体管工作已进入饱和区,这样的工作状态称成为过压状态。 对应的集电极电流是一个凹顶脉冲; 对于欠压和临界状态,由于集电极电流为余弦脉冲,其直流分量和基波分量可按余弦脉充分解系数求得。 例1、某高频谐振功率放大器工作于临界状态,输出功率PO=15W,且VCC=24V,半导通角为70o时α0=0.253,α1=0.436,临界状态电压利用系数为ξ=0.91。 试求: (1)直流电源Vcc提供功率Po、集电极损耗功率Pc、集电极效率ηc和临界负载电阻RLcr。 (2)若输入信号振幅增加一倍,此时输出功率约为多少? (3)若负载电阻增加一倍,功放的工作状态如何改变? (1)Po=15W、Pc=3.96W、ηc=79%、RLcr=15.94Ω; (2)输出功率基本不变;(3)工作到过压状态,输出功率约为原来的一半。 二、高频功放的负载特性(输出特性) 高频功放工作于非线性状态,负载特性是指在晶体管及VCC,VBBUbm一定时,改变负载电阻RP,功放的各处电压、功率及效率η随RP变化的关系。 1.Ico Ic1m与RP关系曲线 在欠压状态,随Rp增大,ICO、IC1m基本不变,在过压区,随着Rp增大,ic出现下凹,ICO、IC1m减少,如图3.2.3(a)。 图3.2.3高频功放的负载特性 2.UCm与RP的关系曲线 欠压区内,Ic1m变化很小;UC1m=Ic1mRP随RP增大而上升;在过压区,RP线性增加,Ic1m减小较慢,UCm稍有上升。 3.功率,效率P0=Pcηc与RP的关系曲线 在欠压状态,随Rp增大,P0基本保持不变,Pc线性增大,ηc逐渐增大。 进入过压状态,随Rp增大,P0减少。 由此看出,临界状态输出功率最大。 而集电极效率在弱过压区由于PO下降较Pc下降缓慢,ηc略增,在临近临界线的弱过压区,ηc出现最大值。 图3.2.3(b)是随Rp变化的规律。 工作状态分析 (1)在欠压工作的大部分范围内,输出功率PO和集电极效率ηc都较低,集电极损耗功率大,而且当谐振电阻RP变化时,输出信号电压振幅变化较大。 因此,除了特殊场合以外,很少采用这种工作状态。 特别值得一提的是,当RP=0,即负载短路时,集电极损耗功率PC达最大值,有可能烧坏功率晶体管.因此,在调整谐振功率放大器的过程中,必须防止负载短路. (2)在临界工作状态,输出功率最大,且集电极效率也高,常用于发射机的功率输出级,以便获得最大的输出功率 (3)再过压工作状态中,当谐振电阻变化时,输出信号电压振幅UCm变化较小,多用于需要输出电压平稳的场合。 3.2.2VCC对放大器工作状态的影响: 当VCC由小增大时,放大器的工作状态由过压状态向欠压状态变化。 3.2.3Uim和VBB对放大器工作状态的影响 当Uim由小增大时,集电极电流脉冲宽度和高度均增加,并出现凹陷,放大器的工作状态由欠压状态进入过压状态。 当VBB由负到正增大时,集电极电流脉冲宽度和高度均增加,并出现凹陷,放大器的工作状态由欠压状态进入过压状态。 作业: 讨论题3.2.1、3.2.3;习题3.5 3.3谐振功率放大器电路 谐振功率放大器是由输入回路、晶体管和输出回路组成.输入、输出回路在谐振功率放大器中的作用是,提供放大器所需的正常偏置;实现滤波(调谐于基波频率);保证阻抗匹配。 可认为它是由直流馈电电路和匹配网络两部分组成。 3.3.1.直流馈电电路 直流馈电线路包括集电极馈电和基极馈电线路。 1.集电极馈电电路 图3.3.1是集电极馈电线路的两种形式: 串联馈电线路和并联馈电线路。 图3.3.1(a)中晶体管、负载回路、电源三者是串联的,故称为串连馈电。 图3.3.1(b)中晶体管、电源、谐振回路三者是并联连接的,故称为并联馈电。 (a)串联馈电;(b)并联馈电 图3.3.1集电极馈电线路两种形式 2.基极馈电电路 (1)图3.3.2是基极馈电线路的两种形式: 串联馈电线路和并联馈电线路。 图3.3.2(a)中晶体管输入回路、电源是串联的,故称为串连馈电。 图3.3.2(b)中晶体管输入回路、电源是并联连接的,故称为并联馈电。 (a)串联馈电;(b)并联馈电 图3.3.2 (1)基极馈电线路两种形式 (2)基极馈电线路提供偏压的方法: 一是由电源分压;二是自给偏压。 自给偏压如图图3.3.2 (2)所示。 图3.3.2 (2)自给偏压基极馈电线路 3.3.2.匹配网络 1.对滤波匹配网络的要求: (1)在所需频带范围内进行有效的阻抗变换,将实际负载电阻变换成最佳负载电阻,使放大器工作在临界状态,以便高效率输出所需功率; (2)抑制工作频率范围以外的频率,即有良好的滤波作用;(3)滤波匹配网络本身的固有损耗应尽可能地小。 2.匹配网络的分类匹配网络分为输入匹配网络(级间耦合网络)和输出匹配网络,几种常用的LC匹配网络如图所示。 (a)L型;(b)T型;(c)π型 图几种常用的LC匹配网络 3.L型匹配网络 (a) (a)L-I型网络(b)L-Π型网络 图L型匹配网络 4.L型匹配网络的具体电路 (a)L-I型网络: 适合rL
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