4.2.4 高频谐振功率放大器效率与输出功率.doc

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。追求高转换效率是功率放大电路的基本设计要求之一。 由图4—12可见，高频谐振功放集电极输出电压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。 放大器输出的基波功率 （4.2.21） 电源提供的直流功率 （4.2.22） 根据能量守恒定律，集电极耗散功率为 （4.2.23） 集电极效率 （4.2.24） 式中称为波形系数，是导通角的函数；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，有两种途径 1）一种是提高集电极电压利用系数，即提高，而是输出基波电压的幅值，，通过提高回路的有载品质因数来实现增大；  另一种是提高波形系数。由图4—11可知，导通角越小，越大，效率越高，但却越小，输出功率也就越低。为了兼顾输出功率和效率，必须选取合适的导通角。如取时，达到最大值，输出功率最大，但的值相对较小，集电极的效率仅为64%左右；若取，此时虽然的值相对减小，输出功率有一定程度下降，但集电极的效率可达到85.9%。因此在工程设计中的取值通常在之间。左右为最佳导通角，可兼顾输出功率和效率两个重要指标。 图4—12 谐振功率放大器各级电压、电流波形 还有一个应该注意的问题，集电极损耗，减小与的乘积，可减小晶体管的瞬时损耗。由图4—12可以看出，当晶体管集电极电流最大时，晶体管的集电结压降最小，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。 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4—12给出甲、乙、丙三种工作状态的相应波形。 图4—12甲、乙、丙三种工作状态的波形 取(这里做了什么近似？)，从图4—12可知 1） 选择为静态工作点，功放工作于甲类工作状态，整个周期内晶体管都是导通，，， 当静态工作点位于交流负载线中心时，，， 2) 选择为静态工作点，功放工作在乙类工作状态，晶体管在半个周期内导通，， 由式（4.2.15）、（4.2.16）可得 3) 选择为静态工作点，功放工作于丙类工作状态，晶体管 只有很短的时间内导通, ，。，但，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： 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。 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, 当器件确定时, 就是要增大输入信号振幅；如果要提高效率, 需增大或减小 (减小即减小集电极功耗, 通过降低静态工作点可以实现)。所以, 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。 丙类功放当减小到使时，则有，也就是说，当时，则有，这对提高效率有益。甲类的只与静态工作点有关，而与输出无关，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，所以甲类效率最低。 4.3高频功率放大器的动态特性分析 4.3.1 高频功率放大器的动态特性（课本P54） 晶体管的静态特性是在集电极没有接负载阻抗的条件下得到的三极管集电极电流与电压和的关系曲线，这是晶体管本身所固有的。本章4.2.2节中介绍的晶体管的输入特性曲线、正向传输特性曲线和输出特性曲线都是未接负载时的静态特性曲线。当基极加入激励信号，并且集电极接上负载阻抗时，三极管集电极电流与电压和的关系曲线称为谐振功放的动态特性。谐振功率放大器的负载是并联谐振回路，回路的谐振频率等于输入信号频率，回路的谐振电阻为。谐振功率放大器的动态特性曲线就是指输入激励信号、负载和晶体管（可用和表示）确定后，瞬时工作点在输入信号作用下移动的轨迹，有时也叫负载线。 1 放大区动态特性方程 工作于丙类放大状态的高频谐振功率放大器，集电极电流为周期性脉冲，属于非线性电路，其动态特性曲线不是一条直线，而是曲线。工程上采用折线法作近似估算