通信电子线路 课件 第3章 高频谐振功率放大器.pptx

第3章高频谐振功率放大器;

1.1概述;

放大器工作在什么状态，直接影响到其能量转换效率。由先修课程可知，低频功率放大器(简称低频功效)可以工作在甲(A)类状态，也可以工作在乙(B)类状态，或甲乙(AB)类状态。乙类状态要比甲类状态效率高(甲类ηmax=50%；乙类ηmax=78.5%)。为了提高效率，高频功率放大器多工作在丙(C)类状态。为了进一步提高高频功率放大器的效率，近年来又出现了D类、E类和S类等开关型高频功率放大器。本章主要讨论丙类功率放大器的工作原理。;

由于高频功放通常工作在丙类，属于非线性电路，因此不能用线性等效电路分析，工程上通常采用图解法(折线法)分析，即用折线段来近似表示电子器件的特性曲线，然后对放大器的工作状态进行分析计算。折线法的物理概念清楚，分析问题也很清楚，但计算准确度较低。;

3.2高频功率放大器的工作原理;

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高频功放主要由以下部分组成：

(1)晶体管：它是电路中的能量转换器件，控制直流能量向交流能量的转换。

(2)电源：高频功放一般包括两个电源，即基极电源EB和集电极电源EC。基极电源EB是为了设置合理的工作状态，保证晶体管工作在丙类状态；EC提供直流能量。

(3)馈电电路：保证直流电源能馈送到晶体管各电极，同时防止交流信号进入直流电源。馈电电路包括基极馈电(由L1、C1、C2构成)和集电极馈电(由L2、C3、C4构成)。馈电的形式多种多样，根据具体的需要可选用不同的馈电形式，详细内容将在后面叙述。;

(4)耦合回路：主要作用是高效地传输高频信号能量，滤除谐波成分，实现阻抗匹配。高频功放的输入端和输出端均有耦合回路。输入端的耦合回路为高频功放提供激励；输出端的耦合回路就是晶体管集电极的负载，所以输出端的耦合回路又叫做输出回路(由C5、C6、L3、L4、L5、CA、RA构成)，输出回路应调谐在所需要的输出频率上，并且谐振回路的谐振阻抗应满足工作状态对负载阻抗的要求。输出回路由中介回路(L3、C5)和天线回路(L4、C6、L5)构成。CA、RA为等效的天线阻抗。;

为了分析方便，由图3.2.1所示的实际电路可以得到高频功放的原理电路，如图3.2.2所示。除电源和偏置电路外，它还包含晶体管、谐振回路和输入回路三部分。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流ib，ib控制了较大的集电极电流ic，ic流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。;

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为了使高频功放高效地输出大功率，常选在C类状态下工作。为了保证在C类状态下工作，基极偏置电压EB应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1~2V，甚至更大。也就是说，晶体管工作在截止和导通(线性放大)两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。;

高频功放选用谐振回路作负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量(基波分量)外，还有谐波分量和其他频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放高效地输出大功率。;

3.2.2晶体管特性的折线化分析方法

为了对高频功放进行计算，通常采用折线法对晶体管的转移特性和输出特性曲线进行处理，即将转移特性曲线和输出特性曲线用折线来近似代替，如图3.2.3所示。;

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图3.2.3(a)为折线化后的晶体管转移特性。由该图可见，晶体管在放大区的转移特性可用一条交横轴于EB且斜率为gc的直线表示，函数式为

式中：EB为晶体管导通电压(硅管为0.5~0.7V；锗管为0.2~0.3V)；gc为晶体管跨导。;

3.2.3输出电流及电压

1.集电极余弦脉冲电流的傅里叶分析

将晶体管的转移特性折线化近似后，电流波形如图3.2.4所示。;

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由图3.2.4可见，高频功放的集电极电流为周期性的余弦脉冲，且余弦脉冲电流ic的大小和形状由最大值icmax和导通角θ决定。利用傅里叶级数将ic展开可得;

将式(3.2.8)代入上面各积分式，积分后可得;

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2.电流、电压波形

由以上分析可知，高频功放的输出电流ic为周期性余弦脉冲电流，那么输出电压是否也是余弦脉冲电压呢?不是，因为晶体管的负载是LC并联谐振回路，这是一个选频网络。对直流和高次谐波电流分量而言