高频电子线路之通信信号的发送

第三章通信信号的发送

3．1概述

3．2谐振功率放大器

3.2.1功率放大器的性能分析

3.2.2功率放大器的工作状态分析

3.2.3谐振功率放大器电路

本章小结

高频电子线路第三章通信信号的发送3.1概述（通信信号的功率放大、功率放大器基本工作原理）一、高频功率放大器的任务及应用1.任务：输出足够大的功率、高效率的功率转换、减小非线性失真。2.应用振荡器缓冲级高放末前级放大末级功放及调制话音信号话筒低频放大

二、高频功率放大器的特点

1.与高频小信号调谐放大器的异同点相同点：工作在高频段、调谐回路作负载不同点：（1）输入信号大小不同（2）分析方法不同（3）任务不同（4）工作状态不同2.与低频功率放大器的异同点相同点：输出功率大、效率高不同点：（1）频带宽度不同低功放：工作频率20Hz～20kHz，相对频带宽。高功放：工作频率几百kHz～几百MHz，相对频带窄。（2）负载不同高频功率放大器的特点高功放功率大、效率高、相对频带很窄，所以负载为调谐回路，采用折线分析，工作在丙类工作状态。三、高频功率放大器的工作原理

（一）放大器工作状态的分类1.通角的概念：在信号的整个周期中，电流导通角度的一半称通角2.分类甲类＝180乙类＝90丙类<90上图中横坐标uBE、纵坐标iC可见，甲类工作状态整个周期导通，即iC永远不为0，所以甲类管功耗大、效率低；乙类工作状态iC仅在半个周期导通，且iC正好是uCe负半周，管耗小、效率高（小于等于78%）；丙类工作状态<90，iC仅在uCe较小的期间半个周期导通，故比乙类效率高，可达80%以上。所以，高功放一般工作在丙类，且负载要用调谐回路，滤出谐波，保证完整基波。（二）高频功率放大器（丙类放大器）的分析方法－－折线分析法丙类放大器在负载上的输出功率，不是由本身，而是由其基波分量所引起，要精确分析较困难。只能用近似估算的方法。所谓折线法，是指用几条直线段来代替晶体管的实际特性曲线，然后用简单的数学解析式写出电压、电流关系的方法。其中，Uj为晶体管截止电压。要放大器工作在丙类，要求晶体管发射结为小于Uj的正偏置或负偏置。高频功率放大器原理电路（三）高频功率放大器工作原理图各元件作用1.晶体管：能量转换作用。2.输出调谐回路作用：传输基波功率、滤除各次谐波、阻抗匹配3.电源UCC－－功放能源

UBB－－基极电源，决定功放工作状态4.Cb、CC高频短路电容高频功率放大器电压电流波形（四）高功放工作原理晶体管截止电压Uj（硅管0.5～0.7v，锗管0.2～0.3v）当UBB

Uj时，放大器无外加激励时，晶体管截止。即当UBB为负值或为小于Uj的正电压，放大器工作在丙类。（四）高功放工作原理设ub＝UbmcoswtuBE＝UBB＋Ubmcoswt当uBE>Uj时，晶体管才导通，才有电流通过。电流iC为周期性的余弦脉冲，用傅里叶级数展开得

iC＝IC0＋IC1mcoswt＋IC2mcos2wt＋…＋ICnmcosnwt当输出回路的选频网络谐振于基波频率时，iC只有基波电流才产生压降，因此输出电压uCE近似为余弦波形，且与输入电压ub同频、反相。谐振电阻RP＝w0LQL=QL/w0CUCm＝IC1mRP（四）高功放工作原理

工作原理：高功放输入完整正弦波，由于放大器工作在丙类状态，产生的iC为周期性余弦脉冲波，但负载为调谐回路，谐振于基波频率，可选出iC的基波。故在负载两端得到的电压仍为与输入信号同频的完整正弦波。四、主要计算指标

1.输出功率P0

P0＝IC1mUCm/2其中IC1m为iC中基波振幅

UCm为负载两端电压振幅2.效率C

C＝P0/PD其中PD为集电极直流电源提供的直流功率（利用基极激励控制，使其转换为交流功率）PD＝UCCIC0PC为集电极耗散功率PC＝PD－P03.谐波辐射功率放大器不论工作在哪一状态，不论输出功率多大，在距离发射机1km处的谐波辐射功率不得大于25mW。4.功率增益GP

GP＝P0/Pb

＝（0.5UCmIC1m）/（0.5UbmIb1m）

＝（UCmIC1m）/（UbmIb1m）Pb为基极激励功率（最后变为发射结、基区的热损耗）小结高频功率放大器的特点通角的概念、丙类状态偏置的选择高频功率放大器工作原理（图、元件作用、原理）输出功率、效率的计算

高频电子线路

第三章通信信号的发送3.2谐振功率放大器3.2谐振功率放大器3.2.1功率放大器的性能分析3.2.2功率放大器的工作状态分析3.2.1功率放大器的性能分析一、集电极电流和通角二、输出功率Po三、两个利用系数四、效率C一、集电极电流和通角转移特性曲线折线的斜率用G表示则uBE

Uj时iC＝0

uBE>Uj时iC＝G(uBE-Uj

)

而uBE＝UBB＋Ubmcoswt

所以iC＝G(UBB＋Ubmcoswt-Uj

)

当wt＝时iC＝0

得cos＝（Uj－UBB）/Ubm

则iC＝GUbm

(coswt-cos

)一、集电极电流和通角⒈cos

=（Uj－UBB

）/Ubm当wt＝时Icmax

=GUbm（1－

cos

）⒉

ic=Icmax（coswt

－

cos

）/（1－cos

）

将其傅里叶级数展开即：

ic=Ic0+Ic1mcoswt+Ic2mcos2wt+Ic3mcos3wt+······、

其中Ic0=Icmaxa0（

）、Ic1m=Icmaxa1（

）······、Icnm=Icmaxan（

）

集电极电流和通角a0为直流分量分解系数，a1为基波分量分解系数……，an为n次谐波分量分解系数。由此可见Ic0、Ic1m、······、Icnm

以及Icmax

均与通角有关，与甲类、乙类功放相比，为保证同样的Icmax值，丙类功放所需要的输入激励信号的幅度Ubm要大的多。这可从下图中看出。甲、乙、丙类工作状态下的激励信号

二、输出功率Po

Po

=UcmIc1m/2=I2c1mRP/2

看余弦脉冲分解系数曲线，输出功率Po最大应选择通角为120°，但此时效率C并不是最高。三、两个利用系数

⒈集电极电压利用系数

=Ucm

/Ucc=RPIc1m/Ucc

表示集电极输出电压的动态范围。Ucm一般不超过Ucc，因此常取0.9＜＜1。为↑，应RP↑

，并Ubm

↑

，使Icmax↑，在一定时，基波电流振幅Ic1m较大。⒉电流利用系数（波形系数）

g1（）=a1（

）/a0（

）

四、效率C

C=Po/PD=（UcmIc1m）/（2UccIc0）=1/2

g1（）

为提高效率C应考虑两点：⒈选择合适的通角，为兼顾Po能够较大，最佳通角取65°～75°（条件是Icmax为定值、RP为定值）。⒉提高电压利用系数，即应RP↑，并Ubm↑。就是说RP对C、Po有最佳取值。从前面的的讨论知道，丙类功率放大器在大信号激励下可获得大功率、高效率。实际调整电路时，晶体管选定后〔即G（gc）、Uj一定〕，还要注意Ucc

（Ec）、UBB（EB）、Ubm、RP

（Rc）等参数对功率放大器工作状态的影响。3.2.2功率放大器的工作状态分析一、动态特性二、负载特性三、丙类放大器的电压特性（调制特性和放大特性）动态特性是在有负载的情况下，晶体管的集电极电流ic随输入电压uBE、输出电压uCE同时变化的轨迹，也称为交流负载线或动态特性曲线。负载特性是指LC回路的谐振电阻对工作状态的影响。一、动态特性（交流负载线）

uBE=UBB+Ubmcoswt

——①

uCE=Ucc－Ucmcoswt——②

由②式得coswt

=（Ucc－uCE）/Ucm代入①式得：

uBE=UBB+Ubm

（Ucc－uCE）/Ucm

∴ic=Gc（uBE

－

Uj

）=-Gc（Ubm/Ucm）[uCE－（UbmUcc+UcmUBB－UcmVj）/Ubm]即动态特性曲线是一条斜率为-Gc（Ubm/Ucm）、截距为（UbmUcc

+Ucm

UBB－Ucm

Uj

）/Ubm的直线。

从图中可以看出ic与Gc、Uj、Ucc、UBB、Ubm、Ucm（Rc）有关，当晶体管选定后Gc、Uj一定，ic仅与Ucc、UBB、Ubm、Ucm（Rc）有关。二、负载特性⒈不同Rc对Ucm的影响当Rc↑时，引起Ucm↑。⒉不同Rc对动态特性曲线的影响∵ic=Gc（uBE－Uj

）∴静态IQ=Gc（UBB－

Uj

）一定、又Ucc一定，∴当Rc变化时Q点位置不变。当Rc↑时，动态特性曲线绕Q点逆时针旋转。二、负载特性⒊不同Rc对工作状态的影响①Rc较小，Ucm较小，欠压状态，ic波形为尖顶余弦脉冲。②Rc

↑，Ucm

↑，使UCC－Ucm

=

UCES

临界工作状态，ic波形仍为尖顶余弦脉冲。③Rc较大，Ucm较大，过压状态，动态线在A3点转折，由此动态线对应作出的ic波形为一中间有凹陷的脉冲。二、负载特性⒋负载特性曲线——以RP（Rc）为横坐标，Ic1m、Ic0、Ucm、C

、Po、PD、Pc与RP的关系（晶体管一定，且Ubm、Ucc、UBB一定）5.三种工作状态比较（1）欠压状态：Po、C均低，Pc较大，ic为尖顶余弦脉冲。（2）

临界状态：Po最大，C较高，ic为尖顶余弦脉冲——最佳状态。条件：UCC－Ucm=

UCES

Icmax=gcr

UCES（3）过压状态：弱过压时C最高，但Po逐步减小，ic为有凹陷的余弦脉冲。Ucm随Rc变化不大，即Ucm较为稳定。结论

本部分重点掌握负载特性曲线以及三种工作状态的特点。实际上，改变Ucc

、UBB

、Ubm

，同样也会使动态线从欠压、临界过渡到过压状态。三、丙类放大器的电压特性

（调制特性和放大特性）（一）放大特性

（二）调制特性（一）放大特性

——是指Rc、Ucc、UBB一定时，放大器性能随Ubm

变化的特性。当Ucc、UBB不变，只改变Ubm，即Q点位置不变，且Re不变，则动态特性曲线不动。

∵uBE=UBB+Ubmcoswt

∴Ubm↑，使IBmax↑、Icmax↑且通角↑

，放大器从欠压工作状态进入过压状态。（一）放大特性因此，丙类放大器在放大振幅变化的高频信号时，为保持输出电压与输入电压的线性关系，应工作在欠压区（放大区）。若丙类放大器用作限幅器时，则应工作在过压区。（二）调制特性⒈集电极调制特性——当Rc、Ubm、UBB一定时，放大器性能随Ucc变化的特性。⒉基极调制特性——当Rc、Ubm、Ucc一定时，放大器性能随UBB变化的特性。⒈集电极调制特性Rc

不变，动态特性曲线斜率不变。Ubm、UBB一定，

IQ一定且IBmax一定。当Ucc变化时，Q点将移动，动态线将平移。即Ucc减小，负载线向左平移，放大器从欠压工作状态进入过压工作状态。⒈集电极调制特性从图中可以看出，要使高功放实现集电极调幅，应使放大器工作在过压区，EC对Ucm的控制更有效。⒉基极调制特性

⒉基极调制特性从图中可以看出，高功放实现基极调幅时，为使UBB有效地控制Ucm的变化，放大器应工作在欠压区。

高频电子线路

第三章通信信号的发送3.2.3谐振功率放大器电路

3.2.3谐振功率放大器电路一、馈电电路⒈馈电方法⒉集电极馈电电路⒊基极馈电电路二、耦合电路三、谐振功率放大器的调谐与调配四、高功放实用电路举例⒈馈电方法⑴串馈：晶体管、调谐回路、电源三者相串。⑵并馈：晶体管、调谐回路、电源三者相并。⒉集电极馈电电路

⒉集电极馈电电路串馈电路，谐振回路处于直流高电位，谐振回路元件不能直接接地；并馈电路，CC隔断直流，谐振回路处于直流低电位，调谐回路的可变电容器动片可以接地，调谐时人体影响小，但并馈的馈电支路的分布电容影响调谐回路的谐振频率，并馈一般用在频率较低的电路。⒊基极馈电电路

几种常用的基极偏置电路

二、耦合电路

⒈耦合电路作用传输有用功率滤波阻抗匹配——输入、输出耦合电路往往称为匹配网络。阻抗匹配所谓阻抗匹配是通过匹配网络的作用，使负载阻抗的虚数部分与信号源内阻的虚数部分相抵消（谐振），同时实数部分等于放大器所需的最佳负载值。RL`=Reopt=（UCC－Uces）2/2PoReopt为临界状态时所需要的最佳负载电阻。⒉形式LC并联调谐回路滤波器（倒L型、T型、∏型）——倒L型网络由两个异性电抗元件组成。——T型、∏型网络各由三个电抗元件（其中两个同性质，另一个异性质）组成。

串、并联阻抗变换

串、并联阻抗变换

回路品质因数：Qe=Xs/Rs

=Rp/Xp

阻抗变换公式：Rp=（1+Qe

2）Rs

Xp=[1+（1/Qe

2）]Xs

当Qe

》1时上式简化为：

Rp≈Qe

2Rs

Xp≈Xs

注意阻抗变换后电抗元件的性质不变。滤波器（倒L型网络）

图中R2为负载电阻，R1为二端网络在工作频率处的等