第3章高频谐振放大(3.2)器.doc

3.2 高频功率放大器的原理和特性（8学时） 高频功率放大器的主要功用是放大高频信号, 并且以高效输出大功率为目的, 它主要应用于各种无线电发射机中。 主要要求：①输出功率大；②效率高；③选频特性好。 高频功率放大器主要工作在C（丙）类－导通角，效率高。 3.2.1工作原理 图3 ─ 12是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路, 除电源和偏置电路外, 它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。 图 3 ─ 12 晶体管高频功率放大器的原理线路 ① 基极偏置电压：由电源提供，要求晶体管静态时发射结处于反偏状态（与低频电路基极偏置不同），一般，为负值，以保证晶体管工作在C类工作状态。 ② 输入的激励信号较大，一般在0.5V以上（甚至可达1-2V以上），晶体管工作在导通与截止两种状态，基极电流和集电极电流只在信号的部分时间内不为零，是高频脉冲电流。 ③选用谐振回路为放大器的负载，具有完成选频和阻抗匹配功能。 选频：集电极电流为高频脉冲电流，可分解为基波（有用分量）和谐波（无用分量），用谐振回路选出有用频率分量，虑除无用频率分量，达到放大目的。 阻抗匹配：使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗，实现阻抗匹配，使功放输出功率较大。 1．电流、 电压波形 设输入信号为 则由图3 ─ 12得基极回路电压为交直流叠加量： (3 ─ 17) 的波形如图： 图中是晶体管的门坎电压，硅管。 从的波形可见，一个周期内只在范围内才大于为正值，晶体管才导通，因此晶体管只在范围内才导通，（通角，导通角，晶体管工作在C类状态），相应的基极电流是只在范围内才有的脉冲电流，由此，集电极电流也是在范围内才有的脉冲电流。 集电极电流波形可通过转移特性曲线（与的关系）得到。为了简化，对晶体管的特性作了折线化处理。 集电极周期性脉冲电流按傅立叶展开可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量, 即 (3 ─ 18) 偶函数可以展开为余弦函数的傅里叶级数。 其中： (3 ─ 19a) (3 ─ 19b) (3 ─ 19c) α0(θ)、α1(θ)、αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数, 数值见附录。 只有基波分量频率与信号频率相同，通过谐振回路的选频作用，选出基波信号，虑除其它频率分量，实现输入信号的放大。 放大器的负载为并联谐振回路，当输入信号频率等于其谐振频率时，回路呈现较大的谐振阻抗。中只有基波电流分量在回路上产生较大的电压，而对频率远离的直流和其它谐波分量回路呈现很小的电阻，相对应的电压亦很小，几乎为零，这时回路的输出电压为： 其中：RL是谐振回路谐振时的电阻。 是余弦交流电压，即虽然集电极电流是脉冲电流，但通过回路的选频作用，电路输出的电流和电压却都是与输入信号规律相同的完整的余弦信号，实现不失真大放大。且和都较大，输出功率也较大。 晶体管集电极和发射极间的电压为： 是交直流叠加量，的波形如图: 当集电极回路处于谐振时，出现在同一时刻，在相同的条件下，越小，就越集中在的附近，而最大时最小，越小，意味着较大时也较大的时间也越少，相应的集电极的功率损耗也较小，所以越小，功率放大器的效率越高。 减小晶体管的导通角可以提高功放的效率，所以高频功放的导通角一般，工作在C类工作状态，而低频功放却不能工作在C类工作状态，因为低频功放的相对带宽很宽，只能采用电阻作为负载，没有选频作用，如果工作在C类工作状态，基极电流、集电极电流都是脉冲电流，输出电压也时脉冲电压，输出信号出现严重的失真。 2． 高频功放的能量关系 （1）输出功率P1： 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P1为 (3 ─ 22) （2）集电极电源供给的直流输入功率P0为——直流功率 (3─ 23) (3) 集电极损耗功率Pc: 直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc, 即 (3─ 24) Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。 定义集电极效率η为 (4)集电极效率η： (3 ─ 25) 其中： －波形系数，基波电流分量与直流电流分量之比。 越大，基波分量越大，输出功率越大，反映了电路的能量转换关系，直流电流中被转换成有用的基波电流的比例。 －集电极电压利用系数，直流电压转换成有用的输出电压的比例。 因为 所以：甲类功放，，， 则； 乙类功放，，， 则； C类功放，，， 则。 由式(3 ─24)、 (3 ─ 25)可以得到输出功率P1和集电极损耗功率Pc之间的关系为 (3 ─ 26) ， ， 在Pc一定时（集电极允许的功率消耗确定的情况下），效率越高，越小，则输出功率越大。 例：当