高頻電子線路之通信信號的發(fā)送

第三章通信信號的發(fā)送

3．1概述

3．2諧振功率放大器

3.2.1功率放大器的性能分析

3.2.2功率放大器的工作狀態(tài)分析

3.2.3諧振功率放大器電路

本章小結(jié)

高頻電子線路第三章通信信號的發(fā)送3.1概述（通信信號的功率放大、功率放大器基本工作原理）一、高頻功率放大器的任務(wù)及應(yīng)用1.任務(wù)：輸出足夠大的功率、高效率的功率轉(zhuǎn)換、減小非線性失真。2.應(yīng)用振蕩器緩沖級高放末前級放大末級功放及調(diào)制話音信號話筒低頻放大

二、高頻功率放大器的特點

1.與高頻小信號調(diào)諧放大器的異同點相同點：工作在高頻段、調(diào)諧回路作負(fù)載不同點：（1）輸入信號大小不同（2）分析方法不同（3）任務(wù)不同（4）工作狀態(tài)不同2.與低頻功率放大器的異同點相同點：輸出功率大、效率高不同點：（1）頻帶寬度不同低功放：工作頻率20Hz～20kHz，相對頻帶寬。高功放：工作頻率幾百kHz～幾百MHz，相對頻帶窄。（2）負(fù)載不同高頻功率放大器的特點高功放功率大、效率高、相對頻帶很窄，所以負(fù)載為調(diào)諧回路，采用折線分析，工作在丙類工作狀態(tài)。三、高頻功率放大器的工作原理

（一）放大器工作狀態(tài)的分類1.通角的概念：在信號的整個周期中，電流導(dǎo)通角度的一半稱通角2.分類甲類＝180乙類＝90丙類<90上圖中橫坐標(biāo)uBE、縱坐標(biāo)iC可見，甲類工作狀態(tài)整個周期導(dǎo)通，即iC永遠(yuǎn)不為0，所以甲類管功耗大、效率低；乙類工作狀態(tài)iC僅在半個周期導(dǎo)通，且iC正好是uCe負(fù)半周，管耗小、效率高（小于等于78%）；丙類工作狀態(tài)<90，iC僅在uCe較小的期間半個周期導(dǎo)通，故比乙類效率高，可達(dá)80%以上。所以，高功放一般工作在丙類，且負(fù)載要用調(diào)諧回路，濾出諧波，保證完整基波。（二）高頻功率放大器（丙類放大器）的分析方法－－折線分析法丙類放大器在負(fù)載上的輸出功率，不是由本身，而是由其基波分量所引起，要精確分析較困難。只能用近似估算的方法。所謂折線法，是指用幾條直線段來代替晶體管的實際特性曲線，然后用簡單的數(shù)學(xué)解析式寫出電壓、電流關(guān)系的方法。其中，Uj為晶體管截止電壓。要放大器工作在丙類，要求晶體管發(fā)射結(jié)為小于Uj的正偏置或負(fù)偏置。高頻功率放大器原理電路（三）高頻功率放大器工作原理圖各元件作用1.晶體管：能量轉(zhuǎn)換作用。2.輸出調(diào)諧回路作用：傳輸基波功率、濾除各次諧波、阻抗匹配3.電源UCC－－功放能源

UBB－－基極電源，決定功放工作狀態(tài)4.Cb、CC高頻短路電容高頻功率放大器電壓電流波形（四）高功放工作原理晶體管截止電壓Uj（硅管0.5～0.7v，鍺管0.2～0.3v）當(dāng)UBB

Uj時，放大器無外加激勵時，晶體管截止。即當(dāng)UBB為負(fù)值或為小于Uj的正電壓，放大器工作在丙類。（四）高功放工作原理設(shè)ub＝UbmcoswtuBE＝UBB＋Ubmcoswt當(dāng)uBE>Uj時，晶體管才導(dǎo)通，才有電流通過。電流iC為周期性的余弦脈沖，用傅里葉級數(shù)展開得

iC＝IC0＋I(xiàn)C1mcoswt＋I(xiàn)C2mcos2wt＋…＋I(xiàn)Cnmcosnwt當(dāng)輸出回路的選頻網(wǎng)絡(luò)諧振于基波頻率時，iC只有基波電流才產(chǎn)生壓降，因此輸出電壓uCE近似為余弦波形，且與輸入電壓ub同頻、反相。諧振電阻RP＝w0LQL=QL/w0CUCm＝IC1mRP（四）高功放工作原理

工作原理：高功放輸入完整正弦波，由于放大器工作在丙類狀態(tài)，產(chǎn)生的iC為周期性余弦脈沖波，但負(fù)載為調(diào)諧回路，諧振于基波頻率，可選出iC的基波。故在負(fù)載兩端得到的電壓仍為與輸入信號同頻的完整正弦波。四、主要計算指標(biāo)

1.輸出功率P0

P0＝IC1mUCm/2其中IC1m為iC中基波振幅

UCm為負(fù)載兩端電壓振幅2.效率C

C＝P0/PD其中PD為集電極直流電源提供的直流功率（利用基極激勵控制，使其轉(zhuǎn)換為交流功率）PD＝UCCIC0PC為集電極耗散功率PC＝PD－P03.諧波輻射功率放大器不論工作在哪一狀態(tài)，不論輸出功率多大，在距離發(fā)射機(jī)1km處的諧波輻射功率不得大于25mW。4.功率增益GP

GP＝P0/Pb

＝（0.5UCmIC1m）/（0.5UbmIb1m）

＝（UCmIC1m）/（UbmIb1m）Pb為基極激勵功率（最后變?yōu)榘l(fā)射結(jié)、基區(qū)的熱損耗）小結(jié)高頻功率放大器的特點通角的概念、丙類狀態(tài)偏置的選擇高頻功率放大器工作原理（圖、元件作用、原理）輸出功率、效率的計算

高頻電子線路

第三章通信信號的發(fā)送3.2諧振功率放大器3.2諧振功率放大器3.2.1功率放大器的性能分析3.2.2功率放大器的工作狀態(tài)分析3.2.1功率放大器的性能分析一、集電極電流和通角二、輸出功率Po三、兩個利用系數(shù)四、效率C一、集電極電流和通角轉(zhuǎn)移特性曲線折線的斜率用G表示則uBE

Uj時iC＝0

uBE>Uj時iC＝G(uBE-Uj

)

而uBE＝UBB＋Ubmcoswt

所以iC＝G(UBB＋Ubmcoswt-Uj

)

當(dāng)wt＝時iC＝0

得cos＝（Uj－UBB）/Ubm

則iC＝GUbm

(coswt-cos

)一、集電極電流和通角⒈cos

=（Uj－UBB

）/Ubm當(dāng)wt＝時Icmax

=GUbm（1－

cos

）⒉

ic=Icmax（coswt

－

cos

）/（1－cos

）

將其傅里葉級數(shù)展開即：

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

其中Ic0=Icmaxa0（

）、Ic1m=Icmaxa1（

）······、Icnm=Icmaxan（

）

集電極電流和通角a0為直流分量分解系數(shù)，a1為基波分量分解系數(shù)……，an為n次諧波分量分解系數(shù)。由此可見Ic0、Ic1m、······、Icnm

以及Icmax

均與通角有關(guān)，與甲類、乙類功放相比，為保證同樣的Icmax值，丙類功放所需要的輸入激勵信號的幅度Ubm要大的多。這可從下圖中看出。甲、乙、丙類工作狀態(tài)下的激勵信號

二、輸出功率Po

Po

=UcmIc1m/2=I2c1mRP/2

看余弦脈沖分解系數(shù)曲線，輸出功率Po最大應(yīng)選擇通角為120°，但此時效率C并不是最高。三、兩個利用系數(shù)

⒈集電極電壓利用系數(shù)

=Ucm

/Ucc=RPIc1m/Ucc

表示集電極輸出電壓的動態(tài)范圍。Ucm一般不超過Ucc，因此常取0.9＜＜1。為↑，應(yīng)RP↑

，并Ubm

↑

，使Icmax↑，在一定時，基波電流振幅Ic1m較大。⒉電流利用系數(shù)（波形系數(shù)）

g1（）=a1（

）/a0（

）

四、效率C

C=Po/PD=（UcmIc1m）/（2UccIc0）=1/2

g1（）

為提高效率C應(yīng)考慮兩點：⒈選擇合適的通角，為兼顧Po能夠較大，最佳通角取65°～75°（條件是Icmax為定值、RP為定值）。⒉提高電壓利用系數(shù)，即應(yīng)RP↑，并Ubm↑。就是說RP對C、Po有最佳取值。從前面的的討論知道，丙類功率放大器在大信號激勵下可獲得大功率、高效率。實際調(diào)整電路時，晶體管選定后〔即G（gc）、Uj一定〕，還要注意Ucc

（Ec）、UBB（EB）、Ubm、RP

（Rc）等參數(shù)對功率放大器工作狀態(tài)的影響。3.2.2功率放大器的工作狀態(tài)分析一、動態(tài)特性二、負(fù)載特性三、丙類放大器的電壓特性（調(diào)制特性和放大特性）動態(tài)特性是在有負(fù)載的情況下，晶體管的集電極電流ic隨輸入電壓uBE、輸出電壓uCE同時變化的軌跡，也稱為交流負(fù)載線或動態(tài)特性曲線。負(fù)載特性是指LC回路的諧振電阻對工作狀態(tài)的影響。一、動態(tài)特性（交流負(fù)載線）

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]即動態(tài)特性曲線是一條斜率為-Gc（Ubm/Ucm）、截距為（UbmUcc

+Ucm

UBB－Ucm

Uj

）/Ubm的直線。

從圖中可以看出ic與Gc、Uj、Ucc、UBB、Ubm、Ucm（Rc）有關(guān)，當(dāng)晶體管選定后Gc、Uj一定，ic僅與Ucc、UBB、Ubm、Ucm（Rc）有關(guān)。二、負(fù)載特性⒈不同Rc對Ucm的影響當(dāng)Rc↑時，引起Ucm↑。⒉不同Rc對動態(tài)特性曲線的影響∵ic=Gc（uBE－Uj

）∴靜態(tài)IQ=Gc（UBB－

Uj

）一定、又Ucc一定，∴當(dāng)Rc變化時Q點位置不變。當(dāng)Rc↑時，動態(tài)特性曲線繞Q點逆時針旋轉(zhuǎn)。二、負(fù)載特性⒊不同Rc對工作狀態(tài)的影響①Rc較小，Ucm較小，欠壓狀態(tài)，ic波形為尖頂余弦脈沖。②Rc

↑，Ucm

↑，使UCC－Ucm

=

UCES

臨界工作狀態(tài)，ic波形仍為尖頂余弦脈沖。③Rc較大，Ucm較大，過壓狀態(tài)，動態(tài)線在A3點轉(zhuǎn)折，由此動態(tài)線對應(yīng)作出的ic波形為一中間有凹陷的脈沖。二、負(fù)載特性⒋負(fù)載特性曲線——以RP（Rc）為橫坐標(biāo)，Ic1m、Ic0、Ucm、C

、Po、PD、Pc與RP的關(guān)系（晶體管一定，且Ubm、Ucc、UBB一定）5.三種工作狀態(tài)比較（1）欠壓狀態(tài)：Po、C均低，Pc較大，ic為尖頂余弦脈沖。（2）

臨界狀態(tài)：Po最大，C較高，ic為尖頂余弦脈沖——最佳狀態(tài)。條件：UCC－Ucm=

UCES

Icmax=gcr

UCES（3）過壓狀態(tài)：弱過壓時C最高，但Po逐步減小，ic為有凹陷的余弦脈沖。Ucm隨Rc變化不大，即Ucm較為穩(wěn)定。結(jié)論

本部分重點掌握負(fù)載特性曲線以及三種工作狀態(tài)的特點。實際上，改變Ucc

、UBB

、Ubm

，同樣也會使動態(tài)線從欠壓、臨界過渡到過壓狀態(tài)。三、丙類放大器的電壓特性

（調(diào)制特性和放大特性）（一）放大特性

（二）調(diào)制特性（一）放大特性

——是指Rc、Ucc、UBB一定時，放大器性能隨Ubm

變化的特性。當(dāng)Ucc、UBB不變，只改變Ubm，即Q點位置不變，且Re不變，則動態(tài)特性曲線不動。

∵uBE=UBB+Ubmcoswt

∴Ubm↑，使IBmax↑、Icmax↑且通角↑

，放大器從欠壓工作狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)。（一）放大特性因此，丙類放大器在放大振幅變化的高頻信號時，為保持輸出電壓與輸入電壓的線性關(guān)系，應(yīng)工作在欠壓區(qū)（放大區(qū)）。若丙類放大器用作限幅器時，則應(yīng)工作在過壓區(qū)。（二）調(diào)制特性⒈集電極調(diào)制特性——當(dāng)Rc、Ubm、UBB一定時，放大器性能隨Ucc變化的特性。⒉基極調(diào)制特性——當(dāng)Rc、Ubm、Ucc一定時，放大器性能隨UBB變化的特性。⒈集電極調(diào)制特性Rc

不變，動態(tài)特性曲線斜率不變。Ubm、UBB一定，

IQ一定且IBmax一定。當(dāng)Ucc變化時，Q點將移動，動態(tài)線將平移。即Ucc減小，負(fù)載線向左平移，放大器從欠壓工作狀態(tài)進(jìn)入過壓工作狀態(tài)。⒈集電極調(diào)制特性從圖中可以看出，要使高功放實現(xiàn)集電極調(diào)幅，應(yīng)使放大器工作在過壓區(qū)，EC對Ucm的控制更有效。⒉基極調(diào)制特性

⒉基極調(diào)制特性從圖中可以看出，高功放實現(xiàn)基極調(diào)幅時，為使UBB有效地控制Ucm的變化，放大器應(yīng)工作在欠壓區(qū)。

高頻電子線路

第三章通信信號的發(fā)送3.2.3諧振功率放大器電路

3.2.3諧振功率放大器電路一、饋電電路⒈饋電方法⒉集電極饋電電路⒊基極饋電電路二、耦合電路三、諧振功率放大器的調(diào)諧與調(diào)配四、高功放實用電路舉例⒈饋電方法⑴串饋：晶體管、調(diào)諧回路、電源三者相串。⑵并饋：晶體管、調(diào)諧回路、電源三者相并。⒉集電極饋電電路

⒉集電極饋電電路串饋電路，諧振回路處于直流高電位，諧振回路元件不能直接接地；并饋電路，CC隔斷直流，諧振回路處于直流低電位，調(diào)諧回路的可變電容器動片可以接地，調(diào)諧時人體影響小，但并饋的饋電支路的分布電容影響調(diào)諧回路的諧振頻率，并饋一般用在頻率較低的電路。⒊基極饋電電路

幾種常用的基極偏置電路

二、耦合電路

⒈耦合電路作用傳輸有用功率濾波阻抗匹配——輸入、輸出耦合電路往往稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配所謂阻抗匹配是通過匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，使負(fù)載阻抗的虛數(shù)部分與信號源內(nèi)阻的虛數(shù)部分相抵消（諧振），同時實數(shù)部分等于放大器所需的最佳負(fù)載值。RL`=Reopt=（UCC－Uces）2/2PoReopt為臨界狀態(tài)時所需要的最佳負(fù)載電阻。⒉形式LC并聯(lián)調(diào)諧回路濾波器（倒L型、T型、∏型）——倒L型網(wǎng)絡(luò)由兩個異性電抗元件組成。——T型、∏型網(wǎng)絡(luò)各由三個電抗元件（其中兩個同性質(zhì)，另一個異性質(zhì)）組成。

串、并聯(lián)阻抗變換

串、并聯(lián)阻抗變換

回路品質(zhì)因數(shù)：Qe=Xs/Rs

=Rp/Xp

阻抗變換公式：Rp=（1+Qe

2）Rs

Xp=[1+（1/Qe

2）]Xs

當(dāng)Qe

》1時上式簡化為：

Rp≈Qe

2Rs

Xp≈Xs

注意阻抗變換后電抗元件的性質(zhì)不變。濾波器（倒L型網(wǎng)絡(luò)）

圖中R2為負(fù)載電阻，R1為二端網(wǎng)絡(luò)在工作頻率處的等