通信電子線路31--part2c）盡量減小非線性失真

功率放大電路中，為使輸出功率盡可能大，三極管一般都工作在極限狀態(tài)，瞬時工作點將運動到接近于管子的飽和區(qū)和截止區(qū)，輸出信號不可避免地會有非線性失真，而且輸出功率越大，非線性失真越嚴(yán)重。因此必須注意功放管的正確選擇，要保證管子的最大耗散功率PCM、最大集電極電流ICM、最大管壓降U(BR)CEO不超過限定范圍，使管子工作在安全工作區(qū)。

由于功率放大電路中的三極管通常都工作在大信號狀態(tài)，因此在進(jìn)行分析時，一般不采用小信號等效電路法，而是采用圖解法進(jìn)行功放電路的靜態(tài)和動態(tài)分析。

22.功率放大電路分類功率放大器按放大管集電極電流導(dǎo)通時間的長短劃分：甲(A)類、乙(B)類、丙(C)類等。甲類放大器：輸入激勵信號的整個周期中，集電極都有電流流通。電流流通角θ=180o。乙類放大器：只在輸入激勵信號的半個周期內(nèi)有電流流通，電流流通角θ=90o。丙類放大器：小于輸入激勵信號的半個周期內(nèi)有電流流通，電流流通角θ<90o。集電極電流流通時間越短，消耗在放大管中功率就越小，集電極效率越高。就提高效率而言，丙類最佳，甲類最差。所以，高頻功率放大器多工作于丙類，但丙類放大器電流波形失真太大，只能采用諧振回路作為負(fù)載。由于諧振回路具有濾波能力，電流電壓仍接近于正弦波形，失真小。3除了上幾種按電流流通角來分類的工作狀態(tài)外，還有使電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的丁類放大和戊類放大。丁(D)類放大器：效率比丙類放大器還高，理論上可達(dá)100%。但其最高工作頻率受到開關(guān)轉(zhuǎn)換時間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率)的限制。戊(E)類放大器：對丁類電路改進(jìn)，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，提高工作頻率。43.1概述通信電路中，為彌補信號在傳輸過程中的衰落和各種噪聲的干擾，要求發(fā)送信號具有一定的功率電平。高頻電壓放大高頻載波產(chǎn)生，功率小51.高頻功率放大器功能與應(yīng)用能量轉(zhuǎn)換器件，將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為大功率的高頻能量輸出。輸出信號與輸入信號頻譜相同。無線電發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，發(fā)送設(shè)備中的緩沖級、中間放大級、推動級和輸出級均屬于高頻放大器的范圍。不僅用在各種類型的發(fā)射機中，也用于許多電子設(shè)備，如高頻加熱裝置及微波功率源。62.高頻功率放大電路分類高頻功率放大器按其工作頻帶的寬窄劃分：

☆窄帶高頻功率放大器：放大相對帶寬窄的信號。通常以選頻電路作為輸出回路，故又稱調(diào)諧功率放大器。為了提高效率，工作狀態(tài)多選用丙類或丁類，甚至戊類?！顚拵Ц哳l功率放大器：輸出電路是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，又稱非調(diào)諧功率放大器。不需要調(diào)諧，適用于頻率變化范圍大的通信系統(tǒng)。工作狀態(tài)選用甲類和乙類。73.高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)輸出功率:放大器的負(fù)載得到的功率。效率:高頻輸出功率與直流電源提供功率的比值。即能量轉(zhuǎn)換的效率。功率增益:高頻輸出功率和信號輸入功率的比值。諧波抑制度:是對非線性高頻功率放大器而提出的，也就是諧波分量相對于基波分量越小越好。設(shè)計功率放大器時，總是根據(jù)放大器的特點，突出其中一些指標(biāo)，兼顧另外一些指標(biāo)。例如，發(fā)射機輸出級——希望輸出功率高，對應(yīng)的效率不一定會最高；單邊帶發(fā)射機——希望功放非線性失真小，即諧波抑制度要求高，但效率不會很高。84.高頻功率放大器的分析方法不能用線性模型電路分析，一般采用圖解法和折線法分析其工作原理和工作狀態(tài)。9用于發(fā)射機中，輸出功率高，高效率極為重要。為提高效率，多選在丙類或丁類、甚至戊類。晶體管在這種工作狀態(tài)下，輸出電流波形失真很大，必須采用具有一定濾波特性的選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，以得到接近正弦波的輸出電壓波形—諧振功率放大器，用于推動級和末級功率放大，諧波抑制度不高。如對諧波抑制度要求高，選用甲類等工作狀態(tài)，使晶體管工作在線性放大區(qū)—效率不高，輸出功率不高。若要求輸出功率高，可采用功率合成方法實現(xiàn)。本章基本要求1.了解高頻功率放大器的功能和性能指標(biāo)；2.掌握C類諧振功率放大器的工作原理、分析方法、電路構(gòu)成和使用方法；（※※）3.了解傳輸線變壓器的工作原理和應(yīng)用特點。掌握傳輸線變壓器實現(xiàn)寬帶阻抗變換的方法。了解傳輸線變壓器實現(xiàn)功率合成、功率分配的方法；4.了解D類、E類功率放大電路的特點。（***）103.2丙（C）類高頻功率放大器的工作原理電路形式分為中間級和輸出級——都可等效為輸入回路、非線性器件和帶通濾波器（并聯(lián)諧振回路）。中間級放大輸出級放大11負(fù)載是下一級的輸入阻抗經(jīng)變壓器二次側(cè)折合到一次側(cè)，與LC諧振回路組成的等效負(fù)載負(fù)載是天線(其等效阻抗可視為天線電容和電阻串聯(lián))諧振于輸入信號的頻率丙類高頻功率放大器等效原理圖特點：①為了提高效率，工作于丙類狀態(tài)，由Vbb保證發(fā)射結(jié)負(fù)偏置，流過晶體管的電流為失真的脈沖波形；從電流脈沖波中取出基波分量，獲得正弦電壓波形實現(xiàn)放大器阻抗匹配②負(fù)載為諧振回路12中間級和輸出級，負(fù)載均可等效為并聯(lián)諧振回路2工作原理分析uBEib?Vbb?UBZub?Ubmgbic+uBE_13發(fā)射結(jié)在Vbb的作用下處于負(fù)偏置狀態(tài)，當(dāng)無輸入信號電壓時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極電流ic=0。ωtibωt加到晶體管基極-發(fā)射極的電壓為:由輸入特性可得基極電流ib為脈沖狀。UBZ：導(dǎo)通電壓θc：通角icωtθcθcic1ic2ic3Ic0Icmax14Ib0為基極電流的直流分量；Ib1m為基極電流的基波電流振幅；Ib2m，…Ibnm為基極電流的二次至n次諧波電流振幅；Ic0為集電極電流的直流分量；Ic1m為集電極電流的基波電流振幅；Ic2m，…Icnm為集電極電流的二次至n次諧波電流振幅；由正向傳輸特性可得集電極電流ic為脈沖狀。15ic雖然是脈沖狀，包含很多諧波，失真很大，但由于集電極電路內(nèi)采用的是并聯(lián)諧振回路，當(dāng)集電極回路調(diào)諧于ω，即與高頻信號的基波諧振時，由于回路的選擇性：對基波電流回路等效為純電阻Rp—諧振回路有載諧振電阻；對各次諧波而言，回路失諧，呈現(xiàn)很小的電抗，回路兩端可看成短路；而直流分量只能通過回路電感線圈支路，其直流電阻很小，對直流可看成短路。

所以ic流經(jīng)諧振回路時，只有基波電流才產(chǎn)生電壓降，即回路兩端只有基波電壓uc1，而濾除各次諧波電壓，因而輸出高頻信號波形無失真：

iC頻譜LC回路阻抗Rpicωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax16回路兩端電壓：ubUBZVbbIcmaxuBEtibtictuCEuctVCCUcmUbmuBEic?-VBB?UBZubUbmgC3.3丙（C）類高頻功率放大器的折線分析法

丙類高頻功率放大器工作在大信號非線性狀態(tài)下，晶體管的小信號分析方法不再適用。

采用靜態(tài)特性曲線經(jīng)過理想化成為折線來進(jìn)行近似分析會存在一定誤差，但很簡潔。1.晶體管特性曲線的理想化及解析式大信號工作條件下，理想化的特性曲線指：在放大區(qū)：集電極電流ic和基極電流ib不受集電極電壓uce的影響，而與基極電壓ube成線性關(guān)系；在飽和區(qū)：集電極電流ic與集電極電壓uce成線性關(guān)系，而不受基極電壓ube的影響。1718(1)輸入特性曲線的理想化對于晶體管輸入特性，集電極電壓大于一定值后，集電極電壓改變對基極電流影響不大，可近似認(rèn)為輸入特性與集電極電壓無關(guān)。輸入特性曲線直線部分延長，與ube軸交于UBZ(導(dǎo)通電壓)。該直線是理想化的輸入特性曲線，數(shù)學(xué)表達(dá)式：gb理想化輸入特性的斜率:19(2)正向傳輸特性曲線的理想化理想化晶體管電流放大系數(shù)β被認(rèn)為是常數(shù)，將輸入特性的ib乘β就可得到理想化正向傳輸特性。正向傳輸特性斜率：gc理想化晶體管的跨導(dǎo)，表示晶體管工作于放大區(qū)時，單位基極電壓變化產(chǎn)生的集電極電流變化。正向傳輸特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：20(3)輸出特性曲線的理想化(書P59)輸出特性曲線分別對飽和區(qū)和放大區(qū)采用不同的簡化方法。①飽和區(qū)：近似認(rèn)為只受的控制，而與無關(guān)。理想的飽和臨界線為一條通過原點的斜線。由于高頻功率放大器在大電流條件下工作，在實際運用時，電流較大的線段對結(jié)果影響大，故理想化的斜線應(yīng)畫在電流較大的幾條曲線附近的中間位置上——飽和臨界線：②放大區(qū)：近似認(rèn)為與無關(guān)。各條曲線為平行于的水平線。對于等差的間隔應(yīng)該是相等的。21表示晶體管工作于飽和區(qū)時，單位集電極電壓變化引起集電極電流的變化的關(guān)系。uBEic?-Vbb?UBZubic?UbmgCic+uBE_2.集電極余弦電流脈沖的分解22對高頻功率放大器進(jìn)行分析和計算，關(guān)鍵在于求出集電極電流ic的各級分量，如直流分量Ic0和基頻分量Ic1m。ωtωtvBEic?-VBB?-UBZvbic?UbmgCIcmaxic+uBE_23ωtωticωtθcθcic1ic2ic3Ic0Icmax24直流分量分解系數(shù)

基波分量分解系數(shù)

n次諧波分量分解系數(shù)

2526書P963.功率與效率27

在理想條件的條件下甲類工作狀態(tài)：乙類工作狀態(tài)：丙類工作狀態(tài)：導(dǎo)通角的選擇（1）Rp一定的條件下，θc=120o時輸出功率最大，但效率只有66%。（2）θc=1o～15o時，效率最高，但輸出功率很小。（3）在實際運用中，為了兼顧高的輸出功率和高的集電極效率，諧振功率放大器導(dǎo)通角常取θc=60o～80o。284、高頻功率放大器的動態(tài)特性

29晶體管的靜態(tài)特性：是在集電極電路內(nèi)沒有負(fù)載阻抗的條件下得到的ic=f(uBE,uCE)的關(guān)系，這是由晶體管本身所具有的。對于高頻功率放大器，處于丙類工作狀態(tài)，負(fù)載是等效的并聯(lián)諧振回路，回路的諧振頻率等于輸入信號頻率ω，回路諧振電阻Rp。高頻功率放大器動態(tài)特性：在高頻功率放大器電路和輸入、輸出條件確定后，即晶體管、電源電壓Vcc和Vbb、輸入信號振幅Ubm和輸出信號振幅Ucm(或Rp)

一定時，ic=f(uBE、uCE)的關(guān)系。由于工作在丙類狀態(tài)，高頻功率放大器的動態(tài)特性不是直線而是折線，下面用理想化特性曲線來討論動態(tài)特性表示形式和方法。uBEicgCUBZic+uBE_+uCE-ic=f(uBE、uCE)的關(guān)系，稱為動態(tài)特性。30ic+uBE_+uCE-31如已知高頻功率放大器晶體管理想化輸出特性和外部電壓Vcc、Vbb、輸入信號振幅Ubm和輸出信號振幅Ucm，如何求出動態(tài)特性和電壓電流波形？uCEicU0?A?BOVCC?QUcmuCEmingduBEmax=Vbb+Ubm32icIcmaxωtA:ic=Icmax

ωt=0，

uBEmax=Vbb+Ubm

uCEmin=Vcc-UcmB:ic=

0ωt=θc，

uBE=UBZ

uCE=U0C:ic=

0ωt=π，

uBE=Vbb-Ubm

uCEmax=Vcc+UcmCωtωt=90?uBE=Vbb

uCE=Vccic=IQ=gdUcmcosθc=gc(UBZ-Vbb)33icIcmaxω