高频电子线路(第四版)第6章高频功率放大器.ppt

倍频高频放大调制话筒声音发射 天线图图图图 1.2.8 1.2.8 调幅发射机方框图调幅发射机方框图调幅发射机方框图调幅发射机方框图音频放大高频振荡缓冲6.1 6.1 概述概述1.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较相同相同:要求输出功率大，效率高要求输出功率大，效率高非线性非线性(大信号大信号)不同不同:低频（音频）低频（音频）:20Hz20kHz高频（射频）高频（射频）:（以调幅为例（以调幅为例）已调信号已调信号lowhighAM广播信号广播信号:535kHz1605kHz，BW=10kHz谐振与非谐振谐振与非谐振(工作状态工作状态)高频窄带信号高频窄带信号工作频率与相对频宽不同工作频率与相对频宽不同,6.1 6.1 概述概述功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点u输入为大信号输入为大信号u要求输出功率尽可能大要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状管子工作在接近极限状态态u效率要高效率要高u非线性失真要小非线性失真要小uBJTBJT的散热问题的散热问题(管子的保护管子的保护)(a)甲类甲类 class-A amplifier(b)乙类乙类 class-B amplifier(c)甲乙类甲乙类 class-AB amplifier(d)丙类丙类 class-C amplifier2.分类分类6.1 6.1 概述概述流通角流通角:一个周期内一个周期内有电流流通的相角有电流流通的相角.6.1 6.1 概述概述3.要解决的问题要解决的问题F 减小失真（线性度）减小失真（线性度）F 管子的保护管子的保护F 提高输出功率提高输出功率F 提高效率提高效率 丙类丙类(C类类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。4.效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决lowhigh3n2 206.1 6.1 概述概述4.效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器丙类丙类 通通过过谐谐振振负负载载，从从丙丙类类余余弦弦周周期期脉脉冲冲里里恢恢复复基基波波完完整整周周期期信号。信号。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管6.1 6.1 概述概述6.1 6.1 概述概述功能：将直流功率转换为交流信号功率。功能：将直流功率转换为交流信号功率。主要指标：输出功率与效率主要指标：输出功率与效率工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）分析方法：分析方法：折线近似分析法。折线近似分析法。(大信号大信号)高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器6.2 6.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理6.2.1 获得高效率所需要的条件获得高效率所需要的条件6.2.2 功率关系功率关系6.2.1 6.2.1 获得高效率所需要的条件获得高效率所需要的条件Vbmvbet 小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源因此，采用负电源作基极偏置。作基极偏置。wtiC0-c+cVBB0-c+cvbe转移特性iCVBZo理想化图图图图 6.2.1 6.2.1 高频功率放大器的高频功率放大器的高频功率放大器的高频功率放大器的基本电路基本电路基本电路基本电路失真失真(b)t或电压电流0VBZVCCVBBVbmVcmvbE maxiCic maxciCvCEvBEvCE min1.iC 与与vBE同相，与同相，与vCE反相；反相；2.iC 脉冲最大时，脉冲最大时，vCE最小；最小；3.导通角和导通角和vCEmin越小，越小，Pc越小；越小；6.2.1 6.2.1 获得高效率所需要的条件获得高效率所需要的条件6.2.2 6.2.2 功率关系功率关系电路正常工作电路正常工作（丙类、（丙类、谐振谐振）时，时，外部电路关系式：外部电路关系式：谐振回路谐振回路直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：集电极效率：集电极效率：集电极电压利用系数集电极电压利用系数波形系数波形系数6.2.2 6.2.2 功率关系功率关系6.3 6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解 高频功率放大器的动态特性与负载特性高频功率放大器的动态特性与负载特性 各极电压对工作状态的影响各极电压对工作状态的影响 晶体管特性曲线的理想化及其解析式晶体管特性曲线的理想化及其解析式6.3 6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法00.5ff0.2fTfT为了对高频功率放大器进行为了对高频功率放大器进行定量分析定量分析与计算，与计算，关键在于求出关键在于求出电流的直流分量电流的直流分量I Ic0c0与基频分量与基频分量I Icm1cm1。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角c c的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。工作状态的选择指明方向。考虑到考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：的办法：折线近似分析法。折线近似分析法。6.3 6.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法6.3.1 6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式晶体管特性曲线的理想化及其解析式图图图图 6.3.1 6.3.1 晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE欠压欠压临界临界过压过压End图图图图 6.3.2 6.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBEVBZ)(vBE VBZ)6.3.1 6.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式晶体管特性曲线的理想化及其解析式VbmvbetwtiC0-c+cVBBo-c+cvbe转移特性iCVBZ0理想化 以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。首先，写出其表达式。iC=gc(vBEVBZ)(vBE VBZ)=gc(VbmcostVBZVBB)=gcVbm(costcos c)=gcVbm(1cos c)当t=0时，iC=iC max 取决于脉冲高度取决于脉冲高度iC max与通角与通角c当t=c时，iC=06.3.2 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解6.3.2 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解图6.3.3 尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得由傅里叶级数求系数，得其中：其中：尖顶余弦脉冲的尖顶余弦脉冲的分解系数分解系数波形系数波形系数 下面分析基波分量下面分析基波分量I Icm1cm1、集电极效率集电极效率c c和输出功率和输出功率P Po o随通角随通角 c变化的情况，从而选择合适的工作状态。变化的情况，从而选择合适的工作状态。尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时，时，Icm1/iCmax最大。最大。在在iCmax与负载阻抗与负载阻抗Rp为某定值的为某定值的情况下情况下，输出功率将达到最大值。，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。效率太低。6.3.2 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解图6-9 尖顶脉冲的分解系数由曲线可知：极端情况由曲线可知：极端情况 c=0时，时，如果此时如果此时=1，c可达可达100%。为了兼顾功率与效率，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取70 左右。左右。End6.3.2 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解 下面分析基波分量下面分析基波分量I Icm1cm1、集电极效率集电极效率c c和输出功率和输出功率P Po o随通角随通角 c变化的情况，从而选择合适的工作状态。变化的情况，从而选择合适的工作状态。6.3.3 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性高频功率放大器的动态特性与负载特性 因此，下面分析四个参数因此，下面分析四个参数R Rp p和电压和电压V VCC CC、V VBBBB、V Vbmbm的变化对的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。状态的特点，为工作状态的调整提供参考。集电极效率集电极效率c c和输出功率和输出功率P Po o是否能最佳实现最终取决于是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数功放中外部电路参数R Rp p和电压和电压 V VBBBB、V Vbm bm、V VCC CC。6.3.3 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性高频功率放大器的动态特性与负载特性1.高频功放的动态特性高频功放的动态特性-为一直线为一直线 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由立由Rp和和VCC、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。所表示的输出动态负载曲线。vceicVoAVCCQVcm1vcmingd2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性vBEiC-VBBVBZvbeiCgCVbmvbemaxiCmaxvceiCVCCQvceminVcesgdvbemaxgcr过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区6.3.3 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性高频功率放大器的动态特性与负载特性vbemax2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性iCvcevbemax过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp6.3.3 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性高频功率放大器的动态特性与负载特性End欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压、过压、临界三种工作状态的特点：结论：结论：欠压：恒流，欠压：恒流，Vcm变化，变化，Po较小，较小，c低，低，Pc较大；较大；过压：恒压，过压：恒压，Icm1变化，变化，Po较小，较小，c可达最高；可达最高；临界：临界：Po最大，最大，c较高；较高；最佳工作状态最佳工作状态发射机末级发射机末级中间放大级中间放大级2.高频功放的负载特性高频功放的负载特性6.3.3 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性高频功率放大器的动态特性与负载特性图图6.3.7 负载特性曲线负载特性曲线欠压过压0临界Rp欠压过压0临界Rp