高频功率放大电路l.ppt

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1、高频功率放大电路高频功率放大电路l本章的知识结构n6.1 概述n6.2 工作原理（重点）n6.3 功率放大器的折线分析法（重点）n6.5 高频功放的电路组成（实验需要）n6.6 丁类（D类）功放简介（了解即可）n6.10 晶体管倍频器（了解即可）本章（主要指前3节）知识的特点n知识特点变量较多、题型非常灵活多变三极管不再单纯处于工作区必须熟练掌握折线法n学习方法一定要把教材208页的波形图彻底理解先画图再做题，理清变量关系。熟练掌握6.1 概述n（1）高频功率放大器的种类n（2）高频功率放大器的应用场合n（3）高频功放与低频功放的区别n（4）分析高频功放时应注意的事项n（5）高频功放的主要技术

2、指标（1）高频功率放大器的种类n谐振功率放大器（学习重点）特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末级；不易于自动调谐。n宽带功率放大器（了解即可）特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带内对高频信号进行功率放大；功率增益有限，一般用于中小功率级。（2）高频（谐振）功率放大器的应用场合从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分无线发射机无线接收机（3）高频（谐振）功放与低频功放的区别）高频（谐振）功放与低频功放的区别低频功放低频功放高频功放高频功放工作频率工作频率音频音频射频射频应用场合应用场合接收机末端接收机末端发射机末端发射

3、机末端负载负载纯电阻纯电阻LC谐振回路谐振回路放大器类型放大器类型甲类或乙类甲类或乙类丙类丙类高频功放与高频小信号放大器的比较高频功放与高频小信号放大器的比较高频小信号高频小信号放大器放大器高频功放高频功放电路性质电路性质线性线性非线性非线性应用场合应用场合发射机送给功放的信号发射机送给功放的信号接收机天线送来的信号接收机天线送来的信号发射机末端发射机末端放大器类型放大器类型甲类甲类丙类丙类集电极输出波形集电极输出波形与输入信号一致与输入信号一致余弦脉冲余弦脉冲设计的目的设计的目的信号波形放大、传输信号波形放大、传输将电源的能量尽可能将电源的能量尽可能以信号的形式输出以信号的形式输出最关心的指

4、标最关心的指标电压增益电压增益效率效率（4）分析高频功放时应注意的事项n本节的理论完全可用于对电子管高频功放的分析和计算；n对于工作在中高频的晶体管功放，本节的理论基本可以使用，但会有一定的误差；n但对于工作在甚高频的晶体管功放，本节的理论将会有很大的误差，这是由于晶体管的物理结构导致的高频特性不理想造成的，但本节的理论仍然对功放的设计有定性的指导作用。（5）高频功放的主要技术指标n主要指标：输出功率效率（将电源能量转换成输出信号能量的能力）n大家应当了解的工程指标谐波场强n20的场强与0的场强之比小于万分之二n在发射机1km处20的场强小于50(uV/m)谐波功率（小于25mW）6.2 谐振

5、功率放大器工作原理n6.2.1 获得高效率所需要的条件n（1）为什么谐振功率放大器要处于丙类？不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率Pc与ic和Vc的关系+Vc-icPc的瞬时功率为ic和Vc的乘积（2）谐振功放的基本电路为什么必须以为什么必须以LC回路作为负载？回路作为负载？首先，为了提高功首先，为了提高功放效率，在基极回放效率，在基极回路加入了反向偏置路加入了反向偏置电压电压VBB，从而使，从而使放大器处于丙类。放大器处于丙类。因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲（原因参见第五章折线法，或看前两页的（原因参见第五章折线法，或看前

6、两页的Flash）余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加ticttt回路失谐可能造成什么后果?n从输出信号和三极管两个角度来分析对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失真；对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管可能由于功率过大而烧毁。（3）电路图中各变量关系及波形分析分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲vBEiCtiC t分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一

7、系列电流源的叠加分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加等效为了分析更清晰，先假设没有抽头为了分析更清晰，先假设没有抽头由于由于LC的选频作用的选频作用分析第三步：分析第三步：VCC减去减去vo得到集电极电压得到集电极电压vCtvC分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）例如可以看出，例如可以看出，iC最大值最大值iCmax的时候的时候vC

8、最小值最小值vCmin（4）对2个问题的解释n问题一（可能会引起同学们困惑的问题）为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续的?n问题二（有的题目已知条件不给c,而解题中又需要c）半流通角c通常取多大比较合适?问题一：为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续的?n如果能从频谱的角度来理解最好，即ic是有很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余弦分量Icm1costn另外一种理解方法是：LC具有储能作用，当ic为0时，由于C上电压不能突变，所以在LC之间来回充放电，可以用自行车飞轮或一个单摆来比喻。将LC比喻成单摆n如果把单摆摆到左边比喻成能

9、量储存到电感，则单摆摆到右边可比喻成能量储存到电容，要是单摆持续摆动，不需要手一直推，而在适当的时候推很短的一下（可比喻成ic）即可。问题二：半流通角c通常多大合适?n如果c取值过大，趋向甲类放大器，则效率太低；n如果c取值过小，效率虽然提高了，但输出功率的绝对值太小（因为ic脉冲太低）；n这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常取6.2.2 功率关系余弦电流脉冲ic可分解为付立叶级数：tvC6.3 功率放大器的折线分析法n6.3.1 晶体管特性曲线理想化及表达式 折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法

10、。线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量流的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。6.3.2 集电极余弦脉冲电流ic分解iC t在第五章的折线分析法中我们已经得到在第五章的折线分析法中我们已经得到从第五章可知它为从第五章可知它为cosc c从第五章可知它为从第五章可知它为iCmax6.3.2 集电极余弦脉冲电流iC分解6.3.2 集电极余弦脉冲电流iC分解同理可得同理可得其中：其中：要求掌握要求掌握不要求掌握不要求掌握c对高频谐振功放效率的影响余弦脉余弦脉冲的分解系数冲的分解系数

11、c对高频谐振功放效率的影响余弦脉余弦脉冲的分解系数冲的分解系数6.3.3 高频功放负载特性可见，当三极管处于工作区时有可见，当三极管处于工作区时有t负载线的表达式t代入代入画出负载线iCt三极管工作三极管工作三极管截止三极管截止负载线的Q点（注意是虚拟的）第六次作业n教材P272页n习题6.3n习题6.5对负载线的简要复习从“时间t”的角度画出并理解负载线iCvC工工作作区区截止区截止区工工作作区区截止区截止区iCvC工工作作区区截止区截止区工工作作区区截止区截止区vCtVCCvCtVCCvCtVCCvCtVCCvCtVCCvCiC例题6.1n一高频谐振功放,已知n求：例题6.1(解)例题6.

12、1(解)放大器的三种工作状态之欠压状态iCt影响负载线斜率的因素放大器的三种工作状态之临界状态iCt临界状态的特点(1)n往往利用这些特点来解题。iCvC临界状态的特点(2)iCt做题时常用此方法做题时常用此方法放大器的三种工作状态之过压状态iCt三极管工作区三极管工作区三极管饱和区三极管饱和区三种状态的波形汇总例题6.2n一高频谐振功放处于临界状态,且已知n求例题6.2(解)例题6.2(解)iCt例题6.2(解)例题6.2(解)功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）vBEmaxicvCIcm1Ic0VcmRp欠压区欠压区过压区过压区临临界界态态功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的

13、影响）Icm1Ic0VcmRp欠压区欠压区过压区过压区临临界界态态Rp欠压区欠压区过压区过压区临临界界态态P=PcPo三种状态的小结（欠压状态特点）欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。三种状态的小结（临界状态特点）临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常率差

14、不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。态为例。三种状态的小结（过压状态特点）过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。态。负载特性的动画演示6.3.4 各极电压对工作状态的影响其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响其他条

15、件不变,VCC改变对工作状态的影响临临界界过压区过压区欠压区欠压区其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响临临界界欠压区欠压区过压区过压区其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响其他条件不变,VBB改变对工作状态的影响各变量对功放状态影响的总结例题6.3一个谐振功放处于过压状态，如果想把它调到临界状态，可以采取哪些措施？过压和欠压状态的一个重要特点（做题时常用）n过压状态下：n欠压状态下：例题6.4n已知一高频功放处于临界状态,输出功率为10W，Vcc=12V，半流通角为70度,集电极电压利用系数为0.96，且1=

16、0.44，2=0.25n(1)求P=、Pc、c、Rpn(2)若Vbm增加一倍Po=?例题6.4(解)n方法一：从Vcm和Icm1入手n方法二：从c入手n（后面的步骤略）6.5 高频功放的电路组成高频功放的电路组成要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。2.3.5高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成IcoECIc1CLIcnLCCCCC1VCCLC

17、voVTLCCCECLCvoVT2.3.5高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成ICO直流通路直流通路ICOECLCCCCC1ECLCvoVTLCCCECLCvoVTIC1交流通路交流通路Ic1LCCCCC1ECLCvoVTLCCCECLCvoVTICn交流通路交流通路ICniC频谱频谱LC回路阻抗特性回路阻抗特性LCCCCC1ECLCvoVTLCCCVCCLCvoVTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTVBBVBB2 基极馈电线路基极馈电线路IBOUBBIBOIeo +UBB -二 高频功放的耦合回路高频功放的耦合回路RiRoRLRS功功 率率

18、放大器放大器输入输入匹配匹配网络网络输出输出匹配匹配网络网络RLRSuS(1)使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。，即它起着匹配网络的作用。(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。有良好的滤波作用。(3)在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送能有效地传送功率到公共负载功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件，同时又尽可能地使

19、这几个电子器件彼此隔离，互不影响彼此隔离，互不影响。输入匹配网络或级间耦合网络输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载是用以输出功率至天线或其他负载L1C1C2L2CARAr1IAMrr1C1L1C1RpL1IK二 高频功放的耦合回路高频功放的耦合回路 介于放大器与天线回路之间的介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐回路就叫做中介并联谐振回路振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；分别代表天线的幅射电阻与等效电容；L2、C2为天线回路的调谐元件。为天线回路的调

20、谐元件。它们的作用是使天线回路它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，达到最大值，亦亦即使天线幅射功率达到最大。即使天线幅射功率达到最大。从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其其中中Rp为折合到为折合到晶体管输出回路的等效负载晶体管输出回路的等效负载 。1.输出匹配电路输出匹配电路(1)并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路 RpRp在大功率输出级，在大功率输出级，T型、型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。图中的图

21、中的R2一般代表终端一般代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1则代表由则代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效电阻电阻，现以，现以(a)为例进行计算公式的推导为例进行计算公式的推导(2)(2)滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 两种两种型匹配网络型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2 将将并并联联回回路路R1C1与与R2C2变变换换为为串串联联形形式式，由由串、并联阻抗转换公式可得串、并联阻抗转换公式可得L1C1R1C2R2网络匹配时，网络匹配时，R1=R2 由谐振条件得由谐振条件得:VT1VT2T1LCRLECCC6.6 丁类（丁类（D类）功放简介（了解即可）类）

22、功放简介（了解即可）1.D类功率放大器的原理分析类功率放大器的原理分析 D类功率放大器有类功率放大器有电压开关型电压开关型和和电流开关型电流开关型两种基本两种基本电路，电压开关型电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路类功率放大器是已推广应用的电路 uiub1ub2ic1ic2uLuA ub1和和ub2是由是由ui通过变压器通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励产生的两个极性相反的输入激励电压电压 ui正半周时正半周时VT1管饱和导通，管饱和导通，VT2管截止，电源管截止，电源EC对电容对电容C充充电，电容上的电压很快充至电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，）值，A点对

23、地的电点对地的电压压uA=（EC-UCES1）。ui负半周时负半周时VT2管饱和导通，管饱和导通，VT1管截止。管截止。VT2管的直管的直流电源由电容流电源由电容C上充的电荷供给，上充的电荷供给，uA=UCES20 uA近似为矩形波电压，幅值为（近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若）。若L、C和和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率串联谐振回路调谐在输入信号的角频率上，且回路的上，且回路的Q值足值足够高，则通过回路的电流够高，则通过回路的电流ic1或或ic2是角频率为是角频率为的余弦波，的余弦波，RL上上可得相对输入信号不失真的输出功率。可得相对输入信号不失真的输出功率。ECUC

24、ESEC-2-2UCESuAtic1tic2tuLt 尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高 6.10 晶体管倍频器（了解即可）晶体管倍频器（了解即可）iC+uce-Ec+-uc2+iciC1iC2ic频谱频谱0ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性谐振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC2第六章小结n重点章节6.2/6.3两节n重点图表:图6.2.2(b)(要争取完全理解)n做题时思路:逆向思维重点变量:有用的规律:过压时 基本不变 欠压时 基本不变第六章的复习题n教材P272n习题6.6n习题6.30(只求Po即可)注意图中的1A并不是提示：先求出Ik负载电路