第4章-高频功率放大器.pptx
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1、1本章内容提要本章内容提要 概述概述高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理 丙类功率放大器的状态分析丙类功率放大器的状态分析 丙类功率放大电路丙类功率放大电路 传输线变压器简介传输线变压器简介第1页/共82页2 概概 述述u 使用高频功率放大器的目的使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。功率。u 高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。联想对比:功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直流能量转化为交流能量,能量转换的能
2、力即为功率放大器的效率。第2页/共82页3谐振功与非谐振功率放大器谐振功与非谐振功率放大器的比较的比较相同:要求输出功率大,效率高非线性(大信号)不同:低频(音频):20Hz20kHz高频(射频):(以调幅为例)已调信号lowhighAM广播信号:535kHz1605kHz,BW=10kHz谐振与非谐振(工作状态)高频窄带信号工作频率与相对频宽不同,第3页/共82页4 非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载,工作在甲类或乙类工作状态;宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状态通常选为丙类工作状态,为了
3、不失真的放大信号,它的负载必须是谐振回路。第4页/共82页5u谐振功率与小信号谐振放大器的异同之处谐振功率与小信号谐振放大器的异同之处相同之处相同之处:它们放大的信号均为高频信号 而且放大器的负载均为谐振回路。不同之处不同之处:为激励信号幅度大小不同;放大器工作点不同;晶体管动态范围不同。谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图icQebtooicticebtooictuBZQ第5页/共82页6icQebtooict小信号谐振放大器波形图 第6页/共82页7icebtooictUon谐振功率放大器波形图第7页/共82页8功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。表4-1 不同工作状态时放大器
4、的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 qc=180 50%电阻 低频 乙类 qc=90 78.5%推挽,回路 低频,高频 甲乙类 90qc180 50%h78.5%推挽 低频 丙类 qc90 h78.5%选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100%选频回路 高频 u 功率放大器功率放大器工作状态工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态,属于非线性电路第8页/共82页9(a)甲类 class-A amplifier(b)乙类 class-B amplifier(c)
5、甲乙类 class-AB amplifier(d)丙类 class-C amplifier分类示意图分类示意图导通角:一个周期内有电流流通的相角.第9页/共82页11u 功率放大电路的主要特点功率放大电路的主要特点输入为大信号输入为大信号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 态态效率要高效率要高非线性失真要小非线性失真要小BJTBJT的散热问题的散热问题(管子的保护管子的保护)第11页/共82页12 要解决的问题要解决的问题F 减小失真(线性度)F 管子的保护F 提高输出功率F 提高效率第12页/共82页13 丙类(C类)放大器的效率最高,但是波形
6、失真也最严重。效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决lowhigh3n2 20第13页/共82页14效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决(续续)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 通过谐振负载,从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输出回路晶体管第14页/共82页15功能功能:将直流功率转换为交流信号功率。:将直流功率转换为交流信号功率。主要指标主要指标:输出:输出功率功率与与效率效率工作状态工作状态:丙类大信号的非线性状态(非线性失真)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
7、分析法。(大信号大信号)u 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器第15页/共82页16u 获得高效率所需要的条件u 功率关系谐振功率放大器的工作原理u 原理电路第16页/共82页17u 原理电路原理电路 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态外部电路关系式:晶体管的内部特性:谐振功率放大器的基本电路第17页/共82页18故晶体管的转移特性曲线表达式:谐振功率放大器转移特性曲线故得:必须强调指出,集电极电流i ic c虽然是脉冲状,但由于谐振回路的这种滤波作用,仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压
8、与电流的波形图如下页的图所示转移特性icUBZo理想化ic maxicwto+qcqco+qcqcUbmUbmebucUBBwt第18页/共82页19 UBZ UB B wt UCC wt wt wt ub ib ic uc Ucm Ucm ub 高频功率放大器中各分电压与电流的关系(a a)第19页/共82页20Ubmubewt 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。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+c-UBB0-c+cube转移特性iCUONo理想化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
9、功率放大器的基本电路基本电路基本电路基本电路失真u 获得高效率所需要的条件第20页/共82页22(b)tw或电压电流0uonUCC-UBBUbmUcmubE maxiCic maxciCuCEuBEuCE min1.iC 与uBE同相,与uCE反相;2.iC 脉冲最大时,uCE最小;3.导通角和uCEmin越小,Pc越小;u 功率关系第22页/共82页23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:谐振回路第23页/共82页24直流功率:输出交流功率:集电极效率:集电极电压利用系数波形系数第24页/共82页26u 晶体管特性曲线的理想化及其解析式谐振功率放大器的功
10、率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率P PDCDC=直流电源供给的直流功率;P Po o=交流输出信号功率;P Pc c=集电极耗散功率;直流功率:输出交流功率:其中第26页/共82页27 为了对高频功率放大器进行定量分析与计算,关键在于求出电流的直流分量I Ic0c0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半导通角c c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。考虑到谐振功率放大器工作于丙类(非线性、大信号)状态,采取折线近似解析分析法。基极偏置为负值;半通角 c c9090,即丙类工作状态;负载为LCLC谐振回路。谐振功率放大器的工
11、作特点谐振功率放大器的工作特点第27页/共82页28折线分析法的主要步骤l 测出晶体管的转移特性曲线ic ube及输出特性曲线ic uce,并将这两组曲线作理想折线化处理l 作出动态特性曲线l 是根据激励电压ube的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲ic和输出电压uce的波形l 求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2,由给定的负载谐 振阻抗的大小,即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标 折线法是将晶体管特性曲线理想化,用一折线法是将晶体管特性曲线理想化,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。计算的方法
12、。第28页/共82页29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=gcruCE欠压临界过压第29页/共82页30若临界线的斜率为g gcrcr,则临界线方程可写为 ic=gcrucel 欠压工作状态:集电极最大点电流在临界线的右方,交流输出电压较低且变化较大。在非线性谐振功率放大器中,常常根据集电极是否进入饱和区,将工作状态分为三种:由上图可见,在饱和区,根据理想化原理,集电极电流只受集电极电压的控制,而与基极电压无关。而在放大区则 ic=gc(uBEuon)(UBEuon),第30页/共82页31l 临界工作状态:是欠压和过压状态的分界点,集电极最大点电流正好落在临界线上。l
13、 过压工作状态:集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区,交流输出电压较高且变化不大。第31页/共82页32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(uBEuon)(ube uon)UON第32页/共82页33UbmubewtwtiC0-c+cUBBo-c+cvbe转移特性iCUON0理想化 以上建立了晶体管的简化分析模型,下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先,写出其表达式。iC=gc(uBEuon)(uBE uon)=gc(UbmcostUonUBB)=gcUbm(costcos c)=gcUbm(1cos c)当 t=0时,iC=iC max 取决于脉冲
14、高度iC max与通角c当 t=c c时,iC=0u 集电极余弦电流脉冲的分解第33页/共82页34尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数,得其中:尖顶余弦脉冲的分解系数波形系数第34页/共82页35 下面分析基波分量I Icm1cm1、集电极效率c c和输出功率P Po o随通角 c c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 c120 时,Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下,输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态,效率太低。第35页/共82页36尖顶脉冲的分解系数由曲线可知:极端情况 c=0时,如果此时=1,c可达100%。为了兼顾功率与
15、效率,最佳通角取最佳通角取7070 左右。左右。下面分析基波分量I Icm1cm1、集电极效率c c和输出功率P Po o随通角 c变化的情况,从而选择合适的工作状态。第36页/共82页37 因此,下面分析四个参数负载电阻电阻R Rp p和电压和电压UCC CC、UBBBB、Ubmbm的变化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 UBBBB、Ubm bm、UCC CC。
16、u 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第37页/共82页38 高频放大器的工作状态是由负载阻抗R Rp p、激励电压ub、供电电压UCC、UBB等4 4个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器,就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。如果UCC、UBB、ub 3 3个参变量不变,则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时,放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性,就叫做放大器的负载特性。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Rp和UCC、UBB、Ubm 所表示的输出动态负载曲线。高频功放的动
17、态特性高频功放的动态特性-为一直线为一直线第38页/共82页39当放大器工作于谐振状态时,它的外部电路关系式为UBE=UBB+Ubmcos t UCE=UCCUcmcos t消去cos t可得,UBE=UBB+Ubm另一方面,晶体管的 转移特性折线化方程为ic=gc(ubuon)得出在icuce坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作路)方程:第39页/共82页40l动态特性曲线的做法动态特性曲线的做法 在u ucece轴上取点B B,使OB=UOB=U0 0,从B B作斜率为g gd d的直线BABA,则BABA即为丙类放大器的负载线。在点A A,wt=0wt=0,这时 u uce ce=u
18、ucemin cemin=Ucc Ucm=Ucc Ucm,U UBE BE=U UBEmax BEmax=U=UBBBB+U+Ubm bm,找到此刻UBE所对应的晶体管特性曲线与ucemin所对应的交点即为A A点。同理,wt=90wt=90度时,找到Q Q点,连接AQAQ即为放大器的负载线。方法一方法二uceicVoAUCCQUcm1ucmingdB第40页/共82页41图中示出动态特性曲线的斜率为负值,它的物理意义是:从负载方面看来,放大器相当于一个负电阻,亦即它相当于交流电能发生器,可以输出电能至负载。uceicUoAUCCQUcm1ucmingdl 动态特性曲线的动态特性曲线的物理意义
19、物理意义第41页/共82页42uceicUoAUCCQUcm1Ucmingd第42页/共82页44luc、ic随负载变化的波形随负载变化的波形uc、ic随负载变化的波形如图所示,随负载变化的波形如图所示,放大器的输入电压是一定的,其最大值为放大器的输入电压是一定的,其最大值为ubemax,在负载,在负载电阻电阻RP由小至大变化时,负载线的斜率由小变大,如图由小至大变化时,负载线的斜率由小变大,如图中中123。不同的负载,放大器的工作状态是不同的。不同的负载,放大器的工作状态是不同的,所所得的得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。的。
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