第五章高频功率放大器.pptx
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1、学习目标:1.掌握高频功率放大器的工作原理掌握高频功率放大器的工作原理2.掌握高频功率放大器的折线近似分析法掌握高频功率放大器的折线近似分析法3.熟悉高频功率放大器的电路组成原则熟悉高频功率放大器的电路组成原则4.掌握功率合成器的工作原理掌握功率合成器的工作原理5.了解倍频器的工作原理了解倍频器的工作原理第1页/共56页本章重点:1.谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2.高频功率放大器的动态特性和负载特性高频功率放大器的动态特性和负载特性3.高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成4.功率合成器的工作原理功率合成器的工作原理本章难点:1.高频功率放大器的动态特性和负载特性
2、的分析高频功率放大器的动态特性和负载特性的分析2.功率合成器的工作原理功率合成器的工作原理第2页/共56页6.1 概述第3页/共56页按工作状态分:按工作频率分:低频功率放大器高频功率放大器 甲类放大器适用于小信号低功率放大;乙类和丙类适用于大功率放大;甲乙类放大器当小信号时工作在甲类,当大信号时工作在乙类。第4页/共56页高频功放分类:高频功放分类:1)窄带型:以谐振回路作为负载,选频范围)窄带型:以谐振回路作为负载,选频范围 很窄。主要用于放大等幅信号,很窄。主要用于放大等幅信号,例如载波信号、调频信号;例如载波信号、调频信号;2)宽带型:采用工作频带很宽的传输线变压)宽带型:采用工作频带
3、很宽的传输线变压器或者其他宽带匹配网络作为负器或者其他宽带匹配网络作为负载。主要用于实现功率合成。载。主要用于实现功率合成。高频功放特点:1)放大高频大信号;2)工作在丙类状态会伴随严重的失真问题;3)重点解决失真与效率问题;4)采用谐振负载解决失真。第5页/共56页 放大器处于非线性工作状态,高频小信号谐振放大器的一套线性模型在这里已完全不能用,只能用图解法或折线近似分析法来分析功率放大器。技术指标:功率与效率分析方法:分析方法分析方法优点优点缺点缺点图解法图解法利用电子器件的特性曲线来利用电子器件的特性曲线来对它的工作状态进行计算对它的工作状态进行计算从客观实际出发,从客观实际出发,计算结
4、果比较准确计算结果比较准确对工作状态的对工作状态的分析不方便,分析不方便,手续较复杂手续较复杂折线近折线近似分析似分析法法将电子器件的特征曲线用折将电子器件的特征曲线用折线段来表示,然后对放大器线段来表示,然后对放大器的工作状态进行分析计算的工作状态进行分析计算物理概念清楚,分物理概念清楚,分析工作状态方便析工作状态方便计算准确度较计算准确度较低低第6页/共56页与低频功放的比较:高选频网络丙类窄 百分之零点几到百分之几高(一个工作中心频率 )高频功放低无调谐负载甲类、甲乙类、推挽乙类宽 低(20Hz-30KHz)低频功放效率负载工作状态相对带宽 工作频率 共同点:输出功率大、效率高不同点:第
5、7页/共56页与高频小信号调谐放大器比较:放大放大对象对象谐振网络的作用谐振网络的作用工作工作状态状态分析方分析方法法质量指标质量指标高频功高频功率放大率放大器器高频高频大信大信号号从失真的集电极电流从失真的集电极电流脉冲中选出基波、滤脉冲中选出基波、滤除谐波,从而得到不除谐波,从而得到不失真的信号输出失真的信号输出丙类丙类图解法图解法或者解或者解析近似析近似分析法分析法功率和效率功率和效率高频小高频小信号放信号放大器大器高频高频小信小信号号抑制干扰信号抑制干扰信号甲类甲类线性等线性等效电路效电路增益、通频带、增益、通频带、选择性、稳定选择性、稳定性和噪声系数性和噪声系数共同点:放大的都是高频
6、信号,且负载均为谐振网络不同点:第8页/共56页6.2 高频功率放大器的工作原理第9页/共56页 晶体管的工作情况与频率有极其密切的关系,把其工作频率范围划分为三个区域:低频区:中频区:高频区:中频区要考虑晶体管各个结电容的作用高频区需进一步考虑引线电感的作用分析和计算相当困难。低频区可以不考虑其等效电路中的电抗分量等影响,可以用与分析电子管高频功率放大器类似的方法来分析。第10页/共56页 大功率晶体管,能承受高电压,大电流。第11页/共56页1.功率放大器的作用原理:利用输入到基级的信号,来控制集电极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流信号功率输出出去。假设:P=直流电源供给的直流功
7、率 Po=交流输出信号功率 Pc=集电极耗散功率 则,由能量守恒定律可得:P=Po+Pc为了说明放大器的转换能力,采用集电极效率c,其定义为:两点结论:1)降低Pc则c提高,P=一定时,Po增大 2)若Pc不超过规定值,则c提高,将使Po大为增加,P=也相应提高。工作原理分析第12页/共56页VBEic-VBBVBZVbiciCVbmgC+VBE _2.集电极电流ic第13页/共56页iC+VBE _VBEic-VBB-VBZVbicVbmgCicmax2.集电极电流ic第14页/共56页iCiC1iC2ICO2.集电极电流ic第15页/共56页例题:试求高频功率放大器的基本电路中并联谐振回路
8、各次谐波与基频的阻抗值之比。已知回路Q10,回路谐振于基频。解:并联谐振回路的谐振阻抗为:对于谐波n的阻抗为:可知,回路对高次谐波呈电容性阻抗。且各次谐波的阻抗与基频阻抗之比很小,可认为是短路的。iC+VBE _第16页/共56页结论:结论:iC呈脉冲状,且包含很多谐波,失真很大。呈脉冲状,且包含很多谐波,失真很大。集电极电路内采用并联谐振回路,如使其谐振于集电极电路内采用并联谐振回路,如使其谐振于基频,那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻抗,基频,那么将对基频呈现很大的纯电阻性阻抗,而对谐波的阻抗则很小,可视为短路。而对谐波的阻抗则很小,可视为短路。并联谐振回路由于并联谐振回路由于iC所产生的电
9、压降所产生的电压降vC也几乎只也几乎只包含基频。包含基频。能得到正弦波形的输出。能得到正弦波形的输出。第17页/共56页3.集电极输出电压iC+VBE _第18页/共56页4.集电极电压、电流和基级电压的波形晶体管集电极电压:晶体管基级电压:晶体管集电极的电流:iC+VBE _第19页/共56页第20页/共56页00.20.30.40.10.520o 40o60o 80o 100o120o140o160o180o第21页/共56页当晶体管允许的耗散功率一定时,(3)Pc1PoPcPoPoccc -=+=第22页/共56页6.3 晶体管谐振功率放大器的 折线近似分析法晶体管特性曲线的理想化及其解
10、析式集电极余弦电流脉冲的分解高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的负载特性各极电压对工作状态的影响第23页/共56页晶体管特性曲线的理想化 及其解析式1、折线法 所谓折线法,是将电子器件的特性曲线理想化,用一组折线代替晶体管特性曲线后进行分析和计算的方法。实质:用简单的数学解析式来代表电子器件的特性曲线。2、工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。关键在于求出电流的直流分量和基频分量。第24页/共56页3、晶体管静态特性曲线折线化 两种曲线:输出特性曲线、转移特性曲线。输出特性曲线:基极电流(电压)恒定,集电极电流与集电极电压的关系曲线。转移特性曲线:集电极
11、电压恒定,集电极电流与基极电压的关系曲线。第25页/共56页4、折线分析法的主要步骤:测出晶体管的输出特性曲线与转移特性曲线,并将这两组曲线作理想化折线处理作出动态特性曲线根据激励电压的大小在已知理想特性曲线上作出对应电流脉冲iC和输出电压vC的波形求出iC的各次谐波分量,结合给定的负载谐振阻抗的大小,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。第26页/共56页5、晶体管特性曲线的理想化及其解析式第27页/共56页集电极余弦电流脉冲的分解1、余弦电流脉冲的表达式2、余弦电流脉冲的分解系数第28页/共56页高频功率放大器的动态特性1、动态特性和静态特性1)晶体管的静态特性是在集电
12、极电路内没有负载阻抗的条件下获得的。例如vC不变,iCvB的关系曲线就是静态特性曲线转移特性曲线。2)动态特性:如果集电极电路有负载阻抗,则当改变vB使iC变化时,由于负载上有电压降,就必然引起vC的变化。即在考虑了负载的反作用后,所获得的vC、vB与iC的关系曲线就是动态特性曲线。最常用的是当vC、vB同时变化时,iCvC关系的动态特性曲线。第29页/共56页2、当晶体管静态特性曲线理想化为折线而且放大器工作于负载回路谐振状态(即负载为纯电阻性)时,动态特性曲线也是一条直线。证明:放大器负载谐振时外部电路关系为整理可得:将其代入内部关系式iC+VBE _第30页/共56页其中:表示斜率(放大
13、器相当于一个负电阻/一个交流电能发生器,输出电能至负载)表示截距第31页/共56页vcicVoABOVCCQVcmvcmingd在静态特征曲线的vc轴上取B点,使OB=V0,由B点作斜率为gd的直线BA,即得动态特征曲线。3、动态特性曲线动态特性曲线的画法:取Q(t=900,vc=VCC,vb=VBB)、A(t=00,vc=VCCVcm,vb=VBB Vbm)两点,连成直线vBmax=-VBB+Vbm第32页/共56页4.同理,可求出iC-vB平面内的动态特性曲线。在实际工作中,晶体管工作于放大区和截止区时,iC几乎不受集电极电压变化的影响,因而在iC-vB平面上的动态特性曲线几乎和静态特性曲
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