w第3章 高频功率放大器
合集下载
高频电路基础第3章 高频功率放大器
• 过压区：由于晶体管饱和， 输出电压趋于不变；由于出 现凹陷，输出基波电流也趋 于不变，所以输出功率趋于 不变。
2016/6/20 高频电路基础
Po Vcm1 Icm1
欠压 临界 过压
Vbm
12
临界状态下的输出
ic ic Vbm Icm t 0 VCC 0 vce VBB+Vbe(on) 0 Vces Vcm 0 t
Po 2 Pi 1 0.1W 1 GP lg ( ) lg (1.3) 10
2016/6/20 高频电路基础
17
负载变化对于C类功放的影响
ic re 小 re 大
0
Vbm
VCC
vce
• 保持输入 vbm不变, 保持电源电压VCC不变 • 通过改变 re ，研究C类功放的输出随负载阻抗改变的规律
20
集电极调制特性
集电极电压VCC 增大，工作状 态趋于欠压区；VCC 减小，工 作状态趋于过压区 欠压区：由于晶体管的恒流特 性，导致输出电压和输出电流 均基本不变，输出功率亦基本 不变
过压区：晶体管进入饱和区， 输出电压、输出电流以及输出 功率受VCC 控制（调制）
2016/6/20 高频电路基础
2016/6/20
三个特性的总结与应用
综合效率、输出功率等因素，C类谐振放大器一般设计在临 界状态工作。 常用负载特性来判断放大器的工作状态：在欠压状态，输出 功率随 re 加大而加大，集电极电流随 re 加大而减小（但不明
显）。在过压状态，输出功率随 re 加大而减小，集电极电流
随 re 加大而明显减小。
2016/6/20 高频电路基础
26
C类功率放大器的实际电路
2016/6/20 高频电路基础
Po Vcm1 Icm1
欠压 临界 过压
Vbm
12
临界状态下的输出
ic ic Vbm Icm t 0 VCC 0 vce VBB+Vbe(on) 0 Vces Vcm 0 t
Po 2 Pi 1 0.1W 1 GP lg ( ) lg (1.3) 10
2016/6/20 高频电路基础
17
负载变化对于C类功放的影响
ic re 小 re 大
0
Vbm
VCC
vce
• 保持输入 vbm不变, 保持电源电压VCC不变 • 通过改变 re ，研究C类功放的输出随负载阻抗改变的规律
20
集电极调制特性
集电极电压VCC 增大，工作状 态趋于欠压区；VCC 减小，工 作状态趋于过压区 欠压区：由于晶体管的恒流特 性，导致输出电压和输出电流 均基本不变，输出功率亦基本 不变
过压区：晶体管进入饱和区， 输出电压、输出电流以及输出 功率受VCC 控制（调制）
2016/6/20 高频电路基础
2016/6/20
三个特性的总结与应用
综合效率、输出功率等因素，C类谐振放大器一般设计在临 界状态工作。 常用负载特性来判断放大器的工作状态：在欠压状态，输出 功率随 re 加大而加大，集电极电流随 re 加大而减小（但不明
显）。在过压状态，输出功率随 re 加大而减小，集电极电流
随 re 加大而明显减小。
2016/6/20 高频电路基础
26
C类功率放大器的实际电路
第三章 高频功率放大电路
IC0=ICmα0(θ), Ic1m=ICmα1(θ), Ic2m=ICmα2(θ), …
其中α0(θ), α1(θ), α2(θ), …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
波形系数 g 1( ) a1 ( ) a0 ( ) 若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/VCC, 可以得到集电极效率 和输出功率的另一种表达式:
串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地的 分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片 不能直接接地, 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点 正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们对地的分布 电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、 C元件可接地, 故安装调整方便。
根据被放大信号的相对频带的宽窄：
2 1、窄带高频功放： f 0.7 / 为选频网络；
f 0 0.1 ；丙类，LC谐振回路
2 2、宽带高频功放： f 0.7 / 器为匹配网络。
f 0 0.3 ；甲类，传输线变压
第二节 线性高频功率放大器
A类和推挽电路形式的B类高频功放工作在线性放大状 态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或 相位。 A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真； B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。
ic Ic 0 Ic1m cos w0t Ic 2 m cos 2w0t ... 1 2 I cm I cm cos w0t I cm cos 2w0t ... 2 3
在Ucm=VCC时效率最高：
1
1 I 1 2 cm 78.5% 2 1I 4 cm
VCC uCE u BE VBB U bm U Cm iC=-gd(uCE-U0) U bm VccU bm VBBU cm U onU cm gd g ,U 0 U cm U bm
其中α0(θ), α1(θ), α2(θ), …被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
波形系数 g 1( ) a1 ( ) a0 ( ) 若定义集电极电压利用系数ξ=Ucm/VCC, 可以得到集电极效率 和输出功率的另一种表达式:
串联馈电方式的优点是Lc和Cc处于高频地电位, 它们对地的 分布电容不会影响回路的谐振频率, 缺点是电容器C的动片 不能直接接地, 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点 正好相反。由于Lc和Cc1不处于高频地电位, 它们对地的分布 电容直接影响回路的谐振频率, 但回路处于直流地电位, L、 C元件可接地, 故安装调整方便。
根据被放大信号的相对频带的宽窄：
2 1、窄带高频功放： f 0.7 / 为选频网络；
f 0 0.1 ；丙类，LC谐振回路
2 2、宽带高频功放： f 0.7 / 器为匹配网络。
f 0 0.3 ；甲类，传输线变压
第二节 线性高频功率放大器
A类和推挽电路形式的B类高频功放工作在线性放大状 态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或 相位。 A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真； B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。
ic Ic 0 Ic1m cos w0t Ic 2 m cos 2w0t ... 1 2 I cm I cm cos w0t I cm cos 2w0t ... 2 3
在Ucm=VCC时效率最高：
1
1 I 1 2 cm 78.5% 2 1I 4 cm
VCC uCE u BE VBB U bm U Cm iC=-gd(uCE-U0) U bm VccU bm VBBU cm U onU cm gd g ,U 0 U cm U bm
第3章 高频功率放大电路
图3.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形
第3章 通信信号的发送
图3.1中，输出回路中用LC谐振电路作选频网络。这时，
谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压，如图3.2(e)所示。
由于晶体管工作在丙类状态，晶体管的集电极电流iC是一个
周期性的余弦脉冲，用傅氏级数展开iC，则得
iC=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt (3- 1)
1 π 1 sin cos I c 0 π iC dt iC max 2π 1 cos π 0 iC max
(3- 13)
1 π iC max sin cos I c1 π iC costdt π π 1 cos 1 iC max
振幅就越小。因此，在谐振功率放大器中只需研究直流功率
及基波功率。
第3章 通信信号的发送
图3.4 余弦脉冲分解系数
第3章 通信信号的发送
放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在有载谐
振电阻RP上的功率，即
1 1 2 Po I c1U cm I c1 RP 2 2 2 RP
2 U cm 1
的转换效率。为了提高功率放大器的效率，通常选择放大元 件工作在丙类状态。在这种状态下，晶体管处于非线性工作 区域，晶体管集电极电流通角小于90°。
第3章 通信信号的发送
工作在丙类状态下的晶体管输出电流与输入信号之间存
在着严重的非线性失真，在高频功率放大器中采用谐振选频
负载方法来滤除非线性失真，以获得接近正弦波的输出电压 波形，这一类高频功率放大器通常称为窄带功率放大器或谐 振功率放大器。窄带信号是指带宽远小于中心频率的信号。 例如, 中波广播电台的带宽为10 kHz，如果中心频率为1000
第三章高频功率放大器
qc
g1(qc )
I c1m 1(qc ) I c0 0 (qc )
g1
(q
c
)
qc cosqc sinqc qc
s in q cosq
c c
下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角 qc变化的情况，从而选择合适的工作状态。
0
(qc
)
sinqc qc cosqc π(1 cosqc )
波形系数：g1(qc )
I c1m I c0
VCC
集电极损耗功率： Pc
P
Po
3.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解 3.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性 3.3.4 各极电压对工作状态的影响
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Ic0与基频分量Ic1m。
(b) 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式：
v BE VBB Vbm cost vCE VCC Vcm cost
iC Ic0 Ic1m cos t Ic2m cos 2t
Icnm cos nt 谐振回路
vCE VCC Vcm cos t
4. 效率与失真矛盾的解决
丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。
iC Ic0 I c1m cos t I c2m cos 2t I cnm cos nt
low 0 ω 2ω 3ω
nω high
4. 效率与失真矛盾的解决
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。
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：
第3章 高频功率放大器(简化版)
Pc P P o
(四) 集电极效率
c
Po P 1 U cm I c 1 m 2 VCC I C 0 1 2
g 1 ( c )
输出功率与直流输入 功率之比定义为效率
东北石油大学电子科学学院
3.3 丙类(C类)功率放大器的折线分析法
(五) 几点说明
1. c Po P 1 U cm I c 1 m 2 VCC I C 0 1 2
二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式
2. 输出特性曲线 图3-5(b)是理想化的输出特性。 它可分为饱和区、放大区和 截止区。 (1)饱和区 i C g cr u C E 式中 g cr i C / u C E 为饱和 临界线的斜率。 (2)放大区 i C g c( u B E - U B Z )
(u B E U B Z )
(3)截止区 i C 0
(u B E U B Z )
图3-5 晶体管特性的理想化
东北石油大学电子科学学院
3.3 丙类(C类)功率放大器的折线分析法
U BZ V BB U bm
三、集电极余弦电流脉冲的分解
cos c
， c称 为 半 通 角 。
iC I cm
cos t cos c 1 cos c
周期性的电流脉冲可用 傅里叶级数表示：
i C I C 0 I c 1 m co s t I c 2 m co s 2 t I cn m co s n t
其中:
I I C 0 = I cm 0 ( c ) ，I c 1 m I cm 1 ( c ) ， cn m I cm n ( c )
不同点： 低频功率放大器相对频带宽，不能工作于丙类； 高频功率放大器相对频带窄，可以用调谐回路作 负载，能工作于丙类。
(四) 集电极效率
c
Po P 1 U cm I c 1 m 2 VCC I C 0 1 2
g 1 ( c )
输出功率与直流输入 功率之比定义为效率
东北石油大学电子科学学院
3.3 丙类(C类)功率放大器的折线分析法
(五) 几点说明
1. c Po P 1 U cm I c 1 m 2 VCC I C 0 1 2
二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式
2. 输出特性曲线 图3-5(b)是理想化的输出特性。 它可分为饱和区、放大区和 截止区。 (1)饱和区 i C g cr u C E 式中 g cr i C / u C E 为饱和 临界线的斜率。 (2)放大区 i C g c( u B E - U B Z )
(u B E U B Z )
(3)截止区 i C 0
(u B E U B Z )
图3-5 晶体管特性的理想化
东北石油大学电子科学学院
3.3 丙类(C类)功率放大器的折线分析法
U BZ V BB U bm
三、集电极余弦电流脉冲的分解
cos c
， c称 为 半 通 角 。
iC I cm
cos t cos c 1 cos c
周期性的电流脉冲可用 傅里叶级数表示：
i C I C 0 I c 1 m co s t I c 2 m co s 2 t I cn m co s n t
其中:
I I C 0 = I cm 0 ( c ) ，I c 1 m I cm 1 ( c ) ， cn m I cm n ( c )
不同点： 低频功率放大器相对频带宽，不能工作于丙类； 高频功率放大器相对频带窄，可以用调谐回路作 负载，能工作于丙类。
第3章高频功率放大器的结构
正值，因此，iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越 大。如果出现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小。
3.2.3 丙类功放的性能分析
(四个电量对性能影响的定性讨论)
一、负载特性
1. 含义：谐振功放的负载特性是指 VB、Vim 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。
② 过压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲的高 度降低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。
例题3.2.3 已知一处于临界工作 状态的丙类功率放大器。在单音 激励下的输出功率为35W，此时 的VCC =50V。如功放的集电极 电压特性如图3-2-8所示。试求 在其它条件不变时，VCC减半后 的电路输出功率为多少？
• 3.3.1 在三极管B、E两极间形成自身反偏 压的条件是什么？
3.3.4 输入电路的直流馈电方式
自给偏置电路的作用：用于放大等幅载波信号的功 率放大器，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳 定输出电压振幅的作用
3.3.5 输出电路的直流馈电方式
(1) 串馈：直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率 管在电路形式上为串接的一种馈电方式。
2. 基极调制特性 (1) 含义：Vim、VCC、Re 一定，放大器性能随 VB 变化的特性。
(2) 调制特性：当 Vim 一定，VB 由负向正增大时， iC不仅宽度增加，而且其高 度增加（因 VBEmax 增大）， 因而 IC0 和 Ic1m、Vcm 增大， 结果使 VCEmin 减小，放大 器由欠压进入过压状态。
② 并馈：由于 CC1 隔断直流，匹配网络处于直流 地电位上，网络元件可直接接地，安装比串馈方便。 但 LC 和 CC1 与匹配网络相并联，它们的分布参数影响 网络调谐。
3.2.3 丙类功放的性能分析
(四个电量对性能影响的定性讨论)
一、负载特性
1. 含义：谐振功放的负载特性是指 VB、Vim 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。
② 过压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲的高 度降低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。
例题3.2.3 已知一处于临界工作 状态的丙类功率放大器。在单音 激励下的输出功率为35W，此时 的VCC =50V。如功放的集电极 电压特性如图3-2-8所示。试求 在其它条件不变时，VCC减半后 的电路输出功率为多少？
• 3.3.1 在三极管B、E两极间形成自身反偏 压的条件是什么？
3.3.4 输入电路的直流馈电方式
自给偏置电路的作用：用于放大等幅载波信号的功 率放大器，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳 定输出电压振幅的作用
3.3.5 输出电路的直流馈电方式
(1) 串馈：直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率 管在电路形式上为串接的一种馈电方式。
2. 基极调制特性 (1) 含义：Vim、VCC、Re 一定，放大器性能随 VB 变化的特性。
(2) 调制特性：当 Vim 一定，VB 由负向正增大时， iC不仅宽度增加，而且其高 度增加（因 VBEmax 增大）， 因而 IC0 和 Ic1m、Vcm 增大， 结果使 VCEmin 减小，放大 器由欠压进入过压状态。
② 并馈：由于 CC1 隔断直流，匹配网络处于直流 地电位上，网络元件可直接接地，安装比串馈方便。 但 LC 和 CC1 与匹配网络相并联，它们的分布参数影响 网络调谐。
高频第3章高频调谐功率放大器
o
导通角是调谐功率放大器的重要参数
20
二、集电极余弦脉冲电流分析
ic I c0 I cm1 cos t I cm2 cos 2t I cmn cos nt I c0 I cmn cos nt
n 1
ic Icmax θc θc
ic1
ic2
3.2 调谐功率放大器的工作原理（重点） 3.3功率和效率 （重点）
3.4调谐功率放大器的工作状态分析（难点）
3.5调谐功率放大器的实用电路（重点）
3.6功率晶体管的高频效应 （指导实践）
3.7 倍频器
3
3.1
概述
回顾问题：（模拟电子技术中的功放内容）
1. 放大器的实质？
2. 放大器的两种工作状态？ （已学的）
U cm I c1m Rc
集电极抽头处基波电压幅值
则晶体管集电极与发射极间电压为 ：
uce Ec uc Ec U cm cos t
26
3.3
晶体管 槽路
功率和效率
直流功率 交流功率 脉冲功率 正弦功率
2.槽路效率 TT 2.槽路效率 1.集电极效率 c 谐振回路 Q1 U I 0 尽量大，在 PO 2 cm c1m 1 Qcm 1I c max L 1Po 1UT Q0 QL U P Pcm 保证选频性能的前提下， L T c P P Q0 PS Ec I 2 Ec 0 I c max o 2 0 o Ec 尽量小（5~10）c 0 1 集电极电流利用系 0 数 ，尽量大 27
ic3
Ico
ωt
注意：高频调谐功率放大器，选频的对象是： 集电极电流 ic中的不同频率成分。
第3章高频功率放大器
40
第41页/共81页
1．高频功放的负载特性 • 只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率η变化的特性。 • 图 3 ─ 18(b)是根据图3 ─ 18(a)而得到的功率、 效率曲线。
41
第42页/共81页
1
RL小
U
小
c
欠压状态
Uc
RL
2
RL
RLcr
Uce min
uces
临界状态
25
第26页/共81页
2． 高频功放的能量关系
• 在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平
均功率)即输出功率P1为
P1
1 2
Ic1Uc
1 2
I
2
c1
RL
1 Uc2 2 RL
(3 ─ 22)
集电极电源供给的直流输入功率P0为
P0 Ic0Ec
(3─ 23)
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
可以得到：gcUbm ICM 1 cos
结果ic表达式又可写做：
ic
ICM
cost cos 1 cos
21
第22页/共81页
22
第23页/共81页
➢ 周期性集电极电流脉冲导通角为2θ；可以
分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐 波分量, 即
ic Ico Ic1 cost Icn cos nt
➢ 丙类γ>1.75 ,效率更高。
28
第29页/共81页
• 分解系数α1最大值为 0.536时， 导通角为 1200，此时输出功率 最大，在甲乙类状态， 效率66%太低不可用！
• 导通角在0~150,输出
功率太0，小 2 • 极若端 =情1,况效：率可达100%
第41页/共81页
1．高频功放的负载特性 • 只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率η变化的特性。 • 图 3 ─ 18(b)是根据图3 ─ 18(a)而得到的功率、 效率曲线。
41
第42页/共81页
1
RL小
U
小
c
欠压状态
Uc
RL
2
RL
RLcr
Uce min
uces
临界状态
25
第26页/共81页
2． 高频功放的能量关系
• 在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平
均功率)即输出功率P1为
P1
1 2
Ic1Uc
1 2
I
2
c1
RL
1 Uc2 2 RL
(3 ─ 22)
集电极电源供给的直流输入功率P0为
P0 Ic0Ec
(3─ 23)
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
可以得到：gcUbm ICM 1 cos
结果ic表达式又可写做：
ic
ICM
cost cos 1 cos
21
第22页/共81页
22
第23页/共81页
➢ 周期性集电极电流脉冲导通角为2θ；可以
分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐 波分量, 即
ic Ico Ic1 cost Icn cos nt
➢ 丙类γ>1.75 ,效率更高。
28
第29页/共81页
• 分解系数α1最大值为 0.536时， 导通角为 1200，此时输出功率 最大，在甲乙类状态， 效率66%太低不可用！
• 导通角在0~150,输出
功率太0，小 2 • 极若端 =情1,况效：率可达100%