第3章高频功率放大器.ppt

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1、第第3 3章章 高频功率放大器高频功率放大器 3.1 高频小信号放大器高频小信号放大器 3.1 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性 3.3 高频功率放大器的高频效应高频功率放大器的高频效应 3.4 高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路 23.2 3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性l主要功用是放大高频信号主要功用是放大高频信号,以高效输出大功率为目的以高效输出大功率为目的,主要应用于各种主要应用于各种无线电发射机无线电发射机中。中。l与其它放大器相比：与其它放大器相比：输出功率大，输出功率大，功放管在大信号功放管在大信号极限条件极限条件下运

2、行。下运行。l其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率其实质是在输入高频信号的控制下将电源的直流功率转换成高频功率转换成高频功率,因此还要求尽可能高的因此还要求尽可能高的转换效率转换效率。l功率增益功率增益是重要的性能指标，但安全、高效和小失真是重要的性能指标，但安全、高效和小失真是是第一位第一位的。的。l高频功放与低频功放：高频功放与低频功放：工作频率工作频率和和相对带宽相对带宽相差很大；相差很大；高频功放一般用选频网络作负载，工作在高频功放一般用选频网络作负载，工作在丙类丙类状态，状态，也称为也称为谐振功率放大器。谐振功率放大器。3功率放大器分类根据根据功率管功率管在一个信号周期内导

3、通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功功率管运用状态率管运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类（A、B、C）等多种。等多种。功率管功率管是是功率放大电路关键器件，功率放大电路关键器件，如何选择功率管如何选择功率管运用状态，并保证其安全工作。必须运用状态，并保证其安全工作。必须首先了解功率首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。器件的极限参数及安全工作区。4甲类功率放大器5乙类推挽功率放大器6单电源供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路(OTL)电压增益电压增益小于小于 1。要输出最大信号功率，。要输出最大信号功率，RL 上信号电压上信号电压振幅接近电

4、源电压振幅接近电源电压(单电源接近单电源接近VCC/2)。要求输入激励级。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。7交越失真交越失真 上节分析乙类推挽上节分析乙类推挽电路性能时，电路性能时，忽略忽略了晶体管发射结导了晶体管发射结导通电压的影响通电压的影响。实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影实际上，在零偏置情况下，考虑到导通电压的影响，输出电压波形在衔接处出现严重失真响，输出电压波形在衔接处出现严重失真-交越失真交越失真。两管的两管的合成传输特性合成传输特性如图所示如图所示。8克服交越失真的基本途径克服交越失真的基本途径 在输

5、入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在在输入端为两管加合适的正偏电压，使其工作在甲乙类甲乙类。只要只要 VBB 取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部取值合适，上下两路传输特性起始段的弯曲部分就可相互补偿，分就可相互补偿，合成传输特性趋近于直线合成传输特性趋近于直线，在输入正，在输入正弦电压激励下，得到不失真的输出电压。弦电压激励下，得到不失真的输出电压。9常用电路常用电路 二极管偏置电路二极管偏置电路 vBE 倍增电路倍增电路 由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为由于二极管的正向交流结电阻很小，可认为交流短交流短路路，因此偏置电路不影响输入信号，因此偏置电路不影响输入信号 vi(t)的传

6、输。的传输。10 vBE 倍增电路倍增电路(1)电路电路 直流：直流：由由 T3、R1、R2 组成，组成，且由电流源且由电流源 IR 激励，为互补功率激励，为互补功率管管 T1、T2 提供偏置电压提供偏置电压 VBB。交流：交流：T3、R1 构成电压并构成电压并联负反馈电路，反馈电路电阻小，联负反馈电路，反馈电路电阻小，几乎不影响输入信号传输。几乎不影响输入信号传输。(2)倍增原理倍增原理 由图可见由图可见，若通过，若通过 R1 的电流的电流 I1 远小于远小于 T3 管的集电管的集电极电流极电流 IC3，且，且 T1 和和 T2 管的静态基极电流又可忽略，管的静态基极电流又可忽略，11单电源

7、供电的互补推挽电路单电源供电的互补推挽电路(OTL)电压增益电压增益小于小于 1。要输出最大信号功率，。要输出最大信号功率，RL 上信号电压上信号电压振幅接近电源电压振幅接近电源电压(单电源接近单电源接近VCC/2)。要求输入激励级。要求输入激励级为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。为互补功率管提供振幅接近电源电压的推动电压。121.功率管运用状态功率管运用状态通常靠通常靠选择静态工作点选择静态工作点来实现来实现甲类甲类(A)：功率管在一个周期内导通。功率管在一个周期内导通。乙类乙类(B)：功率管仅在半个周期内导通。功率管仅在半个周期内导通。甲乙类（甲乙类（AB）：功率管在大于半个小于

8、一个周期内导通功率管在大于半个小于一个周期内导通丙类丙类(C)：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。132.不同运用状态下的集电极效率不同运用状态下的集电极效率管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的max 也不同。也不同。甲类甲类max=50;乙类max 78.5%11CPPP减小减小 PC 可提高可提高。假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 2oCECCd21tviP 14讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE途径途径 1：由由甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类丙类丙类，减小管子，减小管子在

9、信号周期内的导通时间，即增大在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间。的时间。途径途径 2：使管子运用在开关状态使管子运用在开关状态(丁类丁类)；管子在管子在半个周期内饱和导通半个周期内饱和导通，另半个周期内截止另半个周期内截止。饱和导通时，饱和导通时，vCE vCE(sat)很小，导通的半个周期很小，导通的半个周期内，瞬时管耗内，瞬时管耗 iC vCE 很小。很小。截止时，截止时，不论不论 vCE 为何值，为何值，iC 趋于趋于 0，iC vCE 也也处在零值附近。结果处在零值附近。结果 PC 很小，很小，显著增大。显著增大。15甲甲乙乙丙丙类类功功放放电电路路的的工工作作点点16为

10、提高集电极效率，为提高集电极效率，管子的运用状态管子的运用状态从从甲类向乙类、丙类甲类向乙类、丙类或或开关工作的丁开关工作的丁类转变类转变。但随着效率的提高，。但随着效率的提高，集电极集电极电流波形失真严重电流波形失真严重，为实现不失真放，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。大，在电路中需采取特定措施。小结：17ucCRLuceubeubEbEcu()ibicV图 3 12 晶体管高频功率放大器的原理线路 3.2.1 丙类功放丙类功放工作原理工作原理 高频功率放大器的原理线路高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外除电源和偏置电路外,它它 由由晶体管、晶体管、谐振回路谐振回路和和输入

11、回路输入回路三部分组成的。三部分组成的。18l工作在工作在丙类状态丙类状态,在一个信号周期内功放管导通在一个信号周期内功放管导通角小于角小于1800l静态静态时发射结反偏时发射结反偏,工作在工作在截止区截止区;l输入激励输入激励大信号，大信号，一般在一般在0.5V以上；以上；l基极电流和集电极电流均为基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号高频脉冲信号；l谐振回路作谐振回路作负载选取有用频率分量负载选取有用频率分量，兼有阻抗，兼有阻抗变换作用变换作用19丙类功放丙类功放折线分析法折线分析法 非谐振功率放大器：非谐振功率放大器：集电极负载集电极负载为为纯电阻，在特性纯电阻，在特性曲线上作负载线，画出

12、激励信号下的集电极电流和电压曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压求出功率性能求出功率性能丙类谐振功率放大器：丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的集电极负载为包含电抗元件的谐振谐振回路，回路，uCE 由由 iC 产产生，而生，而 uCE 通过基极宽度调制效应影响通过基极宽度调制效应影响 iC要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐!20 cosbebbuEUt1 1电流、电流、电压波形电压波形设输入信号为设输入信号为则基极回路电压为则基极回路电压为 管子导通主要工作在线性放大区，管子导通主要工作在线性放大区，折线化折线化近近似其转移特

13、性。似其转移特性。cosbbuUt21晶体管的实际特性曲线晶体管的实际特性曲线22晶体管特性曲线理想化 (a)传输特性理想化 (b)输出特性理想化zz)z0 (z :bebcbebbebuucguuuubccbbeiugiuE是晶体管导通电压；输入特（性跨导即）2324 余弦脉冲的表达式余弦脉冲的表达式)0 (t=cos cos cos 0 coscos 0 1c s obbbbecbebebebbmbbCMcbmccccbmcCMcbbmbmbbmcuEcguEuEiuEUtEEIgig UtigEUtEUtiUIg Ui设时，则有：而当时，可以得到：coscos1cos 1cosCMCcM

14、citIiI结果 表达式又可写做：2526max0max1max11mmaxmax21ax0coscossincos(1cos)sincos(1cos)2sincos2 sincos (1)(1)(1cos cos)()(),().()cccnccoccncoccccnciaiaiiIItIn tIiIinnnIinnnaaa.()nan分别为的余直流、基波和 次谐波的弦脉冲分解系数。周期性集电极电流脉冲导通角为周期性集电极电流脉冲导通角为2；可以可以 分解分解成直流、基波成直流、基波(信号频率分量信号频率分量)和各次谐和各次谐波分量波分量,即即27coscosbbbebbuUtuEUt输入信

15、号：基极电压：28010 coscoscLcCECcCuuI RtuEuEUt输出电压为：集电极电压：u负载为负载为并联谐振回路并联谐振回路，使回路，使回路对激励信号频率对激励信号频率谐振时阻抗谐振时阻抗最大为最大为RL；u集电极调谐时，集电极调谐时，Ubemax、Icmax 、UCEmin同时出现。同时出现。u集电极导通角由集电极导通角由输入输入决定决定,导导通角越小效率越高通角越小效率越高292 高频功放的能量关系高频功放的能量关系 l在集电极电路中在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功高频一周的平均功率率)即即输出功率输出功率P1为为LcLccRU

16、RIUIPc22112121211(3 22)集电极电源供给的集电极电源供给的直流输入功率直流输入功率P0为为ccEIP00(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直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率损耗功率Pc,即10PPPc(3 24)30lPc为耗散在晶体管的热能，定义为耗散在晶体管的热能，定义集电极效率集电极效率1010111011100111122cccccccPPPPPPPPPPP PPI UPI E表明输出功率与效率的关系而+！又 31110011001122ccccccccPI UPI EIIUE（）其中称为；（）称为集电波形系数电压极利用系数。要提高效率，一是提高要提高效率，一是提高电压利用系数电压利用系数，通过提，通过提高回路谐振阻抗高回路谐振阻抗RL;另一是提高波形系数，增加另一是提高波形系数，增加基波分量，这与基波分量，这与导通角导通角有关。有关。甲 类甲 类 m a x=5 0 ;乙 类乙 类 m a x 7 8.5%；丙类1.75 1.75,效率更高。效率更高。32余弦脉冲分解系数与余弦脉冲分解系数与的关系曲线的关系曲线l