高频功率放大器要点课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,倍频,高频放大,调制,话筒,声音,发射 天线,图,1.2.8,调幅发射机方框图,音频放大,高频振荡,缓冲,5.1,概述,5.1,概述,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。,电压增益：,电流增益：,+1,三种组态的基本放大电路,CE,CC,CB,1.,谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较,相同,:,要求输出功率大，效率高,非线性,(,大信号,),不同,:,低频（音频）,:20Hz,20kHz,高频（射频）,:,（以调幅为例）,已调信号,low,high,AM,广播信号,:,535kHz,1605kHz,，,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,5.1,概述,功率放大电路的主要特点,输入为大信号,要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状态,效率要高,非线性失真要小,BJT,的散热问题,(,管子的保护,),(a),甲类,class-A amplifier,(b),乙类,class-B amplifier,(c),甲乙类,class-AB amplifier,(d),丙类,class-C amplifier,2.,分类,5.1,概述,流通角,:,一个周期内,有电流流通的相角,.,5.1,概述,3.,要解决的问题,减小失真（线性度）,管子的保护,提高输出功率,提高效率,丙类,(C,类,),放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。,4.,效率与失真矛盾的解决,low,high,3,n,2,0,5.1,概述,4.,效率与失真矛盾的解决,有源器件,谐振回路,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。,3,2,1,5,4,Tr,1,T,r,2,C,L,y,L,T,输入回路,输出回路,晶体管,5.1,概述,5.1,概述,功能：将直流功率转换为交流信号功率。,主要指标：输出功率与效率,工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）,分析方法：,折线近似分析法。,(,大信号,),高频谐振功率放大器,5.2,谐振功率放大器的工作原理,5.2.1,获得高效率所需要的条件,5.2.2,功率关系,5.2.1,获得高效率所需要的条件,V,bm,v,b,w,t,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，采用负电源作基极偏置。,w,t,i,C,0,-,q,c,+,q,c,V,BB,0,-,q,c,+,q,c,v,be,转移,特性,i,C,V,BZ,o,理想化,图,5.2.1,高频功率放大器的,基本电路,失真,(,b),t,w,或电压,电流,0,V,BZ,V,CC,V,BB,V,bm,V,cm,v,bE,max,q,i,C,i,c,max,c,i,C,v,CE,v,BE,v,CE,min,1.,i,C,与,v,BE,同相，与,v,CE,反相；,2.,i,C,脉冲最大时，,v,CE,最小；,3.,通角和,v,CEmin,越小，,P,c,越小；,5.2.1,获得高效率所需要的条件,5.2.2,功率关系,电路正常工作,（丙类、,谐振,）,时，,外部电路关系式：,谐振回路,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,5.2.2,功率关系,5.3,晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,集电极余弦电流脉冲的分解,高频功率放大器的动态特性与负载特性,各极电压对工作状态的影响,工作状态的计算,(,估算,),举例,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,5.3,晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,0,0.5f,f,0.2f,T,f,T,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,c0,与基频分量,I,cm1,。,最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角,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,，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：,折线近似分析法。,5.3,晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,5.3.1,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,图,5.3.1,晶体管的输出特性及其理想化,i,C,=,g,cr,v,CE,欠压,临界,过压,图,5.3.2,晶体管静态转移特性及其理想化,i,C,=,g,c,(,v,BE,V,BZ,)(,v,BE,V,BZ,),5.3.1,晶体管特性曲线的理想化及其解析式,V,bm,v,b,w,t,w,t,i,C,0,-,q,c,+,q,c,V,BB,o,-,q,c,+,q,c,v,be,转移,特性,i,C,V,BZ,0,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。,i,C,=,g,c,(,v,BE,V,BZ,)(,v,BE,V,BZ,),=,g,c,(,V,bm,cos,t,V,BZ,V,BB,),=,g,c,V,bm,(cos,t,cos,c,),=,g,c,V,bm,(1cos,c,),当,t,=0,时，,i,C,=,i,C max,当,t,=,c,时，,i,C,=,0,5.3.2,集电极余弦电流脉冲的分解,5.3.2,集电极余弦电流脉冲的分解,图,5.3.3,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,i,c,取决于脉冲高度,i,C max,与通角,c,下面分析基波分量,I,cm1,、,集电极效率,c,和输出功率,P,o,随通角,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,c,120,时，,I,cm1,/,i,Cmax,最大。,在,i,Cmax,与负载阻抗,R,p,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。,5.3.2,集电极余弦电流脉冲的分解,由曲线可知：极端情况,c,=0,时，,如果此时,=1,，,c,可达,100%,。,为了兼顾功率与效率，,最佳通角取,70,左右。,5.3.2,集电极余弦电流脉冲的分解,下面分析基波分量,I,cm1,、,集电极效率,c,和输出功率,P,o,随通角,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,5.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,因此，下面分析四个参数,R,p,和电压,V,CC,、,V,BB,、,V,bm,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,c,和输出功率,P,o,是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数,R,p,和电压,V,BB,、,V,bm,、,V,CC,。,i,C max,=,g,c,V,bm,(1cos,c,),5.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,1.,高频功放的动态特性,-,为一直线,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,R,p,和,V,CC,、,V,BB,、,V,bm,所表示的输出动态负载曲线。,v,ce,i,c,A,V,CC,Q,V,cm,v,cmin,g,d,V,o,B,2.,高频功放的负载特性,v,BE,i,C,-V,BB,V,BZ,v,b,i,C,g,C,V,bm,v,bemax,i,Cmax,v,ce,i,C,V,CC,Q,v,cemin,V,ces,g,d,v,bemax,g,cr,过压区,临界区,欠压区,5.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,v,bemax,2.,高频功放的负载特性,i,C,v,ce,v,bemax,过压区,临界区,欠压区,欠压,过压,0,临,界,R,p,欠压,过压,0,临,界,R,p,5.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,结论：,欠压：恒流，,V,cm,变化，,P,o,较小，,c,低，,P,c,较大；,过压：恒压，,I,cm1,变化，,P,o,较小，,c,可达最高；,临界：,P,o,最大，,c,较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,2.,高频功放的负载特性,5.3.3,高频功率放大器的动态特性与负载特性,图,5.3.7,负载特性曲线,欠压,过压,0,临,界,R,p,欠压,过压,0,临,界,R,p,5.3.4,各极电压对工作状态的影响,调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载,R,p,；改变供电电压,V,CC,；改变偏压,V,BB,；改变激励,V,b,。,(1),改变,R,p,，但,V,b,、,V,CC,、,V,BB,不变：,当负载电阻,R,p,由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。,(2),改变,V,CC,，但,R,p,、,V,b,、,V,BB,不变：,当集电极供电电压,V,CC,由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。,5.3.4,各极电压对工作状态的影响,在欠压区内，输出电流的,振幅基本上不随,V,CC,变化,而变化，故输出功率基本,不变；而在过压区，输出,电流的振幅将随,V,CC,的减,小而下降，故输出功率也,随之下降。,V,CC,变化时对工作状态的影响,5.3.4,各极电压对工作状态的影响,改变,V,CC,时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。在过压区中输出电流和功率随,V,CC,改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变,V,CC,来实现调幅过程的（见本教材第,7,章）。,5.3.4,各极电压对工作状态的影响,(3),V,bm,变化，但,V,CC,、,V,BB,、,R,p,不变或,V,BB,变化，但,V,CC,、,V,bm,、,R,p,不变：,这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是,V,bm,还是,V,BB,的变化，其结果都是引起,v,BE,的变化。,5.3.5,工作状态的计算,(,估算,),举例,谐振功率放大器的计算,谐振功率放大器的主要指标是功率和效率。,以临界状态为例：,1),首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量,i,Cmax,和,c,导通角：,集电极电流脉冲幅值：,=,g,c,V,bm,(1cos,c,),i,C max,5.3.5,工作状态的计算,(,估算,),举例,2),电流余弦脉冲的各谐波分量系数,0,(,c,),、,1,(,c,),、,、,n,(,c,),可查表求得，并求得个分量的实际值。,3),谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,交流输出功率：,集电极效率：,P,=,=,I,c0,V,CC,5.3.5,工作状态的计算,(,估算,),举例,4),根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，,接近于,1,，作为工作估算，可设定,=1,。,可以证明，放大器所要求的最佳负载是随导通角,c,改变而变化的。,c,小，,R,p,大。要提高放大器的效率，就要求放大器具有大的最佳负载电阻值。,工作状态的计算（估算）举例,（,见本教材,P192,，例,）,