资源描述
,*,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,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,*,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,*,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,*,1,解：,将上式展开，输出电流中的频率分量包括直流,，,1解：将上式展开，输出电流中的频率分量包括直流，,第五章,高频功率放大器,电路性质：非线性,放大器种类：丙类,基础知识：折线分析法,2,第五章高频功率放大器电路性质：非线性2,本章的知识结构,5.1,概述,5.2,工作原理（重点）,5.3,功率放大器的折线分析法（重点）,一定要彻底吃透,3,本章的知识结构5.1 概述一定要彻底吃透3,本章知识的特点,知识特点,变量较多、题型非常灵活多变,三极管不再单纯处于工作区,必须熟练掌握折线法,学习方法,一定要把教材,177,页,/208,页的波形图彻底理解,先画图再做题，理清变量关系。,熟练掌握,4,本章知识的特点知识特点4,5.1,概述,（,1,）使用高频功放的目的,（,2,）功率放大器使用中需解决的两个问题,（,3,）高频功率放大器的种类,（,4,）高频功放与小信号放大器的比较,（,5,）高频功放与低频功放的区别,（,6,）工作状态,（,7,）高频功放的主要技术指标,5,5.1 概述（1）使用高频功放的目的5,（,1,）使用高频功放的目的,从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分,无线发射机,无线接收机,目的：,放大高频大信号,使发射机末级获得足够大的发射功率。,6,（1）使用高频功放的目的从图中可见，高频功放是无线发射机的重,（,2,）功率放大器使用中需解决的两个问题,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效率高。,联想对比：,7,（2）功率放大器使用中需解决的两个问题高效率输出高功率输,（,3,）高频功率放大器的种类,谐振功率放大器（学习重点）,特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末级；,不易于自动调谐。,宽带功率放大器（了解即可）,特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带内对高频信号进行功率放大；,功率增益有限，一般用于中小功率级。,8,（3）高频功率放大器的种类谐振功率放大器（学习重点）8,（,4,）高频功放与高频小信号放大器的比较,高频小信号,放大器,高频功放,电路性质,线性,非线性,应用场合,发射机送给功放的信号接收机天线送来的信号,发射机末端,放大器类型,甲类,丙类,集电极输出波形,与输入信号一致,余弦脉冲,设计的目的,信号波形放大、传输,将电源的能量尽可能以信号的形式输出,最关心的指标,电压增益,效率,9,（4）高频功放与高频小信号放大器的比较高频小信号高频功放电路,i,C,v,B,t,o,o,i,C,t,V,BZ,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,：,谐振功率放大器,波形图,小信号谐振放大器,波形图,i,C,Q,v,B,t,o,o,i,C,t,（,4,）高频功放与高频小信号放大器的比较,10,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。,iCvBtooiCtVBZ相同之处：它们放大的信号均为高频信,（,5,）高频（谐振）功放与低频功放的区别,低频功放,高频功放,工作频率,音频,射频,应用场合,接收机末端,发射机末端,负载,纯电阻,LC,谐振回路,放大器类型,甲类或乙类,丙类,相同之处,：,要求输出功率大、效率高。,不同之处,：,工作频率、相对频宽、放大器负载、放大器的工作状态不同。,11,（5）高频（谐振）功放与低频功放的区别低频功放高频功放工作频,（,6,）工作状态,三极管,四种工作状态,根据正弦信号整个周期内三极管的导通情况划分,乙类：,导通角等于,180,甲类：,一个周期内均导通,甲乙类：,导通角大于,180,丙类：,导通角小于,180,12,（6）工作状态三极管四种工作状态 根据正弦信号整个周期,（,6,）工作状态,表,2,-,1,不同工作状态时放大器的特点,工作状态,半导通角,理想效率,负,载,应,用,甲类,q,c,=180,50%,电阻,低频,乙类,q,c,=90,78.5%,推挽，回路,低频，高频,甲乙类,90,q,c,180,50%,h,78.5%,推挽,低频,丙类,q,c,90,h,78.5%,选频回路,高频,丁类,开关状态,90%100%,选频回路,高频,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。,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；,谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,(,信号的通带宽度只有其中心频率的,1%,或更小,),，,其工作状态通常选为丙类工作状态,(,c,90,),，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。,13,（6）工作状态表2-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状,（,7,）高频功放的主要技术指标,主要指标：,输出功率,效率（将电源能量转换成输出信号能量的能力）,大家应当了解的工程指标,谐波场强,2,0,的,场强与,0,的,场强之比小于万分之二,在发射机,1km,处,2,0,的,场强小于,50(uV/m),谐波功率（小于,25mW,）,14,（7）高频功放的主要技术指标主要指标：14,5.2,谐振功率放大器工作原理,5.2.1,获得高效率所需要的条件,（,1,）为什么谐振功率放大器要处于丙类？,不难看出，设法降低,P,c,可以提高功放的效率,!,15,5.2 谐振功率放大器工作原理5.2.1 获得高效率所需,P,c,与,i,C,和,v,C,的关系,+,v,C,-,i,C,P,c,的瞬时功率为,i,C,和,v,C,的乘积。,16,Pc与iC和vC的关系+iCPc的瞬时功率为iC和vC的乘积,甲类、乙类、丙类放大器的演示,17,甲类、乙类、丙类放大器的演示17,为什么在丙类时,P,c,最小,?,可见丙类放大器的,P,c,最小，效率最高。,18,直流电源,V,CC,给出的能量储存在电容,C,之中。,为什么在丙类时Pc 最小?可见丙类放大器的Pc最小，效率最高,高频功放提高效率的途径：,（,1,）工作在丙类工作状态；,（,2,）在（,1,）的前提下，,i,C,最大，,v,C,最小（二者倒相）。,19,高频功放提高效率的途径：（1）工作在丙类工作状态；19,（,2,）谐振功放的基本电路,为什么必须以,LC,回路作为负载？,首先，为了提高功放效率，在基极回路加入了反向偏置电压,V,BB,，从而使放大器处于丙类。,因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲。,20,（2）谐振功放的基本电路为什么必须以LC回路作为负载？首先，,v,B,i,C,近似为,v,B,i,C,（,2,）谐振功放的基本电路,考虑在流通角内,21,vBiC近似为vBiC（2）谐振功放的基本电路考虑在流通角内,余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加,t,i,C,t,t,t,22,余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加tiCttt22,通过,LC,回路,滤去无用分量，只留下,I,cm1,cos,t,分量,23,通过LC回路,滤去无用分量，只留下Icm1cost分量23,回路失谐可能造成什么后果,?,从输出信号和三极管两个角度来分析,对输出来说，如果,LC,回路失谐，相当于滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失真；,对三极管来说，如果,LC,回路失谐，根据第三章知识，则,LC,的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管可能由于功率过大而烧毁。,24,回路失谐可能造成什么后果?从输出信号和三极管两个角度来分析2,（,3,）电路图中各变量关系及波形分析,分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲,v,B,i,C,t,i,C,t,25,（3）电路图中各变量关系及波形分析分析第一步：输入信号有反向,分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加,等效,为了分析更清晰，先假设没有抽头,由于,LC,的选频作用,26,分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加等效为,分析第三步：,V,CC,减去,v,o,得到集电极电压,v,C,t,v,C,27,分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vCtvC27,v,B,、,i,C,、,v,C,的相位关系,28,vB、iC、vC的相位关系28,分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出,29,分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出29,分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压,画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）,可以看出，,v,Bmax,最大时，,i,C,最大值,i,Cmax,，,v,C,最小值,v,Cmin,30,分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压可以看出，vB,31,晶体管内部特性：,外部电路关系：,31晶体管内部特性：外部电路关系：,（,4,）对,2,个问题的解释,问题一（可能会引起同学们困惑的问题）,为什么,i,C,的波形时有时无,而输出的波形,v,o,却能是连续的,?,问题二（有的题目已知条件不给,c,而解题中又需要,c,）,半流通角,c,通常取多大比较合适,?,32,（4）对2个问题的解释问题一（可能会引起同学们困惑的问题）3,问题一：为什么,i,C,的波形时有时无,而输出的波形,v,o,却能是连续的,?,如果能从频谱的角度来理解最好，即,i,C,是有很多余弦分量相加而成的，经过滤波器将其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余弦分量,I,cm1,cos,t,。,另外一种理解方法是：,LC,具有储能作用，当,i,C,为,0,时，由于,C,上电压不能突变，所以在,LC,之间来回充放电。,33,问题一：为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续,34,LC,回路能量转换过程,回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。,回路是由,L,、,C,二个储能元件组成。,由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。,（,1,）截止进入导通时：,L,的电流不能突变，对,C,充电。直流电源,V,CC,给出的能量储存在电容,C,之中。,（,2,）晶体管截止：,C,上电压不能突变，通过,L,进行放电。,34LC回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来,问题二：,半流通角,c,通常多大合适,?,如果,c,取值过大，趋向甲类放大器，则效率太低；,如果,c,取值过小，效率虽然提高了，但输出功率的绝对值太小（因为,i,C,脉冲太低）；,这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常取,35,问题二：半流通角c通常多大合适?如果c取值过大，趋向甲类,36,5.2.2,功率关系和效率,365.2.2 功率关系和效率,5.2.2,功率关系和效率,余弦电流脉冲,i,C,可分解为傅里叶级数：,37,5.2.2 功率关系和效率余弦电流脉冲iC可分解为傅里叶级,38,38,t,v,C,39,tvC39,40,谐振功放的特点,（,1,）放大高频大信号，属于非线性工作状态；,（,2,）基极偏置为负值，,c,90,，丙类,（,3,）电流脉冲是尖顶余弦脉冲；,（,4,）负载是,LC,谐振回路。,40谐振功放的特点（1）放大高频大信号，属于非线性工作状态；,5.3,功率放大器的折线分析法,5.3.1,晶体管特性曲线理想化及表达式,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静态特性曲线后进行分析和计算的方法。,对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量,I,C0,和基频分量,I,cm1,。,41,5.3 功率放大器的折线分析法5.3.1 晶体管特性曲线,42,1,、输出特性折线化,则临界线方程可写为,i,C,=g,cr,v,C,其中,g,cr,临界线的斜率，,421、输出特性折线化则临界线方程可写为 iC=gcrvC其,43,1),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，常常根据集电极电流是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：,3),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。,2),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。,431)欠压工作状态： 在非线性谐振功率放大器,44,2,、转移特性折线化,442、转移特性折线化,45,45,i,C,t,在第四章的折线分析法中我们已经得到,从第四章可知它为,i,Cmax,46,iC t在第四章的折线分析法中我们已经得到从第四章可知它,47,47,同理可得,其中：,要求掌握,不要求掌握,48,同理可得其中：要求掌握不要求掌握48,c,对高频谐振功放效率的影响,余弦脉,冲的分解系数,49,c对高频谐振功放效率的影响余弦脉冲的分解系数49,c,对高频谐振功放效率的影响,余弦脉,冲的分解系数,50,c对高频谐振功放效率的影响余弦脉冲的分解系数50,51,例,5.1,解：,带入数值，,51例5.1解：带入数值，,52,5.3.3,高频功放动态特性及负载特性,1.,动态特性,高频放大器的工作状态是由负载阻抗,R,p,、激励电压,v,b,、供电电压,V,CC,、,V,BB,等,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。,在考虑了负载的作用后，所获得,v,C,、,v,B,与,i,C,的关系曲线叫做动态特性曲线,。,最常用的是当,v,C,、,v,B,同时变化时，,i,C,v,C,关系的动态特性曲线,。（又称,负载线,）,525.3.3 高频功放动态特性及负载特性1.动态特性,t,53,1.,动态特性,外部电路关系,t531.动态特性外部电路关系,负载线的表达式,t,代入,54,负载线的表达式t代入54,画出负载线,i,C,t,三极管工作,三极管截止,55,画出负载线iCt三极管工作三极管截止55,负载线的,Q,点（注意是虚拟的）,56,虚拟电流,负载线的Q点（注意是虚拟的）56虚拟电流,57,i,C,t,三极管工作,三极管截止,负载线的,A,点,57iCt三极管工作三极管截止负载线的A点,第三次作业,教材,P241/P272,页,习题,5.2(6.2),习题,5.3(6.3),习题,5.4(6.4),58,第三次作业教材P241/P272页58,对负载线的简要复习,59,对负载线的简要复习59,从“时间,t”,的角度画出并理解负载线,i,C,v,C,工作区,截止区,工作区,截止区,i,C,v,C,工作区,截止区,工作区,截止区,v,C,t,V,CC,v,C,t,V,CC,v,C,t,V,CC,v,C,t,V,CC,v,C,t,V,CC,v,C,i,C,60,从“时间t”的角度画出并理解负载线iCvC工作区截止区工作区,例题,5.2,一高频谐振功放,已知,求：,61,例题5.2一高频谐振功放,已知61,例题,5.2(,解,),62,例题5.2(解)62,例题,5.2(,解,),63,例题5.2(解)63,对负载线的简要复习,64,对负载线的简要复习64,65,2.,负载特性,如果,V,CC,、,V,BB,、,V,bm,3,个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻,R,p,决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随,R,p,而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。,652. 负载特性 如果VCC、VBB、Vbm 3个参,放大器的三种工作状态,之,欠压状态,i,C,t,66,放大器的三种工作状态之欠压状态iCt66,放大器的三种工作状态,之,临界状态,i,C,t,67,放大器的三种工作状态之临界状态iCt67,临界状态的特点,(1),往往利用这些特点来解题。,i,C,v,C,68,临界状态的特点(1)往往利用这些特点来解题。iCvC68,临界状态的特点,(2),i,C,t,做题时常用此方法,69,临界状态的特点(2)iCt做题时常用此方法69,放大器的三种工作状态,之,过压状态,i,C,t,三极管工作区,三极管饱和区,70,放大器的三种工作状态之过压状态iCt三极管工作区三极管饱和,三种状态的波形汇总,71,三种状态的波形汇总71,功放随时间变化的,Flash,演示,72,功放随时间变化的Flash演示72,例题,5.3,一高频谐振功放处于临界状态,且已知,求,73,例题5.3一高频谐振功放处于临界状态,且已知73,例题,5.3(,解,),74,例题5.3(解)74,例题,5.3(,解,),i,C,t,75,例题5.3(解)iCt75,例题,5.3(,解,),76,例题5.3(解)76,例题,5.3(,解,),77,例题5.3(解)77,功放的负载特性（即,R,p,变化对功率和效率的影响）,v,Bmax,i,C,v,C,I,cm1,I,C0,V,cm,R,p,欠压区,过压区,临界态,78,功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）vBmaxiC,功放的负载特性（即,R,p,变化对功率和效率的影响）,I,cm1,I,C0,V,cm,R,p,欠压区,过压区,临界态,R,p,欠压区,过压区,临界态,P,=,P,c,P,o,79,功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）Icm1IC0,三种状态的小结（欠压状态特点）,欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但,晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,80,三种状态的小结（欠压状态特点） 欠压状态的功率,三种状态的小结（临界状态特点）,临界状态的特点是,输出功率最大，效率也较高,，比最大效,率差不了许多，可以说是,最佳工作状态,，发射机的末级常,设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状,态为例。,81,三种状态的小结（临界状态特点）临界状态的特点是输出功率最大，,三种状态的小结（过压状态特点）,过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平,稳且幅值较大，,在弱过压时，效率可达最高,，但输出功率,有所下降，发射机的中间级、,集电极调幅级常采用这种状,态,。,82,掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。,三种状态的小结（过压状态特点）过压状态的优点是，当负载阻抗变,5.3.4,各极电压对工作状态的影响,83,5.3.4 各极电压对工作状态的影响83,1.,其他条件不变,V,CC,改变对工作状态的影响,84,1.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响84,1.,其他条件不变,V,CC,改变对工作状态的影响,临界,过压区,欠压区,85,1.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响临界过压区欠压区,1.,其他条件不变,V,CC,改变对工作状态的影响,86,1.其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响86,2.,其他条件不变,V,bm,改变对工作状态的影响,87,2.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响87,2.,其他条件不变,V,bm,改变对工作状态的影响,临界,欠压区,过压区,88,t,2.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响临界欠压区过压区,2.,其他条件不变,V,bm,改变对工作状态的影响,89,2.其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响89,3.,其他条件不变,V,BB,改变对工作状态的影响,90,3.其他条件不变,VBB改变对工作状态的影响90,各变量对功放状态影响的总结,例题,5.4,一个谐振功放处于过压状态，如果想把它调到临界状态，可以采取哪些措施？,91,各变量对功放状态影响的总结例题5.491,过压和欠压状态的一个重要特点（做题时常用）,过压状态下：,欠压状态下：,92,过压和欠压状态的一个重要特点（做题时常用）过压状态下：92,例题,5.5,已知一高频功放处于临界状态,输出功率为,10W,，,V,CC,=12V,，半流通角为,70,o,集电极电压利用系数为,0.96,，且,1,=0.44,，,0,=0.25,(1),求,P,=,、,P,c,、,c,、,R,p,？,(2),若,V,bm,增加一倍,功放的工作状态如何变化，,P,o,=?,(3),若,R,p,增加一倍,功放的工作状态如何变化，,P,o,=?,93,例题5.5已知一高频功放处于临界状态,输出功率为10W，VC,例题,5.5(,解,),方法一：从,V,cm,和,I,cm1,入手,方法二：从,c,入手,94,例题5.5(解)方法一：从Vcm和Icm1入手94,95,总结,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,C max,和,c,导通角,c,集电极电流脉冲最大值,95总结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,96,2),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,总结,谐振功率放大器的计算,962) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(c)、1(,97,4),根据,可求得最佳负载电阻：,“,最佳,”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。,总结,谐振功率放大器的计算,在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载,(,如天线等,),相匹配。,974) 根据可求得最佳负载电阻： “最佳”的含义在于采用这,第五章小结,重点章节,5.2/5.3,两节,重点图表,:,图,5.2.2(b)(,要争取完全理解,),做题时,思路,:,逆向思维,重点变量,:,有用的规律,:,过压时 基本不变,欠压时 基本不变,98,第五章小结重点章节5.2/5.3两节98,第五章的复习思路,一、掌握基本电路（输入、输出,2,个回路）,二、会画输出波形（重点是,i,C,和,v,C,波形）,三、理解负载线（重点是截距）,四、会分析,R,p,等变化对负载线及,V,cm,，,I,cm1,，输出功率的影响,99,第五章的复习思路一、掌握基本电路（输入、输出2个回路）99,例题,5.6,某高频功放工作在临界伏态，通角,=75,o,，输出功率为,30 W,，,V,CC,=24 V,，所用高频功率管的,g,cr,=1.67A/V,，管子能安全工作。,（,1,）计算此时的集电极电压利用系数，集电极效率和临界负载电阻；,（,2,）若负载电阻、电源电压不变，要使输出功率不变。而提高工作效率，问应如何凋整？,例题5.6某高频功放工作在临界伏态，通角=75o，输出功率,作业,教材,P242,/P272,习题,5.6/,6.6,习题,5.30/,6.30(,只求,P,o,即可,),注意图中的,1A,并不是,提示：先求出,I,k,负载电路,101,作业教材P242 /P272Ik负载电路101,
展开阅读全文