第6章高频功率放大器.ppt

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1、 第第6章章 谐振功率放大器谐振功率放大器概述：功率放大器概述：功率放大器一、作用及性能要求 安全：放大管应用在大信号状态，常接近管子的极限运用，故必选用合适功率管，保证安全工作。cooDocppppp高效率：功率放大器为能量转换器，用放大管的集电极效率c来评价功率转换能量的性能。不失真：输出信号功率大，相应动态电流、电压就大，因而器件非线性特性引起的非线性失真就大。实用中常采用负反馈等措施减小失真，同时限制输出功率，使失真在允许范围内。作用：在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率性能要求：安全、高效、不失真、输出所需信号功率二、功率管的运用特性二、功率管的运用特性 运用状

2、态 导通时间导通角cmax甲类（A类）在激励信号作用下，管子在一个 周期内导通180050%乙类（B类）半个周期90078.5%丙类（C类）小于半个周期900丁类（D类）管子应用在开关状态，半个周期 饱和导通，半个周期截止 三、高频功率放大器三、高频功率放大器 1、功用：放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的 2、输出功率范围很大，小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线 电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。0.00110000003、高频功放和低频功放的比较相同点：实质都是在输入信号的控制下将电源直流功率转换为输出功率（为一受控的能量转换器）都要求输出符合要求的大功率，同时尽可能提高转换效率。不同

3、点：两者工作频率和相对频带宽度相差很大。两者所采用的负载也不同低频功放工作频率低，相对频带宽，频率在2020kHz，高频端与低频端之差达1000倍（fH/fL）高频功放工作频率很高（几百kHz几百兆Hz）相对频带一般很窄（几几）低频功放：采用电阻、变压器等非调谐负载高频功放：窄带工作，使其负载要采用选频网络 分析方法不同 在一些近似条件下进行分析，着重定性说明高频功放大致的工作原理及特性 四、高频功率放大器与低频功率放大器的区别五、丙五、丙类谐振功率放大器的原理及特性类谐振功率放大器的原理及特性1 1、电路构成、电路构成 ui(t)为输入高频激励信号T为晶体管，把电源的直流功率转换为高频功率。

4、VBB、VCC为电源，常使得管子处于C类工作状态。负载：采用谐振回路作负载，对信号进行频率选择频率选择，同时完成阻抗变换。阻抗变换。iviv1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi 这个电路的静态工作点这个电路的静态工作点是选择在接近截止点，或是选择在接近截止点，或选择在小于截止点的负偏选择在小于截止点的负偏置区。置区。这样选择的主要考虑是消这样选择的主要考虑是消除由静态工作点所带来的无除由静态工作点所带来的无用功耗，从而提高放大器的用功耗，从而提高放大器的效率。效率。使用并联谐振回路作负载使用并联谐振回路作负载具有选频和阻抗变换的作用具有选频和阻抗变换的作用iviv1Tr2T

5、rLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi2、电路特点3、功率放大器的工作频率1、低频区：ff50.低频区工作时，不考虑等效电路中的电抗分量与载流子的渡越时间，分析方法同低频电子线路的分析方法一致，方法成熟。2、中频区：Tfff2050.必须考虑晶体管的结电容的影响，分析的方法复杂。3、高频区：Tff20.除了考虑结电容的影响外，还必须考虑引线电感的影响分析和计算相当困难，本书进行定性的说明。4、特性曲线（复习）BiBEv01、输入特性曲线3、转移特性曲线CiBEv02、输出特性曲线Ci0CEv5、输入电压和输入电流表达式 tVVvVvSiMBBiBBBEcostBEvBBV0iMVivi

6、v1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi可见，输入电压的波形不失真BiBEv06、输出电流波形、输出电流波形tVtvsbmbcos)(tVVvsbmBBBEcosic为周期性尖顶余弦脉冲电流，导通角/2,即导通时间小于半个周期 bmBBDbmBBDDBEbmbVVVVVVVvVvtcos,cos0,cos即可得：，集电极电流为时，)(mAic)(mAic)(VvBEtt)(tvbbmV00mIBBVDV放大器的负载为并联谐振回路负载为并联谐振回路，其谐振频率0等于谐振频率s时，回路对s呈现出一个大的谐振阻抗，为纯电阻RP（即谐振电阻）。LLPRcLRLR220基波分量在回路上

7、产生电压，对直流分量和谐波分量呈小阻抗，仅为基波分量的百分之几，故输出很小，可认为回路上仅有由基波分量产生的电压vc，其它频率成分信号均被虑除，从而在负载上得到不失真的信号电压在负载上得到不失真的信号电压 tVtRIvvscsPmcccoscos10tVVvVvscccccCEcos0tnItItIIiscnmsmcsmccccos2coscos210输入为连续正弦波，输出集电极电流为周期性的尖顶余弦脉冲，可进行傅立叶分解集电极电压为7、输出电压的表达式例：求各次谐波与基波的阻抗之比LQPCrLpRZO22PPP2022022202020000200002PnPnRQ)1(nnjLQQ)1(n

8、njpL)1(nnjp1LCnLnjP)Cn1-LC(njnLnp)Cn1-Lj(nrCjn1L)jn(rpRZiviv1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBiQ1(nnZZ2pPn)|Q1(nnZZ2pPn)|01040961201)(255Q1(nnZZ013330751201)(164Q1(nnZZ0187501603201)(93Q1(nnZZ03330301201)(42Q1(nnZZ2pP52pP42pP32pP2.)|.)|.)|.)|如果如果Q=20则可以得：则可以得：可得，谐波的阻抗只有基波阻抗的百分之几。可得，谐波的阻抗只有基波阻抗的百分之几。工作波形分析工

9、作波形分析1）、输入电压：输入电压：一个频率为一个频率为s的正弦（或者余弦）信号的正弦（或者余弦）信号2）、输入电流：输入电流：一部分导通，一部分截止，严重的非线性失真一部分导通，一部分截止，严重的非线性失真3）、输出电流：输入电流的波形一致，严重的非线性失真输出电流：输入电流的波形一致，严重的非线性失真4）、输出电压：由于采用谐振回路作负载输出电压：由于采用谐振回路作负载，在负载两端只，在负载两端只有等于谐振频率的信号能够在谐振回路两端产生一个较大的有等于谐振频率的信号能够在谐振回路两端产生一个较大的输出电压，其他的频率的信号由于处于失谐状态，在负载两输出电压，其他的频率的信号由于处于失谐状

10、态，在负载两端产生的电压很小，可以忽略，故输出了一个频率为端产生的电压很小，可以忽略，故输出了一个频率为s的余的余弦信号，输出电压不失真。弦信号，输出电压不失真。谐振回路在这里起了相当大的作用。谐振回路在这里起了相当大的作用。8、余弦脉冲的分解（数学推导）、余弦脉冲的分解（数学推导）tCMIMICi20ktktIiIIIIICMCCMMMCMM22011)cos(coscoscoscos其他傅立叶级数的系数为：傅立叶级数的系数为：coscossin)()()coscossin()()coscoscos()()(11111212121000CMCMCMCCCIItdtItditdiI余弦脉冲的分

11、解（数学推导）coscossin)()()coscossin()(cos)coscoscos()(cos)(cos11111111111CMCMCMCCMCIIttdtIttdittdiI)cos)(cossincossin)()()cos)(cossincossin()(cos)coscoscos()(cos)(cos112112111122nnnnnInnnnnIttdntIttdnittdniInnCMCMCMCCCnM余弦脉冲的分解（数学推导）可见：只要知道了导通角和输出电流的幅度就可以用下面的式子求出信号的各个分量，其中，分解系数可以查表得到。)cos)(cos)()(ttIiCMC

12、22108、丙类功率放大器的计算tRIVtVVvCPMcCCcMCCCCEcoscos11)cos)(cos)()(ttIiCCCMC2210)()(0200211CMCCCCCCCTCCcDCIVtdiVdtiVTPCMCMCCCMCCMCCOOOIVttdtIVtdivPP112011201212121)(coscos)(tRItVvCPMccMCOcoscos11tItIiCCMcMCOcos)(cos11功放的能量关系功放的能量关系 tdviPCECc21其中，CooDCocPPPPP则集电极效率为：pc，c将可见要可见要c c，即要，即要p pc c，而，而p pc c取决于取决于i

13、 iC C，v vCECE的大小及导通时间。的大小及导通时间。功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极直流电源提供功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极直流电源提供的直流功率，使之转化为交流信号功率传输出去的直流功率，使之转化为交流信号功率传输出去。PD:集电极直流电源提供的直流功率集电极直流电源提供的直流功率Po:输出交流信号功率输出交流信号功率Pc:集电极耗散功率集电极耗散功率cODCPPP据能量守恒定理，有：1 1、集电极效率、集电极效率c c2 2、提高集电极效率、提高集电极效率c c的途径的途径tnItItIIiccnmcmccmccccoscoscos

14、2210集电极余弦电流脉冲函数可分解为付氏级数：cccDCVIP0直流功率为：PmcPcmcmmcoRIRVVIP2121212121输出交流功率为：212101ccCMmcmcDCocVVIIPP：放大器的集电极效率为为集电极电压利用系数越大越小，的函数为波形系数，是导通角其中，CCcmcmcVV II 01,越高。越小，效率越小）、越大或越大（即可得据cccmccccmcDCoceVVvIIPPmin212101的途径即为：提高放大器集电极效率c是一个重要的问题。的选取实现，可通过增大、提高电压利用系数 1LLRR。、提高波形系数2 的选择的选择范围。常在和，兼顾发射结反向击穿的危险率管反

15、偏电压增加，发生功实现，但这会使得基极压低偏置电大输入激励电压同时降脉冲电流：这可通过增不变，就需增加集电极的同时保持为降低使得，太小，越高；但越大，越小，有关，与7565,1cOBBOOmccPVPPI3 3、信号源功率及功率增益、信号源功率及功率增益信号源提供的功率称为激励功率，大小取决于信号源提供的功率称为激励功率，大小取决于u ub b的基波分量，此功的基波分量，此功率变为发射结和基区的热损耗。率变为发射结和基区的热损耗。高频功放中高频功放中A AV V和和A AI I均小于小信号及低频放大器，其功率增益一般为均小于小信号及低频放大器，其功率增益一般为十几到二十几十几到二十几dB(dB

16、(几十倍几十倍)。C类谐振功率放大器的性能特点类谐振功率放大器的性能特点 对功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、对功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真。高频功率放大器的工作状态取决于电源电压高频功率放大器的工作状态取决于电源电压VCC、偏置电压、偏置电压VBB、高频、高频激励电压幅度激励电压幅度vbm及负载阻抗及负载阻抗RL（Vcm）。当这些参量变化时，放大器）。当这些参量变化时，放大器将出现不同的工作状态，为说明各种工作状态的优缺点，正确选用和将出现不同的工作状态，为说明各种工作状态的优缺点，正确选用和调整放大器的工作状态，需对高频功放的动态特性（负载特性）和外调整放大器的工作状态，需对高频功放的动态特性（负载特性）和外部特性（集电极部特性（集电极VCC、基极、基极vb调制特性、放大特性）进行讨论。调制特性、放大特性）进行讨论。折线分析法折线分析法1 1、与甲乙类功放分析方法的区别、与甲乙类功放分析方法的区别丙类：集电极负载为含电抗成分的谐振回路，使集电