4 功率放大器

2.掌握高频功率放大器的折线近似分析法3.熟悉高频功率放大器的电路组成原则与匹配网络的计算4.掌握传输线变压器的工作原理5.了解倍频器的工作原理1.掌握高频功率放大器的工作原理6.理解放大器的欠压、临界、过压三种工作状态1.功率放大电路的主要特点omomomomo2122IVIVP输出功率ABQ功率三角形⑴允许轻微非线性波形失真。要想Po大，应使Vom和Iom都要大。非线性(大信号)⑵管子工作在接近极限状态。2.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PPo=率直流电源提供的直流功输出功率3.提高效率的途径降低静态功耗，即减小静态电流。)()(=)(To直流功耗交流功率直流电源功率PPPvi=0vi=V0sinωtPPo=率直流电源提供的直流功输出功率Too=PPPtVTPCTCCd10i(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier4.工作状态分类丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。5.效率与失真矛盾的解决tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0Cωlowhigh3ωnω2ω0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。有源器件谐振回路窄带谐振放大器丙类32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输出回路晶体管6.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，效率高线性(大信号)不同:工作频率与相对频宽不同,谐振与非谐振低频(音频):20Hz～20kHz1000minmaxff高频（射频）:3minmaxff（以调幅为例）ttmVtcoscos1)(fomov已调信号lowhighωAM广播信号:535kHz～1605kHz，BW=10kHz1001k1000k100fBW2k10k200fBW高频窄带信号7.功放设计中各方面的折中关系减小失真（线性度）管子的保护提高输出功率提高效率（1）丙类导通角180o，何时最优？遗留问题：（2）放大、临界、饱和，何处最优？PPo=率直流电源提供的直流功输出功率coo=PPPtTPTd10CECcvi丙类工作状态。1、原理电路+–vb–iB–+VBB–+VCC–+vcEC–+vcL输出iEicVBE谐振功率放大器的基本电路(1)晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。(2)谐振回路LC是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：晶体管的内部特性：tVVvtVVvcmCCCEbmBBBEcoscos)(BZBEccVvgi二、谐振功率放大器的工作原理丙类功放基极反偏，输入信号只在很小的角度内导通，根据晶体管的转移特性曲线可得：Vbmcosc=BBV+VBZ谐振功率放大器转移特性曲线故得：bmBZBBcVVVcos必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出且正好与基极输入信号反相。转移特性icVBZ0理想化icmaxict0–c+c0–c+cVbmVbmvBEvb–VBBt原因：集电极的谐振回路调谐在输入信号的（基波）频率上，它对信号频率呈纯电阻且阻抗最大，而对高次谐波近视短路。16VBZ–VBBtVCCtttvBEibicvCEVcmVcmvb谐振功率放大器中各部分电压与电流的关系cos　=VCECCcccmvVvvt（a）2、电流与电压波形：谐振回路在电路中起两大作用：一是选频，即回路对信号频率呈现大的纯电阻，而对高次谐波近视短路。二是匹配，即使功放的输出电阻与天线阻抗实现匹配t或电压电流VBZoicmaxvcEminiccVCEVcmVCCicvcVBEmax2–VBBvBEVbmvb23225(b)高频功率放大器中各部分电压与电流的关系集电极电流出现最大值时，管压降最小，而管压降出现最大值时，集电极电流为0，因此丙类功放效率高(b)t或电压电流0VBZVCCV－BBVbmVcmvbEmaxiCicmaxciCvCEvBEvCEmin1.iC与vBE同相，与vCE反相；2.iC脉冲最大时，vCE最小；3.导通角和vCEmin越小，Pc越小；tVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEvtTPTd10CECcvivCE电流、电压波形–+C+–+–icL–+iLLC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。当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。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。3、LC回路的能量转换过程讨论：甲、乙、丙类放大电路的工作状态1.高频功放能否工作在乙类状态？2.低频功放能否工作在丙类状态？甲类：θ=180°乙类：θ=90°丙类：θ90°答：1.能，但并不是说低频功放可直接用于高频功放2.不能，因选频困难电路正常工作（丙类、谐振）时，外部电路关系式：tnItItIIincos2coscoscmcm21cm0cCtVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEv直流功率：P==VCCIc0输出交流功率：cm1cmo21IVPp21cmp2cm212RIRVPPoc)(2121c10cCC1cmcmgIVIV集电极效率：CCcmVV电压利用系数tVVcmCCCEcosv0ccm1c1)(IIg波形系数一般利用晶体管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有关，如右图所示了与f之间的关系。而通常所说的静态特性曲线是指低频区：β00.5fβfβ0.2fTfTβ5.0ff中频区：Tβ2.05.0fff高频区：TT2.0fff故直接进行高频区或中频区的分析和计算是相当困难的。本节将从低频区的静态特性来解析晶体管的高频功放的工作原理。低频区：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Icm1。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角θc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。折线法所谓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。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。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Ic0和基频分量Icm1。折线分析法的主要步骤：1、测出晶体管的转移特性曲线ic~vBE及输出特性曲线ic~vCE，并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。3、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲ic和输出电压vc的波形。4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2……由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE由上图可见，根据理想化原理，在放大区,集电极电流只受基极电压的控制,与集电极电压无关;在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)则临界线方程可写为ic=gcrvCE(2)gcr为临界线的斜率则转移特性方程可写为ic=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)(1)常数CEBEccvvgigc-转移特性方程的斜率式(1)和(2)是折线近似法的基础，应很好地掌握。当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。icmaxto2c尖顶余弦脉冲晶体管的内部特性为：它的外部电路关系式ic=gc(vBE–VBZ)(1)vBE=–VBB+Vbmcost(2)vCE=VCC–Vcmcost(3)将式(2)代入式(1)，得ic=gc(–VBB+Vbmcost–VBZ)(4)当t=c时，ic=0，代入上式得0=gc(–VBB+Vbmcosc–VBZ)(5)即bmBZBBcVVVcos(6)转移特性icVBZo理想化icmaxicto–c+co–c+cVbmVbmvBEvc–VBBt因此，知道了Vbm、VBB与VBZ各值，c的值便完全确定。将式(4)与式(5)相减，即得ic=gcVbm(cost–cosc)(7)当t=0时，ic=icmax，因此icmax=gcVbm(1–cosc)(8)cccctcos1coscosmaxiiccmaxcccos1costcosii将式(7)与式(8)相除，即得或式(9)即为尖顶余弦脉冲的解析式，它完全取决于脉冲高度icmax与通角c。(9)icmaxto2c若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数ic=Ic0+Icm1cost+Icm2cos2t+…+Icmncosnt+…由傅里叶级数的求系数法得)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1(sincos)()cos1(cossin)(210ccccccnccccccccccnnnnn其中：n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数)()(maxmax10max0CnCcmnCCcmCCCiIiIiIn2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数当c≈120时，Icm1/icmax达到最大值。在Icmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取c=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太低。右图可见：n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数)(21)()(21211101ccnccCCcmcmocgIVIVPP：)()()(011cccg－波形系数由曲线可知：极端情况c=0时，2)()()(gc0c1c1此时=1，c可达100%因此，为了兼顾功率与效率，最佳半通角取70左右。由于例:UBB’=0.8v,gc=1.4s,UBB=-0.66v,Ub=5.65v,求Ico、Ic1解：cosθ=(UBB’-UBB)/Ub=0.258θ=75⁰Icmax=gcUb(1-cosθ)=5.866A查表α1(75⁰)=0.455α0(75⁰)=0.269Ico=Icmaxα0(75⁰)=1.58AIc1=Icmaxα1(75⁰)=2.67A例:某谐振功放工作在临界状态,已知θ=80⁰,Uc=16v,Po=2w,gcr=0.6s,α0(80⁰)=0.286,