第5章-1 高频功率放大器工作原理.ppt

第5章高频功率放大器,5.2谐振功率放大器的工作原理,5.3晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法,5.4晶体管功率放大器的高频特性,5.5高频功率放大器的电路组成,5.1概述,*5.7戊类(E类)功率放大器,*5.8宽带高频功率放大器,*5.9功率合成器,*5.10晶体管倍频器,*5.6丁类(D类)功率放大器,第5章高频功率放大器,声音,图1.2.8调幅发射机方框图,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。,CE,CC,CB,1.功率放大电路的主要特点,输出功率,ABQ功率三角形,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),5.1概述,1.功率放大电路的主要特点,非线性(大信号),管子工作在接近极限状态。,5.1概述,5.1概述,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,3.提高效率的途径,降低静态功耗，即减小静态电流。,5.1概述,(a)甲类class-Aamplifier,(b)乙类class-Bamplifier,(c)甲乙类class-ABamplifier,(d)丙类class-Camplifier,4.分类,5.1概述,流通角:一个周期内有电流流通的相角.,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,5.1概述,5.效率与失真矛盾的解决,丙类,5.1概述,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,非线性(大信号),不同:,低频（音频）:20Hz20kHz,高频（射频）:,（以调幅为例）,已调信号,AM广播信号:,535kHz1605kHz，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,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？,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,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。,图5.2.1高频功率放大器的基本电路,失真,图非线性工作的晶体三极管集电极电流与静态工作点和输入信号大小的关系(a)静态工作点处于放大区,1.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；,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,5.3.2集电极余弦电流脉冲的分解,5.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性,5.3.4各极电压对工作状态的影响,*5.3.5工作状态的计算(估算)举例,5.3.1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,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,iC=gcrvCE,欠压,临界,过压,图5.3.2晶体管静态转移特性及其理想化,iC=gc(vBEVBZ)(vBEVBZ),5.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式,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。,iC=gc(vBEVBZ)(vBEVBZ),=gc(VbmcostVBZVBB),=gcVbm(costcosc),=gcVbm(1cosc),当t=0时，iC=iCmax,取决于脉冲高度iCmax与通角c,当t=c时，iC=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,由傅里叶级数求系数，得,ic,图5.3.3尖顶余弦脉冲,5.3.2集电极余弦电流脉冲的分解,其中：,尖顶余弦脉冲的分解系数,波形系数,下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po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c120时，Icm1/iCmax最大。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。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,图6-9尖顶脉冲的分解系数,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Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。,集电极电压利用系数，在尽限使用时，,甲类工作状态：,乙类工作状态：,丙类工作状态：,设,5.3.2集电极余弦电流脉冲的分解,例下图所示电路中，VCC=24V，Po=5W，=70，=0.9,求该功放的C、P=、PC、iCmax和回路谐振阻抗Rp,解：,5.3.2集电极余弦电流脉冲的分解,设置VBBUBE(on)，使晶体管工作于丙类。当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。,在一个信号周期内，只有小于半个信号周期的时间内有集电极电流流通（丙类放大），形成余弦脉冲电流。iCmax是余弦脉冲电流的最大值，是导通角（90o）。,LC谐振回路的作用：（1）选频。滤除余弦脉冲电流中的直流和各次谐波，输出不失真的余弦波电压；（2）阻抗匹配。通过调节L、C可将RL转换成功放管所需的负载值Re。,vc与vb反相。当uBE为uBEmax时，iC为iCmax，而uCE为uCEmin。ic不仅出现时间短，而且只在uCE很小的时段内出现，因此集电极损耗很小，功放效率较高。,5.3.2集电极余弦电流脉冲的分解,谐振功率放大电路与小信号谐振放大电路有何区别？,（1）作用与要求不同。小信号谐振放大器主要用于高频小信号的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益；谐振功放主要用于高频信号的功率放大，要求效率高，输出功率大。,（2）工作状态不同。小信号