第九讲高频功率放大器PPT课件

1、晶体管晶体管工作状态：工作状态：电源电源VCC、负载负载 R工作点工作点Q最大输出状态最大输出状态（饱和、截止）（饱和、截止）输出输出大功率、高效率大功率、高效率天线天线阻值确定阻值确定（一般为（一般为50 ）功率功率放大器：放大器：小信号小信号放大器放大器小信号、强调的是小信号、强调的是增益增益若要求输出若要求输出功率功率1W，RVP2输出输出电压幅度电压幅度 V 10mV峰峰峰峰值值 V 20PPV电源电源VCC 大于大于20V电源电压电源电压太高太高 这些区别会造成什么影响？这些区别会造成什么影响？高频高频功率放大器功率放大器与与小信号放大器小信号放大器相比有哪些区别？相比有哪些区别？第

2、1页/共33页解决办法解决办法采用采用扼流圈馈电扼流圈馈电结果：输出同样功率，结果：输出同样功率， 电源电压降低一半电源电压降低一半（10V）注意晶体管注意晶体管工作状态工作状态 工作点工作点Q 直流负载直流负载 0 交流负载交流负载 R 最大输出电压最大输出电压 = = Vcc问题：问题：晶体管晶体管承受的承受的耐压不变耐压不变20V 如何降低耐压如何降低耐压？第2页/共33页降低晶体管降低晶体管耐压耐压方法？方法？22VPIVI RR晶体管输出功率为：晶体管输出功率为：保证保证输出功率输出功率不变不变，要，要降低降低耐压耐压增大增大电流电流减小减小负载电阻负载电阻方法方法进行进行阻抗变换阻

3、抗变换结论：结论： 高频功率放大器的高频功率放大器的工作特点工作特点是是 低电压低电压、大电流大电流 高频功放高频功放基本基本组成单元组成单元是是 晶体管、偏置电路、扼流圈、晶体管、偏置电路、扼流圈、 阻抗匹配网络和负载阻抗匹配网络和负载第3页/共33页高频功率放大器的指标分析高频功率放大器的指标分析 功率功率 根据用途而定根据用途而定 效率效率 功率放大器的效率有功率放大器的效率有两种定义方法两种定义方法(a). 集电极效率集电极效率输出功率输出功率Pout与电源供给功率与电源供给功率Pdc之比之比dcoutcPP 没有考虑没有考虑放大器的放大器的输入功率输入功率 (b). 功率增加效率功率

4、增加效率（power-added efficiency）（）（PAE），）， 输出输出功率功率Pout与与输入输入功率功率Pin的差的差与与电源电源供给功率供给功率Pdc之比之比 包含了包含了功率增益功率增益的因素的因素 CPdcinoutPAEGPPPPAE)11 ( 第4页/共33页 杂散输出与噪声杂散输出与噪声 线性线性 衡量功率放大器衡量功率放大器线性的主要指标线性的主要指标：三阶互调截点三阶互调截点（IP3），），1dB压缩点，谐波等压缩点，谐波等 邻道功率比邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的衡量由放大器的非线性引起的频谱再生频谱再生 对邻道的干扰程度。对邻道的干扰程度。不能放大不

5、能放大非恒定包络非恒定包络的已调波的已调波干扰相邻信道干扰相邻信道相邻信道相邻信道发射信号发射信号对本接收机对本接收机形成干扰形成干扰接收信道接收信道线性线性功率放大器功率放大器 不失真不失真 ，效率低，效率低非线性非线性功率放大器功率放大器效率高效率高失真失真频域频域表现：谐波、互调失真、表现：谐波、互调失真、 频谱再生频谱再生时域时域表现：包络失真、波形失真表现：包络失真、波形失真第5页/共33页10.2 高频功率放大器的高频功率放大器的分类分类两种两种分类原则分类原则按晶体管的按晶体管的导通角导通角分类分类按晶体管按晶体管等效电路等效电路分类分类按按等效电路等效电路分分ABC属于同一类属

6、于同一类晶体管等效为晶体管等效为受控电流源受控电流源DE属于同一类属于同一类晶体管等效为晶体管等效为开关开关 按按导通角导通角分分A、B、C类类A类类B类类C类类 =180度度 = 90度度 90度度 第6页/共33页高频功率放大器的分类不同工作状态时放大器的特点 工作状态 导通角 理想效率 负 载 A 类 c=180 50% 电阻 B 类 c=90 78.5% 推挽，回路 AB 类 90c180 50%78.5% 推挽 C 类 c90 78.5% 选频回路 D 类 开关状态 90%100% 选频回路 当放大器的当放大器的负载是电阻负载是电阻且阻抗且阻抗匹配网络匹配网络的的带宽足够宽带宽足够宽

7、时时A、B类放大器类放大器均属于均属于宽带放大器宽带放大器第7页/共33页 丙类丙类(C类类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0C有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大器窄带谐振放大器 通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。周期信号。第8页/共33页10.4 C类功率放大器类功率放大器第9页/共33页10.4.1 电路组成与特点电路组成与特点分析内容：分析内容：输入电路输入电路输出电路输出电路电流、电压波形电流、电压波

8、形功率、效率功率、效率1. 基极偏置基极偏置特点：特点：导通角导通角 90度度、非线性非线性放大器、放大器、效率高效率高 基极偏置基极偏置 使晶体管使晶体管静态时静态时截止截止BBV0BQCQII静态电流静态电流输入输入必须是必须是大信号大信号第10页/共33页设设输入输入电压为：电压为：tVtvimicos)(输入回路输入回路方程：方程：cosBEBBimvVVt为使晶体管为使晶体管导通导通，应满足：，应满足： onBBimVVV)(输入为大信号输入为大信号结论：结论： 偏置偏置输入信号幅度输入信号幅度共同共同决定了决定了导通角导通角导通角导通角imBBonVVVcos（注意（注意 可正可负

9、可正可负）BBV第11页/共33页2. 集电极电流集电极电流导通角导通角 小于小于90 集电极电流为集电极电流为余弦脉冲余弦脉冲 余弦脉冲余弦脉冲参数参数导通角导通角 最大最大幅度幅度 maxCi余弦脉冲余弦脉冲所含所含频谱频谱：3210CCCCCiiiIi将电流将电流 进行进行傅里叶级数傅里叶级数分解分解 ci0CI直流分量直流分量tIimCCcos11基波分量基波分量tIimCC2cos22二次谐波分量二次谐波分量问题：问题：各分量与余弦脉冲各分量与余弦脉冲参数的关系参数的关系？第12页/共33页 260180 0， 最大最大 1201在最大最大， 最大最大11max1cos( )cosC

10、C mCiItit 22max2cos2( )cosCC mCiItit 基波基波 ： 二次谐波二次谐波：0max0( )CCIi 直流直流：与与脉冲幅度脉冲幅度导通角导通角有关有关结论：结论：控制控制导通角导通角 可控制各分量大小可控制各分量大小第13页/共33页3. 输出电路输出电路特点特点接有接有LC回路回路将将天线阻抗天线阻抗 变换为放大器变换为放大器最佳负载最佳负载ArPR输出输出电路方程电路方程 cosCECCcCCcmvVvtVVt输出电压输出电压正弦波正弦波（回路从电流众多频率分量中（回路从电流众多频率分量中只选出只选出了了基波基波） tVtRIRitvcmPmCPCccosc

11、os11回路回路作用作用 选频选频 阻抗变换阻抗变换中心频率中心频率 与输入信号频率相同与输入信号频率相同 带宽带宽与输入信号带宽相同与输入信号带宽相同0谐振谐振功放功放窄带窄带功放功放第14页/共33页4. 电流电压电流电压波形波形导通角导通角 90度度集电极电流集电极电流是脉冲是脉冲集电极最大电压集电极最大电压max2CECCcmCCVVVV集电极最小电压集电极最小电压minCECCcmVVV回路输出电压回路输出电压是正弦是正弦幅度幅度1cmc mPVIR第15页/共33页动态动态负载线负载线 C 类类放大器工作特点放大器工作特点输入正弦信号输入正弦信号一周内一周内管子管子轮流导通、截止轮

12、流导通、截止动态负载线动态负载线 画在晶体管的输出特性曲线上画在晶体管的输出特性曲线上 由管子的集电极由管子的集电极电流与电压电流与电压 共同决定的动态点的共同决定的动态点的运动轨迹运动轨迹 时间时间输入信号的输入信号的一周期一周期内内非线性非线性工作工作输出阻抗输出阻抗变化变化第16页/共33页画动态负载线的画动态负载线的依据依据 晶体管输入输出晶体管输入输出特性曲线特性曲线 放大器放大器外电路方程外电路方程cosBEBBimvVVt1cosCECCcPCCcmvVi RVVt晶体管的晶体管的输出特性曲线输出特性曲线是是集电极集电极 的关系的关系 CECvi外电路输出方程描述的是外电路输出方

13、程描述的是集电极电压集电极电压与与基波电流基波电流的关系的关系？画画C类放大器负载线的类放大器负载线的难点难点：线性放大器的线性放大器的负载线负载线CECCcvVi R（将外电路方程画在（将外电路方程画在 晶体管输出特性曲线上）晶体管输出特性曲线上）第17页/共33页逐点描逐点描C类放大器的类放大器的动态负载线动态负载线tBEvCicvCEvmaxBBimBEVVVmaxCicmpmcVRI1minCCcmCEVVVcosimBBVVcos1pmcRIcoscmccVV21BBVccVimBBVVcmpmcVRIcos1maxcecmccVVV23BBVccV2cosimBBVVcos1pmc

14、RIcoscmccVV2maxbeimBBVVVmaxCicmVmincecmccVVV 00000000点点AABBCCD第18页/共33页从动态负载线看出以下几点从动态负载线看出以下几点: : 在输入信号变化一周中，管子在输入信号变化一周中，管子 动态负载线是条动态负载线是条折线折线经历了经历了导通导通截止截止导通导通过程过程 集电极集电极最大电压值最大电压值为：为：max2CECCcmCCVVVV2CEOCCVV选管子要求选管子要求 输出电压输出电压波形波形如图如图 C类类放大器放大器是非线性是非线性放大器放大器 不适合不适合放大放大非恒定包络非恒定包络的已调信号的已调信号 第19页/共

15、33页放大放大 AM调幅波调幅波输入信号幅度输入信号幅度 不同不同导通角导通角 不同不同imV)(1max1cmciIci输出电流输出电流 的的基波分量基波分量的的幅度为：幅度为：输出电压输出电压幅度幅度pmccmRIV1问题：输出电压幅度与输入调幅波幅度问题：输出电压幅度与输入调幅波幅度是否是否成正比？成正比？由于由于 、 的的非线性非线性关系关系)(1imVcmimVV不成正比不成正比输出电压的输出电压的包络失真包络失真结论：结论：C类放大器只能放大类放大器只能放大恒定包络恒定包络的信号的信号第20页/共33页输出功率与效率输出功率与效率1. 功率与效率功率与效率C类类谐振谐振功率放大器功

16、率放大器C类类集电极电流包含谐波集电极电流包含谐波集电极负载为集电极负载为选频回路选频回路输出为输出为基波功率基波功率集电极效率集电极效率 为为c为为集电极电压利用系数集电极电压利用系数，由后面的分析可知，由后面的分析可知101012121CmCCCCcmmCdcoCIIVIVIPPCCcmVV（ 为集电极负载）为集电极负载）PR集电极集电极电源电源 提供的功率：提供的功率： CCVCCCdcVIP0PcmPmCcmmCoRVRIVIP2211212121第21页/共33页集电极效率集电极效率 主要取决于：主要取决于：称称 为为波形系数波形系数 )(1g1分析分析效率效率与与 关系关系：（设（

17、设 ）)(1g0)(102)(1g 时时 效率效率可达可达100%但但基波输出功率基波输出功率为为0 0)(1g 增加，增加， 减小，减小，效率降低效率降低1801)(1g%50C 当当 时，时， ，结论：结论：功率放大器从功率放大器从A类类到到B类类再到再到C类类，通过，通过减少导通角减少导通角获得获得高效率高效率。为兼顾为兼顾大的大的输出功率输出功率和和高的高的效率，效率，C类放大器取类放大器取 左右左右7060)()()()()(1010max1max01giiIICCCmC0121CmCCII第22页/共33页导通角减小导通角减小 效率提高的效率提高的真正原因真正原因？dcCdcCdc

18、dcoCPPPPPPP1集电极集电极效率效率：oP输出输出功率功率dcP电源电源供给功率供给功率CP管子管子消耗功率消耗功率 降低降低管耗管耗 提高提高效率效率降低管耗的降低管耗的两条途径两条途径： 积分积分区间小区间小Cicev 与与 的的乘积小乘积小20)(21tdviPceCC管耗：管耗：结论：结论：Cicev减小减小 与与 的的乘积乘积是提高是提高效率的效率的根本途径根本途径（减小导通角）（减小导通角）第23页/共33页2 2最佳负载和功率增益最佳负载和功率增益C类功率放大器类功率放大器工作状态工作状态导通、截止导通、截止输出阻抗输出阻抗变化变化当天线阻抗当天线阻抗不等于不等于最佳负载

19、时，最佳负载时，阻抗变换阻抗变换如何如何匹配匹配？什么是？什么是最佳负载最佳负载？最佳负载最佳负载 保证保证输出最大功率输出最大功率PR则则2()12CCsatpoVVRP为输出为输出最大功率最大功率，应有：应有：satCCcmVVV第24页/共33页C类放大器的功率增益类放大器的功率增益输入功率输入功率112ib mimPIV注意：是注意：是基波基波opiPGP()10logopiPGdBP或或C类类与与A类类放大器的放大器的功率增益功率增益比较比较 A类类增益大增益大第25页/共33页1)欠压工作状态欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方，集电极最大点电流在临界线的右方， 交流输出

20、电压交流输出电压较低较低且变化较大。且变化较大。3)临界工作状态临界工作状态： 是欠压和过压状态的分界点，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。集电极最大点电流正好落在临界线上。2)过压工作状态过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，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。交流输出电压较高且变化不大。 在非线性谐振功率放大器中，常常根据集在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将高频功率放大器的工电极是否进入饱和区，将高频功率放大器的工作状态分为三种：作状态分为三种：临界工作状态：输出功率最大临界工作状态：输

21、出功率最大第26页/共33页倍频倍频与与调制调制特性特性1.倍频倍频C类类功率放大器功率放大器非线性非线性集电极电流含有集电极电流含有丰富的谐波丰富的谐波输出回路输出回路谐振于基波谐振于基波放大器放大器输出回路输出回路谐振于某次谐波谐振于某次谐波倍频器倍频器倍频器应用时注意点倍频器应用时注意点 谐波分量随着谐波次数谐波分量随着谐波次数 n 的增大而迅速减小的增大而迅速减小高次倍频时，输出功率小，效率很低高次倍频时，输出功率小，效率很低 合理设计选频回路合理设计选频回路Q值，值，滤除滤除基波基波和和低次谐波低次谐波 注意控制导通角注意控制导通角,max( )Cm nCnIi 第27页/共33页2

22、. 调幅调幅（普通调幅普通调幅 AM ）信息信息包含在其包含在其包络包络的变化中的变化中不能用不能用高效率的高效率的非线性放大器非线性放大器放大放大 AM直接在高效率放大器中完成直接在高效率放大器中完成调制并放大调制并放大 C类放大器调幅原理是什么类放大器调幅原理是什么 ？决定放大器输出的决定放大器输出的 4 个参数：个参数：电源电源CCV 负载负载PR偏置偏置 BBV输入信号幅度输入信号幅度imV共同决定共同决定maxBEV用用调制信号调制信号控制某些控制某些参数参数可实现可实现调幅调幅第28页/共33页C类功率放大器调幅类型类功率放大器调幅类型集电极集电极调幅调幅基极基极调幅调幅（1）集电

23、极调幅）集电极调幅用调制信号控制用调制信号控制电源电压电源电压使输出电压幅度变化使输出电压幅度变化调幅调幅BBVimVpR 、 、 不变不变imBBbeVVVmax负载线斜率负载线斜率不变不变不变不变导通角导通角不变不变A负载线的负载线的顶点顶点 A 沿着曲线沿着曲线 从从放大区放大区移动到移动到饱和区饱和区AmaxbeVCCV当电源电压当电源电压 从大从大变小变小时，时，动态负载线动态负载线向左移动向左移动CCVCCVCCV大大欠压区欠压区 变化不大变化不大maxCiCCV小小过压区过压区 变化大变化大maxCi第29页/共33页CiCCV集电极电流脉冲集电极电流脉冲 随随 变化的变化的波形波形 欠压区欠压区过压区过压区1max1( )c mCIi 0max0( )CCIi pmCCmRIV1由由集电极电流集电极电流直流直流集电极电流集电极电流基波基波回路回路输出电压输出电压饱和区饱和区放大区放大区tVVtVmCCCCcos)(tVtvmcos)(若调制信号为若调制信号为使使 且放大器工作在且放大器工作在过压区过压区则实现则实现集电极调幅集电极调幅第30