通信电路——高频功率放大器PPT学习教案

1、会计学1通信电路通信电路高频功率放大器高频功率放大器 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。电压增益：电压增益：1)/(beLcrRR1)/)(1 ()/()1 (LebeLeRRrRR1)/(beLcrRR电流增益：电流增益：+1三种组态的基本放大电路三种组态的基本放大电路CECCCB第1页/共35页1. 谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较谐振（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）: 20Hz20kHz1000minmaxff高频（射频）:3minmaxff（以调幅为例 ） ttmVtcoscos1)(fom

2、ov已调信号lowhighAM广播信号:535kHz1605kHz，BW=10kHz1001k1000k100fBW谐振与非谐振(工作状态)2k10k200fBW高频窄带信号工作频率与相对频宽不同,第2页/共35页u输入为大信号输入为大信号u要求输出功率尽可能大要求输出功率尽可能大, ,管子工作在接近极限状管子工作在接近极限状态态u效率要高效率要高u非线性失真要小非线性失真要小uBJTBJT的散热问题的散热问题( (管子的保护管子的保护) )第3页/共35页(a)甲类甲类 class-A amplifier(b)乙类乙类 class-B amplifier(c)甲乙类甲乙类 class-AB

3、amplifier(d)丙类丙类 class-C amplifier2. 分类分类流通角:一个周期内有电流流通的相角.第4页/共35页3.要解决的问题要解决的问题 减小失真（线性度） 管子的保护 提高输出功率 提高效率PPCo=率直流电源提供的直流功输出功率CooPPP)()(=)(C o直流功耗交流功率直流电源功率PPP第5页/共35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。4. 效率与失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0Clowhigh3n20第6页/共35页4. 效率与

4、失真矛盾的解决效率与失真矛盾的解决有源器件有源器件谐振回路谐振回路窄带谐振放大窄带谐振放大器器丙类丙类 通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。信号。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管第7页/共35页功能：将直流功率转换为交流信号功率。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）工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）分析方法：分析方法：折线近似分析法。折线近似分析法。( (大信号大信号) )高频

5、谐振功率放大器高频谐振功率放大器第8页/共35页5.2.1 获得高效率所需要的条件5.2.2 功率关系第9页/共35页Vbmvbt 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。tiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe转移特性iCVBZo理想化tVVcosbmBBBEv失真第10页/共35页(b)t或电压电流0VBZVCCVBBVbmVcmvbE maxqiCic maxciCvCEvBEvCE min1. iC 与vBE同相，与vCE反相；2. iC 脉冲最大时，vCE最小；3. 通角和vCEmin越小，Pc越小；

6、tVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEvtTPTd10CECcviPPocCooPPP第11页/共35页电路正常工作电路正常工作（丙类、（丙类、谐振谐振）时，时，外部电路关系式：外部电路关系式：tnItItIIincos 2coscoscmcm21cm0cCtVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEv谐振回路第12页/共35页直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：cm1cmo21IVPp21cmp2cm212RIRVPPoc)(2121c10cCC1cmcmqgIVIV集电极效率：集电极效率：CCcmVV集电极电压利用系数集电极电压利用系数tVVcmCCCEcos

7、v0ccm1c1)(IIgq波形系数波形系数tnItItIIincos 2coscoscmcm21cm0cC第13页/共35页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)举例第14页/共35页00.5ff0.2fTfT 5.0ff 中中频频区区：T2 . 05 . 0fff高高 频频 区区 ：TT2 .0fff第15页/共35页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

8、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。第16页/共35页iC=gcrvCE欠压临界过压第17页/共35页iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) 第18页/共35页VbmvbttiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe转移特性iCVBZ0理想化 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。bmBZBBccosVVVqiC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) =gc(VbmcostVBZVBB) =gcVbm (co

9、stcos qc)= gcVbm(1cos qc)当t=0时，iC= iC max 当t= qc时，iC= 0tVVcosbmBBBEvccCmaxCcos1coscosqqtii第19页/共35页图5.3.3 尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得由傅里叶级数求系数，得)cos1 (cossin)(ccccc0qqqqq其中：其中：)(d21c0maxCC0CccqqqitiI)(dcos1cnmaxCCcmnqqqittniIcc)cos1 (sincos)(ccccc1qqqqq)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnqqqqqqnnnnn尖顶余弦脉冲的分解系数0cc

10、m1c1)(IIgq波形系数波形系数)()(c0c1qqccccccc1cossinsincos)(qqqqqqqgtnItItIIincos 2coscoscmcm21cm0cC)(ccCmaxCcos1coscosqqtiiic取决于脉冲高度iC max与通角qc第20页/共35页 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角qc变化的情况，从而选择合适的工作状态。n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qc10180120 160100123140 尖顶脉冲的分解系数当qc120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情

11、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。)cos1 (cossin)(ccccc0qqqqq)cos1 (sincos)(ccccc1qqqqq)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnqqqqqqnnnnn)(c1maxC1CqiImp21cm021RIP 第21页/共35页n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qc10180120 160100123140ccccccc0c1c1cossinsincos)()()(qqqqqqqqqg)(21)()(2121c1c0c10cCC1cmcmocqqqgIVIVPP由

12、曲线可知：极端情况由曲线可知：极端情况q qc=0时，时，2)()()(c0c1c1qqqg如果此时如果此时 =1， c可达可达100%。为了兼顾功率与效率，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取70 左右。左右。0)0(1maxC1cmiI 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角qc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第22页/共35页 因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC 、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。 集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外

13、部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。bmBZBBccosVVVq)(c1max1cmqCiIp1cmcmRIViC max = gcVbm(1cos qc)p21cmp2cmcm1cmo21221RIRVIVP第23页/共35页1. 高频功放的动态特性-为一直线 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。BZBEcCVgiv0CEcCVVVgcmbmvi0CEdVgvccmCC0cosqVVV; cmbmcdVVggp1cmcmRIVvceicAVCCQVcmvcmingdtVVcoscmCCCEvtVVco

14、sbmBBBEvcmCECCbmBBBEVvVVVvVoBcqcq第24页/共35页2. 高频功放的负载特性vBEiC-VBBVBZvbCqCqiCCqCqgCVbmvbemaxiCmaxvceiCVCCQvceminVcesgdvbemaxgcr过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区vbemax第25页/共35页2. 高频功放的负载特性iCvcevbemax过过压压区区临界区临界区欠压区欠压区欠压过压0临界RpcmV0cI1cmI欠压过压0临界RpPPoc0cCCIVP 1cmcmo21IVP ocPPP第26页/共35页欠压、过压、临界三种工作状态的特点：欠压、过压、临界三种工作状态的特点：

15、结论：结论：欠压：恒流，欠压：恒流，Vcm变化，变化，Po较小，较小，c低，低，Pc较大；较大；过压：恒压，过压：恒压，Icm1变化，变化，Po较小，较小，c可达最高；可达最高；临界：临界：Po最大，最大，c较高；较高；最佳工作状态发射机末级中间放大级2. 高频功放的负载特性图图5.3.7 负载特性曲线负载特性曲线欠压过压0临界RpPPoc0cCCIVP 1cmcmo21IVP ocPPP欠压过压0临界RpcmV0cI1cmIoptR第27页/共35页调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法：改变集电极负载Rp；改变供电电压VCC；改变偏压VBB；改变激励Vb。(1)改变Rp，但V

16、b、VCC、VBB不变：当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。(2) 改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变：当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工作状态由过压经临界转入欠压。第28页/共35页在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。VCC变化时对工作状态的影响变化时对工作状态的影响第29页/共35页 改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。在过压区中输出电流和功率随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依

17、据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的（见本教材第7章）。第30页/共35页(3) Vbm变化，但VCC、VBB、Rp不变或VBB变化，但VCC、Vbm、Rp不变：这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是Vbm还是VBB的变化，其结果都是引起vBE的变化。tVVcosbmBBBEvbmBBbemaxVVv第31页/共35页 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iCmax和qc导通角：导通角：集电极电流脉冲幅值：集电极电流脉冲幅值：= gcVbm(1cos qc)iC max 第32页/共35页2) 电流余弦脉冲的各谐波分量系数0(qc)、1(qc)、n(qc)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：直流功率：交流输出功率：交流输出功率：集电极效率：集电极效率：PPoc)(21c1qgP=Ic