高频功率放大电路.ppt

1、第六章高频功率放大器,电路性质：非线性放大器种类：丙类基础知识：折线分析法,本章的知识结构,6.1概述6.2工作原理（重点）6.3功率放大器的折线分析法（重点）6.5高频功放的电路组成（实验需要）6.6丁类（D类）功放简介（了解即可）6.10晶体管倍频器（了解即可）,本章（主要指前3节）知识的特点,知识特点变量较多、题型非常灵活多变三极管不再单纯处于工作区必须熟练掌握折线法学习方法一定要把教材208页的波形图彻底理解先画图再做题，理清变量关系。熟练掌握,6.1概述,（1）高频功率放大器的种类（2）高频功率放大器的应用场合（3）高频功放与低频功放的区别（4）分析高频功放时应注意的事项（5）高频功

2、放的主要技术指标,（1）高频功率放大器的种类,谐振功率放大器（学习重点）特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可以很大，一般用于末级；不易于自动调谐。宽带功率放大器（了解即可）特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带内对高频信号进行功率放大；功率增益有限，一般用于中小功率级。,（2）高频（谐振）功率放大器的应用场合,从图中可见，高频功放是无线发射机的重要组成部分,无线发射机,无线接收机,（3）高频（谐振）功放与低频功放的区别,工作频率,音频,射频,应用场合,接收机末端,发射机末端,负载,纯电阻,LC谐振回路,放大器类型,甲类或乙类,丙类,高频功放与高频小信号放大器的比较,电路性质,线性,非线性

3、,应用场合,发射机送给功放的信号接收机天线送来的信号,发射机末端,放大器类型,甲类,丙类,集电极输出波形,与输入信号一致,余弦脉冲,设计的目的,信号波形放大、传输,将电源的能量尽可能以信号的形式输出,最关心的指标,电压增益,效率,（4）分析高频功放时应注意的事项,本节的理论完全可用于对电子管高频功放的分析和计算；对于工作在中高频的晶体管功放，本节的理论基本可以使用，但会有一定的误差；但对于工作在甚高频的晶体管功放，本节的理论将会有很大的误差，这是由于晶体管的物理结构导致的高频特性不理想造成的，但本节的理论仍然对功放的设计有定性的指导作用。,（5）高频功放的主要技术指标,主要指标：输出功率效率（

4、将电源能量转换成输出信号能量的能力）大家应当了解的工程指标谐波场强20的场强与0的场强之比小于万分之二在发射机1km处20的场强小于50(uV/m)谐波功率（小于25mW）,6.2谐振功率放大器工作原理,6.2.1获得高效率所需要的条件（1）为什么谐振功率放大器要处于丙类？,不难看出，设法降低Pc可以提高功放的效率,Pc与ic和Vc的关系,+Vc-,ic,Pc的瞬时功率为ic和Vc的乘积,（2）谐振功放的基本电路,为什么必须以LC回路作为负载？,首先，为了提高功放效率，在基极回路加入了反向偏置电压VBB，从而使放大器处于丙类。,因此集电极输出的波形不再是余弦信号，而是余弦脉冲（原因参见第五章折

5、线法，或看前两页的Flash）,余弦脉冲可以看作是多个频率分量的叠加,ic,回路失谐可能造成什么后果?,从输出信号和三极管两个角度来分析对输出来说，如果LC回路失谐，相当于滤波器的中心频率偏移，会使有用频率幅度降低，而使无用频率得到放大，从而使输出波形产生失真；对三极管来说，如果LC回路失谐，根据第三章知识，则LC的导纳变大（阻抗变小），使回路电流增大，而且电压集中在三极管上，三极管可能由于功率过大而烧毁。,（3）电路图中各变量关系及波形分析,分析第一步：输入信号有反向偏置电压，从而输出为余弦脉冲,分析第二步：把集电极余弦电流脉冲看成一系列电流源的叠加,等效,为了分析更清晰，先假设没有抽头,由

6、于LC的选频作用,分析第三步：VCC减去vo得到集电极电压vC,t,vC,分析第四步：把输入信号，集电极电流，集电极电压对齐画出,分析第五步：把输入信号，集电极电流，集电极电压画到同一个坐标中（从图中可以读出很多关系）,例如可以看出，iC最大值iCmax的时候vC最小值vCmin,（4）对2个问题的解释,问题一（可能会引起同学们困惑的问题）为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续的?问题二（有的题目已知条件不给c,而解题中又需要c）半流通角c通常取多大比较合适?,问题一：为什么ic的波形时有时无,而输出的波形vo却能是连续的?,如果能从频谱的角度来理解最好，即ic是有很多余弦分量相

7、加而成的，经过滤波器将其他分量滤除，剩下的自然是一个基频余弦分量Icm1cost另外一种理解方法是：LC具有储能作用，当ic为0时，由于C上电压不能突变，所以在LC之间来回充放电，可以用自行车飞轮或一个单摆来比喻。,将LC比喻成单摆,如果把单摆摆到左边比喻成能量储存到电感，则单摆摆到右边可比喻成能量储存到电容，要是单摆持续摆动，不需要手一直推，而在适当的时候推很短的一下（可比喻成ic）即可。,问题二：半流通角c通常多大合适?,如果c取值过大，趋向甲类放大器，则效率太低；如果c取值过小，效率虽然提高了，但输出功率的绝对值太小（因为ic脉冲太低）；这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常取,6.2.2

8、功率关系,余弦电流脉冲ic可分解为付立叶级数：,vC,6.3功率放大器的折线分析法,6.3.1晶体管特性曲线理想化及表达式,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。,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。,6.3.2集电极余弦脉冲电流ic分解,在第五章的折线分析法中我们已经得到,从第五章可知它为cosc,从第五章可知它为iCmax,6.3.2集电极余弦脉冲电流iC分解,6.3.2集电极余弦脉冲电流iC分解,同理可得,其中：,要求掌握,不要求掌握,c对高频谐振功放效率的影响,余弦脉冲的分解系数,c对高

9、频谐振功放效率的影响,余弦脉冲的分解系数,6.3.3高频功放负载特性,可见，当三极管处于工作区时有,负载线的表达式,画出负载线,三极管工作,三极管截止,负载线的Q点（注意是虚拟的）,第六次作业,教材P272页习题6.3习题6.5,对负载线的简要复习,从“时间t”的角度画出并理解负载线,工作区,截止区,工作区,截止区,vC,iC,例题6.1,一高频谐振功放,已知求：,例题6.1(解),例题6.1(解),放大器的三种工作状态之欠压状态,影响负载线斜率的因素,放大器的三种工作状态之临界状态,临界状态的特点(1),往往利用这些特点来解题。,临界状态的特点(2),做题时常用此方法,放大器的三种工作状态之

10、过压状态,三极管工作区,三极管饱和区,三种状态的波形汇总,例题6.2,一高频谐振功放处于临界状态,且已知求,例题6.2(解),例题6.2(解),例题6.2(解),例题6.2(解),功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）,功放的负载特性（即Rp变化对功率和效率的影响）,Po,三种状态的小结（欠压状态特点）,欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,三种状态的小结（临界状态特点）,临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在

11、计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。,三种状态的小结（过压状态特点）,过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。,负载特性的动画演示,6.3.4各极电压对工作状态的影响,其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响,其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响,临界,过压区,欠压区,其他条件不变,VCC改变对工作状态的影响,其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响,其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响,临界,欠压区,过压区,其他条件不变,Vbm改变对工作状态的影响,其他条件不变,VB

12、B改变对工作状态的影响,各变量对功放状态影响的总结,例题6.3一个谐振功放处于过压状态，如果想把它调到临界状态，可以采取哪些措施？,过压和欠压状态的一个重要特点（做题时常用）,过压状态下：欠压状态下：,例题6.4,已知一高频功放处于临界状态,输出功率为10W，Vcc=12V，半流通角为70度,集电极电压利用系数为0.96，且1=0.44，2=0.25(1)求P=、Pc、c、Rp(2)若Vbm增加一倍Po=?,例题6.4(解),方法一：从Vcm和Icm1入手方法二：从c入手（后面的步骤略）,6.5高频功放的电路组成,要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：,直流馈电线路：为晶体

13、管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。,2.3.5高频功率放大器的电路组成,2.3.5高频功率放大器的电路组成,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,2基极馈电线路,UBB,+UBB-,二高频功放的耦合回路,(1)使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。,(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。,(3)在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入

14、端相连接,输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载,二高频功放的耦合回路,介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；,L2、C2为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线幅射功率达到最大。,从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中Rp为折合到晶体管输出回路的等效负载。,1.输出匹配电路,(1)并联谐振回路型的匹配电路,在大功率输出级，T型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。,图中的R2一般代表终端(负载)电阻，R1则代表由R2折合到左端的等效电阻，

15、现以(a)为例进行计算公式的推导,(2)滤波器型的匹配网络,将并联回路R1C1与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得,网络匹配时，R1=R2,由谐振条件得:,6.6丁类（D类）功放简介（了解即可）,1.D类功率放大器的原理分析,D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路,ui,ub1,ub2,uL,uA,ub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压,ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1）。,ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA=UCES20,uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为的