笫4章 非线性电路及其分析方法2

1. D类功率放大器
D类放大器的晶体管工作于开关状态；导通时，管子进入饱 和区，器件内阻接近于零；截止时，电流为零，器件内阻接 近于无穷大；这样，就使集电极功耗大为减小，效率大大提 高。根据效率的定义： Po Po 1

PS Po PC 1 PC Po
式中， PC 为晶体管集电极耗散功率。上式说明要提高放大 器效率，应尽可能减小晶体管集电极耗散功率 PC 。 而晶体管集电极耗散功率为： 故减小耗散功率的有效方法是：
n 为正整数。又如，角度调制过程也属于频谱的非线性变换。
（3）实现时变参量电路 这是非线性电路的一种特殊应用。
功率放大器分类
功率放大器一般以其工作状态来分：A、B、AB、 C、D、E • A类功放输出信号为输入信号的线性函数，故又称为 线性功率放大器。
• 电路接成推挽形式的AB类和B类功放也可以构成 线性功率放大器。
3、功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系（续2）
讨论：
1 1 ( ) VCC vC min Vcc 2 0 ( )
波形图
上式表明，为提高谐振功率放大器的效率，可以采取两方
面的措施，即： （1）提高电压利用系数 －回路谐振。
，这要求提高负载电阻的阻值
1 ( ) （2）选择合适的 值，使 0 ( ) 最大。 1 ( ) 从前面图可看出， 愈小，则 ( ) 值愈大，效率愈高 0 但 愈小，基波幅值下降太多，为保持一定的 I cm 值，必
须增加输入信号的幅度
vi t ，这势必增加前级的负担。
因此， 值的选择需综合考虑。一般 700 左右。
4、电路举例：题图4.15
Tr1
C2
L
R2
vi v3 R3
R1 C1
图示为一实用C类放大器的 电路图。它采用共发射极电路。 由 R1 和 C1 组成自给偏置 电路，它利用基极电流中的直 vo 流分量产生偏置电压，代替外 加偏置电源的作用。 输入信号电压为 vi (t ) 与偏置 电压的叠加。
笫4章
本章要点
非线性电路及其分析方法
一、非线性电路的基本概念与非线性元件 • 非线性电路的基本概念 • 非线性元件 二、非线性电路的分析方法 • 非线性电路与线性电路分析方法的异同点 • 非线性电阻电路的近似解析分析：幂级数分析法、折线分析法 三、非线性电路的应用举例 •C类谐振功率放大器 •D类和E类功率放大器 •倍频器 •跨导线性回路与模拟相乘器 四、时变参量电路与变频器
vBE
vCE (t )
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3、功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系
在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流 为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率。 如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。 • 谐振功放的效率定义为：
• 输出信号功率 (基波功率）为 ：
1 P I C1Vom o 2
2、工作波形
（P204）
折线图
输入电压
vi (t )
Vom
VCC （0）
v0 (t )
vCE (t )
基极发射极 间电压 集电极电流
vBE
I cm
vc min
VBB
iC (t )
iC (t )
iC (t )
Vth
输出电压 v0 (t ) 集电极发射 极间电压

Vim
vi (t )
PS I C 0VCC I cm 0 VCC
c0
cm
0
1 I C1Vom 1 1 ( ) Vom 2 I C 0VCC 2 0 ( ) VCC 1 1 ( ) 电压利用系数， 用 表示，可得： 2 0 ( )
见p193图4.3.6
可得谐振功率放大器的效率表示式为：
高频功率放大器的主要问题是如何尽可能提高它的输出功 率与效率。提高效率能在同样的器件耗散功率条件下，提高 输出功率。 A类、B类和C类放大器是主要采取减小电流流通角的方法 提高放大器的效率。 电流流通角的减小是有一定限度的。因为太小时，效率虽 然很高，但因基波幅值下降太多，输出功率反而下降。要想 维持不变，就必须加大激励电压，这又可能因激励电压过大， 而引起放大器件的击穿。 D类和E类放大器是固定为90，主要采用尽量降低放大器 件耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。
处于饱和或截止状态。 T T 在激励信号的正半周， 1 饱和， 2截止，相当于图（b）所示等 效电路的开关置于位置1，于是电源电压 VCC 通过开关向 S 、 、 A 。 组成的串联回路充电，并使 点的电压提到 L C RL v
v A VCC VCES
A
在激励信号的负半周，将为 T2 饱和， 1 截止，相当于开关置 T 于2，储存在 L C的能量通过 T2放电，并使 A 点的电压下降 为： V 。 v
VCC
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Tr1

vi

A L
iC 1 T1 iC 2
CC
C
VCC
1 S L
RL vL
C
RL vL
T2
Hale Waihona Puke 2vA（b）
D类功放波形图
1. D类功率放大器（续2） 上图 激励信号 v i 是一个重复频率为 f 0 的方波，或是幅度足够大 的正弦波。该激励信号通过变压器 Tr1 ，在两次级线圈产生极性 相反的推动电压 vb1 和 v b 2 ，它们分别使晶体管 T1 和 T2 依次
• 线性功率放大器的负载是电阻性的，匹配网络是传输线 变压器或其它非谐振电路。 • 线性功率放大器工作时理论上不产生非线性失真（或 可把失真控制在容许范围之内）。
C类谐振功率放大器
C类功放， < 90 ,为非线性功放，以谐振回路为负载 ，称为谐振功率放大器。
0
C类功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振电路。 C类功放集电极输出电流波形是一系列余弦脉冲，电流 中除含有有用输入信号成分外，还含有输入信号的各次 谐波等寄生干扰成分。而输出电压是完整的正弦波。 C类功率放大器一般只适于放大单频信号（如：载频） 或窄带已调信号。
BE BB i
1、工作原理 （续1）
折线分析法示意图
（）
返回1
返回2
i
VBB
0
0
斜率g
i
v
vi (t )
v
Im
Vth
2
0
t
Vim
其中，Vth 为阈电压，
t
g为
vi Vth
时直线段
的斜率， BB为偏置电压。 V
1、工作原理 （续2）
电路的工作过程如下：
• 偏置电压为 VBB ，以确定静态工作点。工作点往往处在 截止区，静态时无集电极电流。
C3
VCC
C L、 2 组成谐振回路，它的谐 振频率等于输入信号频率， 在本例中为27MHz。
2
输出信号电压从回路两端取出， R 为该放大器的负载电阻。 电阻 R3 在实际电路中是没有的，加入它是为测量集电极 电流的波形，它的阻值很小，仅为0.1。 返回

D类和E类功率放大器*（不作为基本要求）
C类谐振功率放大器（续）
功率放大器的主要性能指标： 大功率、高效率、不失 真、大动态范围。即保证管子安全 工作的前提下，讨论工作频率、输出功率、效率、 功率增益、线性范围和非线性失真等。 • 效率： A类 max 50% 实际上是 35 ~ 40%
B类 max 78.5% C类 是与流通角 有关。 • 非线性失真： 对于线性功率放大器，非线性失真系数则成为重要的 指标，如何降低功率放大器的非线性失真，是设计这 类放大器时必须加以研究的问题。 对于谐振功率放大器，它是利用晶体管的非线性特性和 选频电路的滤波特性实现的。 •线性范围：三阶互调截点IIP3，1dB压缩点来度量。
1 PC 2
i


C CE
v d t
⑴ 减小 PC 的积分区间 ，即减小电流的流通角； ⑵ 减小 iC 与 vCE 的乘积。这后一种方法即是各种高效率 谐振功率放大器的设计基础。
1. D类功率放大器（续1） 减小 iC 与 vCE 的乘积。这种方法是各种高效率谐振功率
放大器的设计基础。这一类放大器通常工作于开关状态， 当晶体管导通（ iC为最大）时，其管压降 vCE 为最小，而当 管子截止（ iC 0）时，管压降 vCE 为最大。在理想情况下， 可使的乘积 iC vCE 趋于零，即 PC 趋于零，而 趋于 100%。 电压开关型D类放大器。

实际上是 55 ~ 65%
1、工作原理
返回
下图所示是谐振功率放大器的电原理图。 电路的特点： • 这个电路的静态工作点 iC 是选择在接近截止点，或 Tr2 选择在小于截止点的负偏 iB 置区。 Tr1 L vCE • 这样选择的主要考虑是消 RL vBE C v 除由静态工作点所带来的无 C vi vi 用功耗，从而提高放大器的 效率。 •考虑了信号源內阻和负载 VCC VBB 电阻对并联谐振回路的影响。 ' 下面用 RL 等效晶体管负 vCE Vcc vc 载，包括晶体管输出电阻、 回路损耗的总折合值。 v V v
I cm gVim (1 cos ) Vth VBB arccos Vim
ic (t ) I c 0 I c1 cos 0t I c 2 cos 2 0t
1、工作原理 （续3）
放大器的负载阻抗是频率的函数，只有角频率为 电流分量可以在负载上建立余弦电压。
Vom 。
Po PS
• 集电极电流中的基波分量幅度为 ：
I C1 I cm1 ( )
• 输出电压的幅度是
可得：