ch5高频功率放大器

fβ 0.2fT fT
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导通
角θc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。
为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。
n
1 0
1
0.5
0
0.4 2.0
0.3 0.2 1.0
1 0 2
0.1 0
3100 140
20 40 60 80 120 160180 c
图5-9 尖顶脉冲的分解系数
End
集电极效率ηc和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp 和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。
•
负载增大
•
过
gd
压
区
VCC vC
•Q
vCmin
2. 高频功放的负载特性
I cm1
临界区 iC
Ic0
过 压
区
Vcm
0
欠压
临 界
过压
Rp
c
Po P
P VCC Ic0
Po
Pc
12PVcmI
cm1
Po
0
欠压
临 界
过压
Rp
欠压区
vBmax
vC
2. 高频功放的负载特性
I cm1 Ic0
Po
1 2 VcmIcm1
输出交流功率：
Po
1 2
Vcm
I
cm
1
Vc2m 2Rp
1 2
I
R 2
cm1 p
集电极耗散功率： 集电极效率：
Pc P Po
c
Po P
1 2
Vcm
I
cm1
VCC Ic0
1 2
g1
(
c
)
集电极电压利用系数：
波形系数：
g1(c )
Icm1 Ic0
Vcm
VCC
由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的
1 0 2
0.1
3
140
0
100
20 40 60 80 120 160180 c
Icm1 iCm ax 1(c )
P0
1 2
I
R 2
cm1 p
尖顶脉冲的分解系数
由曲线可知：极端情况c=0时，
g1(c )
1(c ) 0 (c )
2
Icm1 iCm ax 1(0) 0
如果此时=1，c可达100%。
BW 10k 1 f0 1000 k 100
5、工作状态：
功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步 提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。
工作状态 甲类 乙类
甲乙类 丙类 丁类
表 5-1 不同工作状态时放大器的特点
半导通角
c=180 c=90 90＜c＜180 c＜90 开关状态
折线分析法的主要步骤：
1、测出晶体管的转移特性曲线iC~ vB及输出特性曲线iC~ vC， 并将这两 组曲线作理想折线化处理。
2、作出动态特性曲线。
3、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲iC和 输出电压vc的波形。
4、求出iC的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2……由给定的负载谐振阻抗的大 小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。
小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用
晶体管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率
有关，如右图所示了 与 f 之间的关系。而通常所说的静态特
性曲线是指低频区： f 0.5 fβ
中频区： 0.5 fβ f 0.2 fT
β0
高频区：0.2 fT f fT
直接进行高频区或中频区的分析和 计算是相当困难的。本节将从低频区的 0.5fβ 静态特性来解析晶体管高频功放的工作 原理。
电路正常工作（丙类、谐振）时，
外部电路关系式：
vB VBB Vbm cost
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
vC VCC Vcm cost
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
直流功率： P==VCC Ic类
谐振回路
输出回路 输入回路 晶体管
35
Tr1 T
L2
C1 4
yL
Tr2
5.2.1 5.2.2
获得高效率所需要的条件 功率关系
1、原理电路
(1)晶体管的作用是在将供电电源的直 流能量转变为交流能量的过程中起开 关控制作用。
(2) LC谐振回路是晶体管的负载 (3)电路工作在丙类工作状态
相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的 负载均为谐振回路。
不同之处：激励信号幅度大小不同； 放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。
ic
ic
Q
o
vB o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
ic
ic
o
vB o
t
VBZ
高频谐振功率放大器 波形图
t
4. 谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较
6. 效率与失真矛盾的解 决 丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。
iC Ic0 Icm1 sin t Icm2 sin 2t Icmn sin nt
low
0
ω 2ω 3ω
ω high
n
6. 效率与失真矛盾的解 决通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。
1
Icmn π
i c
c C
cosntdt
iCmaxn (c )
其中： 尖顶余弦脉冲的分解系数
0
(c
)
sinc c cosc (1 cosc )
1
(
c
)
c cosc sin (1 cosc )
c
n
(c
)
2
sin
nc cosc n cos nc sin n(n2 1)(1 cosc )
c
图5.3.3 尖顶余弦脉冲
c
Po P
P VCC Ic0
0
Vcm
欠压
临 界
过压
Rp
0
欠压
Pc P Po
界临Ropt 过压
Rp
结论：
图5.3.7 负载特性曲线
欠压、过压、临界三种工作状态的特点：
欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大； 过压：恒压，Icm1变化，Po较小，ηc可达最高；
斜率 g d
gc
Vbm Vcm
iCmax
max
B VCC vC
max
0
IQ
Q E –c 0 +c t
V0
vC min
Vcm
2c
动态线作法：AB为动态特性曲线，也称为工作路。 ⑴取B点，作斜率为gd的直线； ⑵取Q、A两点，连成直线。
特殊点说明
t ⑴A点 ： ＝0，vB达到最大，vC达到最小，iC达到最大；
iCmax
max
B VCC vC
max
0
IQ
Q E –c 0 +c t
V0
vC min
Vcm
2c
2. 高频功放的负载特性
当VCC 、VBB 、Vbm 不变时，动态特性曲线与负载 RP 的关系。
iC
•
iC
gC
-•VBB
C
V•BZ
C
Vbm
vC B
vB
vBmax
iCmax
C
临界区
iC
gcr
vBmax
• • 欠压区
t ⑵Q点： ＝90， vC＝VCC，
虚拟电流IQ＝ iC = gc（－VBB－VBZ）
图中示出动态特性曲线的斜率为负值，它的物理意义是：从负载方面 看来，放大器相当于一个负电阻，亦即它相当于交流电能发生器，可以输 出电能至负载。
iC A vBmax= –VBB+Vbm
斜率 g d
gc
Vbm Vcm
Icm1 iC max1(c )
cosc
VBB VBZ Vbm
Vcm Icm1Rp
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。
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。
1 2
g1
(
c
)
n
1 0
g1 ( c
)
1(c ) 0 (c )
c cosc sinc sinc c cosc
0.5 0.4 2.0
1 0
当c≈120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。
0.3 0.2 1.0
5.1 概述
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
高频振荡 缓冲
倍频
高频放大
发 射
调制 天 线
声音
话筒 音频放大
图 1.2.8 调幅发射机方框图
3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处
iC 转移
iC
特性
VBB
理想化
- c
o V BZ
vB
+ 0c
vB
V bm
- c 0 + c
失真
t
t
v B VBB Vbm cost
vB Vbm
iB
iC
VBZ
t –VBB
t
t vC
Vcm
Vcm
VCC
vC VCC vc
t
（a）
高频功率放大器中各部分 电压与电流的关系
或电压 电流
V cm
v
vC
当t=0时，iC= iC max
= gcVbm(1–cos c)
集电极电流取决于脉冲高度iC max与导通角c
iC cost cosc
iCm a x
1 cosc
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
由傅里叶级数求系数，得
1
IC0 2π
cciCdt iC max 0 (c )
(b)乙类 class-B amplifier
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其 中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了 不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。
C
VCC
Vcm
cost
iC i vCmin
C max
0c
V BZ vB
V CC
iC
v Bmax
t
－V BB
V bm
vB VBB Vbm cost
1. iC 与vB同相，与vC反相；
(b)
2. 3.
iC 脉冲最大时，vC最小； 导通角和vCmin越小，Pc越小；Pc
1 T
T
0 iC vCdt
过压
临界 iC=gcrvC
欠压
图 5.3.1 晶体管的输出特性及其理想化
iC =gc(vB–VBZ) (vB ＞VBZ)
图 5.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化
End
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 转移
特性
iC
iC =gc(vB–VBZ) (vB ＞VBZ)
vC VCC Vcm cost
vB VBB Vbm cost
vB
VBB
Vbm
VCC vC Vcm
iC
gc vB VBZ
gc
Vbm Vcm
vC
V0
gd vC V0
gd
gc
Vbm Vcm
;
Vcm Icm1Rp
V0
VbmVCC
VBZVcm Vbm
VBBVcm
iC A vBmax= –VBB+Vbm
理想效率
50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100%
负载 电阻
推挽，回路 推挽
选频回路 选频回路
高频谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路
应用 低频
低频，高频 低频 高频 高频
半导通角:一个周期内有 电流流通的相角的一 半.
(a)甲类 class-A amplifier
=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)
t
VBB
理想化
t
- c 0 V BZ
vB - c o+c
+ 0c
vB
V bm
=gcVbm (cosωt–cos c)
当t= c时，iC= 0
cosc
VBB VBZ Vbm
vB VBB Vbm cost
iC cost cosc
iCm a x
1 cosc
相同: 要求输出功率大，效率高
不同:
工作频率与相对频宽不同；
放大器的负载不同；
放大器的工作状态不同。
低频（音频）: 20Hz～20kHz
高频（射频）:
高频窄带信号
fmax 1000 BW 20k 2
fm in
f0 10k
AM广播信号:
535kHz～1605kHz，BW=10kHz
fmax 3 f m in
外部电路关系式： 晶体管的内部特性：
图 5.2.1 高频功率放大 器的
vB VBB Vbm cost 基本电路 vC VCC Vcm cost
iC gc (vB VBZ )
故晶体管的转移特性曲线表达式：
Vbmcosc=VBB +VBZ
故得：
cosc
VBB VBZ Vbm
必须强调指出： 集电极电流iC虽然是脉冲状， 但由于谐振回路的这种滤波作 用，仍然能得到正弦波形的输 出。
波形系数
g1(c )
Icm1 Ic0
1(c ) 0 (c )
g1
(
c
)
c cosc sinc c
s in cos
c c
下面分析基波分量Icm1、集电极效率ηc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。
c
Po P
1 VcmIcm1 2 VCC IC0
1 2
1(c ) 0 (c )