高频功率放大器(4)

ic Ic0 Ic1m cosst Ic2m cos2st Icnm cosnst
放大器的负载为并联谐振回路，其谐振频率ω0 等于谐振频率ωs时，回路对ωs呈现出一个大 的谐振阻抗，为纯电阻RP（即谐振电阻）。
RP
02L2
RL
L cRL
基波分量在回路上产生电压，对直流分量和谐波分量呈小阻抗，仅为基波 分量的百分之几，故输出很小，可认为回路上仅有由基波分量产生的电压v c，其它频率成分信号均被虑除，从而在负载上得到不失真的信号电压
n
2
1 0.0333
Zp (n2 1)Q (4 1) 20 30
| ZP3 |
n
3
3 0.01875
Zp (n2 1)Q (9 1) 20 160
| ZP4 |
n
4
1 0.01333
Zp (n2 1)Q (16 1) 20 75
| ZP5 |
n
5
1 0.0104
Zp (n2 1)Q (25 1) 20 96
8、丙类功率放大器的计算
vCE VCC VC1M cosc t VCC Ic1M RP cosC t vO VC1M cosc t Ic1M RP cosC t
iC ICM ( 0 ( ) 1( )cos C t 2 ( )cos 2C t )
iO IC1M cosc t ICM1( )cosC t
c
po pD
po po pc
不失真：输出信号功率大，相应动态电流、电压就大，因而器件非线 性特性引起的非线性失真就大。实用中常采用负反馈等措施减小失真， 同时限制输出功率，使失真在允许范围内。
二、功率管的运用特性
导通时间
运
用
状 态
甲类（A类）
在激励信号作用下，管子在一个 周期内导通
乙类（B类）
半个周期
逐点描绘法
一、准静态分析法
v BE
iC
iC
t
输出的电流非余弦脉冲的
一部分，但是仍为周期脉
冲，数学表达式复杂。不
便于分析。
t
v CE
t
二、折线分析法
准静态分析法中，得到的动态负载线为一曲线，分析起来不如直线 方便；人们总是希望用数学的方法来对这种物理现象进行分析。
VBB
VCC
负载：采用谐振回路作负载，对信号进行频率选择，同 时完成阻抗变换。
2、电路特点
iC
• 这个电路的静态工作点 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
vi
vBE vCE
vi
C
L
vC
RL • 这样选择的主要考虑是消
除由静态工作点所带来的无 用功耗，从而提高放大器的
3、高频区： f 0.2 fT 除了考虑结电容的影响外，还必须考虑引线电感的影响
分析和计算相当困难，本书进行定性的说明。
4、特性曲线（复习）
1、输入特性曲线 2、输出特性曲线
3、转移特性曲线
iB
iC
iC
v BE
0 0
v BE
0
vCE
5、输入电压和输入电流表达式
iC
Tr2
iB
vBE VBB vi VBB ViM cos S t
v0 vc Ic1mRP cosst Vc cosst
集电极电压为 vCE Vcc v0 Vcc Vc cos s t
例：求各次谐波与基
iC
波的阻抗之比
iB
Tr2
ZP
RP
p2
L Cr
P 2 Q O L
Tr1
vi
vBE vCE
vi
C
L
vC
RL
ZPn
R Pn
p2
(r jn0L) r j(n0L -
可得，谐波的阻抗只有基波阻抗的百分之几。
工作波形分析
1）、输入电压： 一个频率为ωs的正弦（或者余弦）信号
2）、输入电流：一部分导通，一部分截止，严重的非线性失真 3）、输出电流：输入电流的波形一致，严重的非线性失真 4）、输出电压：由于采用谐振回路作负载 ，在负载两端只有 等于谐振频率的信号能够在谐振回路两端产生一个较大的输出 电压，其他的频率的信号由于处于失谐状态，在负载两端产 生的电压很小，可以忽略，故输出了一个频率为ωs的余弦信 号，输出电压不失真。
PDC
1 Tc
TC 0
VCC
i
C
dt
1
2
2
0 VCC iC d (C t ) VCC ICM 0 ( )
PO
P1
1
2
2 0
vO iOd(C t)
1
2
2
0 VC1M
cosC tIC1M
cosC td(C t)
1 2 VC1M
IC
功放的能量关系
1、集电极效率ηc
功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极直流电源提供
1
jn0C 1)
n0C
VBB
VCC
p2
n0L jn0C(n0L -
1) n0C
jP 2
n
n0L
2
2 0
LC
1
jp 2
(n
n 2
1)
0
L
jp
2
(n2
n 1)Q
Q0L
j
(n2
n 1)Q
RP
| ZPn |
n
Zp
(n2 1)Q
| ZPn | n Zp (n2 1)Q
如果Q=20则可以得：
| ZP2 |
I CM
(cost cos 1 cos
)d (t )
I CM
(1
sin cos 1 cos
)
ICM0 ( )
0 (
)
1
Байду номын сангаас
sin cos 1 cos
余弦脉冲的分解（数学推导）
1
IC1M
iC
costd(t )
1
iC costd(t )
1
I CM
( cost cos 1 cos
)costd(t )
丙类（C类）
小于半个周期
丁类（D类） 管子应用在开关状态，半个周期 饱和导通，半个周期截止
导通 角 1800
900
<900
ηcmax 50% 78.5%
三、高频功率放大器
1、功用：放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的 2、输出功率范围很大，小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线 电广播电台的几十千瓦，甚至兆瓦级。0.001~1000000 3、高频功放和低频功放的比较 相同点：实质都是在输入信号的控制下将电源直流功率转换为输出功 率（为一受控的能量转换器） 都要求输出符合要求的大功率，同时尽可能提高转换效率。
四、高频功率放大器与低频功率放大器的区别
不同点：两者工作频率和相对频带宽度相差很大。
低频功放工作频率低，相对频带宽，频率在20～20kHz，高频 端与低频端之差达1000倍（fH/fL） 高频功放工作频率很高（几百kHz～几百兆Hz）相对频带一般 很窄（几％～几‰）
两者所采用的负载也不同
低频功放：采用电阻、变压器等非调谐负载 高频功放：窄带工作，使其负载要采用选频网络
分析方法不同
在一些近似条件下进行分析，着重定性说明高频功放大致 的工作原理及特性
五、丙类谐振功率放大器的原理及特i性C
1、电路构成
Tr2
iB
ui(t)为输入高频激励信号 T为晶体管，把电源的直流功率
Tr1
vi
vBE vCE
vi
C
L
vC
RL
转换为高频功率。
VBB、VCC为电源，常使得管 子处于C类工作状态。
的直流功率，使之转化为交流信号功率传输出去。
PD:集电极直流电源提供的直流功率
Po:输出交流信号功率
Pc:集电极耗散功率
据能量守恒定理，有： PDC PO Pc
则集电极效率为： c
Po PDC
Po Po PC
其中，Pc
1
2
iC vCE dt
∴pc↓，ηc将↑
可见要ηc↑，即要pc↓，而pc取决于iC，vCE的大小及导通时间。
v BE
Tr1
vi
vBE vCE
vi
C
L
vC
RL
V BB
V iM
0
t
iB VBB
VCC
可见，输入电压的波形不失真
v BE
0
6、输出电流波形
vb(t) Vbm cosst
vBE VBB Vbm cosst
ic (mA)
ic (mA)
Im
VBB VD
0
vBE (V ) 0
t
Vbm vb (t)
折线分析法
1、与甲乙类功放分析方法的区别
甲乙类：负载为纯电阻，分析时可直接在工作的静态输出特性曲线上 作负载线，画出输入信号激励下的集电极电流和电压波形，从而求出放 大器的工作特性。
丙类：集电极负载为含电抗成分的谐振回路，使集电极的电流波和电 压波形截然不同，但两者又相互确定（vCE由iC产生，由于基区宽度调 制效应，iC又受vCE的影响）。要精确分析其性能特点，就要求解非线 性微分方程，十分复杂。实践中，据谐振功放的工作特点可采用近似 分析方法（准静态分析法、折线分析法）。
)
ICM n ( )
n (
)
2
sinn cos n sin cos n n(n2 1)(1 cos )
余弦脉冲的分解（数学推导）
可见：只要知道了导通角和输出电流的幅度就可以用下面的 式子求出信号的各个分量，其中，分解系数可以查表得到。
iC ICM (0 ( ) 1( )cos t 2 ( )cos 2t )
I CM
(1
sin cos 1 cos
)
ICM1( )
1(
)
1
sin cos 1 cos
ICnM
1
iC
cos
ntd(t )
1
iC cos ntd (t )
1
I CM
( cost cos 1 cos
) cos ntd(t )
I CM
(2
sinn cos n sin cos n n(n2 1)(1 cos )
ic为周期性尖顶余弦脉冲电
流，导通角θ<π/2,即导通
t
时间小于半个周期
t 时，vb Vbm c os , vBE VD , 集电极电流为0，
可得：VD
VBB
Vbm c os ,即c os
VD VBB Vbm
7、输出电压的表达式
输入为连续正弦波，输出集电极电流为周期性的尖顶余弦脉冲，可进行傅立叶分解
I
2 c1m
RP
放大器的集电极效率为
：c
Po PDC
1 I c1m VCM 2 I c0m Vcc
1
2
其中， Ic1m 为波形系数，是导通角的函数,越小，越大
Ic0 ξ Vcm 为集电极电压利用系数
VCC
据c
Po PDC
1 I c1m vc 2 I c0 Vcc
1 可得
2
越大（即Vcm越大或ec min 越小）、越小，效率c越高。
效率。
VBB
VCC
• 使用并联谐振回路作负载 具有选频和阻抗变换的作用
3、功率放大器的工作频率
1、低频区： f 0.5 f 低频区工作时，不考虑等效电路中的电抗分量与载流子 的渡越时间，分析方法同低频电子线路的分析方法一致， 方法成熟。
2、中频区： 0.5 f f 0.2 fT 必须考虑晶体管的结电容的影响，分析的方法复杂。
提高放大器集电极效率 c的途径即为：
1、提高电压利用系数 ，可通过增大 RL实现，RL的选取
是一个重要的问题。
2、提高波形系数。
θ 的选择
与有关，越小，越大，c越高；但太小，Ic1m ， 使得PO ,为降低的同时保持PO不变，就需增加集电极
脉冲电流：这可通过增大输入激励电压同时降低偏置电 压VBB实现，但这会使得基极反偏电压增加，发生功率管
2、提高集电极效率ηc的途径
集电极余弦电流脉冲函数可分解为付氏级数：
ic I c0 I c1m cos c t I c2m cos 2c t I cnm cos nc t
直流功率为： PDC I c0Vcc
输出交流功率为：Po
1 2
I V c1m cm
1 Vc2m 2 RP
1 2
谐振回路在这里起了相当大的作用。
8、余弦脉冲的分解（数学推导）
iC
IM 0
2
IM
ICM
IM
cos
IM
ICM
1 cos
iC
1
I CM
cos
(cost cos )
2k t 2k
I CM
0 其他
t 傅立叶级数的系数为：
1
IC 0 2
iCd(t )
1
2
iC d (t )
1
2
第6章 谐振功率放大器
概述：功率放大器
一、作用及性能要求
作用：在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率
性能要求：安全、高效、不失真、输出所需信号功率
安全：放大管应用在大信号状态，常接近管子的极限运用，故必选 用合适功率管，保证安全工作。
高效率：功率放大器为能量转换器，用放大管的 集电极效率ηc来评价功率转换能量的性能。
发射结反向击穿的危险，兼顾PO和c ,常在65～75范围。
3、信号源功率及功率增益
信号源提供的功率称为激励功率，大小取决于ub的基波分量，此功率 变为发射结和基区的热损耗。 高频功放中AV和AI均小于小信号及低频放大器，其功率增益一般为十 几到二十几dB(几十倍)。
C类谐振功率放大器的性能特点
对功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、 较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真。
高频功率放大器的工作状态取决于电源电压VCC、偏置电压VBB、高频 激励电压幅度vbm及负载阻抗RL（Vcm）。当这些参量变化时，放大器 将出现不同的工作状态，为说明各种工作状态的优缺点，正确选用和 调整放大器的工作状态，需对高频功放的动态特性（负载特性）和外 部特性（集电极VCC、基极vb调制特性、放大特性）进行讨论。