5高频功放

11
t
非线性工作状态的晶体管 集电极电流与静态工作点、 输入信号大小的关系
或电压 电流
vCE VCC Vcm cost
V cm vCE
iC i vCE min
c max
VCC
iC
V BZ
0 qc
－V BB
V bm vBE
v BE VBB Vbm cost
(b)
12
v bEmax
t
c
Po P
Pc
Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。
ic
vCE VCC Vcm cost
A
•
gd
Vo vcmin
Vcm1
v BE VBB Vbm cost
v BE
VBB
Vbm
VCC vCE Vcm
VCC
•Q
vce
iC gc VBE VBZ
iC
gc
Vbm Vcm
vCE
V0
1 T
T
0 iC vCEdt
1. iC 与vBE同相，与vCE反相；
2. iC 脉冲最大时，vCE最小； 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
电路正常工作（丙类、谐振）时，
外部电路关系式：
v BE VBB Vbm cost
vCE VCC Vcm cost
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t
eb4 max
VBB变化，但VCC、Vb、Rp不变 这两
eb3 max
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
eb2 max
变化，其结果都是引起vb的变化。
eb1 max
由 vb= -VBB+Vbmcost
0
VCC
vce
Q
vb max= VBB+Vbm
VC4 VC3 VC2 VC1
20
iC cost cosqc
iCm a x
1 cosqc
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t Icmn cosnt
由傅里叶级数求系数，得
1
IC0 2π
i qc
qc C
dt
iC max 0 (qc
)
Icmn
1 π
i qc
qc C
cosnωωdt
iC max n
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(qc ) n (qc )
1 2
g1
(q
c
)
n
1 0
1
g1 (q c
)
1(qc ) 0 (qc )
qc cosqc sinqc sinqc qc cosqc
0.5 0.4 2.0
0
由曲线可知：极端情况qc=0时， 0.3
ic1
ic2
ic3
ic
ic4
ic5
欠
临
过
压
界
压
VCC5
eb
VCC3
VCC1
ec
VC1 欠压 VC2
VC3 临界
VC4
过压 VC5
VCC变化时对工作状态的影响
29
1. Vcc对工作状态的 影响——集电极调制特性
Icm1 Ic0
P= Po
Pc
0 过压状态 欠压状态 VCC 0 过压状态 欠压状态 VCC
gd vCE V0
Vcm Icm1Rp
gd
gc
Vbm Vcm
;
V0 VCC Vcm cosqc
qc
25
2. 高频功放的负载特性
I cm1 Ic0
Vcm
0
欠压
临 界
过压
Rp
Po
1 2
VcmI
cm1
c
Po P
P VCC Ic0
Pc P Po
0
欠压
临 界
过压
Rp
临界区 欠压区
iC
过 压 区
波形系数
g1(qc )
Icm1 Ic0
1(qc ) 0 (qc )
g1
(q
c
)
qc cosqc sinqc qc
s in q cosq
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qc变
化的情况，从而选择合适的工作状态。n
1 0
0
(qc
)
sinqc qc cosqc π(1 cosqc )
Icm1 iC max1(qc )
cosqc
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。
24
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
Icmn cosnt
谐振回路
13
vCE VCC Vcm cos t
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos2t
Icmn cosnt
直流功率： P==VCC Ic0
输出交流功率：Po
1 2 Vcm
Icm1
集电极效率：
Vc2m 2Rp
1 2
I c2m1 Rp
c
Po P
1 2
因此，高频功放采用负电源作基极偏置。
iC 转移
特性
失
iC
真
图 5.2.1 高频功率放大器的 基本电路
VBB
理想化
t
- qc
o V BZ
vbe - qc 0 +qc
+ q0c
vbe
V bm
t
v BE VBB Vbm cost
10
ห้องสมุดไป่ตู้
iC
iC
DiC Q
0
0
0 u BE
t
UBEQ
ui=Uimcoswt
(a)静态工作点处于放大区
27
vbemax
vce
2. 高频功放的负载特性
I cm1 Ic0
Vcm
0
欠压
结论：
临 界
过压
Rp
Po
1 2
Vcm
I
cm1
c
Po P
P VCC Ic0
Pc P Po
0
欠压
临 界
Ropt
过压
Rp
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； 中间放大级
iC Ic0 Icm1 sin t Icm2 sin 2t Icmn sin nt
0 ω 2ω 3ω
6
nω
4. 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。 窄带谐振放大器
有源器件 丙类
谐振回路
输出回路 输入回路 晶体管
35
Tr1 T
L2
C1 4
yL
Tr2
临界：Po最大，ηc较高； 发射机末级
最佳工作状态
28
1. Vcc对工作状态的 影响——集电极调制特性
改变VCC，但Rp、Vb、VBB不变当集电极供电电压VCC由大至小变化时， 放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。
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。
(a)
(b)
在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现 提供依据；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。改变VCC时，其工作状态和电流、功率的变化如上图所示。
30
2. VBB对工作状态的 影响——基极调制特性
3. Vbe对工作状态的 影响——放大特性
ic
Vbm变化，但VCC、VBB、Rp不变或者
Vcm
I
cm1
VCC Ic0
1 2
g1
(q
c
)
集电极电压利用系数 Vcm
波形系数
g1(qc )
Icm1 Ic0
VCC
14
5.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式 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
4
(d)丙类 class-C amplifier
3.要解决的问题 提高输出功率
提高转换效率
管子的保护
减小失真（线性度）
C
输出功率 直流电源提供的直流功
率
=
Po P
=
Po Po PC
P (直流电源功率 ) = Po (交流功率 ) PC (直流功耗 )
5
4. 效率与失真矛盾的解决
丙类(C类) 放大器的效率很高，但是波形失真也很严重。
输入为大信号 要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状态 效率要尽可能高 非线性失真要小 BJT的散热问题 (管子的保护)
3
2. 分类
流通角:一个周期内 有电流流通的相角.
(a)甲类 class-A amplifier
(b)乙类 class-B amplifier
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(qc
)
其中： 尖顶余弦脉冲的分解系数
0
(qc
)
sinqc qc cosqc (1 cosqc )
1
(qc
)
qc cosqc sinq (1 cosqc )
c
n
(qc
)
2
sin
nqc cosqc n cos nqc sin n(n2 1)(1 cosqc )
qc
21
图5.3.3 尖顶余弦脉冲
0.1
情况下，输出功率将达到最大值。
0
1 0
1 0 2
3
140
100
但此时放大器处于甲乙类状态，
20 40 60 80 120 160180 qc
效率太低。 ICm1 iCmax1(qc )
P0
1 2
I c2m1 Rp
尖顶脉冲的分解系数
22
下面分析基波分量Icm1、集电极效率ηc和输出功率Po随通角qc变
高频振荡 缓冲 声音
倍频 话筒
高频放大 音频放大
发
调制
射 天
线
图 1.2.8 调幅发1射机方框图
1. 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: 工作频率与相对频宽不同, 谐振与非谐振(工作状态)
低频（音频）: 20Hz～20kHz
fmax 1000 fm in
g1(qc )
1(qc ) 0 (qc )
2
Icm1 iCm ax 1(0) 0 0.2 1.0
0.1
1 0 2
3
140
如果此时=1，c可达100%。
0
100
20 40 60 80 120 160180 qc
为了兼顾功率与效率，最佳通角取
图5-9 尖顶脉冲的分解系数
70左右。
23
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 。
BW 20k 2 f0 10k
高频（射频）: 高频窄带信号 （以调幅为例 ）
已调信号 vo (t) Vom 1 mf cos t cost ω
AM广播信号: 535kHz～1605kHz，BW=9kHz
fmax 3 f m in
BW 9k 9 f0 1000 k 1000
2
功率放大电路的主要特点
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衷的办 法：折线近似分析法。
17
过压
临界 iC=gcrvCE
欠压
图 5.3.1 晶体管的输出特性及其理想化
18
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
高频区：0.2 fT f fT
故直接进行高频区或中频区的分析和计算
是相当困难的。本节将从低频区的静态特 0.5fβ 性来解析晶体管的高频功放的工作原理。
fβ 0.2fT
fT
16
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
t =gcVbm (cosωt–cos qc)
当t= qc时，iC= 0
cosqc
VBB VBZ Vbm
v BE VBB Vbm cost
iC cost cosqc
iCm a x
1 cosqc
当t=0时，iC= iC max = gcVbm(1–cos qc) 取决于脉冲高度iC max与通角qc
15
由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信
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
β0
中频区： 0.5 fβ f 0.2 fT
1
(q
c
)
q
c
cosqc sinqc π(1 cosqc )
0.5
n
(qc
)
2
sin
nqc cosqc n cos nqc sin n(n2 1)(1 cosqc )
qc
0.4 2.0
当qc≈120时，Icm1/iCmax最大。
在 iCmax 与 负 载 阻 抗 Rp 为 某 定 值 的
0.3 0.2 1.0
7
高频谐振功率放大器 功能：将直流功率转换为交流信号功率。 主要指标：输出功率与转换效率 工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真） 分析方法：折线近似分析法。(大信号)
8
5.2.1 获得高效率所需要的条件 5.2.2 功率关系
9
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。
图 5.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化
19
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。
t
iC 转移
iC
特性
ic max
VBB
理想化
- qc 0 VBZ
vbe -qc o +qc
+ q0c
vbe
V bm
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ) =gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)