高频电子电路第5章高频功率放大器全解
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0.5fβ fβ 0.2fT 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 的静态特性来解析晶体管的高频功放的 工作原理。
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 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。
=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB) =gcVbm (cosωt–cos qc) 当t= qc时，iC= 0
v be
v
be
- qc o + qc
0
V bm
v BE VBB Vbm cost
t
当t=0时，iC= iC max = gcVbm(1–cos qc)
取决于脉冲高度iC max与通角qc
2 V 1 2 1 cm I cm1Rp Po Vcm I cm1 2Rp 2 2
集电极效率：
vCE VCC Vcm cost
Po c P
1 Vcm I cm1 1 2 g1 (q c ) VCC I c 0 2
Vcm 电压利用系数 VCC
波形系数
分析基波分量Icm1、集电极效率η c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。
1 n 0
当qc≈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。
1 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0 0 1 0
v BE VBB Vbm cost
或电压 电流
iC
v
V CC
iC
v bE max
t
－ V BB
vBE
V bm
1. iC 与vBE同相，与vCE反相； 2. iC 脉冲最大时，vCE最小； 1 T Pc i C v CE dt T 0 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
1. 掌握高频功率放大器的工作原理 2. 掌握高频功率放大器的折线近似分析法 3. 熟悉高频功率放大器的电路组成原则与匹配 网络的计算 4. 掌握传输线变压器的工作原理 5. 了解倍频器的工作原理 6. 理解放大器的欠压、临界、过压三种工作状态
1.
功率放大电路的主要特点 非线性(大信号)
输出功率
⑴ 允许轻微非线性波形失真。
R
0
p
欠压
临 界
R
Ropt
p
结论：
图6.3.7 负载特性曲线
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 临界：Po最大，ηc较高； 发射机末级 最佳工作状态
1. 改变ＶCC对工作状态的影响
当 Vbm 、 VBB 、 RP 不变时，动态特性曲线与 VCC 的关系。
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180 qc
尖顶脉冲的分解系数
分析基波分量Icm1、集电极效率η c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。
Po 1 Vcm I cm1 1 1 (q c ) 1 c g1 (q c ) n 1 P 2 VCC I c0 2 n (q c ) 2 0
v Cmin v CE(sat) 1.5V
Vcm VCC v Cmin 24 1.5V 22.5V
2）
2 (22.5) 2 Vcm Rp 126.5 2Po 2 2
Vcm 22.5 I cm1 A 0.178A 178mA Rp 126.5
c
Pc P Po
过压
欠压
临 界
Rp
1 Vcm I cm1 1 c g1 (q c ) 2 VCC I c0 2
I cm1
I c0
1 Po Vcm I cm1 2
Po c P P VCC I c0
0
Vcm
欠压
临 界
Pc P Po
过压
过压
iC=gcrvCE
图 6.3.1
晶体Leabharlann Baidu的输出特性及其理想化
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
图 6.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化
i B / iC
iC
转移 特性
集电极余弦脉冲电流：
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
t
VBB
- qc
+ qc
理想化 0 V BZ
iC iCmax
cost cosq c 1 cosq c
ic max o 2qc t
iC I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt
由傅里叶级数求系数，得
IC0 1 q c iC dt iC max 0 (q c ) q 2π c
2 sin nq c cosq c n cosnq c sin q c n (qc ) n(n 2 1)(1 cosq c )
波形系数：
I cm1 1 (q c ) g1 (q c ) I c0 0 (q c )
qc cosqc sin q c g1 (q c ) sin q c q c cosq c
1. 高频功放的动态特性
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。
iC gcVbm cost cosqc
cosqc VBB VBZ Vbm
v CE VCC Vcm cost
Vbm iC gc V v CE VCC Vcm cosq c gd v CE V0 cm
Vcm
I cm1 I c0
0
iC
iC • •
•
vbemax
•
欠压
过压
P c o P
临 界
V CC
•
VCC VCC VCC
P VCC I c0 Pc P Po
1 Po Vcm I cm1 2
欠压
t
vce
•Q •Q •Q
集电极调幅作用是通过改变 VCC来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，
I cm1 g1 (q c ) I c0
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：
低频区： f 0.5 fβ
中频区： 0.5 fβ
高频区：0.2 f T
f 0.2 f T
β0
f fT
0
过压
临 界
V CC
3. 改变ＶBB对工作状态的影响
v BE VBB Vbm cost
iC
vbemax2 vbemax3 iC
当 VCC 、 Vbm 、 RP 不变时，动态特性曲线与 VBB 的关系。
iC • vbemax3 vbemax1
•
•
vbemax2
VBB VBB VBB
• • •
解：3）选qc=70o， 0 (qc ) 0.253
1 (qc ) 0.436
I cm1 178 4） i mA 408mA 750mA C max 1 (qc ) 0.436
未超过电流安全工作范围。 5） I cm0 iCmax0 (qc ) 408 0.253mA 103mA 6） P VCC Ic0 24103103 W 2.472W
(q ) q cosq c sin q c g1 (q c ) 1 c c 0 (q c ) sin q c q c cosq c
(q ) g1 (q c ) 1 c 2 0 (q c )
1 0.5 0.4 0.2 0.1 0 2.0 1.0 0 1 0 2
cosqc
VBB VBZ Vbm
Vcm I cm1Rp
集电极效率η c和输出功率Po能否最佳实现,最终取 决于功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。
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。
(b)乙类 class-B amplifier
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
5. 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 I c0 I cm1 sin t I cm2 sin 2t I cmn sin nt
由曲线可知：极端情况qc=0时： 0.3
I cm1 iC max1 (0) 0
如果此时=1，c可达100%。
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180 qc
图6-9 尖顶脉冲的分解系数
为了兼顾功率与效率，最佳通 角取70左右。
I cm1 iC max1 (qc )
转移 特性 理想化
o V BZ
iC 图 6.2.1
t - qc 0 + qc
高频功率放大器的基本电路
VBB
+ qc
- qc 0
v be
v be
V bm
t
v BE VBB Vbm cost
电流、电压波形
vCE V cm vCE
v CE VCC Vcm cost
ic maxCE min 0 qc V BZ
Vbm gd gc ; Vcm
ic •
V0 VCC Vcm cosqc
Vcm I cm1Rp
A
gd
VCC Vo vcmin Vcm
vce
•
Q
qc
临界区
欠压区
vbemax
I cm1 I c0
iC
过 压 区
临 界 过压
0
Vcm
欠压
Rp
vce
1 Po Vcm I cm1 2
0
Po P P VCC I c0
1 π
图6.3.3 尖顶余弦脉冲
I cmn
q
q c
c
iC cos nωω dt iC max n (q c )
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
sin q c q c cosq c 0 (q c ) (1 cosq c )
qc cosqc sin qc 1 (qc ) (1 cosqc )
vBE vbe
vbemax1
• VCC
t
vce
•Q
VBB绝对值增加等效于减少 Vbm，两者都会使vbemax产生相同的变化
基极调幅作用是通过改变ＶBB来改变Ｉcm1与Ｐo才能
例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成 的谐振功率放大器，设已知ＶCC＝24Ｖ，Ｐｏ＝２Ｗ，工作 频率＝１MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其 有关参数为fＴ≥70MHz ，Ap（功率增益）≥13 dB，ＩCmax ＝750ｍＡ,ＶCE(sat)(集电极饱和压降)≥1.5Ｖ,ＰCM＝１W。 解：１）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。 作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压
要想Po大，应使Vom 和Iom都要大。
ABQ 功率三角形
⑵ 管子工作在接近极限状态。
2. 要解决的问题
提高输出功率 减小失真（线性度） 管子的保护 提高效率
3. 提高效率的途径
vi= 0
vi= V0sinω t
降低静态功耗，即减小静态电流。
4. 工作状态分类
(a)甲类 class-A amplifier
(b)
电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式：
v BE VBB Vbm cost
v CE VCC Vcm cost
I cmn cosnt
iC I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t
直流功率： P==VCC Ic0 输出交流功率：
2ω 3ω
low
0
ω
nω high
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
输入回路 晶体管 T
谐振回路
输出回路
3 2 L 1
5 4
Tr1
C Tr2
yL
Po = Po Pc
1 Pc T
T 0
i C v CE dt
丙类工作状态。
i B / iC
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 的静态特性来解析晶体管的高频功放的 工作原理。
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 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。
=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB) =gcVbm (cosωt–cos qc) 当t= qc时，iC= 0
v be
v
be
- qc o + qc
0
V bm
v BE VBB Vbm cost
t
当t=0时，iC= iC max = gcVbm(1–cos qc)
取决于脉冲高度iC max与通角qc
2 V 1 2 1 cm I cm1Rp Po Vcm I cm1 2Rp 2 2
集电极效率：
vCE VCC Vcm cost
Po c P
1 Vcm I cm1 1 2 g1 (q c ) VCC I c 0 2
Vcm 电压利用系数 VCC
波形系数
分析基波分量Icm1、集电极效率η c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。
1 n 0
当qc≈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。
1 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1.0 2 2.0 0 1 0
v BE VBB Vbm cost
或电压 电流
iC
v
V CC
iC
v bE max
t
－ V BB
vBE
V bm
1. iC 与vBE同相，与vCE反相； 2. iC 脉冲最大时，vCE最小； 1 T Pc i C v CE dt T 0 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小；
1. 掌握高频功率放大器的工作原理 2. 掌握高频功率放大器的折线近似分析法 3. 熟悉高频功率放大器的电路组成原则与匹配 网络的计算 4. 掌握传输线变压器的工作原理 5. 了解倍频器的工作原理 6. 理解放大器的欠压、临界、过压三种工作状态
1.
功率放大电路的主要特点 非线性(大信号)
输出功率
⑴ 允许轻微非线性波形失真。
R
0
p
欠压
临 界
R
Ropt
p
结论：
图6.3.7 负载特性曲线
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 临界：Po最大，ηc较高； 发射机末级 最佳工作状态
1. 改变ＶCC对工作状态的影响
当 Vbm 、 VBB 、 RP 不变时，动态特性曲线与 VCC 的关系。
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180 qc
尖顶脉冲的分解系数
分析基波分量Icm1、集电极效率η c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。
Po 1 Vcm I cm1 1 1 (q c ) 1 c g1 (q c ) n 1 P 2 VCC I c0 2 n (q c ) 2 0
v Cmin v CE(sat) 1.5V
Vcm VCC v Cmin 24 1.5V 22.5V
2）
2 (22.5) 2 Vcm Rp 126.5 2Po 2 2
Vcm 22.5 I cm1 A 0.178A 178mA Rp 126.5
c
Pc P Po
过压
欠压
临 界
Rp
1 Vcm I cm1 1 c g1 (q c ) 2 VCC I c0 2
I cm1
I c0
1 Po Vcm I cm1 2
Po c P P VCC I c0
0
Vcm
欠压
临 界
Pc P Po
过压
过压
iC=gcrvCE
图 6.3.1
晶体Leabharlann Baidu的输出特性及其理想化
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
图 6.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化
i B / iC
iC
转移 特性
集电极余弦脉冲电流：
iC =gc(vBE–VBZ) (vBE ＞VBZ)
t
VBB
- qc
+ qc
理想化 0 V BZ
iC iCmax
cost cosq c 1 cosq c
ic max o 2qc t
iC I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t I cmn cosnt
由傅里叶级数求系数，得
IC0 1 q c iC dt iC max 0 (q c ) q 2π c
2 sin nq c cosq c n cosnq c sin q c n (qc ) n(n 2 1)(1 cosq c )
波形系数：
I cm1 1 (q c ) g1 (q c ) I c0 0 (q c )
qc cosqc sin q c g1 (q c ) sin q c q c cosq c
1. 高频功放的动态特性
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。
iC gcVbm cost cosqc
cosqc VBB VBZ Vbm
v CE VCC Vcm cost
Vbm iC gc V v CE VCC Vcm cosq c gd v CE V0 cm
Vcm
I cm1 I c0
0
iC
iC • •
•
vbemax
•
欠压
过压
P c o P
临 界
V CC
•
VCC VCC VCC
P VCC I c0 Pc P Po
1 Po Vcm I cm1 2
欠压
t
vce
•Q •Q •Q
集电极调幅作用是通过改变 VCC来改变Ｉcm1与Ｐo才能实现的，
I cm1 g1 (q c ) I c0
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：
低频区： f 0.5 fβ
中频区： 0.5 fβ
高频区：0.2 f T
f 0.2 f T
β0
f fT
0
过压
临 界
V CC
3. 改变ＶBB对工作状态的影响
v BE VBB Vbm cost
iC
vbemax2 vbemax3 iC
当 VCC 、 Vbm 、 RP 不变时，动态特性曲线与 VBB 的关系。
iC • vbemax3 vbemax1
•
•
vbemax2
VBB VBB VBB
• • •
解：3）选qc=70o， 0 (qc ) 0.253
1 (qc ) 0.436
I cm1 178 4） i mA 408mA 750mA C max 1 (qc ) 0.436
未超过电流安全工作范围。 5） I cm0 iCmax0 (qc ) 408 0.253mA 103mA 6） P VCC Ic0 24103103 W 2.472W
(q ) q cosq c sin q c g1 (q c ) 1 c c 0 (q c ) sin q c q c cosq c
(q ) g1 (q c ) 1 c 2 0 (q c )
1 0.5 0.4 0.2 0.1 0 2.0 1.0 0 1 0 2
cosqc
VBB VBZ Vbm
Vcm I cm1Rp
集电极效率η c和输出功率Po能否最佳实现,最终取 决于功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。
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。
(b)乙类 class-B amplifier
(c)甲乙类 class-AB amplifier
(d)丙类 class-C amplifier
5. 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 I c0 I cm1 sin t I cm2 sin 2t I cmn sin nt
由曲线可知：极端情况qc=0时： 0.3
I cm1 iC max1 (0) 0
如果此时=1，c可达100%。
3 140 100 20 40 60 80 120 160 180 qc
图6-9 尖顶脉冲的分解系数
为了兼顾功率与效率，最佳通 角取70左右。
I cm1 iC max1 (qc )
转移 特性 理想化
o V BZ
iC 图 6.2.1
t - qc 0 + qc
高频功率放大器的基本电路
VBB
+ qc
- qc 0
v be
v be
V bm
t
v BE VBB Vbm cost
电流、电压波形
vCE V cm vCE
v CE VCC Vcm cost
ic maxCE min 0 qc V BZ
Vbm gd gc ; Vcm
ic •
V0 VCC Vcm cosqc
Vcm I cm1Rp
A
gd
VCC Vo vcmin Vcm
vce
•
Q
qc
临界区
欠压区
vbemax
I cm1 I c0
iC
过 压 区
临 界 过压
0
Vcm
欠压
Rp
vce
1 Po Vcm I cm1 2
0
Po P P VCC I c0
1 π
图6.3.3 尖顶余弦脉冲
I cmn
q
q c
c
iC cos nωω dt iC max n (q c )
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
sin q c q c cosq c 0 (q c ) (1 cosq c )
qc cosqc sin qc 1 (qc ) (1 cosqc )
vBE vbe
vbemax1
• VCC
t
vce
•Q
VBB绝对值增加等效于减少 Vbm，两者都会使vbemax产生相同的变化
基极调幅作用是通过改变ＶBB来改变Ｉcm1与Ｐo才能
例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成 的谐振功率放大器，设已知ＶCC＝24Ｖ，Ｐｏ＝２Ｗ，工作 频率＝１MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其 有关参数为fＴ≥70MHz ，Ap（功率增益）≥13 dB，ＩCmax ＝750ｍＡ,ＶCE(sat)(集电极饱和压降)≥1.5Ｖ,ＰCM＝１W。 解：１）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。 作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压
要想Po大，应使Vom 和Iom都要大。
ABQ 功率三角形
⑵ 管子工作在接近极限状态。
2. 要解决的问题
提高输出功率 减小失真（线性度） 管子的保护 提高效率
3. 提高效率的途径
vi= 0
vi= V0sinω t
降低静态功耗，即减小静态电流。
4. 工作状态分类
(a)甲类 class-A amplifier
(b)
电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式：
v BE VBB Vbm cost
v CE VCC Vcm cost
I cmn cosnt
iC I c0 I cm1 cost I cm2 cos2t
直流功率： P==VCC Ic0 输出交流功率：
2ω 3ω
low
0
ω
nω high
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
输入回路 晶体管 T
谐振回路
输出回路
3 2 L 1
5 4
Tr1
C Tr2
yL
Po = Po Pc
1 Pc T
T 0
i C v CE dt
丙类工作状态。
i B / iC