功率放大器原理及电路图

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的函数,通
EC 4 uDA 类和E类功率放大器简介
1. D类功率放大器的原理分EC-析2UCES
UCES
D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本
电路ic1 ,电压开关型D类功率放ωt 大器是已推广应用的电路
ub1和ub2是由ui通过变压器T1 产生ic2 的两个极性相反的输入激ωt 励 电压
s i n c
)
Icmax n
c
式中:(1) 0 c ,1c ,…,nc 称为尖顶余弦脉冲的分解系数。
一般可以根据 c 的数值查表求出各分解系数的值。
(2) Ico , I cm1 ,I cm2 ,…,Icmn 为直流及基波和各次谐波的振幅。
3. 高频功放的功率关系
(注意RP 为回路谐振阻抗)
丙类倍频器
工作于二次谐波倍频器的电流和电压关系如下图所示:
ic
iC2
iC1
+iC
uce
-
uc2
+
ic频谱
IC1
LC谐振特性
IC2
ICO
IC3
IC4
- Ec +
0 2 3 4
其中: uce EC U C 2 cos 2t ,
而 UC2 IC2RP
RP 为 LC 回路谐振在 2ω时的并联谐振电阻。
ic为i c尖的 顶余波弦形脉顶 冲,部集为 电极下电凹压的 利用余不弦 充分脉。冲。
2 高频功率放大器的负载特性
研究的问临界 题:

当Ic1ECU,c1UBB,Ubm 不变,PD
临 界 区
c
ic
Ico
而 RP 变化时,与
欠压区 过压区
RPIp CcD1,,欠PI压oC,0区PP,cUc PoC过1 压的区关R系p 。
丙类倍频器
功用:输出信号的频率是输入信号频率的整数倍。 在无线电发射机中常采用倍频器,其目的是降低振
荡器频率,提高振荡器的频率稳定度。 常用的倍频器:
丙类倍频器:利用丙类放大器脉冲电流的谐波获得倍频。
参量倍频器:利用结电容电压变化的非线性来获得倍频。
丙类倍频器
1 丙类倍频器的电路结构
晶体管倍频器与高频功 放的线路基本相同,唯 一不同之处是它的集电 极回路对输入信号的某 次谐波频率 nf 调谐。
注意:
ubemax
uce
①( (临12)界)状欠 态 过压 输压出区区功::率最大 Po Pocr ,效率
也较高,可以说是最佳工作状态,常选此
状RR态 P P为由 末进 级小功入 放输过i出cm压 状ax态几 区。乎过压不余 状变态弦 (,略 效脉减冲少顶)部 I下 C0 ,I凹 C1几,乎
不 率ic m高ax变 ,但 输出IUC功0c率 ,1I 较 C1 小Ic。1 R PUc1
AB(甲乙)类:导通角为 90 o B(乙)类:导通角为 90o C(丙)类:导通角为 90 o
近年来双出现了 D 类、E 类及 S 类等开关功率放大器
转移特性曲线
ic f uBE uCE 常 量
ic
饱和区
输出特性曲线
ic f uCE
iC
uBE 常 量
•Q
截止区
U BB


UBZ
ic 0
c
cos1
UBB UBZ Ubm
\ ic gc Ubm cost (U BB U BZ ) gc Ubm cost Ubm cosc gcUbm cost cosc
又 Q当 t 0 时, Icmax gcUbm1cosc
\
gcUbm
I c max 1 cosc
代入ic 有:
ic
I cma x
cost cosc 1 cosc
若对ic 分解为付里叶级数为:
ic Ico Icm1 cost Icm1 cos2t Icmn cosnt
Icmax
ic
ic1
ic2 ic3
Ico
ωt
θc
θc
其中各系数分别为:
1
Ico 2
icd(t)
I cma x
IPc1DR
P
几E
C乎I

C0
变几(乎 略
有不上变
升 慢 ② 过在 压) ,P欠 状oPP压 态 C 状 U12CE1UP态C几DICIC1乎C0I0PC不o,1 变 变IC1化 ,P几 o 相缓 乎当 c12慢 不U于C。 变121一III, Ccc1个o1功 U恒 E放cC压1相c源当。12于IIPCCC一10个PUUD恒CC10 P流变 o 源化,缓而
特性曲线与负载 RP 的关系。
ucemin
(13R)2P..动临 过较当欠态压界 大 压R工特P工工 作减性作U状作 小 曲c状1态状 线 态IcU与 1态 Rc1P临较Ic界1R大P饱和gg线dd 以 gcg及 UUc bcUUm1ubcb较m1em较大ax 小 ,对, 动应态的静 特态 征特曲性线曲与线,
输出功率大
对高频功率放大器的一般要求同低频功放相同: 效率高 特点: (1)工作频率高,相对频带窄 (2)采用选频网络作为负载回路 (3)放大器一般工作在 C(丙)类工作状态,属于非线性电路
(4)不能用线性模型电路分析,一般采用图解法分析和折线法
功率放大器按工作状态分类:
A(甲)类:导通角为 180o
βo
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 的静态特性来解析晶体管的高频功放的 工作原理。
0.5fβ fβ 0.2fT fT
1 高频功率放大器的动态特性
1、 放大区动态特性方程 当放大器工作在谐振状态时,其外部电路电压方程为: 若设: ub Ubm cost
B
Uo
令 t 90 o 由外部方程可得:
ucmin
Q
:
uce
ic
I
EC , Q
uBE U BB gc (U BB U
BZ
)
Ucm
(2) 作 A 点:
令 t 0 o
A
:
uubcee
uc min ub ma x
EC U
UCm BB Ubm
连接 Q、A 两点即得动态特性曲线。
ubemax
(1) 丙类倍频器工作原理分析
已知丙类放大器集电极电流i c 为尖顶余弦脉冲,即:
ic ICO IC 1 cost IC 2 cos 2t ICn cos nt
如果集电极回路不是调谐于基波,而是调谐于 n 次谐波那 么回路对基波和其它谐波的阻抗很小,而对 n 次谐波的阻 抗则达到最大值,且呈电阻性。于是回路的输出电压和功 率就是 n 次谐波,故起到了倍频作用。
uBE ub UBB UBB Ubm cost
+ ic
++
uCE C Rp -
ub uBE _
-
-UBB
EC
由晶体管的转移特性曲线可以看出: 当 uBE UBZ , ic 0
ic
当 uBE UBZ , ic gc uBE UBZ
式中 gc为:
折线的斜率
\有
gc
Dic DuBE
uce 常数
EC uce •Q
c
动态特性方程
iC 与 uce 之间关系的动态特性方程。
式中: gd
gc
U U
bm cm
表示动态特性曲线的斜率,
Uo
EC
U
cm
(
U
BB U Ubm
BZ
)
EC
UCm
cosc
式中: cosc
UBB UBZ Ubm
;
Uo
动态特性曲线在uce
轴上的截距。
2 高频功率放大器的负载特性 高频功放ic的工• 作状态ic: icmax
uBE
A 类:
18O0 o
Q 位于放大区
•Q

ICEO
•EC
uCE
B 类: 90o
UBB UBZ
C 类: 90 o , UBB UBZ 。
6.2 高频功率放大器的工作原理 1 基本电路结构
+
+
uS
ub
-
-
C
L
-UBB
EC
(a) 原理电路
ic
+
+
uCE C -
Rp
+ L uc1
ub
-
-
-UBB
EC
(b) 等效电路
除电源和偏置电路外, 主要由三个部分组成: 晶体管: 大功率晶体管,能承受高电压,大电流,fT 一般工作 时发射极反偏(C 类);
输入激励电路:
提供所需信号电压;
输出谐振回路: (1)滤波选频,(2)阻抗匹配。
2 工作原理分析
(1) 集电极电流i c
设输入信号电压:
ub Ubm cost 则加到晶体管基极,发射级的 有效电压为:
6.3 高频功率放大器的动态分析
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 f
中频区: 0.5 f f 0.2 fT
ic
由上两式消除 cos t 可得:
uBE
U BB
Ubm
EC uce U cm
又利用晶体管的内部特性关系式(折线方程):
ic gc uBE UBZ
可得:
ic
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gc U BB
Ubm
EC uce U cm
UBZ
+
+ ub
+ uBE
uCE -
_
C
Rp
+ L uc1
-
-
-UBB
EC
ic
动态曲线:
ic gd (uce Uo )
• • -UBB
C
UBZ
C
Ubm
gC ub
uBU而 gE CdoUc1EgCcIUUcC1UbRcm1cP1
cos c
ic
• •• •
Uces
ic gcr •
gd
gd
Uo
ubemax
EC uce
• Q•
uce
可 随见 负动 载态 的特 不性 同曲 而ub线 变ema的 化 x 斜 。下 率面 和讨 负论 载R当PEC有、关U B,B u放、cem大iUn b器m 不 的变 工时 作, 状动 态态 将
gC
gc
Ubm U cm
uce
EC
U
cm
(
U
B
B U Ubm
BZ
)
gd
uce U o
UBZ
uBE
2 动态特征曲线的画法:
ic
画法一:
在静态特征曲线的uce轴上取 B 点, 使 OB Uo ,由 B 点作斜率为gd 的直
A

gd
线 BA,即得动态特征曲线。
画法二: (1)作静态工作点 Q:

O
3 高频功率放大器的调制特性
当 RP , Ubm 不变,
而改变
EC UBB

IC1, IC PD , Po
0
之间的关系。
1. 集电极调制特性
第6章 高频调谐功率放大器
6.1 概述: 6.2 高频功率放大器的工作原理 6.3 高频功率放大器的动态分析 6.4 高频功放的高频特性 6.5 高频功率放大器的电路组成
6.6 宽带功率放大器与功率合成电路
6. 1 概述:
在高频范围内,为了获得足够大的高频输出功率,必须采 用高频调谐功率放大器,这是发射设备的重要组成部分。
ub三 e动ma线x态所相特对交性的于曲静一线态点与特u征be曲max线所的对交的点静位态于特放征大曲区线。的交点位于饱
和区u此特c。em时 点in: :Uuucceecesmm晶iinn体 UU管cce的 ess ,工,作i晶范 c 体围为管在尖的放顶动大态 余区范和 弦围截脉延止冲伸 区。到 。饱和区。
uLui正半周时VT1管饱和导ω通t , VT2管截止,电源EC对电容C充 电,电容上的电压很快充至 ωt (EC-UCES1)值,A点对地的电 压uA=(EC-UCES1) 。
T1 ui
VT1
ic1 CC
EC
ub1
uA
VT2
ub2
LC ic2
RL uL
小流,电u这尽u源A样管近i负由,每似半电每管为周容管饱矩时C的和形上VT管导波充2管耗通电的饱就时压电和很的,荷导小电幅供通,流值给,放很为,V大大(uTA器,E=1管C的但U-2截CU效相ES止C率应2E≈S。0)也的V。就管T若很压2管L高降的、很直C和 RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上,且回路的Q值 足够高,则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为ω的余弦波,RL 上可得相对输入信号不失真的输出功率。
(4) 集电极能量转换效率c :
c
Po PD
Po Po PC
α1
1
2 U Cm I Cm1 EC ICO
1 2
g1
c
其中:
U Cm EC
为集电极电压利用系数;
α3
g1 c
I Cm 1 I CO
1(c ) 0 (c )
称为波形系数,是导通角 c
常可查表求出。
αo 2.0
g1
α2
1.0
θc
sinc c cosc 1 cosc
)
I cma x 0
c
1
Icm1 2
c c
ic
costd (t )
1
I cma x(
c
sinc cosc 1 cosc
)
I cma x 1
c
1
Icmn 2
c c
ic
cosntd (t)
2
ic
ma
x
sinnc cosc c cos nc n n2 1 1 cosc
• • -UBB
C
UBZ
ic gc U BB U bm cos t U BZ
C
ic •
gC
uBE C C ub
Ubm
+ L uc1
-
(1) 集电极电流 i c
ic g c U BB U bm cos t U BZ
由于当 t c 时,
\ cos c
UBB UBZ Ubm
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