ch5高频功率放大器

外部电路关系式：
vB V B BV bm cots
iCIc0Ic1 m cot sIcm c2o 2ts Icn m co nts
vCV CC V cm cots
i C I c 0 I c1 c mt o I cs c m 2 2 o t s I cn c m n o t s
Icm 1 π n c c iC cn otd st iC ma n ( xc )
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
0(c)sin (1c cco cco s)cs
1(c)c(1 coccsoscis)nc
n(c) 2sn in n c (c n 2 o 1 c) 1 s n (c cn o o c c )s ss icn
iC i vCmin
Cmax
0c
V BZ vB
V CC
iC
v Bmax
t
－V BB
vB V B BV bm cots
V bm 1. iC 与vB同相，与vC反相；
(b)
2. 3.
导iC通脉角冲和最v大Cm时in，越v小C最，小Pc；越小；Pc T1
T
0 iCvCdt
电路正常工作（丙类、谐振）时，
g c
Vbm Vcm
iCmax
max
B V CC vC
max
0
IQ
Q E –c 0 +c t
V0
v C m in
V cm
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
⑴A点 ：t＝0，vB达到最大，vC达到最小，iC达到最大；
⑵Q点：t＝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= –V BB+V bm
斜 率 gd
gc
Vbm Vcm
直流功率： P==VCC Ic0
输出交流功率： P o1 2Vcm Icm12 V R c2p m1 2Ic2m 1Rp
集电极耗散功率： Pc PPo
集电极效率：
c
Po P
12VcmIcm1 VCCIc0
12g1(c)
集电极电压利用系数： V cm
V CC
波形系数：
g1(c
)
Icm1 Ic0
由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的
0.1
3
140
0
100
20 40 6080 120 160180 c
Ic1 miCma1 x(c)
P0
1 2
Ic2m1Rp
尖顶脉冲的分解系数
由曲线可知：极端情况c=0时，
n
1 0
g1(c)10((cc))2 Ic1 m iC ma1(x 0)0 0 .5
如果此时=1，c可达100%。
0.4 2.0
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。
Po
1 2VcmIcm1
c
Po P
P VCCIc0
0
V cm
欠压
临 界
过压
Rp
0
欠压
Pc PPo
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； 中间放大级
fmin
f0 10k
AM广播信号: 535kHz～1605kHz，BW=10kHz
f max 3 f min
BW 10k 1 f0 100k0 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
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。
V bm
理想化
V BZ
vB
vB
iC
- c o +c
iC =gc(vB–VBZ) (vB ＞VBZ) =gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)
t =gcVbm (cosωt–cos c)
当t= c时，iC= 0
cosc
VBBVBZ Vbm
vB V B BV bm cots当t=0时，iC= iC max = gcVbm(1–cos c)
iC 转移
iC
特性
VBB
- c o + 0c
V bm
理想化
V BZ
vB
vB
- c 0 +c
失真
t
t
vB V B BV bm cots
vB V bm
iB
iC
V BZ t
–V BB t
t vC
V cm
V cm
V CC
vCVCCvc
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
Vcm vv C CV CC V cm cots
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。
i C I c I 0 c 1 s m t i I c 2 s n m 2 t i n I c n s m n t i n
low 0 ω 2ω 3ω
nω high
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。
vB o
t
V BZ
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
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
iC costcosc iCmax 1cosc
集电极电流取决于脉冲高度iC max与
导通角c
iC costcosc iCmax 1cosc
iCIc0Ic1 m cot sIcm c2o 2ts Icn m co nts
ic m ax
由傅里叶级数求系数，得
IC 02 1 π cciC dtiC ma0 x (c)
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
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
o
o
t
2c
图5.3.3 尖顶余弦脉冲
波形系数
g1(c )
Icm1 Ic0
1 ( c ) 0 ( c )
g1(c)scinccoccscso inccs
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 P P o 1 2 V V c C I m Ic C C 0 1 m 1 2 1 0 ( (c c ) ) 1 2g 1 (c)
iCmax
max
B V CC vC
max
0
IQ
Q E –c 0 +c t
V0
v C m in
V cm
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。
临界区
iC •
iC
gC
• • -VBB
C
VBZ
C
Vbm
v C B
vB
vBmax
iCmax
C
iC
gcr
vBmax
•• •
欠压区 负载增大
过 • gd
压 区
VCC vC
•Q
vCminபைடு நூலகம்
2. 高频功放的负载特性 临界区
I cm 1
iC
Ic0
过 压
区
V cm
0
欠压
临 界
过压
Rp
c
Po P
P VCCIc0
PPoc12PVcm IP cmo1
0
欠压
临 界
过压
Rp
欠压区
vBmax
vC
2. 高频功放的负载特性
I cm 1 Ic0
c
osc
VBBVBZ Vbm
VcmIcm1Rp
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 、VBv BC 、 VV bC m 所C V 表c示m c的o 输ts 出动态负载曲线。
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
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
应用 低频
低频，高频 低频 高频 高频
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
vB V B BV bm cots
vBVBB Vbm VCVC cm vC
iCgcvBV BZgcVVbcm mvC gdvCV0
V0
gd
gc
Vbm ; Vcm
VcmIcm1Rp
V0Vbm VCC VB Vb V Zm cm VBV B cm
iC A vBmax= –V BB+V bm
斜 率 gd
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
5.2.1 获得高效率所需要的条件 5.2.2 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
图 5.2.1
外部电路关系式： vBVBBVbmcost vC VCCVcmcost
高频功率放大器的 基本电路
晶体管的内部特性：iCgc(vBVBZ )
故晶体管的转移特性曲线表达式：
Vbmcosc=VBB +VBZ
故得：
c
osc
VBBVBZ 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。
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。
t
iC 转移
特性
VBB
0 - c + 0c
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
(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。
g1(c) 1 0(( c c)) sc ic c no ccc so i c c ns
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。
n
1 0
1
0.5
0
0.4 2.0
0.3 0.2 1.0
1 0 2
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 0.5fβ
中 频 区 ： 0.5fβf0.2fT
β0
高 频 区 ： 0.2fTffT
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。
为了兼顾功率与效率，最佳通角取 70左右。
0.3 0.2
1.0
1 0
1 0 2
0.1
3
140
0
100
20 40 6080 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 。
Icm 1iCma1 x(c)