第2章 高頻功率放大器1課件

1、第2章 高頻功率放大器第第2 2章章 高頻調(diào)諧功率放大器高頻調(diào)諧功率放大器第2章 高頻功率放大器功功率率放放大大器器按按工工作作狀狀態(tài)態(tài)分分類類：近近年年來來雙雙出出現(xiàn)現(xiàn)了了D類類、E類類及及S類類等等開開關(guān)關(guān)功功率率放放大大器器目的：目的：高效高效輸出輸出大功率大功率2. 1 概述：概述：特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)工作工作頻率高頻率高，相對，相對頻帶窄頻帶窄(2)負(fù)載為負(fù)載為選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)(3)工作在工作在C(丙丙)類類工作狀態(tài)，屬于工作狀態(tài)，屬于非線性電路非線性電路，不，不能使用線性模型分析，一般采用能使用線性模型分析，一般采用折線法折線法分析。分析。 90%5 .78)(90%5 .78)(1

2、80%50)(，導(dǎo)導(dǎo)通通角角類類：效效率率大大于于丙丙，導(dǎo)導(dǎo)通通角角類類：效效率率乙乙，導(dǎo)導(dǎo)通通角角類類：效效率率最最高高甲甲CBA第2章 高頻功率放大器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移特特性性曲曲線線 常常量量 CEuBEcufiBBU UBZ QB類類：o90 BZBBUU C 類類：o90 ,BZBBUU 。 BEuci截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)A類類：Q位位于于放放大大區(qū)區(qū) 180 2.2 高頻功率放大器的工作原理高頻功率放大器的工作原理 1 基基本本電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b) 等效電路等效電路+uc1-UBBCECL+uS-+ub-(a) 原理電路原理電路電路組成：電路組

3、成：輸入回路輸入回路：常為調(diào)諧回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧選頻，并使信：常為調(diào)諧回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧選頻，并使信號源與放大器輸入端匹配號源與放大器輸入端匹配晶體管晶體管：高頻大功率管，要能承受高壓和大電流：高頻大功率管，要能承受高壓和大電流輸出回路輸出回路：選頻濾波，阻抗匹配：選頻濾波，阻抗匹配直流電源和偏置電路直流電源和偏置電路：負(fù)偏壓：負(fù)偏壓(-UBB)使電路工作在使電路工作在丙（丙（C）類狀態(tài)）類狀態(tài)+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic常常數(shù)數(shù) ceuBEccuig2、工作原理工作原理uBEic-UBBUBZubCCicCC(1) 集集電電極極電電流流ci 設(shè)設(shè)輸輸入入信信號號電電壓壓:tU

4、ubmb cos Ubm則則 加加 到到 晶晶 體體 管管 基基 極極 ,發(fā)發(fā) 射射 級級 的的有有效效電電壓壓為為:tUUUuubmBBBBbBE cos 由由晶晶體體管管的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移特特性性曲曲線線可可以以看看出出：當(dāng)當(dāng)BZBEUu ，0 ci 當(dāng)當(dāng)BZBEUu ， BZBEccUugi 式式中中cg為為：gC折線的斜率折線的斜率有有 BZbmBBccUtUUgi cos +uBE _2、工作原理工作原理(1) 集集電電極極電電流流ci BZbmBBccUtUUgi cos由由于于當(dāng)當(dāng)ct 時時，0 cibmBZBBcUUU 1cos )(cosBZBBbmccUUtUgi 又又當(dāng)當(dāng)0t

5、時時， cbmccUgI cos1max vBEic-UBB-UBZvbCCicCCUbmgCIcmaxccbmcIUg cos1max 代代 入入ci有有 ： 尖尖頂頂余余弦弦脈脈沖沖的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表達(dá)達(dá)式式cccmaxccos1coscos tIi+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _bmBZBBcUUU cos cbmbmcUtUg coscos cbmctUg coscos ccmaxcccos1costcosii (1) 集電極電流集電極電流若若對對ci分分解解為為付付里里葉葉級級數(shù)數(shù)為為： tnItItIIic cos2coscoscmncm2cm1co其

6、其中中各各系系數(shù)數(shù)分分別別為為： ccoIItdiI 0cmaxcccccmaxc)cos1cossin)(21 cccccccmIIttdiIcc 1cmaxcmax1)cos1cossin1()(cos21 cncccccccccmnInnnnittdniIcc cmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21 式式中中：(1) c 0， c 1， cn 稱稱為為尖尖頂頂余余弦弦脈脈沖沖的的分分解解系系數(shù)數(shù)。一一般般可可以以根根據(jù)據(jù)c 的的數(shù)數(shù)值值查查表表求求出出各各分分解解系系數(shù)數(shù)的的值值。 (2) coI，cm1I，cm2I，cmnI為直流及基波和各次諧波的振幅。為

7、直流及基波和各次諧波的振幅。 ictccic1ic2ic3IcoIcmax第2章 高頻功率放大器co13g11.02.02轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移特特性性曲曲線線BBU UBZ QB類類：o90 BZBBUU ，C 類類：o90 ,BZBBUU 。 BEuci截止區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)A類類：Q位位于于放放大大區(qū)區(qū) 180 iC頻譜頻譜(2)集電極輸出電壓集電極輸出電壓uCE 2 3LC回路回路阻抗阻抗 Rp故故回回路路輸輸出出的的基基波波電電壓壓：tUtRIRiucmpcmpcc coscos111 而而晶晶體體管管集集電電極極的的輸輸出出電電壓壓：tUEucmCCE cos 0+ub-RpCL+uCE-EC

8、-UBB+uc1-ic+uBE _ictccic1ic2ic3IcoIcmaxic經(jīng)經(jīng)LC并聯(lián)諧振回路時，回路對基波分量產(chǎn)生諧振，呈純阻并聯(lián)諧振回路時，回路對基波分量產(chǎn)生諧振，呈純阻性性Rpic(最大值最大值)，而對其它諧波分量阻抗很低，呈電容性，從，而對其它諧波分量阻抗很低，呈電容性，從而選出基波分量而選出基波分量uc1，而濾除各次諧波電壓。，而濾除各次諧波電壓。+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _ubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic-UBBUBZubC UbmgCC 丙類功放各級電壓、電流波形丙類功放各級電壓、電流

9、波形3. 功率和效率分析功率和效率分析 (1) 集集電電極極電電源源提提供供的的直直流流功功率率：0CCDIEP (2) 集集 電電 極極 輸輸 出出 交交 流流 功功 率率 （ 負(fù)負(fù) 載載 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210 （注注意意PR為為回回路路諧諧振振阻阻抗抗）(3) 集集電電極極耗耗散散功功率率CP，oDCPPP (4) 集集電電極極能能量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換效效率率c ： cCOCCmCmCooDocgIEIUPPPPP 112121 其其中中：CCmEU 為為集集電電極極電電壓壓利利用用系系數(shù)數(shù)； co13g11.02.023.

10、功率和效率分析功率和效率分析 ccg 121 COCmcccmIIgEU11 ，其其中中，類工作狀態(tài)類工作狀態(tài)在在，高頻功放一般選取，高頻功放一般選取，丙丙乙乙甲甲C%5 .78%5 .78%50)1( cmPUR，1)2( cccCOCmcgIIg 111) 3(一一般般 OccP 1但但。最佳導(dǎo)通角，兼顧二者最佳導(dǎo)通角，兼顧二者左右作為左右作為選選一般工程中一般工程中 70c 討論：討論：VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3 D類和類和E類功率放大器簡介類功率放大器簡介 1. D類功率放大器的原理分析類功率放大器的原理分析 D類功率放大器有類功率放大器有電壓開關(guān)型電壓開關(guān)型和和電流開

11、關(guān)型電流開關(guān)型兩種基本兩種基本電路，電壓開關(guān)型電路，電壓開關(guān)型D類功率放大器是已推廣應(yīng)用的電路類功率放大器是已推廣應(yīng)用的電路 uiub1ub2ic1ic2uLuA ub1和和ub2是由是由ui通過變壓器通過變壓器T1產(chǎn)生的兩個極性相反的輸入激勵產(chǎn)生的兩個極性相反的輸入激勵電壓電壓 ui正半周時正半周時VT1管飽和導(dǎo)通，管飽和導(dǎo)通，VT2管截止，電源管截止，電源EC對電容對電容C充充電，電容上的電壓很快充至電，電容上的電壓很快充至（EC- -UCES1）值，）值，A點(diǎn)對地的電點(diǎn)對地的電壓壓uA=（EC- -UCES1） 。 ui負(fù)半周時負(fù)半周時VT2管飽和導(dǎo)通，管飽和導(dǎo)通，VT1管截止。管截止。

12、VT2管的直管的直流電源由電容流電源由電容C上充的電荷供給，上充的電荷供給，uA= UCES20 uA近似為矩形波電壓，幅值為（近似為矩形波電壓，幅值為（EC-2UCES）。若）。若L、C和和RL串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號的角頻率串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號的角頻率上，且回路的上，且回路的Q值值足夠高，則通過回路的電流足夠高，則通過回路的電流ic1或或ic2是角頻率為是角頻率為的余弦波，的余弦波，RL上可得相對輸入信號不失真的輸出功率。上可得相對輸入信號不失真的輸出功率。VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3 D類和類和E類功率放大器簡介類功率放大器簡介 1. D類功率放大器的原理分析類功率

13、放大器的原理分析 D類功率放大器有類功率放大器有電壓開關(guān)型電壓開關(guān)型和和電流開關(guān)型電流開關(guān)型兩種基本兩種基本電路，電壓開關(guān)型電路，電壓開關(guān)型D類功率放大器是已推廣應(yīng)用的電路類功率放大器是已推廣應(yīng)用的電路 uiub1ub2ic1ic2uLuA ub1和和ub2是由是由ui通過變壓器通過變壓器T1產(chǎn)生的兩個極性相反的輸入激勵產(chǎn)生的兩個極性相反的輸入激勵電壓電壓 ui正半周時正半周時VT1管飽和導(dǎo)通，管飽和導(dǎo)通，VT2管截止，電源管截止，電源EC對電容對電容C充充電，電容上的電壓很快充至電，電容上的電壓很快充至（EC- -UCES1）值，）值，A點(diǎn)對地的電點(diǎn)對地的電壓壓uA=（EC- -UCES1）

14、 。 ui負(fù)半周時負(fù)半周時VT2管飽和導(dǎo)通，管飽和導(dǎo)通，VT1管截止。管截止。VT2管的直管的直流電源由電容流電源由電容C上充的電荷供給，上充的電荷供給，uA= UCES20 uA近似為矩形波電壓，幅值為（近似為矩形波電壓，幅值為（EC-2UCES）。若）。若L、C和和RL串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號的角頻率串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號的角頻率上，且回路的上，且回路的Q值值足夠高，則通過回路的電流足夠高，則通過回路的電流ic1或或ic2是角頻率為是角頻率為的余弦波，的余弦波，RL上可得相對輸入信號不失真的輸出功率。上可得相對輸入信號不失真的輸出功率。ECUCESEC-2-2UCESuAtic1ti

15、c2tuLt 盡管每管飽和導(dǎo)通時的電流很大，但相應(yīng)的管壓降很盡管每管飽和導(dǎo)通時的電流很大，但相應(yīng)的管壓降很小，這樣，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高小，這樣，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高 2. 輸出功率及效率計(jì)算輸出功率及效率計(jì)算 uA為矩形方波，用傅里葉級數(shù)展開后可求得其基波分為矩形方波，用傅里葉級數(shù)展開后可求得其基波分量的振幅為量的振幅為 ： VT1管電流管電流ic1 (或或VT2管管電流電流ic2)的直流電流為：的直流電流為： ECEC-2-2UCESuAtUCESic1tic2tuLt UA1m EC 4L2C2T0CLD4dsin41REttETRI ID電源供給的直

16、流功率：電源供給的直流功率：PD=2 EC ID L22CD8REP 放大器的輸出功率放大器的輸出功率Po為為 ；L22CL2A1mo821RERUP 效率效率=PoPD =100 實(shí)際晶體管的飽和壓降不可能為零，又考慮到管子結(jié)電實(shí)際晶體管的飽和壓降不可能為零，又考慮到管子結(jié)電容、電路分布電容的影響容、電路分布電容的影響(使管壓降波形使管壓降波形uA有一定上升沿和下有一定上升沿和下降沿降沿)，從而使，從而使D類功放的效率小于類功放的效率小于100，典型值大于，典型值大于90。 2.2.4 丙類倍頻器丙類倍頻器 功用：功用：輸出信號的頻率是輸入信號頻率的整數(shù)倍。輸出信號的頻率是輸入信號頻率的整數(shù)

17、倍。在在無無線線電電發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)中中常常采采用用倍倍頻頻器器，其其目目的的是是降降低低振振蕩蕩器器頻頻率率，提提高高振振蕩蕩器器的的頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定度度。常常用用的的倍倍頻頻器器：丙丙類類倍倍頻頻器器：利利用用丙丙類類放放大大器器脈脈沖沖電電流流的的諧諧波波獲獲得得倍倍頻頻。參參量量倍倍頻頻器器：利利用用結(jié)結(jié)電電容容電電壓壓變變化化的的非非線線性性來來獲獲得得倍倍頻頻。2.2.4 丙類倍頻器丙類倍頻器1 丙丙類類倍倍頻頻器器的的電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)晶晶體體管管倍倍頻頻器器與與高高頻頻功功放放的的線線路路基基本本相相同同，唯唯一一不不同同之之處處是是它它的的集集電電極極回回路路對對輸輸入入信信號號的

18、的某某次次諧諧波波頻頻率率 nf 調(diào)調(diào)諧諧。 (1) 丙丙類類倍倍頻頻器器工工作作原原理理分分析析已知丙類放大器集電極電流已知丙類放大器集電極電流ci為尖頂余弦脈沖，即：為尖頂余弦脈沖，即： tncosIt2cosItcosIIiCn2C1CCOc 如如果果集集電電極極回回路路不不是是調(diào)調(diào)諧諧于于基基波波，而而是是調(diào)調(diào)諧諧于于 n 次次諧諧波波那那么么回回路路對對基基波波和和其其它它諧諧波波的的阻阻抗抗很很小小，而而對對 n 次次諧諧波波的的阻阻抗抗則則達(dá)達(dá)到到最最大大值值，且且呈呈電電阻阻性性。于于是是回回路路的的輸輸出出電電壓壓和和功功率率就就是是 n 次次諧諧波波，故故起起到到了了倍倍頻

19、頻作作用用。2.2.4 丙類倍頻器丙類倍頻器工工作作于于二二次次諧諧波波倍倍頻頻器器的的電電流流和和電電壓壓關(guān)關(guān)系系如如下下圖圖所所示示：其其中中：tUEuCCce 2cos2 , 而而 PCCRIU22 PR為為 LC 回回路路諧諧振振在在 2時時的的并并聯(lián)聯(lián)諧諧振振電電阻阻。iC+uce- Ec +-uc2+iciC1iC2ic頻譜頻譜0 2 3 4ICOIC1IC2IC3IC4LC諧振特性諧振特性注注意意點(diǎn)點(diǎn)：1 在在有有ci流流通通的的時時間間內(nèi)內(nèi)，倍倍頻頻器器的的集集電電極極瞬瞬時時電電壓壓上上升升速速度度比比較較快快， 故故倍倍頻頻器器的的集集電電極極耗耗散散功功率率CP比比正正常常工工作作于于基基波波狀狀態(tài)態(tài)時時大大得得多多，即即集集電電極極效效率率c 較較低低，且且倍倍頻頻次次數(shù)數(shù) n 值值較較高高，損損耗耗較較大大，效效率率較較低低，故故丙丙類類倍倍頻頻器器一一般般只只限限于于二二倍倍頻頻和和三三倍倍頻頻的的應(yīng)應(yīng)用用。 iC1iC1iC1iC2iC2iC22.2.4晶體管倍頻器晶體管倍頻器2. 由由于于倍倍頻頻器器主主要要是是利利用用了了余余