電子線路高頻非線性部分1.2

1、第第 1 章章 功率電子線路功率電子線路1.2 功功率放大器率放大器的電路組成的電路組成和工作特性和工作特性1.2.1從一個(gè)例子講起從一個(gè)例子講起1.2.2甲類、乙類功率放大器的電路組成甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能及其功率性能1.2.1從一個(gè)例子講起從一個(gè)例子講起圖圖 121圖解分析圖解分析( (a) )圖圖 1- -2- -1 示為放大器的基本電路，現(xiàn)將其作為功率放示為放大器的基本電路，現(xiàn)將其作為功率放大器來分析它的功率性能。由此揭示功率放大電路組成及大器來分析它的功率性能。由此揭示功率放大電路組成及其工作性能上的特點(diǎn)。其工作性能上的特點(diǎn)。 分析法分析法 應(yīng)應(yīng) 用用 等效電路法

2、等效電路法 小小信號信號 圖解法圖解法 大信號大信號 冪級數(shù)法冪級數(shù)法 頻率變換頻率變換 時(shí)變參量法時(shí)變參量法 混頻混頻電子線路分析方法電子線路分析方法功率放大器為功率放大器為大信號放大器大信號放大器，工程分析時(shí)，多采用特，工程分析時(shí)，多采用特性曲線上作負(fù)載線的性曲線上作負(fù)載線的圖解分析法圖解分析法。 1Q 點(diǎn)的選擇點(diǎn)的選擇為了使電路在管子不出現(xiàn)飽和與截止失真的條件下輸為了使電路在管子不出現(xiàn)飽和與截止失真的條件下輸出功率最大，需把出功率最大，需把 Q 選在負(fù)載線的選在負(fù)載線的中點(diǎn)中點(diǎn)，即，即 ，LCCLCEQCCCQCCCEQ22RVRVVIVV VCE(sat) 0圖圖 121圖解分析圖解分

3、析 2集電極輸出電壓和電流集電極輸出電壓和電流( (假設(shè)假設(shè) VCE(sat) 和和 ICEO 為為 0) )圖圖 121圖解分析圖解分析( (b) )tVVvVvtIIiIisinsincmCEQceCEQCEcmCQcCQC其中，其中，CQLCEQLcmcmCCCEQcm,2IRVRVIVVV3PD ( (直流功率直流功率) )、PL ( (負(fù)載功率負(fù)載功率) ) 、 PC ( (管耗管耗) )CQCCCCC20Dd21IVtiVP cmcmCQCEQL2C20L21d21IVIVtRiP cmcmCQCEQCCE20C21d21IVIVtivP PL 和和 PC 均由均由直流直流和和交流

4、交流兩部分合成。例如：兩部分合成。例如： PL 中中：)(CCCEQDCQCEQVVPIV212，直流功率直流功率交流功率交流功率 4221DCQCEQcmcmoPIVIVP所以所以 %25Domax PP 4討論：討論：( (1) ) 電路組成上電路組成上甲類功放甲類功放 Cmax = 25%PD 中，輸出的信號功率中，輸出的信號功率 Po 僅占僅占 1/4，PD/2 消耗在消耗在 RL 上。上。提高提高 Cmax 的辦法：的辦法： 降低降低 Q 合理選擇管子的運(yùn)用狀態(tài)合理選擇管子的運(yùn)用狀態(tài)( (乙類或甲乙乙類或甲乙類類) )減小管子的靜態(tài)損耗。減小管子的靜態(tài)損耗。 消除消除 RL 上的直流

5、功率上的直流功率改進(jìn)管外電路，使之不改進(jìn)管外電路，使之不消耗直流功率。消耗直流功率。( (2) ) 工作特性上工作特性上 VCC 一定且一定且 Q 在負(fù)載線中點(diǎn)時(shí)，欲提高輸出信號功率，在負(fù)載線中點(diǎn)時(shí)，欲提高輸出信號功率，需增大需增大 Icm( (減小減小 RL) )，但必須，但必須同時(shí)增大激勵電流。同時(shí)增大激勵電流。圖圖 122RL 變化對功率性能的影響變化對功率性能的影響 RL 減小，負(fù)載線斜率改變，減小了集電極電壓振幅，減小，負(fù)載線斜率改變，減小了集電極電壓振幅，使使 Po 減??；減??； ICQ 增大，使增大，使 PD 增大，增大， C 降低。降低。5結(jié)論結(jié)論( (1) )在電路組成在電路

6、組成上，必須采用避免上，必須采用避免管外電路無謂消耗管外電路無謂消耗直流功率的結(jié)構(gòu)。直流功率的結(jié)構(gòu)。( (2) )在工作特性上，輸在工作特性上，輸出負(fù)載、輸入激勵和靜態(tài)出負(fù)載、輸入激勵和靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制，要高效工作點(diǎn)相互牽制，要高效率輸出所需信號功率，三率輸出所需信號功率，三者必須有一個(gè)最佳配置。者必須有一個(gè)最佳配置。1.2.2甲類、乙類功率放大器的電路組成甲類、乙類功率放大器的電路組成及其功率性能及其功率性能一、甲類變壓器耦合功率放大器一、甲類變壓器耦合功率放大器圖圖 123( (a) )原理電路原理電路1電路電路( (1) )輸入端輸入端 RB 偏置電阻；偏置電阻；CB 旁路電容；旁路電

7、容；Tr1 耦合變壓器。耦合變壓器。( (2) )輸出端輸出端Tr2 耦合變壓器，對耦合變壓器，對交流，交流，Tr2 起阻抗變換作用起阻抗變換作用。2電路分析電路分析 ( (靜態(tài)分析、動態(tài)分析、功率性能、管安全靜態(tài)分析、動態(tài)分析、功率性能、管安全) )( (1) )靜態(tài)分析靜態(tài)分析 畫直流通路畫直流通路 畫直流負(fù)載線畫直流負(fù)載線直流負(fù)載線方程：直流負(fù)載線方程： vCE = VCC直流負(fù)載線：直流負(fù)載線：EF圖圖 124甲類變壓器耦合功率放大器的圖解分析甲類變壓器耦合功率放大器的圖解分析 求求 Q 點(diǎn)點(diǎn) iB = IBQ， iC = ICQ， vCE = VCEQ = VCC( (2) )動態(tài)分

8、析動態(tài)分析 畫交流通路畫交流通路 畫交流負(fù)載線畫交流負(fù)載線交流負(fù)載線方程：交流負(fù)載線方程：過過 Q 點(diǎn)點(diǎn)作交流負(fù)載作交流負(fù)載線線 MN，LR1斜率斜率LcceRiv212WWnRnR，LL 求動態(tài)范圍求動態(tài)范圍甲類變壓器耦合功放圖解分析甲類變壓器耦合功放圖解分析( (3) )功率性能功率性能 當(dāng)輸入充分激勵，當(dāng)輸入充分激勵，Q 處在負(fù)載線處在負(fù)載線中點(diǎn)中點(diǎn)時(shí)，忽略非線性時(shí)，忽略非線性失真，且設(shè)失真，且設(shè) VCE(sat) = 0，ICEO = 0，則相應(yīng)的集電極電壓和則相應(yīng)的集電極電壓和電流分別為：電流分別為：，tIIi sincmCQC tVVv sincmCEQCE 其中：其中：Vcm =

9、 VCEQ = VCCLCCLcmCQcm/RVRVII 比較：比較：基本放大器電路，基本放大器電路， Vcm = VCC/2；變壓器耦合電路，變壓器耦合電路， Vcm = VCC，若呈現(xiàn)在集電極上的負(fù)，若呈現(xiàn)在集電極上的負(fù)載相等，則輸出信號功率增大載相等，則輸出信號功率增大 4 倍。倍。功率參數(shù)計(jì)算：功率參數(shù)計(jì)算：50%/2/2/2/2/2DocmaxDcmcmCQCCLDCDCQCEQcmcmoLCQCCD PPPIVIVPPPPIVIVPPIVP采用變壓器耦合，采用變壓器耦合， Cmax 將由將由 0.25 增大到增大到 0.5，即，即 PD 的一半轉(zhuǎn)換為的一半轉(zhuǎn)換為 Po。 若若 Q

10、處于交流負(fù)載線的處于交流負(fù)載線的中點(diǎn)中點(diǎn)，且充分激勵的條件下，且充分激勵的條件下，增大增大 VCC，或減小，或減小 ，Po 均將增大，但最后受安全工作均將增大，但最后受安全工作條件的限制。條件的限制。LR ( (4) )管安全管安全圖圖 124圖解分析圖解分析如如圖圖 1- -2- -4 所示所示，加在集電極上的最大電壓，加在集電極上的最大電壓 vCEmax = VCC + vcm 2VCC，通過集電極的最大電流通過集電極的最大電流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。 當(dāng)當(dāng) Po = 0 時(shí)，時(shí)，PD 全部消耗在管子中，因而消耗在集電全部消耗在管子中，因而消耗在集電極上的最大功率

11、極上的最大功率 PCmax = PD 。 安全工作條件：安全工作條件：CMDCmaxCMCQCMCQCmax(BR)CEOCC(BR)CEOCCCEmax2/22/2PPPIIIIiVVVVV 即即即即又，又，2/2/2/DCQCCcmcmomaxPIVIVP 用用 Pomax 表示表示，上述安全工作條件上述安全工作條件變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?/CQCCmaxoIVP 2/2/2/CM(BR)CEO）（）（IV V(BR)CEOICM/8 PCM/2 maxomaxoPP圖圖 115Pomax 取二者較小的值。取二者較小的值。 此外，還需檢查動態(tài)點(diǎn)是此外，還需檢查動態(tài)點(diǎn)是否落在二次擊穿限定的安全區(qū)否落在

12、二次擊穿限定的安全區(qū)內(nèi)。內(nèi)。二、乙類推挽功率放大器二、乙類推挽功率放大器乙類工作時(shí)，為在負(fù)載上合成完整的正弦波，必須采乙類工作時(shí)，為在負(fù)載上合成完整的正弦波，必須采用兩管輪流導(dǎo)通的用兩管輪流導(dǎo)通的推挽推挽( (Push-Pull) )電路。電路。實(shí)現(xiàn)方案：實(shí)現(xiàn)方案： 變壓器耦合推挽功放；變壓器耦合推挽功放； 乙類互補(bǔ)推挽功放。乙類互補(bǔ)推挽功放。1變壓器耦合功放變壓器耦合功放 ( (1) ) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)Tr1：輸入變壓器輸入變壓器，利用，利用二二次繞組的中心抽頭將次繞組的中心抽頭將 vi (t) 分分成兩個(gè)幅值相等，極性相反的激勵電壓成兩個(gè)幅值相等，極性相反的激勵電壓 vi1 = vi2

13、，分別加，分別加在兩管的基在兩管的基 - - 射極之間，實(shí)現(xiàn)兩管輪流導(dǎo)通。射極之間，實(shí)現(xiàn)兩管輪流導(dǎo)通。 Tr2：輸出變壓器：輸出變壓器，隔斷，隔斷 iC1 和和 iC2 到負(fù)載到負(fù)載的平均分量，的平均分量，并利用一次繞組的中心抽頭將并利用一次繞組的中心抽頭將 iC1 和和 iC2 中的基波分量在中的基波分量在 RL 中疊加，輸出正弦波。中疊加，輸出正弦波。T1 和和 T2：特性配對、相同導(dǎo)電類型的：特性配對、相同導(dǎo)電類型的 NPN 功率管。功率管。圖圖 125( (a) )變壓器耦合變壓器耦合( (2) ) 工作原理工作原理vi1(t) 0 時(shí)，時(shí)， T1 導(dǎo)通導(dǎo)通( (忽略射結(jié)壓降忽略射結(jié)壓

14、降) )； vi2(t) 0 時(shí)，時(shí)， T2 導(dǎo)導(dǎo)通；通； vi1(t) 0 時(shí)，時(shí)，T1 管管( (NPN 型型) ) 導(dǎo)通導(dǎo)通( (忽略射結(jié)壓降忽略射結(jié)壓降) )，T2 管管 ( (PNP型型) )截止，截止，iC1( ( iE1) )為正弦為正弦波的正半周；波的正半周；vi(t) 0，T1 導(dǎo)導(dǎo)通，負(fù)載線通，負(fù)載線 AQ 過過 Q 點(diǎn)，斜率為點(diǎn)，斜率為 1/RL ；Vi 0，T2 導(dǎo)導(dǎo)通，負(fù)載線通，負(fù)載線 A Q 過過 Q 點(diǎn)，斜率為點(diǎn)，斜率為 1/RL 。( (2) ) 性能分析性能分析( (忽略失真忽略失真) ) 一般性能分析一般性能分析在在 0 t 時(shí)，時(shí)，iC2 0 iC1 Ic

15、msin t t 2 時(shí)，時(shí)，iC1 0 iC2 Icmsin t集集 - - 射極間電壓：射極間電壓：VCE1 = VCC Vcmsin t，VCE2 = VCC Vcmsin t通過通過 RL 的電流：的電流：tIiiiiisincmC2C1EE1L2相應(yīng)產(chǎn)生的電壓：相應(yīng)產(chǎn)生的電壓：tVvsincmLRL 上的上的輸出功率輸出功率：PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2 正負(fù)電源正負(fù)電源總的直流功率：總的直流功率： PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/ 若充分激勵：若充分激勵：與與 RL 相匹配的輸入激勵相匹配的輸入激勵( (不出現(xiàn)飽和

16、不出現(xiàn)飽和失真的最大激勵失真的最大激勵) )。 令令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，則，則 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL相應(yīng)相應(yīng) Po 和和 PD 達(dá)到最大，達(dá)到最大，即即L2CCcmcmomax2 2RVIVP omaxL2CCL2CCcmCCDmax4)2(422PRVRVIVP 乙類功放的最大集電極效率乙類功放的最大集電極效率%5 .784Cmax 比甲類比甲類功放功放高高 若激勵不足若激勵不足 Vcm 減小，引入減小，引入電源電壓利用系數(shù)電源電壓利用系數(shù) 表示表示 Vcm的減小程的減小程度度。 定義定義 = Vcm/VCComax2LCC22Lcm2o21

17、21PRVRVP omaxL2CCLCCCCcmCCD4222PRVRVVIVP 4DoC PP集電極管耗：集電極管耗：omax2omax2oDC2C1)212()4(212/ )(PPPPPP 分析：分析：當(dāng)輸入激勵由大減小，即當(dāng)輸入激勵由大減小，即 減小時(shí)，減小時(shí)，Po、PD、 C 均單調(diào)減小，而均單調(diào)減小，而 PC1 和和 PC2 的變化非單調(diào)，的變化非單調(diào)，時(shí)最大時(shí)最大，其值為，其值為636. 02 omaxomax2max2Cmax1C2 . 02PPPP PD, C Cmax(0.785) C圖圖 127功放性能隨功放性能隨 變化的特性：變化的特性： 小時(shí)，小時(shí)，PD 、Po 、 C ??；小； 接近接近 1 時(shí)，時(shí)，PD 、Po 、 C 大。大。結(jié)論：結(jié)論： PC 非單調(diào)變化，非單調(diào)變化，兩兩頭小，中間大。頭小，中間大。 PD 隨隨 ( (激勵激勵)