非諧振功率放大器

1、第一章 非諧振功率放大器1-1 功率放大器概述功率放大器概述一、功放的任務與功率管安全工作條件一、功放的任務與功率管安全工作條件1. 任務任務：功率管在安全工作的條件下，非線性：功率管在安全工作的條件下，非線性失真在允許的范圍內，高效率地輸出大的功率。失真在允許的范圍內，高效率地輸出大的功率。2. 功率管安全工作的條件功率管安全工作的條件 PCmaxPCM vCEmaxV (BR)CEO iCmaxICM二、功率放大器的分類二、功率放大器的分類 按按負負載載性性質質分分 純阻負載純阻負載（非諧振功放）（非諧振功放） 電抗性負載電抗性負載（諧振功放）（諧振功放）甲類單管（變壓器耦合）甲類單管（變

2、壓器耦合）乙類推挽（變壓器耦合）乙類推挽（變壓器耦合）無輸出變壓器（無輸出變壓器（OTL或或OCL）集成功放集成功放寬帶高頻功率放大器（傳輸線變壓器）寬帶高頻功率放大器（傳輸線變壓器）線性諧振功放線性諧振功放丙類諧振功放丙類諧振功放高效率功放（丁類、戊類、己類）高效率功放（丁類、戊類、己類）二、功率放大器的分類二、功率放大器的分類（續(xù)）（續(xù)） 按按流流通通角角劃劃分分甲類功放甲類功放 180o乙類功放乙類功放 90o甲乙類甲乙類 90o 180o丙類丙類 P omax 3. 能量估算能量估算電源供給功率電源供給功率集電極輸出功率集電極輸出功率集電極平均管耗集電極平均管耗集電極效率集電極效率)(

3、2120恒值恒值CCCQCCCDVItdViP DLCCOLCCLCmLCmCmCmOPRVPRVRVRIIVP2112121max 22222222 若若DCOODCPPPPPP max00，若若 （理想）（理想）%211max50 CDOCPP 若若4. 結論結論1 1） 一旦電路確定，甲類單管功放一旦電路確定，甲類單管功放PD為恒值。若為恒值。若vi=0，則則PCmax=PD2） 匹配情況下，匹配負載值是唯一的；在匹配并匹配情況下，匹配負載值是唯一的；在匹配并充分激勵的情況下：充分激勵的情況下：4） 欲想提高欲想提高Pomax主要受到主要受到PCM限制限制 3） PO大小與交流負載大小與

4、交流負載RL 及及工作點工作點Q有關有關 50%,2maxDmaxOPP5. 甲類單管存在問題及解決途徑甲類單管存在問題及解決途徑問題：功率小、損耗大、效率低問題：功率小、損耗大、效率低原因：工作點設置太高原因：工作點設置太高解決思想方法解決思想方法： 為保證輸出電路波形不失真，采用推挽電路形式為保證輸出電路波形不失真，采用推挽電路形式 工作點工作點 Q 90o 乙類工作狀態(tài)乙類工作狀態(tài)1-2 乙類推挽功率放大器乙類推挽功率放大器一、一、 變壓器耦合乙類推挽電路變壓器耦合乙類推挽電路1）原理電路）原理電路一、一、變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)1）2）工作原理）工作原理 令

5、令VBE(on)=03）元件作用）元件作用Tr1完成兩管交替導通完成兩管交替導通Tr2完成阻抗匹配和上完成阻抗匹配和上下波形的合成，形成下波形的合成，形成完整的正弦波。完整的正弦波。一、一、變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)2）4）能量估算）能量估算LCCmaxDLCCD22RVPRVP221當當0P0RVPRVRVPOLCCmaxOLCC2LCmO222，1222maxOmaxCLCCC.)()(PPRVPPPOD202222122，當當（單管）（單管）0.636%.44CDOC578PP max當當1一、一、變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)3）Tc 5

6、）安全工作條件安全工作條件提高提高Pomax主要受到主要受到V(BR) CEO和和ICM的限制的限制一、一、變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)4）6）非線性失真非線性失真交叉失真（或交越失真）交叉失真（或交越失真） 現(xiàn)象現(xiàn)象 原因：原因：設設VBE(on)=0，實際實際VBE(on)0 措施：對措施：對T1 ，T2發(fā)射結適當加入正偏壓發(fā)射結適當加入正偏壓一、一、變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)5） (a)產生交叉失真產生交叉失真(b)克服交叉失真克服交叉失真 (c)輸出電流的波形輸出電流的波形 7）存在問題及解決途徑存在問題及解決途徑 問題：問題： 解決途

7、徑去掉解決途徑去掉Tr2 OTL電路電路一、一、變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)變壓器耦合乙類推挽電路（續(xù)6）二、無輸出變壓器的互補推挽功放二、無輸出變壓器的互補推挽功放1. OTL電路電路1) 類型：同型，異型類型：同型，異型 共同點：共同點：有公共負載有公共負載 RL ，有兩個電源有兩個電源 VCC /2 不同點：不同點：同型管構成的需兩個激勵源同型管構成的需兩個激勵源 異型管構成的只需一個激勵源異型管構成的只需一個激勵源1. OTL電路電路（續(xù)（續(xù)1）2) 互補對稱的互補對稱的OTL電路及工作原理電路及工作原理 原理：原理： 圖解分析：圖解分析： 電路：電路：A1. OTL電路電路（續(xù)（續(xù)2）

8、3) OTL電路存在的問題電路存在的問題措施：措施：a) 在末級兩管射極加入反饋電阻在末級兩管射極加入反饋電阻 存在交叉失真存在交叉失真采用形式采用形式: a) R與與D1,D2串聯(lián)，串聯(lián)，VB2B3VBE2(on)+VBE3(on)b) 加一電阻加一電阻R，R兩端并聯(lián)一只大容量的交流兩端并聯(lián)一只大容量的交流旁路電容旁路電容c) 恒壓偏置電路恒壓偏置電路措施：措施：可在兩管可在兩管B2B3之間加適當正偏壓之間加適當正偏壓 直接耦合導致工作點漂移直接耦合導致工作點漂移 b) 采用二級電壓并聯(lián)負反饋采用二級電壓并聯(lián)負反饋1. OTL電路電路（續(xù)（續(xù)3）3) OTL電路存在的問題（續(xù)）電路存在的問題

9、（續(xù)） 難選擇到互補對稱管難選擇到互補對稱管措施：采用復合管替代末級互補對稱管措施：采用復合管替代末級互補對稱管 不能充分利用末級互補對稱管不能充分利用末級互補對稱管原因：原因：推動級推動級T1工作在甲類，工作在甲類，R直負直負=RCR交交=RC/Ri3 措施：措施：引入自舉電路，使引入自舉電路，使R交負交負R直負直負 1. OTL電路電路（續(xù)（續(xù)4）4) 實際實際OTL電路（或準互補對稱的電路（或準互補對稱的OTL電路）電路） 電路：電路： 優(yōu)點：優(yōu)點：a) 克服工作點漂移克服工作點漂移b) 克服交叉失真克服交叉失真 c) 克服異型互補對稱管選管克服異型互補對稱管選管困難困難 d) 引入自舉

10、電路引入自舉電路, ,克服了不克服了不能充分利用末級互補對能充分利用末級互補對稱管稱管 1. OTL電路電路（續(xù)（續(xù)5）5) 能量估算能量估算L2D2RVPCC L22O2RVPCC )(maxOC222 PP(單管）(單管）maxOmaxC2 . 0,636. 0PP 當當 4C6) 調整調整 波形出現(xiàn)交叉失真（調波形出現(xiàn)交叉失真（調RW） 靜態(tài)靜態(tài)VA= （調調R1,R3）2CCV2. OCL電路電路1) 電路：電路：2) 原理：原理：與與OTL電路相同電路相同3) 與與OTL不同：不同：CL去掉，改成兩個電源去掉，改成兩個電源VCC供電供電調整：（靜態(tài)時）使調整：（靜態(tài)時）使VA=0(V

11、)，IL=0A一、集成電路要求與特點一、集成電路要求與特點1. 要求要求: 大電容，大電阻，電感外接大電容，大電阻，電感外接 二極管用三極管連接替代二極管用三極管連接替代 晶體管數(shù)目不限晶體管數(shù)目不限2. 特點特點:1-3 集成低功放集成低功放 1. 內部電路內部電路二、舉例：二、舉例：DG4100集成功放芯片集成功放芯片 T1、T2差分輸入級差分輸入級T3、R4、R5、T5組成分壓電路組成分壓電路 T4、T7:二級電流二級電流串聯(lián)負反饋放大器串聯(lián)負反饋放大器T5、T6有源負載有源負載T8、T12、T13、T14互補對稱互補對稱OTL功放功放二、舉例：二、舉例：DG4100集成功放芯片集成功放

12、芯片 2. 框圖框圖 差分輸入差分輸入(單入、單出）單入、單出）電流串聯(lián)電流串聯(lián)負反饋負反饋I電流串聯(lián)電流串聯(lián)負反饋負反饋II準互補對稱的準互補對稱的 OTL電路電路vivo兩級電流負反饋放大兩級電流負反饋放大電平移位電平移位前置電壓放大前置電壓放大對激勵信號放大對激勵信號放大1-4 寬帶高頻功放和功率合成技術寬帶高頻功放和功率合成技術一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器1. 結構與性能結構與性能結構：結構：分解分解二根導線（傳輸線）二根導線（傳輸線）可為同軸線、平行線、雙絞線、可為同軸線、平行線、雙絞線、高強度漆包線高強度漆包線變壓器變壓器 性能：性能：一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器2. 工作

13、原理工作原理 端口電壓相等端口電壓相等 例：例：1:1倒相器倒相器Ri : RL= 1:1Vi = V，Vo= -V流過傳輸線電流流過傳輸線電流大小相等，方向大小相等，方向相反相反一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器3. 常用的傳輸線變壓器常用的傳輸線變壓器1) 1:1 倒相器倒相器 2) 1:1平衡與不平衡變換器平衡與不平衡變換器i) 1:1平衡變不平衡變換器平衡變不平衡變換器 ii) 1:1不平衡變平衡變換器不平衡變平衡變換器 一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器3. 常用的傳輸線變壓器常用的傳輸線變壓器（續(xù)（續(xù)1）3) m:1傳輸線變壓器傳輸線變壓器 一般構成原則：一般構成原則： n個個1:1

14、理想的傳輸線變壓器與一根短理想的傳輸線變壓器與一根短路線始端相串，終端相并稱為路線始端相串，終端相并稱為m:1傳輸線變壓傳輸線變壓器器 m=(1+n)2n : n 個個1:1理想傳輸線變壓器理想傳輸線變壓器1: 一根短路線一根短路線其中其中一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器3. 常用的傳輸線變壓器常用的傳輸線變壓器（續(xù)（續(xù)2）4) 1:m傳輸線變壓器傳輸線變壓器 一般構成原則：一般構成原則： n個個1:1 理想的傳輸線變壓器與一根短理想的傳輸線變壓器與一根短路線始端相并，終端相串稱為路線始端相并，終端相串稱為1:m傳輸線變壓傳輸線變壓器器 m=(1+n)2n : n 個個1:1理想傳輸線變壓器理

15、想傳輸線變壓器1: 一根短路線一根短路線其中其中一、傳輸線變壓器一、傳輸線變壓器4. 存在問題存在問題 1) 阻抗比不能實現(xiàn)任意比值阻抗比不能實現(xiàn)任意比值 2) 頻帶寬，諧波分量多，導致非線性失真頻帶寬，諧波分量多，導致非線性失真可用平衡推挽抵消偶次諧波分量可用平衡推挽抵消偶次諧波分量二、寬帶功率合成技術二、寬帶功率合成技術 1. 寬帶功率合成的涵義寬帶功率合成的涵義 它指用傳輸線變壓器構成混合網(wǎng)絡作為它指用傳輸線變壓器構成混合網(wǎng)絡作為功率放大器的極間耦合網(wǎng)絡或多級這樣放功率放大器的極間耦合網(wǎng)絡或多級這樣放大器級聯(lián)實現(xiàn)功率合成或分配的技術。大器級聯(lián)實現(xiàn)功率合成或分配的技術。 用用4 : 1或或

16、1 : 1傳輸線變壓器構成混合的傳輸線變壓器構成混合的網(wǎng)絡稱為魔網(wǎng)絡稱為魔T型網(wǎng)絡。型網(wǎng)絡。二、寬帶功率合成技術二、寬帶功率合成技術2. 特點特點 1) 若有幾個功放，每個對負載提供功率為若有幾個功放，每個對負載提供功率為P，則則n個對負載提供功率為個對負載提供功率為nP。 2) n個功放之間彼此相互隔離，若其中一個損個功放之間彼此相互隔離，若其中一個損壞，不影響其他功放正常工作。壞，不影響其他功放正常工作。 二、寬帶功率合成技術二、寬帶功率合成技術3. 魔魔T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡 1) 用用4 : 1或或1 : 4傳輸線變壓器構成的魔傳輸線變壓器構成的魔T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡 i) 魔魔T型網(wǎng)絡結構型網(wǎng)絡結

17、構 ii) 理想魔理想魔T網(wǎng)絡條件網(wǎng)絡條件 設設1 : 4或或4 : 1特性阻抗為特性阻抗為R， 則理想魔則理想魔T網(wǎng)絡網(wǎng)絡RRRRRRR22DCBA 二、寬帶功率合成技術二、寬帶功率合成技術3. 魔魔T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡（續(xù)（續(xù)1） 1) 用用4 : 1或或1 : 4傳輸線變壓器構成的魔傳輸線變壓器構成的魔T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡 iii) 魔魔T網(wǎng)絡可等效為：網(wǎng)絡可等效為：二、寬帶功率合成技術二、寬帶功率合成技術3. 魔魔T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡（續(xù)（續(xù)2） 2) 用兩個用兩個1 : 1傳輸線變壓器構成的魔傳輸線變壓器構成的魔T網(wǎng)絡網(wǎng)絡 i) 結構結構ii) 理想魔理想魔T網(wǎng)絡條件網(wǎng)絡條件 設設1 : 1傳輸線變壓器的特性傳輸線變壓器的特性阻抗為阻抗為R，則理想魔則理想魔T網(wǎng)絡網(wǎng)絡2DCBARRRRRR 二、寬帶功率合成技術二、寬帶功率合成技術3. 魔魔T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡（續(xù)（續(xù)3） 3) 理想魔理想魔T網(wǎng)絡性能網(wǎng)絡性能 i) 功率合成功率合成同相合成同相合成