通信電路——高頻功率放大器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1通信電路通信電路高頻功率放大器高頻功率放大器 功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。電壓增益：電壓增益：1)/(beLcrRR1)/)(1 ()/()1 (LebeLeRRrRR1)/(beLcrRR電流增益：電流增益：+1三種組態(tài)的基本放大電路三種組態(tài)的基本放大電路CECCCB第1頁/共35頁1. 諧振（高頻）功放與非諧振（低頻）功放的比較諧振（高頻）功放與非諧振（低頻）功放的比較相同: 要求輸出功率大，效率高非線性(大信號)不同:低頻（音頻）: 20Hz20kHz1000minmaxff高頻（射頻）:3minmaxff（以調(diào)幅為例 ） ttmVtcoscos1)(fom

2、ov已調(diào)信號lowhighAM廣播信號:535kHz1605kHz，BW=10kHz1001k1000k100fBW諧振與非諧振(工作狀態(tài))2k10k200fBW高頻窄帶信號工作頻率與相對頻寬不同,第2頁/共35頁u輸入為大信號輸入為大信號u要求輸出功率盡可能大要求輸出功率盡可能大, ,管子工作在接近極限狀管子工作在接近極限狀態(tài)態(tài)u效率要高效率要高u非線性失真要小非線性失真要小uBJTBJT的散熱問題的散熱問題( (管子的保護(hù)管子的保護(hù)) )第3頁/共35頁(a)甲類甲類 class-A amplifier(b)乙類乙類 class-B amplifier(c)甲乙類甲乙類 class-AB

3、amplifier(d)丙類丙類 class-C amplifier2. 分類分類流通角:一個(gè)周期內(nèi)有電流流通的相角.第4頁/共35頁3.要解決的問題要解決的問題 減小失真（線性度） 管子的保護(hù) 提高輸出功率 提高效率PPCo=率直流電源提供的直流功輸出功率CooPPP)()(=)(C o直流功耗交流功率直流電源功率PPP第5頁/共35頁 丙類丙類(C類類) 放大器的效率最高，但是波形失真也最嚴(yán)重。放大器的效率最高，但是波形失真也最嚴(yán)重。4. 效率與失真矛盾的解決效率與失真矛盾的解決tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0Clowhigh3n20第6頁/共35頁4. 效率與

4、失真矛盾的解決效率與失真矛盾的解決有源器件有源器件諧振回路諧振回路窄帶諧振放大窄帶諧振放大器器丙類丙類 通過諧振負(fù)載，從丙類余弦周期脈沖里恢復(fù)基波完整周期通過諧振負(fù)載，從丙類余弦周期脈沖里恢復(fù)基波完整周期信號。信號。32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路晶體管晶體管第7頁/共35頁功能：將直流功率轉(zhuǎn)換為交流信號功率。功能：將直流功率轉(zhuǎn)換為交流信號功率。主要指標(biāo)：輸出功率與效率主要指標(biāo)：輸出功率與效率工作狀態(tài)：丙類大信號的非線性狀態(tài)（非線性失真）工作狀態(tài)：丙類大信號的非線性狀態(tài)（非線性失真）分析方法：分析方法：折線近似分析法。折線近似分析法。( (大信號大信號) )高頻

5、諧振功率放大器高頻諧振功率放大器第8頁/共35頁5.2.1 獲得高效率所需要的條件5.2.2 功率關(guān)系第9頁/共35頁Vbmvbt 小信號諧振放大器與丙類諧振功率放大器的區(qū)別之處在于：工作狀態(tài)分別為小信號甲類與大信號丙類。因此，采用負(fù)電源作基極偏置。tiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe轉(zhuǎn)移特性iCVBZo理想化tVVcosbmBBBEv失真第10頁/共35頁(b)t或電壓電流0VBZVCCVBBVbmVcmvbE maxqiCic maxciCvCEvBEvCE min1. iC 與vBE同相，與vCE反相；2. iC 脈沖最大時(shí)，vCE最小；3. 通角和vCEmin越小，Pc越??；

6、tVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEvtTPTd10CECcviPPocCooPPP第11頁/共35頁電路正常工作電路正常工作（丙類、（丙類、諧振諧振）時(shí)，時(shí)，外部電路關(guān)系式：外部電路關(guān)系式：tnItItIIincos 2coscoscmcm21cm0cCtVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEv諧振回路第12頁/共35頁直流功率：直流功率：輸出交流功率：輸出交流功率：cm1cmo21IVPp21cmp2cm212RIRVPPoc)(2121c10cCC1cmcmqgIVIV集電極效率：集電極效率：CCcmVV集電極電壓利用系數(shù)集電極電壓利用系數(shù)tVVcmCCCEcos

7、v0ccm1c1)(IIgq波形系數(shù)波形系數(shù)tnItItIIincos 2coscoscmcm21cm0cC第13頁/共35頁5.3.2 集電極余弦電流脈沖的分解5.3.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載特性5.3.4 各極電壓對工作狀態(tài)的影響5.3.5 工作狀態(tài)的計(jì)算(估算)舉例第14頁/共35頁00.5ff0.2fTfT 5.0ff 中中頻頻區(qū)區(qū)：T2 . 05 . 0fff高高 頻頻 區(qū)區(qū) ：TT2 .0fff第15頁/共35頁為了對高頻功率放大器進(jìn)行定量分析與計(jì)算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量Ic0與基頻分量Icm1。最好能有一個(gè)明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來顯示二者與通角c的關(guān)系，以便于電路設(shè)計(jì)和

8、調(diào)試時(shí)，對放大器工作狀態(tài)的選擇指明方向?？紤]到諧振功率放大器工作于丙類（非線性、大信號）狀態(tài)，采取圖解法與數(shù)學(xué)解析分析相折中的辦法：折線近似分析法。第16頁/共35頁iC=gcrvCE欠壓臨界過壓第17頁/共35頁iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) 第18頁/共35頁VbmvbttiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe轉(zhuǎn)移特性iCVBZ0理想化 以上建立了晶體管的簡化分析模型，下面求解集電極余弦脈沖電流中的各個(gè)頻率分量。首先，寫出其表達(dá)式。bmBZBBccosVVVqiC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) =gc(VbmcostVBZVBB) =gcVbm (co

9、stcos qc)= gcVbm(1cos qc)當(dāng)t=0時(shí)，iC= iC max 當(dāng)t= qc時(shí)，iC= 0tVVcosbmBBBEvccCmaxCcos1coscosqqtii第19頁/共35頁圖5.3.3 尖頂余弦脈沖由傅里葉級數(shù)求系數(shù)，得由傅里葉級數(shù)求系數(shù)，得)cos1 (cossin)(ccccc0qqqqq其中：其中：)(d21c0maxCC0CccqqqitiI)(dcos1cnmaxCCcmnqqqittniIcc)cos1 (sincos)(ccccc1qqqqq)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnqqqqqqnnnnn尖頂余弦脈沖的分解系數(shù)0cc

10、m1c1)(IIgq波形系數(shù)波形系數(shù))()(c0c1qqccccccc1cossinsincos)(qqqqqqqgtnItItIIincos 2coscoscmcm21cm0cC)(ccCmaxCcos1coscosqqtiiic取決于脈沖高度iC max與通角qc第20頁/共35頁 下面分析基波分量Icm1、集電極效率c和輸出功率Po隨通角qc變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qc10180120 160100123140 尖頂脈沖的分解系數(shù)當(dāng)qc120時(shí)，Icm1/iCmax最大。在iCmax與負(fù)載阻抗Rp為某定值的情

11、況下，輸出功率將達(dá)到最大值。但此時(shí)放大器處于甲乙類狀態(tài)，效率太低。)cos1 (cossin)(ccccc0qqqqq)cos1 (sincos)(ccccc1qqqqq)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnqqqqqqnnnnn)(c1maxC1CqiImp21cm021RIP 第21頁/共35頁n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qc10180120 160100123140ccccccc0c1c1cossinsincos)()()(qqqqqqqqqg)(21)()(2121c1c0c10cCC1cmcmocqqqgIVIVPP由

12、曲線可知：極端情況由曲線可知：極端情況q qc=0時(shí)，時(shí)，2)()()(c0c1c1qqqg如果此時(shí)如果此時(shí) =1， c可達(dá)可達(dá)100%。為了兼顧功率與效率，為了兼顧功率與效率，最佳通角取最佳通角取70 左右。左右。0)0(1maxC1cmiI 下面分析基波分量Icm1、集電極效率c和輸出功率Po隨通角qc變化的情況，從而選擇合適的工作狀態(tài)。 尖頂脈沖的分解系數(shù)第22頁/共35頁 因此，下面分析四個(gè)參數(shù)Rp和電壓VCC 、VBB、Vbm的變化對工作狀態(tài)的影響，即諧振功放的動(dòng)態(tài)特性，從而闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)，為工作狀態(tài)的調(diào)整提供參考。 集電極效率c和輸出功率Po是否能最佳實(shí)現(xiàn)最終取決于功放中外

13、部電路參數(shù)Rp和電壓 VBB、Vbm 、 VCC 。bmBZBBccosVVVq)(c1max1cmqCiIp1cmcmRIViC max = gcVbm(1cos qc)p21cmp2cmcm1cmo21221RIRVIVP第23頁/共35頁1. 高頻功放的動(dòng)態(tài)特性-為一直線 下面通過折線近似分析法定性分析其動(dòng)態(tài)特性，首先，建立由Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的輸出動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線。BZBEcCVgiv0CEcCVVVgcmbmvi0CEdVgvccmCC0cosqVVV; cmbmcdVVggp1cmcmRIVvceicAVCCQVcmvcmingdtVVcoscmCCCEvtVVco

14、sbmBBBEvcmCECCbmBBBEVvVVVvVoBcqcq第24頁/共35頁2. 高頻功放的負(fù)載特性vBEiC-VBBVBZvbCqCqiCCqCqgCVbmvbemaxiCmaxvceiCVCCQvceminVcesgdvbemaxgcr過過壓壓區(qū)區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓區(qū)vbemax第25頁/共35頁2. 高頻功放的負(fù)載特性iCvcevbemax過過壓壓區(qū)區(qū)臨界區(qū)臨界區(qū)欠壓區(qū)欠壓區(qū)欠壓過壓0臨界RpcmV0cI1cmI欠壓過壓0臨界RpPPoc0cCCIVP 1cmcmo21IVP ocPPP第26頁/共35頁欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)：欠壓、過壓、臨界三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)：

15、結(jié)論：結(jié)論：欠壓：恒流，欠壓：恒流，Vcm變化，變化，Po較小，較小，c低，低，Pc較大；較大；過壓：恒壓，過壓：恒壓，Icm1變化，變化，Po較小，較小，c可達(dá)最高；可達(dá)最高；臨界：臨界：Po最大，最大，c較高；較高；最佳工作狀態(tài)發(fā)射機(jī)末級中間放大級2. 高頻功放的負(fù)載特性圖圖5.3.7 負(fù)載特性曲線負(fù)載特性曲線欠壓過壓0臨界RpPPoc0cCCIVP 1cmcmo21IVP ocPPP欠壓過壓0臨界RpcmV0cI1cmIoptR第27頁/共35頁調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載Rp；改變供電電壓VCC；改變偏壓VBB；改變激勵(lì)Vb。(1)改變Rp，但V

16、b、VCC、VBB不變：當(dāng)負(fù)載電阻Rp由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率最大。(2) 改變VCC，但Rp、Vb、VBB不變：當(dāng)集電極供電電壓VCC由小至大變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。第28頁/共35頁在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。VCC變化時(shí)對工作狀態(tài)的影響變化時(shí)對工作狀態(tài)的影響第29頁/共35頁 改變VCC時(shí)，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如上圖所示。在過壓區(qū)中輸出電流和功率隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依

17、據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的（見本教材第7章）。第30頁/共35頁(3) Vbm變化，但VCC、VBB、Rp不變或VBB變化，但VCC、Vbm、Rp不變：這兩種情況所引起放大器工作狀態(tài)的變化是相同的。因?yàn)闊o論是Vbm還是VBB的變化，其結(jié)果都是引起vBE的變化。tVVcosbmBBBEvbmBBbemaxVVv第31頁/共35頁 諧振功率放大器的計(jì)算諧振功率放大器的主要指標(biāo)是功率和效率。以臨界狀態(tài)為例：1) 首先要求得集電極電流脈沖的兩個(gè)主要參量iCmax和qc導(dǎo)通角：導(dǎo)通角：集電極電流脈沖幅值：集電極電流脈沖幅值：= gcVbm(1cos qc)iC max 第32頁/共35頁2) 電流余弦脈沖的各諧波分量系數(shù)0(qc)、1(qc)、n(qc)可查表求得，并求得個(gè)分量的實(shí)際值。3) 諧振功率放大器的功率和效率直流功率：直流功率：交流輸出功率：交流輸出功率：集電極效率：集電極效率：PPoc)(21c1qgP=Ic