第6讲-高频-丙类功率放大器原理和工作状态.课件.ppt

1、第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM1射频功率放大器射频功率放大器 (Power Amplifier)高频功率放大器的特点高频功率放大器的特点丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器谐振功率放大器的电路组成谐振功率放大器的电路组成宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM2cooDocPPPPP 功放是能量转换器功放是能量转换器： 在输入信号的作用下，直流电源提供的直流功在输入信号的作用下，直流

2、电源提供的直流功率率PD中，一部分被转换为输出信号功率中，一部分被转换为输出信号功率P0 ，其余部，其余部分消耗在功率管中，成为功率管的耗散功率分消耗在功率管中，成为功率管的耗散功率Pc ，即，即管耗。管耗。c放大器的集电极效率放大器的集电极效率 ( (Collection efficiency) )就是来评价这种转换能力的性能指标：就是来评价这种转换能力的性能指标： 作为放大器，作为放大器，功率增益功率增益是重要的性能指标，是重要的性能指标，但却是但却是第二位第二位的。的。第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM3二. 功率管

3、的运用特性功率管的运用特性 在功放中，往往在功放中，往往选择不同的静态工作选择不同的静态工作点，使功放运用在特点，使功放运用在特性不同的区段上，来性不同的区段上，来实现甲，乙，丙，丁实现甲，乙，丙，丁等不同运用状态。在等不同运用状态。在输入余弦波激励下输入余弦波激励下,集集电极输出电流电极输出电流iC 的波形的波形不同：不同：Demo:高频放大器工作状态的划分第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM4 管子的运用状态不同，相应的最大集电极效率管子的运用状态不同，相应的最大集电极效率也就不同。假定管子集电极电流为也就不同。假定管子

4、集电极电流为iC，电压为，电压为vCE则则tdvitdviPCECCECC2121丙类效率最高丙类效率最高。 为晶体管集电极电流导通角，为晶体管集电极电流导通角，iC导通时间越小，导通时间越小，PC就越低。就越低。演示：功率放大器A、B、C类示意图第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM5高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理 1 基基本本电电路路结结构构+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b) 等效电路等效电路+uc1-UBBCECL+uS-+ub-(a) 原理电路原理电路主要由五个部分组成：主要由五个部分组

5、成： 1）集电极直流电源）集电极直流电源 2）基极偏置电路）基极偏置电路 3）大功率晶体管）大功率晶体管 4）输入激励电路）输入激励电路 5）输出谐振回路）输出谐振回路第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM6+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic常常数数 ceuBEccuig2 工作原理分析工作原理分析uBEic-UBBUBZubCCicCC(1) 集集电电极极电电流流ci 设设输输入入信信号号电电压压:tUubmb cos Ubm则则 加加 到到 晶晶 体体 管管 基基 极极 ,发发 射射 级级 的的有有 效效

6、 电电 压压 为为 :tUUUuubmBBBBbBE cos 由由晶晶体体管管的的转转移移特特性性曲曲线线可可以以看看出出：当当BZBEUu ，0 ci 当当BZBEUu ， BZBEccUugi 式式中中cg为为：gC折折线线的的斜斜率率有有 BZbmBBccUtUUgi cos +uBE _第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM7第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM8第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022

7、 11:52 PM92 工作原理分析工作原理分析(1) 集集电电极极电电流流ci BZbmBBccUtUUgi cos由由于于当当ct 时时，0 cibmBZBBcUUU cosbmBZBBcUUU 1cos cbmccbmbmcBZBBbmcctUgUtUgUUtUgi coscoscoscos)(cos 又又当当0t 时时， cbmccUgI cos1max vBEic-UBB-UBZvbCCicCCVbmgCIcmaxccbmcIUg cos1max 代代 入入ci有有 ： 尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的数数学学表表达达式式cccmaxccos1coscos tIi+ub-RpCL+uCE

8、-EC-UBB+uc1-ic+uBE _第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM10ccmaxcccos1costcosii (1) 集电极电流集电极电流若若对对ci分分解解为为付付里里叶叶级级数数为为： ntItItIIic cos2coscoscmncm1cm1co其其中中各各系系数数分分别别为为： ccoIItdiI 0cmaxcccccmaxc)cos1cossin)(21 cccccccmIIttdiIcc 1cmaxcmax1)cos1cossin1()(cos21 cncccccccccmnInnnnittdniI

9、cc cmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21 式式中中：(1) c 0， c 1， cn 称称为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的分分解解系系数数。一一般般可可以以根根据据c 的的数数值值查查表表求求出出各各分分解解系系数数的的值值。 (2) coI，cm1I，cm2I，cmnI为为直直流流及及基基波波和和各各次次谐谐波波的的振振幅幅。 ictccic1ic2ic3IcoIcmax第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM11iC频谱频谱(2)集电极输出电压集电极输出电压ci经经 LC 并并联联谐谐振振回

10、回路路后后，此此回回路路对对基基波波产产生生谐谐振振，呈呈纯纯电电阻阻PRci（最最大大值值） ，而而对对其其它它谐谐波波失失谐谐阻阻抗抗很很低低，呈呈电电容容性性。因因而而回回路路选选出出基基波波电电压压1cu，而而滤滤除除各各次次谐谐波波电电压压。 2 3LC回回路阻路阻抗抗 Rp故故回回路路输输出出的的基基波波电电压压：tUtRIRiucmpcmpcc coscos111 而而晶晶体体管管集集电电极极的的输输出出电电压压：tUEucmCCE cos 0+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE _ictccic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuB

11、EtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic-UBBUBZubC UbmgCC 第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM123. 高频功放的功率关系高频功放的功率关系 (1) 集集电电极极电电源源提提供供的的直直流流功功率率：0CCDIEP (2) 集集 电电 极极 输输 出出 交交 流流 功功 率率 （ 负负 载载 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）PCmPCmCmCmRURIIUP2212121210 （注注意意PR为为回回路路谐谐振振阻阻抗抗）(3) 集集电电极极耗耗散散功功率率CP，oDCPPP (4) 集

12、集电电极极能能量量转转换换效效率率c ：cCOCCmCmCooDocIEIUPPPPP21211其其中中：CCmEU 为为集集电电极极电电压压利利用用系系数数； 讨讨论论：(1 )CPCmCCmERIEU1 ， cPR (3)cccocoocPPPPP 1 co13 1.02.02第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM13开放实验：高频功率放大器 本次实验主要研究以甲类谐振功率放大器为推动级，本次实验主要研究以甲类谐振功率放大器为推动级，以丙类谐振功率放大器为末级的混合功率放大器。以丙类谐振功率放大器为末级的混合功率放大器。第

13、六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM14bmVcmIV 5 . 0BBVdcP W6oPV 5 . 0 , 95. 0DV 晶体管高频功率放大器，电源晶体管高频功率放大器，电源 电压利用系数电压利用系数 输出功率输出功率 。求电源提供的功率。求电源提供的功率 ，峰值峰值 和导通角和导通角 。若偏压。若偏压 ，求输入信号所需的振幅求输入信号所需的振幅 。V, 24CCV,mA3000cI例题第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM15 W2 . 7243 . 00

14、cccdcVIP W2 . 162 . 7odccPPP%3 .832 . 76dcoPP0121 75. 12 0166407. 0cos419. 0)(1239. 0)(0查表得知：查表得知：解解第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM16mA 1255239. 0300)( 0cocmIImA 9 .5251255419. 0)(11cmcIIV 46. 2407. 05 . 05 . 0cosBBDbmVVV第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM17丙类

15、倍频器丙类倍频器 功功用用：输输出出信信号号的的频频率率是是输输入入信信号号频频率率的的整整数数倍倍。在在无无线线电电发发射射机机中中常常采采用用倍倍频频器器，其其目目的的是是降降低低振振荡荡器器频频率率，提提高高振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度。常常用用的的倍倍频频器器：丙丙类类倍倍频频器器：利利用用丙丙类类放放大大器器脉脉冲冲电电流流的的谐谐波波获获得得倍倍频频。参参量量倍倍频频器器：利利用用结结电电容容电电压压变变化化的的非非线线性性来来获获得得倍倍频频。第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM18工工作作于于二二次次

16、谐谐波波倍倍频频器器的的电电流流和和电电压压关关系系如如下下图图所所示示：其其中中：tUEuCCce 2cos2 , 而而 PCCRIU22 PR为为 LC 回回路路谐谐振振在在 2时时的的并并联联谐谐振振电电 阻阻。iC+uce- Ec +-uc2+iciC1iC2ic频谱频谱0 2 3 4ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性谐振特性注注意意点点：1 在在有有ci流流通通的的时时间间内内，倍倍频频器器的的集集电电极极瞬瞬时时电电压压上上升升速速度度比比较较快快， 故故倍倍频频器器的的集集电电极极耗耗散散功功率率CP比比正正常常工工作作于于基基波波状状态态时时大大得得多多，即即集集电电极

17、极效效率率c 较较低低，且且倍倍频频次次数数 n 值值较较高高，损损耗耗较较大大，效效率率较较低低，故故丙丙类类倍倍频频器器一一般般只只限限于于二二倍倍频频和和三三倍倍频频的的应应用用。 iC1iC1iC1iC2iC2iC2第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM192. 由由于于倍倍频频器器主主要要是是利利用用了了余余弦弦尖尖顶顶脉脉冲冲的的谐谐波波分分量量，即即： maxccncniI 在在作作倍倍频频器器应应用用时时，为为使使输输出出最最大大，一一般般应应选选择择使使 cn 为为最最大大值值的的导导通通角角，而而此此最最佳

18、佳导导通通角角为为： 0c0c040,3n60,2n,n120 3. 如如果果设设倍倍频频器器的的导导通通角角为为c ，则则倍倍频频器器的的输输出出功功率率和和效效率率为为 cnCcncnonIEIUP cmax2121而而其其中中：ccnEU 电电压压利利用用系系数数 cncoccncncgIEIUPP 2121Don 而而cocncocncnIIg 可可见见， n 次次谐谐波波倍倍频频器器的的输输出出功功率率正正比比于于 n 次次谐谐波波的的分分解解系系数数cn 。第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM20 高频功率放大器

19、的工作状态高频功率放大器的工作状态 第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM21当当放放大大器器工工作作在在谐谐振振状状态态时时，其其外外部部电电路路电电压压方方程程为为：若若 设设 ：tUubmb cos 输输入入端端：tUUubmBBBE cos 输输 出出 端端 ：tUEucmCce cos 其其 中中 ：tUuCmc cos1 +ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE _第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM22动态线（动态线（Dyn

20、imic Line）：）： 根据根据Vbe和和Vce的值在以的值在以Vbe为参变量的输出特性曲为参变量的输出特性曲线线ic=f(Vce)上找出对应的动态点和由此确定的上找出对应的动态点和由此确定的ic值并画值并画出出ic的波形。其中，动态点的连线称为谐振功率放大器的波形。其中，动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线。的动态线。A点： C点： B点：cmCCCEbmBBBEVVuVVUt 0，cos 0 ccmCCCEVVuit，cmCCCEVVuit 0 c，第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM23uceicAOECQ令令o

21、t90 由由外外部部方方程程可可得得： )(,:BZBBcQcBBBECceUUgIiUuEuQ令令o0t bmBBbbeCmCcceUUuuUEuuAmaxmin:连连 接接 Q 、 A 两两 点点 即即 得得 动动 态态 特特 性性 曲曲 线线 。Ucmc ucmin输输 出出 端端 ：tUEucmCce cos ubemaxDemo:谐振功率放大器的近似分析方法第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM24直线直线AB、BC动态特性曲线动态特性曲线 当当A A2 2点处于临界区称为点处于临界区称为临界临界（Critical）

22、状态状态当当A A1 1点处于放大区称为点处于放大区称为欠压欠压（Undervoltage）状态状态当当A A3 3点处于饱和区称为点处于饱和区称为过压过压（Overvoltage）状态状态Demo:功率放大器三种工作状态和状态波形第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM25在在A没有进入饱和区时，动态特性曲线斜率为没有进入饱和区时，动态特性曲线斜率为)cos1 (1)cos1 ()cos1 (11eeccmcmcmRRIIVIk利用利用A，B两点直线计算斜率：两点直线计算斜率：），（，），（0 cos mincmCCcmCEV

23、VBIVA第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM261. A1在欠压区在欠压区，ic为余弦脉冲，脉冲高度随为余弦脉冲，脉冲高度随Vcm增大略有减小。增大略有减小。2. A2临界状态临界状态。3. A3在过压区，在过压区，ic为中间凹陷的脉冲波，随着为中间凹陷的脉冲波，随着Vcm增大脉冲波的凹陷加深，高度减小。增大脉冲波的凹陷加深，高度减小。 当当VBE向向VBEmax增大，增大，VCE向着向着VCEmin减小时，对减小时，对应的动态点先到达临界点应的动态点先到达临界点(图中图中E点点)，ic值最大，而后值最大，而后进入饱和区，

24、进入饱和区，ic值减小，出现凹陷。直到值减小，出现凹陷。直到A3点，点，ic值达值达到最小。到最小。思考题：思考题： 在过压区为什么会出现凹陷？在过压区为什么会出现凹陷？第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM27 某谐振功率放大器的动特性如图所示，试回答并计算某谐振功率放大器的动特性如图所示，试回答并计算以下各选项以下各选项： (1)此时功放工作于何种状态？写出此时功放工作于何种状态？写出A，B，C三点坐标三点坐标,画出画出ic的波形。的波形。 (2)计算计算 和和 。CDPP , , eR例题第六讲第六讲 丙类功率放大器原理

25、和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM28(1) A，B，C三点坐标：三点坐标：) 0 , ( ) 0 , cos( ) , (cmCCcmCCcmcmCCVVCVVBIVVAABC动特性：由动特性知正好达到临界饱和线，动特性：由动特性知正好达到临界饱和线，故工作在临界状态，故工作在临界状态，ic的波形如下。的波形如下。解解第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM2944. 0)5 . 0(2)5 . 0(6 . 0)(cosbmBBDVVV64V 152minmaxCECEcmVVV由由 和

26、和 可求得可求得maxCEuminCEu(2) 由图可知：由图可知：V, 5 . 0BBVV, 6 . 0DV,A .02cmIV 18CCV第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM30 29.182410. 01511cmcmccmeIVIVR% 7435.815.6DocPP W2 . 215. 635. 8oDCPPP W35. 8232. 021800CCcmcCCDVIIVP W15. 6215410. 022211cmcmcmcoVIVIP第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM31第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM32第六讲第六讲 丙类功率放大器原理和工作状态丙类功率放大器原理和工作状态5/31/2022 11:52 PM33作业：作业：清华版教材：清华版教材：2-2