功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。 电压增益： 电流增益： +1 三种组态的基本放大电路 CECC CB 1. 功率放大电路的主要特点 输出功率 ABQ 功率三角形 允许轻微非线性波形失真。 要想Po大，应使Vom 和Iom都要大。 非线性(大信号) 1. 功率放大电路的主要特点 非线性(大信号) 管子工作在接近极限状态。 1. 要解决的问题 F 减小失真（线性度 ） F 管子的保护 F 提高输出功率 F 提高效率 2. 提高效率的途径 F 降低静态功耗，即减小静态电流。 vi= 0 vi= V0sint (a)甲类 class-A amplifier(b)乙类 class-B amplifier (c)甲乙类 class-AB amplifier(d)丙类 class-C amplifier 3. 分类 丙类(C类) 放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。 4. 效率与失真矛盾的解决 lowhigh 3 n 20 通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期 信号。 4. 效率与失真矛盾的解决 有源器件谐振回路 窄带谐振放大器 丙类 3 2 1 5 4 Tr1 Tr2 C L yL T 输入回路 输出回路 晶体管 5. 谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较 相同: 要求输出功率大，效率高非线性(大信号) 不同: 低频（音频）: 20Hz20kHz 高频（射频）:（以调幅为例 ） 已调信号 lowhigh AM广播信号: 535kHz1605kHz，BW=10kHz 谐振与非谐振 高频窄带信号 工作频率与相对频宽不同, 6.2.1 获得高效率所需要的条件 6.2.2 功率关系 V bm vbe t 小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于 ：工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电 源作基极偏置。 wt iC 0 -c +c VBB 0-c+c vbe 转移 特性 iC VBZ o 理想化 图图 6.2.1 6.2.1 高频功率放大器的高频功率放大器的 基本电路基本电路 (b) t 或电压 电流 0 VBZ VCC V BB Vbm Vcm vbE max iC ic max c iC vCE vBE vCE min 1. iC 与vBE同相，与vCE反相； 2. iC 脉冲最大时，vCE最小； 3. 导通角和vCEmin越小，Pc越小； 电路正常工作（丙类、谐振）时， 外部电路关系式： 直流功率： 输出交流功率： 集电极效率： 集电极电压利用系数 波形系数 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性 6.3.4 各极电压对工作状态的影响 6.3.5 工作状态的计算(估算)举例 6.3.16.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式晶体管特性曲线的理想化及其解析式 6.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解 6.3.3 高频功率放大器的动态特性与负载特性 6.3.4 各极电压对工作状态的影响 6.3.16.3.1 晶体管特性曲线的理想化及其解析式晶体管特性曲线的理想化及其解析式 0 0.5ff 0.2fT fT 为了对高频功率放大器进行定量分析与计算， 关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Icm1。 最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角 c的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工 作状态的选择指明方向。 考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、 大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中 的办法：折线近似分析法。 图图 6.3.1 6.3.1 晶体管的输出特性及其理想化晶体管的输出特性及其理想化 iC=gcrvCE End 图图 6.3.2 6.3.2 晶体管静态转移特性及其理想化晶体管静态转移特性及其理想化 iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) 以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦 脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。 iC =gc(vBEVBZ) (vBE VBZ) =gc(VbmcostVBZVBB) =gcVbm (costcos c) = gcVbm(1cos c)当t=0时，iC= iC max 取决于脉冲高度iC max与通角c 当t= c时，iC= 0 Vbm vbe t wt iC 0 -c +c VBB o-c+c vbe 转移 特性 iC VBZ 0 理想化 图6.3.3 尖顶余弦脉冲 由傅里叶级数求系数，得 其中：尖顶余弦脉冲的分解系数 波形系数 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角 c变化的情况，从而选择合适的工作状态。 尖顶脉冲的分解系数 当c120时，Icm1/iCmax最大。在 iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情 况下，输出功率将达到最大值。 但此时放大器处于甲乙类状态， 效率太低。 图6-9 尖顶脉冲的分解系数 由曲线可知：极端情况c=0时， 如果此时=1，c可达100%。 为了兼顾功率与效率，最佳通角取 70左右。 End 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率Po随通角 c变化的情况，从而选择合适的工作状态。 因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC 、VBB、Vbm的变化 对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工 作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。 集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于 功放中外部电路参数Rp和电压 VBB、Vbm 、 VCC 。 1. 高频功放的动态特性 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建 立由Rp和VCC 、VBB、Vbm 所表示的输出动态负载曲线。 vce ic Vo A VCC Q Vcm1 vcmin gd 2. 高频功放的负载特性 vBE iC -VBB VBZ vbe iC gC Vbm vbemax iCmax vce iC VCC Q vcemin Vces gd vbemax gcr 过 压 区 临界区 欠压区 vbemax 2. 高频功放的负载特性 iC vce vbemax 过 压 区 临界区欠压区 欠压过压 0 临 界 R p 欠压过压 0 临 界 R p End 欠压、过压、临界三种工作状态的特点： 结论： 欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，c低，Pc较大； 过压：恒压，Icm1变化，Po较小，c可达最高； 临界：Po最大，c较高； 最佳工作状态 发射机末级 中间放大级 2. 高频功放的负载特性 图6.3.7 负载特性曲线 欠压过压 0 临 界 R p欠压过压 0 临 界 R p vce iC vbemax Q VCC Q VCC Q VCC iC 1. 改变CC对工作状态的影响 过压欠压 0 临 界 V CC 过压欠压 0 临 界 V CC 集电极调幅作用是通过改变 VCC来改变cm1与o才能实现的，因 此，必须工作于过压区。 2. 改变bm对工作状态的影响 vce iC vbemax1 vbemax2 Q VCC vbemax4 iC vbemax3 欠压过压 0 临 界 V bm 欠压过压 0 临 界 V bm 3. 改变BB对工作状态的影响 基极调幅作用是通过改变BB来改变cm1与o才能实现的 ，因此，必须工作于欠压区。 vbe VBB vbemax1 vBE iC VBB vbemax2 VBB vbemax3 vce iC vbemax1 vbemax2 Q VCC vbemax3 iC VBB绝对值的增加等效于减少 Vbm，两者都会使vbemax产生相同的变化 End 例6.3.1 有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成 的谐振功率放大器，设已知CC24，工作 频率MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其 有关参数为f70MHz ，Ap（功率增益）13 dB，Cmax 750,CE(sat)(集电极饱和压降)1.5,CMW。 解： ）由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作 为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压 2） 解： 3）选c=70o， 4） 未超过电流安全工作范围。 5） 6） 7） 8） 9） End 6.5.1 馈电线路 6.5.2 输出、输入与级间耦合回路 以上的高频功率放大器的电路仅仅是其原理图。欲使高 频功率放大器正常工作于丙类某一最佳状态，与小信号谐振 放大器同样，必须有正确的直流通路和交流通路。除此之外 ，还要尽量减少功率传输中的损耗。这就涉及其馈电线路的 实现问题。 图图 6.5.1 6.5.1 对不同频率电流的等效电路对不同频率电流的等效电路 图图 6.5.2 6.5.2 集电极电路的两种馈电形式集电极电路的两种馈电形式 图图 6.5.3 6.5.3 基极馈电的两种形式基极馈电的两种形式 End 图图 6.5.3 6.5.3 几种常用的产生基极偏压的方法几种常用的产生基极偏压的方法 图图 6.5.5 6.5.5 放大器与负载之间用四端网络耦合放大器与负载之间用四端网络耦合 1. 输出匹配网络 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证 放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。 抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它应有良好 的滤波作用。 有效地传送功率到负载，但同时又应尽可能地使这几 个电子器件彼此隔离，互不影响。 图图 6.5.6 6.5.6 复合输出回路复合输出回路 1. 输出匹配网络 图图 6.5.7 6.5.7 等效电路等效电路 1. 输出匹配网络 虽然阻抗变换网络类型很多，但是，都可以等效成一个标 准的并联谐振回路。 下面就等效成的标准并联谐振回路 分析其功率传输效率。图中，r为等效 到谐振回路的负载电阻，r1为谐振回路 本身的损耗电阻。 例6.5.1 如图所示电路中，假设初、次级回路都谐振于工作频 率1MHz，RA为天线辐射电阻，其值为37 ，此处放大器用 晶体管3DA1，其工作条件同例6.3.1，试求M、L1、C1的值 ，使天线与3DA1匹配。设Q0=100,QL=10,假设回路介入系 数p=0.2。 解：由例6.3.1知，回路阻抗 由此，得 于是 谐振状态时，次级回路反映到初级的耦合电阻为 于是有 由 得 图图 6.5.10 6.5.10 晶体管等效电路晶体管等效电路 2. 输入匹配网络与级间耦合网络 ）中间放大级工作于过压状）中间放大级工作于过压状 态，此时它等效为一个理想电态，此时它等效为一个理想电 压源，其输出电压几乎不随负压源，其输出电压几乎不随负 载变化。载变化。 ）降低级间耦合回路的效率。）降低级间耦合回路的效率。 因为回路效率降低，意味着回路本身损耗加大，这样就使因为回路效率降低，意味着回路本身损耗加大，这样就使 下级输入电路的损耗功率相对来说显得不重要，也就是减弱了下级输入电路的损耗功率相对来说显得不重要，也就是减弱了 下级对本级工作状态的影响。下级对本级工作状态的影响。 图图 6.5.11 6.5.11 输入匹配网络举例输入匹配网络举例 2. 输入匹配网络与级间耦合网络 End 高频功率