非谐振功率放大器

1、2021/2/71 第一章 非谐振功率放大器 2021/2/72 1-1 功率放大器概述功率放大器概述 一、功放的任务与功率管安全工作条件一、功放的任务与功率管安全工作条件 1. 任务任务:功率管在安全工作的条件下功率管在安全工作的条件下,非线性失真非线性失真 在允许的范围内在允许的范围内,高效率地输出大的功率。高效率地输出大的功率。 2. 功率管安全工作的条件功率管安全工作的条件 PCmaxPCM vCEmaxV (BR)CEO iCmaxICM 2021/2/73 二、功率放大器的分类二、功率放大器的分类 按按 负负 载载 性性 质质 分分 纯阻负载纯阻负载 （非谐振功放）（非谐振功放）

2、电抗性负载电抗性负载 （谐振功放）（谐振功放） 甲类单管（变压器耦合）甲类单管（变压器耦合） 乙类推挽（变压器耦合）乙类推挽（变压器耦合） 无输出变压器（无输出变压器（OTL或或OCL） 集成功放集成功放 宽带高频功率放大器（传输线变压器）宽带高频功率放大器（传输线变压器） 线性谐振功放线性谐振功放 丙类谐振功放丙类谐振功放 高效率功放（丁类、戊类、己类）高效率功放（丁类、戊类、己类） 2021/2/74 二、功率放大器的分类二、功率放大器的分类（续）（续） 按按 流流 通通 角角 划划 分分 甲类功放甲类功放 180o 乙类功放乙类功放 90o 甲乙类甲乙类 90o 180o 丙类丙类 P

3、omax 2021/2/710 3. 能量估算能量估算 电源供给功率电源供给功率 集电极输出功率集电极输出功率 集电极平均管耗集电极平均管耗 集电极效率集电极效率 )( 2 1 2 0 恒恒值值 CCCQCCCD VItdViP D L CC O L CC L Cm LCmCmCmO P R V P R V R V RIIVP 2 1 1 2 1 2 1 max 222 2222 2 若若 DC O ODC PP P PPP max 00，若若 （理想）（理想）% 2 11 max 50 C D O C P P 若若 2021/2/711 4. 结论结论 1 1） 一旦电路确定一旦电路确定,甲

4、类单管功放甲类单管功放PD为恒值。若为恒值。若vi=0, 则则PCmax=PD 2） 匹配情况下匹配情况下,匹配负载值是唯一的匹配负载值是唯一的;在匹配并充在匹配并充 分激励的情况下分激励的情况下: 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大小与交流负载大小与交流负载RL 及及工作点工作点Q有关有关 50%, 2 max D maxO P P 2021/2/712 5. 甲类单管存在问题及解决途径甲类单管存在问题及解决途径 问题问题:功率小、损耗大、效率低功率小、损耗大、效率低 原因原因:工作点设置太高工作点设置太高 解决思想方法解决思想方法: 为保证输出电路

5、波形不失真为保证输出电路波形不失真,采用推挽电路形式采用推挽电路形式 工作点工作点 Q 90o 乙类工作状态乙类工作状态 2021/2/713 1-2 乙类推挽功率放大器乙类推挽功率放大器 一、一、 变压器耦合乙类推挽电路变压器耦合乙类推挽电路 1）原理电路）原理电路 2021/2/714 一、一、变压器耦合乙类推挽电路（续变压器耦合乙类推挽电路（续1） 2）工作原理）工作原理 令令VBE(on)=0 2021/2/715 3）元件作用）元件作用 Tr1完成两管交替导通完成两管交替导通 Tr2完成阻抗匹配和上完成阻抗匹配和上 下波形的合成下波形的合成, ,形成完形成完 整的正弦波。整的正弦波。

6、 一、一、变压器耦合乙类推挽电路（续变压器耦合乙类推挽电路（续2） 2021/2/716 4）能量估算）能量估算 L CC maxD L CC D 2 2 R V P R V P 22 1当当 0P0 R V P R V R V P O L CC maxO L CC 2 L Cm O2 22 ， ， 1 2 2 2 maxOmaxC L CC C .) ()(PP R V PPP OD 20 2 2 22 1 22 ，当当 （单管）（单管） 0.636 %. 44 C D O C 578 P P max 当当 1 一、一、变压器耦合乙类推挽电路（续变压器耦合乙类推挽电路（续3） Tc 2021

7、/2/717 5）安全工作条件安全工作条件 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、变压器耦合乙类推挽电路（续变压器耦合乙类推挽电路（续4） 2021/2/718 6）非线性失真非线性失真交叉失真（或交越失真）交叉失真（或交越失真） 现象现象 原因原因:设设VBE(on)=0,实际实际VBE(on)0 措施措施:对对T1 ,T2发射结适当加入正偏压发射结适当加入正偏压 一、一、变压器耦合乙类推挽电路（续变压器耦合乙类推挽电路（续5） (a)产生交叉失真产生交叉失真 (b)克服交叉失真克服交叉失真 (c)输出电流的波形输出电流的波形 2021/2/71

8、9 7）存在问题及解决途径存在问题及解决途径 问题问题: 解决途径去掉解决途径去掉Tr2 OTL电路电路 一、一、变压器耦合乙类推挽电路（续变压器耦合乙类推挽电路（续6） 2021/2/720 二、无输出变压器的互补推挽功放二、无输出变压器的互补推挽功放 1. OTL电路电路 1) 类型类型:同型同型,异型异型 共同点共同点:有公共负载有公共负载 RL ,有两个电源有两个电源 VCC /2 不同点不同点:同型管构成的需两个激励源同型管构成的需两个激励源 异型管构成的只需一个激励源异型管构成的只需一个激励源 2021/2/721 1. OTL电路（续电路（续1） 2) 互补对称的互补对称的OTL

9、电路及工作原理电路及工作原理 原理原理: 图解分析图解分析: 电路电路: A 2021/2/722 1. OTL电路（续电路（续2） 3) OTL电路存在的问题电路存在的问题 措施措施:a) 在末级两管射极加入反馈电阻在末级两管射极加入反馈电阻 存在交叉失真存在交叉失真 采用形式采用形式: a) R与与D1,D2串联串联,VB2B3VBE2(on)+VBE3(on) b) 加一电阻加一电阻R,R两端并联一只大容量的交流旁两端并联一只大容量的交流旁 路电容路电容 c) 恒压偏置电路恒压偏置电路 措施措施:可在两管可在两管B2B3之间加适当正偏压之间加适当正偏压 直接耦合导致工作点漂移直接耦合导致

10、工作点漂移 b) 采用二级电压并联负反馈采用二级电压并联负反馈 2021/2/723 1. OTL电路（续电路（续3） 3) OTL电路存在的问题（续）电路存在的问题（续） 难选择到互补对称管难选择到互补对称管 措施措施:采用复合管替代末级互补对称管采用复合管替代末级互补对称管 不能充分利用末级互补对称管不能充分利用末级互补对称管 原因原因:推动级推动级T1工作在甲类工作在甲类, ,R直负 直负=RCR交交=RC/ /Ri3 措施措施:引入自举电路引入自举电路, ,使使R交负 交负R直负直负 2021/2/724 1. OTL电路（续电路（续4） 4) 实际实际OTL电路（或准互补对称的电路（

11、或准互补对称的OTL电路）电路） 电路电路: 优点优点: a) 克服工作点漂移克服工作点漂移 b) 克服交叉失真克服交叉失真 c) 克服异型互补对称管选管克服异型互补对称管选管 困难困难 d) 引入自举电路引入自举电路, ,克服了不克服了不 能充分利用末级互补对能充分利用末级互补对 称管称管 2021/2/725 1. OTL电路（续电路（续5） 5) 能量估算能量估算 L 2 D 2 R V P CC L 2 2 O 2R V P CC )( maxOC 2 2 2 PP (单管）(单管） maxOmaxC 2 . 0,636. 0PP 当当 4 C 6) 调整调整 波形出现交叉失真（调波形

12、出现交叉失真（调RW） 静态静态VA= （调调R1,R3） 2 CC V 2021/2/726 2. OCL电路电路 1) 电路电路: 2) 原理原理: 与与OTL电路相同电路相同 3) 与与OTL不同不同: CL去掉去掉,改成两个电源改成两个电源VCC供电供电 调整调整: :（静态时）使（静态时）使VA=0(V),IL=0 A 2021/2/727 一、集成电路要求与特点一、集成电路要求与特点 1. 要求要求: 大电容大电容,大电阻大电阻,电感外接电感外接 二极管用三极管连接替代二极管用三极管连接替代 晶体管数目不限晶体管数目不限 2. 特点特点: 1-3 集成低功放集成低功放 2021/2

13、/728 1. 内部电路内部电路 二、举例二、举例:DG4100集成功放芯片集成功放芯片 T1、T2差分输入级差分输入级 T3、R4、R5、T5组成分压电路组成分压电路 T4、T7:二级电流二级电流 串联负反馈放大器串联负反馈放大器 T5、T6有源负载有源负载 T8、T12、T13、T14 互补对称互补对称OTL功放功放 2021/2/729 二、举例二、举例:DG4100集成功放芯片集成功放芯片 2. 框图框图 差分输入差分输入 (单入、单出）单入、单出） 电流串联电流串联 负反馈负反馈I 电流串联电流串联 负反馈负反馈II 准互补对称的准互补对称的 OTL电路电路vi vo 两级电流负反馈

14、放大两级电流负反馈放大 电平移位电平移位 前置电压放大前置电压放大 对激励信号放大对激励信号放大 2021/2/730 1-4 宽带高频功放和功率合成技宽带高频功放和功率合成技 术术 一、传输线变压器一、传输线变压器 1. 结构与性能结构与性能 结构结构: 分解分解 二根导线（传输线）二根导线（传输线） 可为同轴线、平行线、双绞线、可为同轴线、平行线、双绞线、 高强度漆包线高强度漆包线 变压器变压器 性能性能: 2021/2/731 一、传输线变压器一、传输线变压器 2. 工作原理工作原理 端口电压相等端口电压相等 例例:1:1倒相器倒相器 Ri : RL= 1:1 Vi = V,Vo= -V

15、 流过传输线电流流过传输线电流 大小相等大小相等,方向相方向相 反反 2021/2/732 一、传输线变压器一、传输线变压器 3. 常用的传输线变压器常用的传输线变压器 1) 1:1 倒相器倒相器 2) 1:1平衡与不平衡变换器平衡与不平衡变换器 i) 1:1平衡变不平衡变换器平衡变不平衡变换器 ii) 1:1不平衡变平衡变换器不平衡变平衡变换器 2021/2/733 一、传输线变压器一、传输线变压器 3. 常用的传输线变压器常用的传输线变压器（续（续1） 3) m:1传输线变压器传输线变压器 一般构成原则一般构成原则: : n个个1:1 理想的传输线变压器与一根短理想的传输线变压器与一根短

16、路线始端相串路线始端相串, ,终端相并称为终端相并称为m:1传输线变压器传输线变压器 m=(1+n) 2 n : n 个个1:1理想传输线变压理想传输线变压 器器 1: 一根短路线一根短路线 其中其中 2021/2/734 一、传输线变压器一、传输线变压器 3. 常用的传输线变压器常用的传输线变压器（续（续2） 4) 1:m传输线变压器传输线变压器 一般构成原则一般构成原则: : n个个1:1 理想的传输线变压器与一根短理想的传输线变压器与一根短 路线始端相并路线始端相并, ,终端相串称为终端相串称为1:m传输线变压器传输线变压器 m=(1+n) 2 n : n 个个1:1理想传输线变压理想传

17、输线变压 器器 1: 一根短路线一根短路线 其中其中 2021/2/735 一、传输线变压器一、传输线变压器 4. 存在问题存在问题 1) 阻抗比不能实现任意比值阻抗比不能实现任意比值 2) 频带宽频带宽,谐波分量多谐波分量多,导致非线性失真导致非线性失真 可用平衡推挽抵消偶次谐波分量可用平衡推挽抵消偶次谐波分量 2021/2/736 二、宽带功率合成技术二、宽带功率合成技术 1. 宽带功率合成的涵义宽带功率合成的涵义 它指用传输线变压器构成混合网络作为它指用传输线变压器构成混合网络作为 功率放大器的极间耦合网络或多级这样放功率放大器的极间耦合网络或多级这样放 大器级联实现功率合成或分配的技术

18、。大器级联实现功率合成或分配的技术。 用用4 : 1或或1 : 1传输线变压器构成混合传输线变压器构成混合 的网络称为魔的网络称为魔T型网络。型网络。 2021/2/737 二、宽带功率合成技术二、宽带功率合成技术 2. 特点特点 1) 若有几个功放若有几个功放,每个对负载提供功率为每个对负载提供功率为P,则则n 个对负载提供功率为个对负载提供功率为nP。 2) n个功放之间彼此相互隔离个功放之间彼此相互隔离,若其中一个损坏若其中一个损坏, 不影响其他功放正常工作。不影响其他功放正常工作。 2021/2/738 二、宽带功率合成技术二、宽带功率合成技术 3. 魔魔T型网络型网络 1) 用用4 : 1或或1 : 4传输线变压器构成的魔传输线变压器构成的魔T型网络型网络 i) 魔魔T型网络结构型网络结构 ii) 理想魔理想魔T网络条件网络条件 设设1 : 4或或4 : 1特性阻抗为特性阻抗为R, 则理想魔则理想魔T网络网络 RR R R RRR 2 2 D C BA 2021/2/739 二、宽带功率合成技术二、宽带功率合成技术 3. 魔魔T型网络型网络（续（续1） 1) 用用4 : 1或或1 : 4传输线变压器构