电子线路高频非线性部分1.2

1、第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路1.2 功功率放大器率放大器的电路组成的电路组成和工作特性和工作特性1.2.1从一个例子讲起从一个例子讲起1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能及其功率性能1.2.1从一个例子讲起从一个例子讲起图图 121图解分析图解分析( (a) )图图 1- -2- -1 示为放大器的基本电路，现将其作为功率放示为放大器的基本电路，现将其作为功率放大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及大器来分析它的功率性能。由此揭示功率放大电路组成及其工作性能上的特点。其工作性能上的特点。 分析法分析法 应应 用用 等效电路法

2、等效电路法 小小信号信号 图解法图解法 大信号大信号 幂级数法幂级数法 频率变换频率变换 时变参量法时变参量法 混频混频电子线路分析方法电子线路分析方法功率放大器为功率放大器为大信号放大器大信号放大器，工程分析时，多采用特，工程分析时，多采用特性曲线上作负载线的性曲线上作负载线的图解分析法图解分析法。 1Q 点的选择点的选择为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输为了使电路在管子不出现饱和与截止失真的条件下输出功率最大，需把出功率最大，需把 Q 选在负载线的选在负载线的中点中点，即，即 ，LCCLCEQCCCQCCCEQ22RVRVVIVV VCE(sat) 0图图 121图解分析图解分

3、析 2集电极输出电压和电流集电极输出电压和电流( (假设假设 VCE(sat) 和和 ICEO 为为 0) )图图 121图解分析图解分析( (b) )tVVvVvtIIiIisinsincmCEQceCEQCEcmCQcCQC其中，其中，CQLCEQLcmcmCCCEQcm,2IRVRVIVVV3PD ( (直流功率直流功率) )、PL ( (负载功率负载功率) ) 、 PC ( (管耗管耗) )CQCCCCC20Dd21IVtiVP cmcmCQCEQL2C20L21d21IVIVtRiP cmcmCQCEQCCE20C21d21IVIVtivP PL 和和 PC 均由均由直流直流和和交流

4、交流两部分合成。例如：两部分合成。例如： PL 中中：)(CCCEQDCQCEQVVPIV212，直流功率直流功率交流功率交流功率 4221DCQCEQcmcmoPIVIVP所以所以 %25Domax PP 4讨论：讨论：( (1) ) 电路组成上电路组成上甲类功放甲类功放 Cmax = 25%PD 中，输出的信号功率中，输出的信号功率 Po 仅占仅占 1/4，PD/2 消耗在消耗在 RL 上。上。提高提高 Cmax 的办法：的办法： 降低降低 Q 合理选择管子的运用状态合理选择管子的运用状态( (乙类或甲乙乙类或甲乙类类) )减小管子的静态损耗。减小管子的静态损耗。 消除消除 RL 上的直流

5、功率上的直流功率改进管外电路，使之不改进管外电路，使之不消耗直流功率。消耗直流功率。( (2) ) 工作特性上工作特性上 VCC 一定且一定且 Q 在负载线中点时，欲提高输出信号功率，在负载线中点时，欲提高输出信号功率，需增大需增大 Icm( (减小减小 RL) )，但必须，但必须同时增大激励电流。同时增大激励电流。图图 122RL 变化对功率性能的影响变化对功率性能的影响 RL 减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅，减小，负载线斜率改变，减小了集电极电压振幅，使使 Po 减小；减小； ICQ 增大，使增大，使 PD 增大，增大， C 降低。降低。5结论结论( (1) )在电路组成在电路

6、组成上，必须采用避免上，必须采用避免管外电路无谓消耗管外电路无谓消耗直流功率的结构。直流功率的结构。( (2) )在工作特性上，输在工作特性上，输出负载、输入激励和静态出负载、输入激励和静态工作点相互牵制，要高效工作点相互牵制，要高效率输出所需信号功率，三率输出所需信号功率，三者必须有一个最佳配置。者必须有一个最佳配置。1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能及其功率性能一、甲类变压器耦合功率放大器一、甲类变压器耦合功率放大器图图 123( (a) )原理电路原理电路1电路电路( (1) )输入端输入端 RB 偏置电阻；偏置电阻；CB 旁路电容；旁路电

7、容；Tr1 耦合变压器。耦合变压器。( (2) )输出端输出端Tr2 耦合变压器，对耦合变压器，对交流，交流，Tr2 起阻抗变换作用起阻抗变换作用。2电路分析电路分析 ( (静态分析、动态分析、功率性能、管安全静态分析、动态分析、功率性能、管安全) )( (1) )静态分析静态分析 画直流通路画直流通路 画直流负载线画直流负载线直流负载线方程：直流负载线方程： vCE = VCC直流负载线：直流负载线：EF图图 124甲类变压器耦合功率放大器的图解分析甲类变压器耦合功率放大器的图解分析 求求 Q 点点 iB = IBQ， iC = ICQ， vCE = VCEQ = VCC( (2) )动态分

8、析动态分析 画交流通路画交流通路 画交流负载线画交流负载线交流负载线方程：交流负载线方程：过过 Q 点点作交流负载作交流负载线线 MN，LR1斜率斜率LcceRiv212WWnRnR，LL 求动态范围求动态范围甲类变压器耦合功放图解分析甲类变压器耦合功放图解分析( (3) )功率性能功率性能 当输入充分激励，当输入充分激励，Q 处在负载线处在负载线中点中点时，忽略非线性时，忽略非线性失真，且设失真，且设 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则相应的集电极电压和则相应的集电极电压和电流分别为：电流分别为：，tIIi sincmCQC tVVv sincmCEQCE 其中：其中：Vcm =

9、 VCEQ = VCCLCCLcmCQcm/RVRVII 比较：比较：基本放大器电路，基本放大器电路， Vcm = VCC/2；变压器耦合电路，变压器耦合电路， Vcm = VCC，若呈现在集电极上的负，若呈现在集电极上的负载相等，则输出信号功率增大载相等，则输出信号功率增大 4 倍。倍。功率参数计算：功率参数计算：50%/2/2/2/2/2DocmaxDcmcmCQCCLDCDCQCEQcmcmoLCQCCD PPPIVIVPPPPIVIVPPIVP采用变压器耦合，采用变压器耦合， Cmax 将由将由 0.25 增大到增大到 0.5，即，即 PD 的一半转换为的一半转换为 Po。 若若 Q

10、处于交流负载线的处于交流负载线的中点中点，且充分激励的条件下，且充分激励的条件下，增大增大 VCC，或减小，或减小 ，Po 均将增大，但最后受安全工作均将增大，但最后受安全工作条件的限制。条件的限制。LR ( (4) )管安全管安全图图 124图解分析图解分析如如图图 1- -2- -4 所示所示，加在集电极上的最大电压，加在集电极上的最大电压 vCEmax = VCC + vcm 2VCC，通过集电极的最大电流通过集电极的最大电流 iCmax = ICQ + Icm 2ICQ 。 当当 Po = 0 时，时，PD 全部消耗在管子中，因而消耗在集电全部消耗在管子中，因而消耗在集电极上的最大功率

11、极上的最大功率 PCmax = PD 。 安全工作条件：安全工作条件：CMDCmaxCMCQCMCQCmax(BR)CEOCC(BR)CEOCCCEmax2/22/2PPPIIIIiVVVVV 即即即即又，又，2/2/2/DCQCCcmcmomaxPIVIVP 用用 Pomax 表示表示，上述安全工作条件上述安全工作条件变为：变为：2/CQCCmaxoIVP 2/2/2/CM(BR)CEO）（）（IV V(BR)CEOICM/8 PCM/2 maxomaxoPP图图 115Pomax 取二者较小的值。取二者较小的值。 此外，还需检查动态点是此外，还需检查动态点是否落在二次击穿限定的安全区否落在

12、二次击穿限定的安全区内。内。二、乙类推挽功率放大器二、乙类推挽功率放大器乙类工作时，为在负载上合成完整的正弦波，必须采乙类工作时，为在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的用两管轮流导通的推挽推挽( (Push-Pull) )电路。电路。实现方案：实现方案： 变压器耦合推挽功放；变压器耦合推挽功放； 乙类互补推挽功放。乙类互补推挽功放。1变压器耦合功放变压器耦合功放 ( (1) ) 电路结构电路结构Tr1：输入变压器输入变压器，利用，利用二二次绕组的中心抽头将次绕组的中心抽头将 vi (t) 分分成两个幅值相等，极性相反的激励电压成两个幅值相等，极性相反的激励电压 vi1 = vi2

13、，分别加，分别加在两管的基在两管的基 - - 射极之间，实现两管轮流导通。射极之间，实现两管轮流导通。 Tr2：输出变压器：输出变压器，隔断，隔断 iC1 和和 iC2 到负载到负载的平均分量，的平均分量，并利用一次绕组的中心抽头将并利用一次绕组的中心抽头将 iC1 和和 iC2 中的基波分量在中的基波分量在 RL 中叠加，输出正弦波。中叠加，输出正弦波。T1 和和 T2：特性配对、相同导电类型的：特性配对、相同导电类型的 NPN 功率管。功率管。图图 125( (a) )变压器耦合变压器耦合( (2) ) 工作原理工作原理vi1(t) 0 时，时， T1 导通导通( (忽略射结压降忽略射结压

14、降) )； vi2(t) 0 时，时， T2 导导通；通； vi1(t) 0 时，时，T1 管管( (NPN 型型) ) 导通导通( (忽略射结压降忽略射结压降) )，T2 管管 ( (PNP型型) )截止，截止，iC1( ( iE1) )为正弦为正弦波的正半周；波的正半周；vi(t) 0，T1 导导通，负载线通，负载线 AQ 过过 Q 点，斜率为点，斜率为 1/RL ；Vi 0，T2 导导通，负载线通，负载线 A Q 过过 Q 点，斜率为点，斜率为 1/RL 。( (2) ) 性能分析性能分析( (忽略失真忽略失真) ) 一般性能分析一般性能分析在在 0 t 时，时，iC2 0 iC1 Ic

15、msin t t 2 时，时，iC1 0 iC2 Icmsin t集集 - - 射极间电压：射极间电压：VCE1 = VCC Vcmsin t，VCE2 = VCC Vcmsin t通过通过 RL 的电流：的电流：tIiiiiisincmC2C1EE1L2相应产生的电压：相应产生的电压：tVvsincmLRL 上的上的输出功率输出功率：PL = Po = VcmIcm/2 = I2cmRL/2 正负电源正负电源总的直流功率：总的直流功率： PD = PD1 + PD2 = 2VCCIC0 = 2VCCIcm/ 若充分激励：若充分激励：与与 RL 相匹配的输入激励相匹配的输入激励( (不出现饱和

16、不出现饱和失真的最大激励失真的最大激励) )。 令令 VCE(sat) = 0，ICEO = 0，则，则 Vcm = VCC，Icm = VCC/RL相应相应 Po 和和 PD 达到最大，达到最大，即即L2CCcmcmomax2 2RVIVP omaxL2CCL2CCcmCCDmax4)2(422PRVRVIVP 乙类功放的最大集电极效率乙类功放的最大集电极效率%5 .784Cmax 比甲类比甲类功放功放高高 若激励不足若激励不足 Vcm 减小，引入减小，引入电源电压利用系数电源电压利用系数 表示表示 Vcm的减小程的减小程度度。 定义定义 = Vcm/VCComax2LCC22Lcm2o21

17、21PRVRVP omaxL2CCLCCCCcmCCD4222PRVRVVIVP 4DoC PP集电极管耗：集电极管耗：omax2omax2oDC2C1)212()4(212/ )(PPPPPP 分析：分析：当输入激励由大减小，即当输入激励由大减小，即 减小时，减小时，Po、PD、 C 均单调减小，而均单调减小，而 PC1 和和 PC2 的变化非单调，的变化非单调，时最大时最大，其值为，其值为636. 02 omaxomax2max2Cmax1C2 . 02PPPP PD, C Cmax(0.785) C图图 127功放性能随功放性能随 变化的特性：变化的特性： 小时，小时，PD 、Po 、 C 小；小； 接近接近 1 时，时，PD 、Po 、 C 大。大。结论：结论： PC 非单调变化，非单调变化，两两头小，中间大。头小，中间大。 PD 随随 ( (激励激励)