第一章 非谐振功率放大器

§1-1 功率放大器概述

一、功放的任务与功率管安全工作条件1. 任务：功率管在安全工作的条件下，非线性失真在允许的范围内，高效率地输出大的功率。

2. 功率管安全工作的条件 PCmax≤PCM

vCEmax≤V (BR)CEO

iCmax≤ICM

二、功率放大器的分类

按负载性质分

纯阻负载（非谐振功放）

电抗性负载（谐振功放）

甲类单管（变压器耦合）乙类推挽（变压器耦合）无输出变压器（ OTL或 OCL ）集成功放宽带高频功率放大器（传输线变压器）线性谐振功放丙类谐振功放高效率功放（丁类、戊类、己类）

二、功率放大器的分类（续）

按流通角划分

甲类功放 φ＝ 180o

乙类功放 φ＝ 90o

甲乙类 90o <φ<180o

丙类 φ<90o

高效率功放 φ＝ 90o 开关工作状态

三、功率放大器能量关系

电源供给功率

集电极输出功率

集电极平均管耗

集电极效率

传输效率

放大器效率

tdViP CCCD π2

0π2

1

tdiPO π2

0 cecπ2

1v

tdiP CECC π2

0π2

1v

D

OC P

P

D

L

P

P

O

LT P

P

四、分析方法（图解法）

1. 变压器耦合甲类单管功率放大器电路及各元件作用 原理电路 各元件的作用

交流负载 RL’

若 RT1=RT2=0

若 RT1， RT2≠0

（或 其中有一不为零） 与交流放大器的区别

1 ）确定静态工作点 Q

求 IBQ

确定直流负载线

2. 图解分析

2. 图解分析

2 ）确定交流负载线

3 ）画出波形

4 ）写出 iC、 vCE 表达式µã»÷·ÂÕæ

tIIi sinωCmCQC

tVV sinωCmCEQCE v

其中： 'LCmCm RIV

电压利用系数CC

Cm

V

Vξ

2. 图解分析5 ）匹配、充分激励的概念

匹配：工作点 Q 处在交流负载线的中心

充分激励（不匹配）：工作点确定→为获得最大输出功 P ’omax ( 不失真 ) → 对应最大激励信号时的状态

匹配并充分激励：最大输出功率 Pomax> P ’omax

3. 能量估算

电源供给功率

集电极输出功率

集电极平均管耗

集电极效率

)(π2

1 π2

0恒值＝ CCCQCCCD VItdViP

DL

CCO

L

CC

L

CmLCmCmCmO P

R

VP

R

V

R

VRIIVP

2

112

1

2

1'max''

' 222

22222 若

DCO

ODC PPP

PPP max

00，若

（理想）%2

11max 50 C

D

OC P

P 若

4. 结论

） 一旦电路确定，甲类单管功放 PD 为恒值。若

vi=0 ，则 PCmax=PD

2 ） 匹配情况下，匹配负载值是唯一的；在匹配并充分激励的情况下：

4 ） 欲想提高 Pomax’主要受到 PCM 限制

3 ） PO 大小与交流负载 RL’ 及工作点 Q有关

µã»÷·ÂÕæµã»÷·ÂÕæ

50%η,2 maxD

maxO P

P

5. 甲类单管存在问题及解决途径

问题：功率小、损耗大、效率低 原因：工作点设置太高

解决思想方法：

▲ 为保证输出电路波形不失真，采用推挽电路形式

▲ 工作点 Q φ ＝ 90o 乙类工作状态

§1-2 乙类推挽功率放大器

一、 变压器耦合乙类推挽电路1 ）原理电路

一、变压器耦合乙类推挽电路（续1 ）

2 ）工作原理 令 VBE(on)=0

3 ）元件作用

Tr1 完成两管交替导通

Tr2 完成阻抗匹配和上下波形的合成，形成完整的正弦波。

一、变压器耦合乙类推挽电路（续2 ）

4 ）能量估算µã»÷·ÂÕæ

'L

CCmaxD'

L

CCD

π

2

π

2

R

VP

R

VP

22

1ξξ ＝当

0P0R

VP

R

V

R

VP

O

'L

CCmaxO

'L

CC2

'L

CmO 2

22 ，＝

，＝

ξ

1ξξ2

22

maxOmaxC'L

CCC .)

π()( PP

R

VPPP OD 20

2

2

22

1 22

，＝当（单管） 0.636ξξξ

%.44 C

D

OC 578

PP

ππ

max＝＝当

η1ξ

ξη

一、变压器耦合乙类推挽电路（续3 ）

Tc

5 ）安全工作条件

提高 P’omax 主要受到 V(BR) CEO和 ICM 的限制

一、变压器耦合乙类推挽电路（续4 ）

6 ）非线性失真—交叉失真（或交越失真）

现象

原因：设 VBE(on)=0 ，实际 VBE(on)≠0

措施：对 T1 ， T2 发射结适当加入正偏压

µã»÷·ÂÕæ

一、变压器耦合乙类推挽电路（续 5 ）

(a) 产生交叉失真 (b) 克服交叉失真 (c) 输出电流的波形

7 ）存在问题及解决途径

问题：

解决途径去掉 Tr2 →OTL 电

路

一、变压器耦合乙类推挽电路（续6 ）

二、无输出变压器的互补推挽功放

1. OTL 电路1) 类型：同型，异型

共同点：①有公共负载 RL ，②有两个电源 VCC /2

不同点：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

1. OTL电路（续 1 ）

2) 互补对称的 OTL 电路及工作原理

原理：

图解分析：

µã»÷·ÂÕæ

电路：

A

1. OTL电路（续 2 ）

3) OTL 电路存在的问题

措施： a) 在末级两管射极加入反馈电阻

存在交叉失真

采用形式 : a)  R 与D1,D2 串联， VB2B3≥VBE2(on)

+VBE3(on)b) 加一电阻 R， R 两端并联一只大容量的交流旁路电容c) 恒压偏置电路

措施：可在两管 B2～ B3 之间加适当正偏压

直接耦合导致工作点漂移

b) 采用二级电压并联负反馈

1. OTL电路（续 3 ）

3) OTL 电路存在的问题（续） 难选择到互补对称管

措施：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

原因：推动级 T1 工作在甲类， R 直负 =RC>R 交 =RC//Ri3

措施：引入自举电路，使 R 交负 >R 直负

1. OTL电路（续 4 ）4) 实际 OTL 电路（或准互补对称的 OTL 电路）

电路： 优点：a) 克服工作点漂移b) 克服交叉失真 c) 克服异型互补对称管选管困难

d) 引入自举电路 ,克服了不能充分利用末级互补对称管

1. OTL电路（续 5 ）

5) 能量估算

L

2'

D

2

R

VP CC

L

2'2

O 2R

VP CC

)(maxOC 22 2

PP (单管）

maxOmaxC 2.0,636.0 PP 当

4C

6) 调整

波形出现交叉失真（调 RW）

静态 VA= （调R1,R3）

2CCV

2. OCL 电路

1) 电路：

2) 原理：与 OTL 电路相同

3) 与 OTL 不同：CL去掉，改成两个电源 VCC 供电

调整：（静态时）使 VA=0(V)， IL=0

A

一、集成电路要求与特点1. 要求 :

大电容，大电阻，电感外接 二极管用三极管连接替代 晶体管数目不限2. 特点 :

§1-3 集成低功放

1. 内部电路

二、举例： DG4100 集成功放芯片

T1、 T2差分输入级

T3、 R4、 R5、 T5组成分压电路

T4、 T7: 二级电流

串联负反馈放大器

T5、 T6 有源负载

T8、 T12、 T13、T14

互补对称 OTL 功放

二、举例： DG4100 集成功放芯片

2. 框图

差分输入( 单入、单出）

电流串联负反馈 I

电流串联负反馈 II

准互补对称的 OTL 电路vi vo

两级电流负反馈放大

电平移位前置电压放大

对激励信号放大

§1-4 宽带高频功放和功率合成技术

一、传输线变压器1. 结构与性能 结构：

分解二根导线（传输线）可为同轴线、平行线、双绞线、高强度漆包线变压器

性能：

一、传输线变压器

2. 工作原理

端口电压相等

例： 1:1倒相器

Ri : RL= 1:1

Vi = V， Vo= -V

流过传输线电流大小相等，方向相反

一、传输线变压器3. 常用的传输线变压器

1) 1:1 倒相器 2)  1:1 平衡与不平衡变换器

i) 1:1 平衡变不平衡变换器 ii) 1:1 不平衡变平衡变换器

一、传输线变压器

3. 常用的传输线变压器（续 1 ）

3) m:1 传输线变压器

一般构成原则： n个 1:1 理想的传输线变压器与一根短路线始端相串，终端相并称为 m:1 传输线变压器

m=(1+n)2

n : n 个 1:1 理想传输线变压器1: 一根短路线其中

一、传输线变压器

3. 常用的传输线变压器（续 2 ）

4) 1:m 传输线变压器

一般构成原则： n个 1:1 理想的传输线变压器与一根短路线始端相并，终端相串称为 1:m 传输线变压器

m=(1+n)2

n : n 个 1:1 理想传输线变压器1: 一根短路线其中

一、传输线变压器

4. 存在问题

1) 阻抗比不能实现任意比值

2) 频带宽，谐波分量多，导致非线性失真

可用平衡推挽抵消偶次谐波分量

二、宽带功率合成技术

1. 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。

用 4 : 1或 1 : 1 传输线变压器构成混合的网络称为魔 T 型网络。

二、宽带功率合成技术

2. 特点   1) 若有几个功放，每个对负载提供功率为 P ，则 n 个对负载提供功率为 nP 。

  2)   n 个功放之间彼此相互隔离，若其中一个损坏，不影响其他功放正常工作。

二、宽带功率合成技术3. 魔 T 型网络 1) 用 4 : 1或 1 : 4 传输线变压器构成的魔 T 型网络 i) 魔 T 型网络结构

ii) 理想魔 T网络条件 设 1 : 4或 4 : 1特性阻抗为

R ， 则理想魔 T网络

RR

RR

RRR

22

D

C

BA

二、宽带功率合成技术3. 魔 T 型网络（续 1 ）

 1) 用 4 : 1或 1 : 4 传输线变压器构成的魔 T 型网络 iii) 魔 T网络可等效为：

二、宽带功率合成技术3. 魔 T 型网络（续 2 ）

 2) 用两个 1 : 1 传输线变压器构成的魔 T网络 i) 结构 ii) 理想魔 T网络条件

设 1 : 1 传输线变压器的特性阻抗为 R ，则理想魔 T

网络

2DC

BA

RRR

RRR

二、宽带功率合成技术

3. 魔 T 型网络（续3 ）

 3) 理想魔 T网络性能

i) 功率合成

同相合成

反相合成

同相功率合成反相功率合成

二、宽带功率合成技术

3. 魔 T 型网络（续4 ）

 3) 理想魔 T网络性能

ii) 功率分配同相功率分配反相功率分配

同相分配

反相分配

二、宽带功率合成技术3. 魔 T 型网络（续 5 ）

 4) 举例：有一个阻值为 Rg 的信号源 vg ，试设计一个三分配器，并分别求各电阻值。

设 Tr2， Tr3特性组均为 R