清华大学：《通信电路原理》教学资源（PPT课件）第4章 非线性电路及其分析方法 4.3 非线性电路的应用举例（4.3.1-4.3.4）

第4章非线性电路 及其分析方法 4.1非线性电路的基本概念与非线性元件 4.1.1非线性电路的基本概念 4.1.2非线性元件 42非线性电路的分析方法 42.1非线性电路与线性电路分析方法的异同点 422非线性电阻电路的近似解析分析 43非线性电路的应用举例 43.1C类谐振功率放大器 432D类和E类功率放大器 433倍频器 4.3.4跨导线性回路与模拟相乘器 43.5时变参量电路与变频器 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 1 笫4章 非线性电路 及其分析方法 4.1 非线性电路的基本概念与非线性元件 4.1.1 非线性电路的基本概念 4.1.2 非线性元件 4.2 非线性电路的分析方法 4.2.1 非线性电路与线性电路分析方法的异同点 4.2.2 非线性电阻电路的近似解析分析 4.3 非线性电路的应用举例 4.3.1 C类谐振功率放大器 4.3.2 D类和E类功率放大器 4.3.3 倍频器 4.3.4 跨导线性回路与模拟相乘器 4.3.5 时变参量电路与变频器

43非线性电路的应用举例 4.31C类谐振功率放大器 功率放大器一般以其工作状态来分类: A类功放输出信号为输入信号的线性函数,故又称为 线性功率放大器 电路接成推挽形式的AB类和B类功放也可以构成 线性功率放大器。 线性功率放大器的负载是电阻性的,匹配网络是传输线 变压器或其它非谐振电路。 线性功率放大器工作时不产生非线性失真(或失真在 容许范围之内) 高频调幅信号的放大一般是工作在B类。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 2 4.3 非线性电路的应用举例 4.3.1 C类谐振功率放大器 ▪ 功率放大器一般以其工作状态来分类： • A类功放输出信号为输入信号的线性函数，故又称为 线性功率放大器。 • 电路接成推挽形式的AB类和B类功放也可以构成 线性功率放大器。 • 线性功率放大器工作时不产生非线性失真（或失真在 容许范围之内）。 • 线性功率放大器的负载是电阻性的，匹配网络是传输线 变压器或其它非谐振电路。 • 高频调幅信号的放大一般是工作在B类

431C类诸振功率放大器(续1) C类功放,由于仅在信号周期的部分时间呈线性关系, 而其余时间为非线性关系,称为谐振功率放大器。 C类功放的负载一般是阻抗性的,匹配网络是谐振电路。 输出信号中,除含有有用输入信号成分外,还含有输 入信号的各次谐波、交叉调制成分,寄生干扰成分。 C类功放放大器一般只适于放大单频信号(如:载频) 或等幅已调信号(如:调频信号) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 3 4.3.1 C类谐振功率放大器（续1） ▪ C类功放，由于仅在信号周期的部分时间呈线性关系， 而其余时间为非线性关系，称为谐振功率放大器。 ▪ 输出信号中，除含有有用输入信号成分外，还含有输 入信号的各次谐波、交叉调制成分，寄生干扰成分。 ▪ C类功放放大器一般只适于放大单频信号（如：载频） 或等幅已调信号（如：调频信号）。 ▪ C类功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振电路

431C类谐振功率放大器(续2) 功率放大器的主要性能指标有:保证管子安全工作的前提下 讨论工作频率、输出功率、效率、功率增益和非线性失真等 效率:A类m7m=5090实际上是m=35~40% B类mm=78.5%实际上是7=55~65% C类是与流通角b有关 非线性失真: 对于线性功率放大器,非线性失真系数则成为重要的 指标,如何降低功率放大器的非线性失真,是设计这 类放大器时必须加以研究的问题 对于诸振功率放大器,它是利用晶体管的非线性特性和 选频电路的滤波特性实现的。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 4 4.3.1 C类谐振功率放大器（续2） ▪ 功率放大器的主要性能指标有：保证管子安全工作的前提下， 讨论工作频率、输出功率、效率、功率增益和非线性失真等。 • 效率：A类 max = 50% B类 max = 78.5% 实际上是  = 55 ~ 65% • 非线性失真： 对于线性功率放大器，非线性失真系数则成为重要的 指标，如何降低功率放大器的非线性失真，是设计这 类放大器时必须加以研究的问题。 对于谐振功率放大器，它是利用晶体管的非线性特性和 选频电路的滤波特性实现的。 实际上是  = 35 ~ 40% C类  是与流通角  有关

1、工作原理 返回 下图所示是谐振功率放大器的电原理图。 电路的特点: 77 这个电路的静态工作点 是选择在接近截止点,或 选择在小于截止点的负偏 置区。 BE 这样选择的主要考虑是消 除由静态工作点所带来的无 用功耗,从而提高放大器的 效率。 BB (讲义上册201) 信号源內阻和负载电阻对 并联谐振回路的影响。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 5 1、工作原理 ▪ 下图所示是谐振功率放大器的电原理图。 （讲义上册201） vi vi Tr1 Tr2 RL VBB VCC C L BE v CE v C i C v • 这个电路的静态工作点 是选择在接近截止点，或 选择在小于截止点的负偏 置区。 • 这样选择的主要考虑是消 除由静态工作点所带来的无 用功耗，从而提高放大器的 效率。 ▪ 电路的特点： 返回 • 信号源內阻和负载电阻对 并联谐振回路的影响。 B i

折线分析法示意图(讲义上册203)返回1「返回2 1、工作原理(续1) 斜率g 08 06 BB O 26 02 其中,V,为阈电压, ot g为v>Vm时直线段 2001年9月-12月 《通信电路原理 的斜率,m为偏置电压

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 6 1、工作原理 （续1） v VBB 斜率g v (t) i Vim 0 Vth 0 0 m i i I 2  t v  t ▪ 折线分析法示意图 返回1 （讲义上册203） 其中， 为阈电压， g为 时直线段 的斜率， 为偏置电压。 Vth i Vth v  VBB 返回2

1、工作原理(续2) 电路的工作过程如下: 偏置电压为VB,以确定静态工作点。工作点往往处在 截止区,静态时无集电极电流。 当输入信号(O)= cos@ot加入时,为足够大的 数值,使集电极电流出现尖顶余弦脉冲, 所示。 利用42.2节关于折线分析法的结果,可得出集电极电流的 表示式为: Im=gVm(-cos o) cos 0 6 arccos功-D BB 1-cos 0 集电极电流余弦脉冲可以展开成傅立叶级数: i (t)=lo+l cos ot+l2 cos 20t+ 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 7 1、工作原理 （续2） ▪ 电路的工作过程如下： • 偏置电压为 ，以确定静态工作点。工作点往往处在 截止区，静态时无集电极电流。 VBB • 当输入信号 加入时， 为足够大的 数值，使集电极电流出现尖顶余弦脉冲，如折线图所示。 v t V t i im 0 ( ) = cos Vim • 利用4.2.2节关于折线分析法的结果，可得出集电极电流的 表示式为：    1 cos cos cos 0 − − = t i I C cm = (1−cos) cm gVi m I i m t h BB V V −V  = arccos • 集电极电流余弦脉冲可以展开成傅立叶级数： i c (t) = Ic0 + Ic1 cos0 t + Ic2 cos20 t +

1、工作原理(续3) 电路图 放大器的负载阻抗是频率的函数,只有角频率为O的 电流分量可以在负载上建立余弦电压 vo(t)=lcR, cos ot 将余弦脉冲基波分量分解系数的表示式,即a1(0)代入上式, 则可得谐振功率放大器输出电压的表示式 0-sin ecos e vo(t)=l rcos ot 丌(1-cos) 谐振功率放大器激励电压是余弦电压,但基极电流和集电 极电流只是余弦信号的一部分,称为余弦电流脉冲,而输出 电压又是与激励电压同频的余弦电压。这是谐振功率放大器 不同于一般线性功率放大器的特点 即集电极电压波形与集电极电流波形不同。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 8 1、工作原理 （续3） ▪ 放大器的负载阻抗是频率的函数，只有角频率为 的 电流分量可以在负载上建立余弦电压。 0 v t I R t c L 0 ' 0 ( ) = 1 cos v t I R t cm L 0 ' 0 cos (1 cos ) sin cos ( )       − − = ▪ 将余弦脉冲基波分量分解系数的表示式，即 代入上式， 则可得谐振功率放大器输出电压的表示式  ( ) 1 ▪ 谐振功率放大器激励电压是余弦电压，但基极电流和集电 极电流只是余弦信号的一部分，称为余弦电流脉冲，而输出 电压又是与激励电压同频的余弦电压。这是谐振功率放大器 不同于一般线性功率放大器的特点。 即集电极电压波形与集电极电流波形不同。 电路图

2、工作波形(讲义上册204)折线图 输入电压 基极发射极 VcE(t) 间电压 BE 集电极电流 (t 输出电压 cmin BB 集电极发射 6 Vim/v, (t 极间电压 BE CE 100 400 500 600 返回 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 9 2、工作波形 （讲义上册204） ▪ 输入电压 v (t) i ▪ 基极发射极 间电压 BE v BE v ▪ 集电极电流 i (t) i (t) C C i (t) C ▪ 输出电压 ( ) 0 v t ▪ 集电极发射 极间电压 v (t) CE v (t) CE Vim VBB Vom cm I Vth VCCcmin v v (t) i ( ) 0 v t  返回 折线图

3、功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系 在谐振功率放大器中,由于其静态工作点选择在集电极电流 为零的情况,因而消除了静态功耗,提高了工作效率 如何进一步提高效率,则是需要研究的问题。这涉及如何合 理地利用好晶体管转移特性的非线性。 P 谐振功放的效率定义为 77 输出信号功率为:P cl om 集电极电流中的基波分量幅度为:C1=lonx1(6) 输出电压的幅度是Vom 可得:P=na1(0)v 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 10 3、功放效率与电压利用系数及电流流通角的关系 ▪ 在谐振功率放大器中，由于其静态工作点选择在集电极电流 为零的情况，因而消除了静态功耗，提高了工作效率。 ▪ 如何进一步提高效率，则是需要研究的问题。这涉及如何合 理地利用好晶体管转移特性的非线性。 • 谐振功放的效率定义为： S o P P  = • 输出信号功率为 ： o C Vom P I 1 2 1 = • 集电极电流中的基波分量幅度为 ： ( ) I C1 = Icm1  可得： ( ) o cm Vo m P I 1  2 1 = • 输出电压的幅度是 Vom