《高频电子线路》阳昌汉版第3章高频功率放大器ppt课件.ppt

1,概述 丙类高频功率放大器的工作原理 丙类高频功率放大器的折线分析法 丙类高频功率放大器电路,2,3.1 概 述,一、高频功率放大器的功能,用小功率的高频信号去控制高频功率放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出，并保证输出与输入的频谱相同。,3,二、高频功率放大器的分类,(谐振功率放大器),宽带高频功率放大器,分类：,窄带高频功率放大器,其放大信号的相对带宽一般不超过10，通常采用LC谐振回路作负载 .,其放大信号的相对带宽一般可达30，通常采用宽频带的传输线变压器作负载。,4,三、高频功率放大器的主要技术指标,1、输出功率,2、效率,放大器的负载RL上得到的最大不失真功率,高频输出功率与直流电源供给输入功率的比值,3、功率增益,高频输出功率与信号输入功率的比值,4、谐波抑制度,是对非线性高频功率放大器而提出的，谐振分量相对于基波分量越小越好,5,一、 高频功率放大器工作状态的选择,3.2 丙类高频功率放大器的工作原理,6,甲类（ 180）,乙类（ 90）,丙类 (90）,谐振功率放大器通常工作于丙类。,7,二、 丙类高频功率放大器的电路组成,特点：（1）输入信号大，一般在几百毫 伏几伏数量级（2）一般VBB UBZ，发射结反偏， 保证放大器工作于丙类状态。（3）负载为LC回路，调谐于输入信号的中心频率，选频滤波和阻抗变换作用。（4）采用近似的分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。,中间级,输出级,8,iC,+uCE,+ uBE ,iB,-uc+,三、丙类高频功率放大器的工作原理,为尖顶余弦脉冲 ,可用傅立叶级数展开,ub,9,各级电流、电压波形,c,VBB,VCC,uc,由LC回路的选频(选基波)作用：,（基波）,10,丙类高频功放工作原理小结：,设置VBB UBZ ，使晶体管工作于丙类。(2)当输入信号较大时，可得集电极余弦电流脉冲。(3)将LC回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。,谐振功放电路与小信号谐振放大器电路有何区别？,11,调谐功放与小信号调谐放大器的比较,12,折线分析法：将晶体管的特性曲线理想化为折线再分析。,一、 晶体管特性曲线的理想化及其解析式,1. 转移特性曲线（正向传输特性曲线),称为跨导, 集电极电压恒定时，集电极电流与基极电压的关系曲线,3. 3 丙类高频功率放大器的折线分析法,13,2. 输出特性曲线是以基极电压（或基极电流）为参量的集电极电流与集电极电压的关系曲线。,临界饱和线,放大区,饱和区,临界线方程：,为临界线的斜率,14,二、 集电极余弦电流脉冲的分解,当 t = c 时，iC=0，则,当 t = 0 时，iC=ICM ，则,15,利用傅里叶级数，可将iC的脉冲序列展开为,直流分量分解系数,基波分量分解系数,n次谐波分量分解系数,16,波形系数,17,三、 功率与效率,（1）直流功率：,（2）输出功率：,（3）集电极损耗功率：,（4）集电极效率：,集电极电压利用系数,P= =?,PO =?,c =?,波形系数,18,甲类：,乙类：,丙类：,在 条件下，,导通角越小，效率越高，,但导通角不能取得太小，因为,为了兼顾输出功率和效率，通常导通角取600800，,（5）导通角的选择：,19,例1 某谐振功率放大器，VCC = 24 V，Po = 5W，c = 70 ， = 0.9, 求该功放的 c、 P=、Pc、ICM 和回路谐振阻抗Rp。,解：,20,1. 什么是静态特性？,四、丙类高频功率放大器的动态特性,2. 什么是动态特性？,是指在电源电压(VCC和VBB)、晶体管(gc、UBZ)、输入信号Ubm和输出电压Ucm（或谐振电阻Rp ）一定的条件下，集电极电流iC = f (uBE, uCE)的关系称为放大器的动态特性。,21,3.动态特性的表示形式,22,表示动态特性曲线的斜率,故动态特性的表示形式：,可见动态特性为折线，而不是一条直线。,23,4.动态特性的画法,(一） 截距法,（1）在输出特性的 轴上取截距为,在uCE轴上找出相应的VCC点， A点在uCE轴上投影为:,(4)在uCE轴上选取 得C点，BC直线即为 段的动态特性，则AB-BC为总动态特性,24,(二）虚拟电流法,(3) 连接AQ交横轴于B点（管子导通点）,(4) 在UCE轴上选取 得C点，,则AB-BC为总动态特性,A,B,C,Q,25,5高功放的三种工作状态,A1,A2,A3,欠压状态：,A点在 线上，但是在放大区，输出电压幅度较小，iC为尖顶脉冲。,临界状态：,A点在 线和临界饱和线的交点上，输出电压幅度较大， iC为尖顶脉冲。,过压状态：,A点在 的延长线上（实际上是不存在），进入晶体管饱和区，输出电压幅度大，iC为凹顶脉冲,B2,B1,B3,26,五、 丙类高频功率放大器的负载特性,负载特性是指gc、UBZ、VCC 、VBB 、Ubm 不变时，改变谐振回路的谐振电阻 Rp，放大器的输出电流、电压、功率和效率等RP随变化的关系。,1什么是负载特性？,2负载特性的分析,Q点,，,不随Rp变化而变化的，以Q点为参考点,不变,不变,A,27,Q,A,gd,欠压,过压,Ic0,临界状态: 输出功率最大,效率也较高，是功率放大器的最佳工作状态 ，一般用于发射机的输出级。,欠压状态：输出功率和效率都较低，Pc较大，很少采用这种工作状态。特别注意，当Rp0，Pc最大，可能烧坏管子，应避免。调谐过程中，防止负载短路。,过压状态：在弱过压区效率最高，而输出功率下降不多，且Rp变化时，输出电压相对较平稳，常用于发射机的中间级。,临界,28,六、各级电压变化对工作状态的影响,1 VCC 的影响,Q点,，,A,（gc、UBZ、Rp 、VBB 、Ubm 不变）,不变,改变,欠压,过压,临界,注意：只有工作在过压区才能有效地实现VCC对Ucm的控制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。,29,2 VBB 的影响,（gc、UBZ、Rp 、Ubm 、VCC 不变）,Q点向上移动,30,进入过压状态后，随着VBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度和幅度也增大，但凹陷加深，结果使Ico、Icml增大得十分缓慢。,临界,过压,欠压,在欠压状态：Vbb自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流的幅度ICM和导通角c增大，故Ico、Icml 随VBB的增大而增大。,注意：只有工作在欠压区才能有效地实现VBB对Vcm的控制作用，故基极调幅电路应工作在欠压区。,31,3 Ubm 的影响,（gc、VBZ、RP 、VBB 、Vcc 不变）,(1)当谐振功率放大器作为线性功率放大器，放大器必须 工作在欠压状态。,(2)当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须 工作在过压状态。,32,七、谐振功放在临界状态的计算,33,例2 已知晶体管谐振功率放大 器工作于临界状态，晶体管的饱和临界线斜率,解：由于工作于临界状态，则有,34,35,例3：某谐振功率放大器，,试求集电极电流最大值,输出电压振幅,集电极效率,并判断放大器工作于什么状态。,解：,例3 p100 3-9,37,38,谐振功率放大器的管外电路由两部分组成 ：,直流馈电线路：匹配网络（耦合网络）：,一、 直流馈电电路,集电极馈电电路,基极馈电电路,3.4 谐振功率放大器电路,给放大器提供合适的偏置；,实现滤波选频和阻抗变换。,39,40,串联馈电：,并联馈电：,指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接。,指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联联接。,(a)串馈,(b)并馈,41,(a)串馈,(b)并馈,高频扼流圈：通直流阻交流,高频旁路电容：通交流隔直流,(隔直电容),c,e,c,e,-Uc+,-Uc+,-Uc+,串馈：(1)a点为交流地,分布电容不影响回路的谐振频率（优点）(2)LC 回路处于直流高电位，谐振元件不能直接接地。则L,C的安装和调整不方便（缺点）,a,并馈：(1)L 、C 并联于回路，其分布参数直接影响谐振回路的调谐。（缺点） （2）LC 回路处于直流低电位，谐振元件能直接接地，安装 和调整方便。（优点）,42,串馈：晶体管、 VBB 、输入信号三者串联联接 并馈：晶体管、 VBB 、输入信号三者并联联接,+Ub-,43,UBB,+UBB -,（并馈）,（并馈）,（串馈）,在自给偏置电路中，当输入信号幅度加大时，iB增大，其直流分量 Ib0 也增大，反向偏压随之增大。这种偏置电压随输入信号幅度而变化的现象称为自给偏置效应。,通常采用自给偏压的方式提供基极偏置。,优点：这种电路能自动维持放大器的工作稳定,44,二、 匹配网络,输入匹配网络：,输出匹配网络：,级间耦合匹配网络：,用于信号源与功率放大器之间，作用是信号源输出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以使信号源的功率有效的加到高功放的发射结上。,用于功率放大器与负载之间，作用是将负载变换为功率放大器工作状态所需的最佳负载电阻Rp。,用于两级功率放大器之间，实现本级功放的输出阻抗与下级放大器的输入阻抗之间的匹配。,45,1. L型滤波匹配网络,电路在工作频率上达到并联谐振，即,（1）低阻变高阻型,应用中，根据阻抗匹配要求确定Q，即,这三种匹配网络都可采用L和C组成的L型、T型、或 型这样的网络及由它们组成的混合网络 。,46,例1,已知某谐振功放的f = 50 MHz，RL= 10 ，所需的匹配负载为RP = 200 ，试确定L型滤波匹配网络的参数。,解：,=139 nH,=146 nH,应采用低阻变高阻型L型滤波匹配网络，其参数设计如下,47,（2） 高阻变低阻型,电路在工作频率上达到串联谐振，即,Q根据阻抗匹配要求确定，即,1. L型滤波匹配网络,在RL和RL相差不大时，Q只能很小，会使滤波性能很差这时可采用 型或T滤波匹配网络。,48,2. 型和T滤波匹配网络,恰当选择两个L型网络的Q值，就可兼顾滤波和阻抗匹配的要求。,49,三、实际电路举例,50MHz功率放大器,由 C1、C2 和 L1 组成T型输入匹配网络。,由L2 、 L3 、 C3 、 C4构成型输出匹配网络。,基极馈电采用自给偏置方式，为并馈。,集电极馈电采用串馈。,50,3.5 丙类倍频器,一、 功能:,将输入信号频率成整数倍增加。,倍频器,（1）能降低主振级频率，使其稳定工作。（2）扩展发射机的工作波段。（3）在调频和调相发射机中，采用倍频器可扩展 调频（相）波频移（相移）。（4）提高发射机工作稳定性。因为采用倍频器， 输入频率与输出频率不同，从而较弱了寄生耦合。,二、采用倍频器的优点：,51,三、分类,按其工作原理可分为,丙类倍频器:,模拟乘法器实现倍频:,参量倍频器:,利用丙类放大器电流脉冲中的谐波经选频回路获得倍频,利用晶体管结电容随电压变化的非线性来获得倍频,52,四、丙类倍频器的工作原理,如果集电极回路谐振于n次谐波，那么回路对基波和其他谐波的阻抗很小，而对n次谐波来说呈纯阻性且阻抗最大，这样回路的输出电压为n次谐波，而基波和其他谐波被滤除。,（ n次谐波）,53,所以二倍频的 应取600，三倍频的 应取400，这样输出功率和效率达最大。,n次倍频器输出功率:,n次倍频器效率:,故在其他情况相同的条件下，丙类倍频器的输出功率和效率远低于丙类放大器，且随n的增大而迅速降低。,最佳导通角与次数n的关系：,一般单级倍频器只用于二倍频或三倍频，最多不超过45次，若要提高倍频次数，可采用多级丙类倍频器来实现。,例4 p100 3-9,例5 P100 3-12,