《丙类功放》PPT课件.ppt

第 2 章谐振功率放大器,2.1谐振功率放大器的工作原理,2.2谐振功率放大器的性能特点,2.3谐振功率放大器电路,2.4高频功率放大器,谐振功放：用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。,谐振功率放大器原理电路,特点：负载匹配网络为谐振系统,用途：对载波或已调波进行功率放大,种类：丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放 倍频器,2.1谐振功率放大器的工作原理,2.1.1丙类谐振功率放大器,2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器,2.1.3倍频器,2.1.1丙类谐振功率放大器,1电路组成,谐振功率放大器原理电路,ZL 外接负载，呈阻抗性，用 CL 与 RL 串联等效电路表示。,Lr 和 Cr 匹配网络，与 ZL 组成并联谐振回路。调节 Cr 使回路谐振在输入信号频率。,VBB 基极偏置电压，使功率管 Q 点设在截止区，以实现丙类工作。,2集电极电流 iC,输入vb(t)=Vbmcos st,则 vBE=VBB+vb(t)=VBB+vbmcos st,由静态转移特性(iC-vBE)，得集电极电流 iC 波形：脉宽小于半个周期的 脉冲序列。傅里叶级数展开,为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。,3输出电压 vo,(1)对基波分量,阻抗最大，为谐振电阻 Re,在高 Q 回路中，其 Re 近似为,式中，,回路总电容,回路谐振角频率,回路有载品质因数,(2)对非基波分量（谐波分量）,阻抗很小，产生的电压可忽略。,故输出电压仅有由基波分量产生的电压 vc，负载获得的信号功率不失真。,因此，丙类谐振功率放大器谐振回路的功能：,选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出电压。,阻抗匹配：调节 Lr 和 Cr，谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻 Re，并阻抗匹配。,4功率特性分析,(1)丙类功放的问题,若提高效率，管子导通角 c 应继续减小；但引起 iC 中基波分量 Icm1 减小，导致输出功率减小。,脉冲宽度变化的示意图,(2)解决方法,VBB 负向增大(c 减小)同时，提高输入激励电压 Vbm，以维持输出功率不变。但需警惕管发射结反向击穿。,为进一步提高效率，可采用开关工作的丁类、戊类谐振功率放大器。,2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器,1丁类谐振功率放大器,(1)电路,Tr 二侧两绕组相同，极性相反。,T1 和 T2 特性配对，为同型管。,(2)原理,若 vi 足够大，则,vi 正半周，T1 饱和导通，T2 截止，vA1=VCC VCE(sat),vi 负半周，T2 饱和导通，T1 截止，vA2=VCE(sat),A 点最大振幅值：,vA=vA1 vA2=VCC 2VCE(sat),电流加到串联谐振回路，若谐振回路工作在输入信号角频率上，可近似认为输出电流 iL 是角频率为 的余弦波，RL 上获得不失真输出功率。,(3)讨论,VCE(sat)小，管耗小，放大器的效率高(90%以上)；,因结电容、分布电容等影响，实际波形不理想，使管耗增大，丁类功放效率受限。,2戊类放大器,为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计的集电极回路，保证 vCE 为最小值的一段期间内，才有集电极电流流通戊类放大器。,2.1.3倍频器,1概念,倍频器(Frequency Multiplier)：将输入信号的频率倍增 n 倍的电路。,2原理,在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入信号频率的 n 次谐波上，则输出谐振回路上仅有 iC 中的 n 次谐波分量产生的高频电压，而其他分量产生的电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号频率 n 倍的输出信号功率。,3实现办法,(1)晶体管倍频器,倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频。原因：,效率。集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度随着 n 的增加而迅速减小。倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低。,滤波。谐振回路需滤除高于 n 和低于n 的各次分量。低于 n 的分量幅度较大，滤除较难。倍频次数越高，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。,(2)变容二极管、阶跃二极管构成参量倍频器，适用于倍频次数较高时。,2.2谐振功率放大器的性能特点,2.2.1近似分析方法,2.2.2欠压、临界和过压状态,2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论,2.2.1近似分析方法,1使用条件两个假设,谐振回路滤波特性理想，即尽管集电极、基极电流为脉冲波，但两回路只产生基波(余弦)电压，其他分量的电压均可忽略。有,功率管特性用输入和输出静态特性曲线表示，忽略高频效应，其参变量采用 vBE(而不是通常的 iB)。,2分析步骤,求动态点，画波形；连动态线，画 iC 波形；图解积分求分量；计算功率性能。,求动态点，画波形,设定 VBB、Vbm、VCC、Vcm，将 t 按等间隔(t=0，15，30，)给定数值，由便可确定 vBE 和 vCE(如图)。,连动态线，画 iC 波形,根据 vBE 和vCE 值，在输出特性曲线上(以 vBE 为参变量)找对应的动态点，画动态线(动态点的连线)，由此可确定 iC 的波形。,不到 VCC，因为导通角小于,图解积分求得分量 IC0 和 Ic1m,谐振电阻,计算功率性能,四变量 VBB、Vbm、VCC、Vcm 不同，iC 的波形和数值就不同，由此求得的 Re 及相应的功率性能就不同。,2.2.2欠压、临界和过压状态,1当 VBB、Vbm、VCC 不变，Vcm 由小变大，动态点左移,欠压状态,Vcm 的取值，使所对应的动态点均处在放大区。,临界状态,Vcm 增大，使 t=0 所对应的动态点 A处在临界点，iCmax 略微减小。,过压状态,Vcm 继续增大，使 A(t=0)动态点处在饱和区，iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，Vcm 增大，凹陷加深。,2 iC 的平均分量 IC0 与基波分量 Ic1m,iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大。如果出现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小。,由此可求功率性能,2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论,一、负载特性,1定义,指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。,2特性,Re 的增加势必将引起 Vcm 增大(Vcm=ReIcm),Re Vcm vCEmin 功放欠压 过压 iC 波形出现凹陷。,据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。,3 Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线,谐振功放的负载特性,Vcm=ReIc1m，Po=VcmIc1m/2 PD=VCCIC0，PC=PDPo C=Po/PD,4讨论,(1)欠压区,Re，iC 脉冲高度略有减小，相应的 IC0、Ic1m 也略有减小，因而 Vcm(=ReIc1m)和 Po()近似线性增大，而 PD(=VCCIC0)略有减小，C 增大，PC 减小。,(2)过压区,Re，电流脉冲高度减小，凹陷加深，相应的 IC0、Ic1m 减小，结果使 Vcm 略有增加，Po、PD 减小，且 Po 比 PD 减小的慢，从而 C 略有增加，PC 略有减小。,(3)匹配负载 Reopt,Re=Reopt 时，管子工作在临界状态，Po 最大，C 较大，PC 较小，放大器性能接近最佳。此时的 Re 称为谐振功放的匹配负载。,二、调制特性,集电极调制特性,两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。,1集电极调制特性,(1)含义,VBB、Vbm 和 Re一定，放大器性能随 VCC 变化的特性。,(2)调制特性,欠压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲高度略有减小，因而 IC0 和 Ic1m 也将略有减小，Vcm(=ReIc1m)也略有减小。,过压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。,(3)集电极调幅原理电路,图中：,载波；,调制信号,为谐振回路上的输出电压。,与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压。,集电极调幅电路,令 VCC(t)=VCC0+v(t)作为放大器的等效集电极电源电压。若要求 Vcm(t)按 VCC(t)的规律变换，根据集电极调制特性，放大器必须在 VCC(t)的变化范围内工作在过压状态。,2基极调制特性,基极调制特性,(1)含义,Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。,(2)调制特性,当 Vbm 一定，VBB，iC宽度、高度，IC0 Ic1m、Vcm，VCEmin，放大器欠压 过压。,过压后，随 VBB，iC 宽度、高度，凹陷加深，IC0 和 Ic1m、Vcm 均增加缓慢，可认为近似不变。,(3)基极调幅原理电路,基极调幅电路,基极偏置电压,使 Vcm 按 VBB(t)的规律变化，放大器工作在欠压状态。,三、放大特性,放大特性,1含义,当 VBB、VCC 和 Re 一定，放大器性能随 Vbm 变化的特性。,2特性,固定 VBB，增大 Vbm 与上述固定 Vbm 增大 VBB 的情况类似，它们都使 iC 的宽度和高度增大，放大器由欠压进入过压。,(1)谐振功放作为线性功放,线性功率放大器的作用,为了使输出信号振幅 Vcm 反映输入信号 Vbm 的变化，放大器必须在 Vbm 变化范围内工作在欠压状态。,(2)谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter),振幅限幅器的作用,作用：将 Vbm 在较大范围内的变化转换为振幅恒定的输出信号。,特点：根据放大特性，放大器必须在 Vbm 的变化范围内工作在过压状态，或 Vbm 的最小值应大于临界状态对应的 Vbm 限幅门限电压。,四、四个特性在调试中的应用,在调试谐振功放时，上述四个特性十分有用。,例如，设一个丙类谐振功率放大器，设计在临界状态，若制作出后，Po 和 C 均不能达到要求，则应如何进行调整。,Po 达不到要求，表明放大器不在临界状态。若增大 Re 能使 Po 增大，则根据负载特性，断定放大器工作在欠压状态，此时分别增大 Re、Vbm 和 VBB 或同时或两两增大均可使放大器由欠压进入临界。,若增大 Re，Po 减小，放大器实际工作在过压状态，可增大 VCC(同时，适当增大 Re 或 Vbm 或 VBB)，需注意管子安全。,实际上放大器的工作状态除了改变 Re 外还可以根据实际情况通过改变 VCC、Vbm、VBB 来判断，不过改变 Re 较普遍，但不论改变哪个量都必须保证回路谐振在工作频率上。,2.3谐振功率放大器电路,2.3.1直流馈电电路,2.3.2滤波匹配网络,2.3.3谐振功率放大器电路,2.3.1直流馈电电路,考虑因素：滤波匹配网络安装方便；馈电电路(Power Supply Circuit)对滤波匹配网络的影响。,直流馈电电路分为,串馈,并馈,1串馈与并馈,(1)串馈,三者(直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管)在电路形式上为串接的馈电方式。,集电极直流馈电电路（串馈）,LC高频扼流圈，与 CC 构成电源滤波电路。,在信号频率上 LC 的感抗很大，接近开路；CC 的容抗很小，接近短路，避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。,(2)并馈,三者(直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管)在电路形式上为并接的馈电方式。,集电极直流馈电电路（并馈）,LC 高频扼流圈；CC1 隔直电容；CC2 电源滤波电容。,在信号频率上，LC 感抗很大，接近开路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。,虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并联的，但滤波匹配网络两端电压 vc(t)直接反映在 LC 上，因而vCE=VCC+vc。与串馈电路相同。,串馈：匹配网络处于直流高电位，网络元件不能直接接地。,并馈：CC1 隔直流，匹配网络处于直流地电位上，网络元件可直接接地，安装比串馈方便。但 LC 和 CC1 与匹配网络相并联，它们的分布参数影响网络调谐。,(3)串馈与并馈的比较,相同点：两种馈电方式，VCC 都能全部加到集电极上。,不同点：滤波匹配网络的接入方式。,2基极偏置电路,(1)作用,为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。,(2)常用类型,图(a)：基极偏置电压由 VCC 通过 RB1 和 RB2 分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。,图(b)：自给偏置电路（LB、RB、CB1）。,RB：产生压降，提供自偏电压；LB：避免 RB、CB1 对输入滤波匹配网络的旁路影响。,图(c)：自给偏置电路（LB）。,LB：为功率管基极电路提供直流通路。IB0在LB固有直流电阻上产生得压降提供基极偏置。,3自给偏置电路,(1)自给偏压 IB0 的产生,右图，vb 0 ib 0，为脉冲电流，可分解为 IB0、Ib1m、Ib2m、,由基尔霍夫定律ib=i1+i2,i2 通路有高扼圈 LB，仅直流电流可以通过，ib 中的直流分量为 IB0，故 i2 为 IB0。,(2)自给偏置,Vb(t)=0，VBE=0；Vb(t)由小至大 IB0 随之增大 VBE=IB0RB 负向增大。,自给偏置效应：偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应。,(3)自给偏置电路的作用,用于载波功放，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用。,用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。,若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，造成输出信号失真，应当避免。,2.3.2滤波匹配网络,在交流通路中，滤波匹配网络介于功率管 T 和外接负载 RL 之间。,1对滤波匹配网络的要求,(1)变换,将外接负载 RL 变换为放大管所要求的负载 Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。,(2)滤波,充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证在外接负载上输出所需基波功率(在倍频器中为所需的倍频功率)。,谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。,设 IL1m 和 ILnm 分别为通过外接负载电流中基波和 n 次谐波分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波功率分别为 PL 和 PLn，则对 n 次谐波的谐波抑制度定义为,Hn 越小，网络对 n 次谐波的抑制能力越强。通常n选 2，即对二次谐波的抑制度。,(3)高效,将功率管给出的信号功率 Po 高效地传送到外接负载上，即要求网络的传输效率 K=PL/Po 接近 1。,2对滤波匹配网络讨论,(1)谐波抑制度 Hn 和 K 间的矛盾,在实际滤波匹配网络中，提高Hn，就会牺牲传输效率 K，反之亦然。,(2)说明,如右图所示，L 和 C 为滤波网络(简称 L 型网络)，rL 为 L 中的固有损耗电阻，RL 为外接负载电阻。,高Q 有载品质因数：,回路固有品质因数：,可见，当 Q0 一定时，RL 越大于 rL，相应的 K 就越大。但 RL 越大，Qe 越小，回路谐振曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。,在谐振功放中，为了有较高的传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般在10以下。考虑到谐波抑制度，常用的滤波匹配网络除最简单的L型外，更多的是由三个电抗元件组成的，T型以及由它们组成的多级混合网络。,具体电路形式有多种。,作用：阻抗匹配、选频滤波。,不论形式有何不同，均可由串-并联阻抗变换公式将其等效为上述两种基本网络的组合。,常用滤波匹配网络的结构、组成元件的表达式参阅教材表 2-3-1(p101)。,(3)谐振功放匹配滤波网络的基本形式,3串、并联阻抗转换公式,若将一个由电抗和电阻相串接的电路与相并接的电路等效转换，根据等效原理，令两者的端导纳相等，,即,由此得,(1)串转并公式,(2)并转串公式,(3)说明,式中，,Xp 和 Xs 为实数,电容：X,电感：XL=L,上述各式表明，Qe 取定后，Rp 和 Rs，Xp 和 Xs 之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变(Xs 和 Xp 有相同的正负号)。,4滤波匹配网络的设计,在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般在 10 以下。考虑到谐波抑制度，常用的滤波匹配网络除了上述最简单的 L 型外，更多的是由三个电抗元件组成的、T 型以及由它们组成的多级混合网络。以下介绍滤波匹配网络的阻抗变换特性。,假设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零，即回路传输效率趋近于 1，外接负载电阻为 RL，要求与 Re 和 C0 的串接或并接阻抗相匹配，C0 为功率管的分布电容。,利用串、并联阻抗转换公式，就可以导出各种滤波匹配网络的元件表达式。,图 237T型滤波匹配网络,例 1：图 2-3-7(a)为 T 型滤波匹配网络，要求与 Re 和 C0 串接阻抗匹配，求各元件表达式。,解：将 T 型网络分割成两个串接的 L 型网络，图中。,再对这两个 L 型网络进行分析。,在后一个 L 型网络中，将 XC2 和 RL 的串接阻抗转换为 Xp2 和 Rp2 的并接阻抗，分别取值为,(注意 XC2 含负号),令，回路并联谐振，则 L 型网络呈现的谐振电阻为,其中，,网络元件的表达式为,XC2=-Qe2RL，,再分析前一个L型网络，其负载电阻为。将和的并接阻抗转换为Xs1 和Rs1的串接阻抗，分别为,其中。令，回路串联谐振，则 L 型网络呈现的谐振电阻,或 由于 Qe2 为正实数，因而 根号内的值应大于零，故有,相应网络元件的表达式为,式中，,所以，若已知 Re、C0 与 RL，并选定 Qe1，则 T 型网络的各元件值由下列各式确定,讨论：该网络仅适用于 的匹配要求。但由于 Re 越接近 RL，A 越趋近 Qe1，XC1 就越大，相应 C1 就越小，而过小的 C1，在实践上是难以实现的，故此处，Re 不易接近 RL。,例 2：图 2-3-8 示 型滤波匹配网络，要求与 Re、C0 的并接阻抗匹配，求各元件表达式。,图 238 形滤波匹配电路,解：首先取 XL1+XC0=0，L1 和 C0 并联谐振，网络得到简化，然后将 XL2 用虚线分成两个串联电感，即,在由与 XC2 组成的 L 型网络中，它的负载为 RL，现将 XC2 与 RL 并联阻抗转换为串联阻抗 Xs2 和 Rs2。并令，网络串联谐振。,结果是网络呈现的谐振电阻为,且,在由 XC1 和 组成的网络中，它的负载为，现令，回路串联谐振，因而,或,由于 Qe2 恒为正实数，故有 RL Re,设，则，若已知 Re、C0 和 RL，并选定 Qe1，则网络元件值由下列各式确定,该网络适用于 RL Re 的匹配要求。,2.3.3谐振功率放大器电路,2.4高频功率放大器,2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗,2.4.2高频功率放大器设计举例,工作频率在几十兆赫兹至几百兆赫兹范围的谐振功率放大器统称为高频功率放大器。功率管的特性已不能仅用静态特性曲线表示。还需要考虑非线性电容，引线电感等分布参数和大注入效应等。工程上广泛采用借助功率管的大信号输入和输出阻抗的设计方法。,2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗,一、高频功率管结构,高频功率管的内部结构如图 2-4-1 所示。,内部结构,外部结构,(a)和(b)为四引线结构，其中两条引线为发射极(宜接成共发组态)或基极(宜接成共基组态)，目的是减小输入和输出公共极端点上的引线电感。,(c)和(d)为两线结构，金属底座为基极或发射极，宜接成共基组态或共发组态。,在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率管不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。,二、大信号输入和输出阻抗,大信号输入和输出阻抗可以通过实测得到。,1将功率管接入谐振电路,在指定频率上且特定幅值的输入信号电压激励下，调整输入和输出滤波网络，使其谐振，输出功率最大，效率较高。,2测试输入、输出阻抗,移去功率管、电压源。用 50 电阻代替信号源。用阻抗测试仪测得得 B-E 之间阻抗为输入端要求外接的匹配阻抗，C-E 之间阻抗为输出要求外接的匹配阻抗。其阻抗的共轭值分别称为功率管的输入阻抗和输出阻抗。,2.4.2高频功率放大器设计举例,一、设计步骤,选择晶体管 确定打信号阻抗 确定滤波匹配网络 确定馈电电路 安装调试,二、设计举例,例：设计一个高频功率放大器，用于调频发射机，输入和输出负载均为 50，输入信号频率为 80 MHz，输出信号频率为 160 MHz，要求输入功率为 4 mW 时，输出负载上得功率 700 mW，二次谐波抑制度小于-30 dB，放大器总效率大于 50，电源电压为 15 V。,解：一、确定组成方案。,通过计算效率和增益确定组成方案并选择工作状态。根据二次谐波抑制度与传输效率的关系取 c=0.7。,通常丙类功率放大器功率增益小于 12 dB，效率大于60，所以分三级来完成。,二、选定器件和电路,fT=(2 10)fc PCM PcV(BR)CEO 2Vcc,根据工作状态、指标要求确定电路。,三、滤波匹配网络设计,以末级输出网络为例，分为三个网络的组合进行分析。,网络：取 Qe1=3，设 Re1=150。,网络：取 Qe2=2，Ce10=10 pF，并设 Re2=35。,网络：取 Qe3=3，功率管的大信号输出阻抗 Re(=98)和 C0(=20 pF)。,四、安装调试,1调整输入滤波网络达到谐振与匹配，IC0 显示最大，功率计显示也由小增大。,2调整输出滤波网络达到谐振与匹配，IC0 减为最小，功率计显示达到最大值。,