高频谐振功率放大电路.ppt
3.1 引言 3.2 丙类谐振功率放大器的基本原理 3.3 丙类功放的性能分析3.4 晶体管功放的高频特性3.5 谐振功率放大器电路3.6 倍频器3.7 功率合成技术,第3章 高频谐振功率放大器,3.1 引言,1.功放：在输入信号的控制下，把直流能量变换为交流能 量的转换器。2.类型,3.主要指标：输出功率Po、效率、BW0.74.研究的主要问题：在安全高效率的条件下，尽量输出大功率。,谐振放大器按其工作信号大小可分为 小信号谐振放大器：输入信号通常为数十微伏至毫 伏，器件工作于甲类 大信号谐振放大器：器件工作于丙类,3.2 丙类谐振功率放大器的基本原理,高频功率放大器的主要作用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。在通信系统中，高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分，用于对高频已调波信号进行功率放大，然后经天线将其辐射到空间，所以要求输出功率很大。输出功率大，从节省能量的角度考虑,效率更加显得重要。因此,高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。同时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用LC谐振回路作为选频网络，故称为丙类谐振功率放大电路。,一、基本电路 下图是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路，除电源和偏置电路外，它是由晶体管、谐振回路和输入回路三部分组成的。,天线,(c1和c2称作为高频旁路电容:对高频起旁路作用),c1,c2,二、特点1.负载是谐振回路，电抗性负载，所以为窄带放大器。2.为了提高效率，通常采用VBBVBEon。三、回路的作用1.滤波,回路变换,注：在整个变换过程中Q值是表示的哪一条支路，串并联支路不同。,回路阻抗,回路对n次谐波呈现的阻抗（nw）,代入,由此可见，Z下降到原来幅值的1/15。,2.阻抗变换作用外接负载常含电抗分量，我们通过外加一个异性电抗元件使其变成一个谐振电阻Re。可以保持回路谐振时Re等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配。,四、电流电压的关系波形图 由转移特性，当VCC、VBB和Re一定时，放大器在Vbe的作用下，集电极出现一连串的电流脉冲，周期性脉冲可以分解成直流、基波(信号频率分量)和各次谐波分量。,书82页图,0()、1()、n()分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数。见书88页式224当回路谐振时，回路上产生的电压为：,且VCE与VBE反相,其中,五、提高效率的途径1.输出功率：2.输入功率：3.集电极耗散功率：4.效率：所以降低Pc才会有 的提高，可以减小电流流过时间，即 的减小。5.通角：集电极电流流通时间的一半甲类：180o、乙类：90o、丙类：90o，一般取70o。,3.3 丙类功放的性能分析（工作状态）,一、分析目的：求能量关系所以关键在求ic和ib的表达式。二、解ic和ib的基本方法分析方法求非线性微分方程 数值分析：用计算机做 工程解法 图解法 解析近似分析法（准静态分析法）准静态分析法目的：将非线性转换为线性来分析假设1：输入、输出均有回路，Qe较高，回路两端均只有 基波电压。,则,VCE、VBE与Ic1m、Ib1m线性关系VCE、VBE与ic、ib非线性关系,假设2：当工作频率f0.5fB，此时可以略去Cbc，Cbe的影 响，放大管的特性可用静态特性表示。以此为基础 准静态分析法：图解法，折线法图解法 1.依据：以上、式。静态特性：在C极电路没有负载情况下，以某一电压为参 变量，ic（ib）随另一极电压变化的曲线。动态特性：在C极电路有负载情况下，C极电压VCE和b极 电压VBE同时改变时，C极电流ic变化曲线。,3.求ic、ib（wt）具体方法静态特性 动态特性选取4个基本变量VCC，VBB，Vbm和Vcm。作图：用VCE，VBE的7组值，一点一点描绘出来。a.由 给定wt0o，15o，30o，45o，60o，75o，90o得到7组值。b.利用输入特性曲线ib VBE，将输出特性曲线中的ib用 VBE代替，得到静态特性曲线。c.根据VBE，VCE取值，连接相应各点，得动态曲线AB。A点：B点：,折线近似法画图：截距法、虚拟电流法谐振时,由所做的动态特性曲线图 ic(wt)Ic0和Ic1,三、参数变化对功放工作状态的影响工作状态：四个基本量：VCC，VBB，Vbm，Vcm。当前三个量一定时Re变化 Vcm变化 Ic0，Ic1变化 变化 1.当ReRe2时Q点：，位置始终不变A2点：工作状态：按动态线端落在静特性线上的位置，确定 功放的工作状态。A2点落在VBEmax静态线的转折点上，称临界工作状态,动态线变化时，通角并没发生改变,所以动态线发生变化时，幅值没有发生变化。2.当ReRe1Re2时 对应Vcm3Vcm2，VCEmin3VCEmin2。VBEmax不变，A3点落在饱和线上。延长VBEmax线，由 VBEmax与VCEmin3得A3点，从A3点做垂线与饱和线交于 A3点。A3点落在饱和区，称为过压状态。,负载特性曲线1.在欠压区Re1Re2 当Re增大，Ic(wt)变化不大，所以Ic0和Ic1随Re增大会略有下降。,在欠压区，电流变化很小，近似认为是恒流源特性。,2.在过压区Re2Re3 Re增大，Ic(wt)的凹陷程度加深，Ic0和Ic1下降，但通角变化不大。,小结：,例：放大器处于临界状态，（1）当Re增加一半时Po如何变化？（2）当Re减少一半时Po如何变化？解：（1）当Re增加一半时，放大器由临界状态变化到过压状态，由于过压状态为近似恒压区，Vcm不变。Po减少一半。（2）当Re减少一半时，放大器将由临界状态变化到欠压状态，由于欠压状态为恒流区，Ic1不变。Po减少一半。,三种状态的应用：A.欠压状态：P0、C均较小，应用较小主要作恒流源、基 极调幅，调整基极输入电压。B.临界状态：P0、C均较大，用于发射极末级。C.过压状态：C最高，P0较小，Vcm（输出电压平稳）作恒压源用，一般可用于发射器的中间级。,调制特性调制：用一个信号来控制另一个信号的方法。四个基本量：VCC，VBB，Vbm，Vcm1.集电极调制（在IcVCE平面下分析）定义：VBB，Vbm和Re一定时，IC与VCC之间的变化关系。分析：Re不变，所以负载线的斜率不变 VCC增加，负载线向右平移，过压变为临界或欠压 VCC减小，负载线向左平移，欠压变为临界或过压讨论：欠压区：当VCC增加时，Vcm、Ic0和Ic1也略微增加，IC 有完整波形。特点：电流几乎不变，即VCC对IC1和Po影响很小。,过压区：当VCC下降，IC的凹陷加深，Ic0和Ic1也下降，所以起到调制作用。在过压状态时,Vcm随VCC而单调变化。所以要使Ic1和 Vcm与VCC成线性关系，即振幅调制作用，集电极调制 工作在过压区。实现方法：书92页，图227,2.基极调制定义：VCC和Re一定时，IC，Vcm与VBB之间的变化关系。分析：在ICVBE平面上分析，先做ICVBE曲线 在欠压区，动态曲线和静态曲线重合。过压时：所以在该平面曲线上设置三点：VBB1，VBB2和VBB3 VBB1 VBB2 VBB3,临界状态VBB2：VBB2下降为VBB1，IQ变小，导通角变小。VBB2变大为VBB3，IQ变大，导通角变大。讨论：在欠压状态时，VBE与Vcm，IC0和IC1成线性关系。在过压状态时，随VBE的变化，Vcm，IC0和IC1基本 不变。,基极调制的目的是使Vcm随VBE的变化规律而变化,所以功放应工作在欠压状态,才能使VBE对Vcm有控制作用。,基极调制特性分析,基极调制的实现：书92页图228载波状态VBB(0)选在欠压区直线的中点，即最大状态为临界状态。,小结 根据以上对丙类谐振功放的性能分析,可得出以下几点结论:1.若对等幅信号进行功率放大,应使功放工作在临界状态,此时输出功率最大,效率也接近最大。比如对后面将介 绍的调频信号进行功率放大。,2.若对非等幅信号进行功率放大,应使功放工作在欠压状 态，但线性较差。若采用甲类或乙类工作,则线性较好。比如对后面将介绍的调幅信号进行功率放大。3.丙类谐振功放在进行功率放大的同时,也可进行振幅调 制。若调制信号加在基极偏压上,功放应工作在欠压状 态；若调制信号加在集电极电压上,功放应工作在过压 状态。4.回路等效总电阻Re直接影响功放在欠压区内的动态线斜 率,对功放的各项性能指标关系很大,在分析和设计功放 时应重视负载特性。,临界工作状态的计算公式已知：Po，VCC，VCES(饱和压降)和,如果要增大输出功率,在回路等效总电阻不变的情况下,需增大Ic1m,当器件确定时,就是要增大输入信号振幅Ubm；如果要提高效率,需增大Ic1m或减小IC0m(减小IC0m即减小集电极功耗,通过降低静态工作点可以实现)。所以,增大输入信号振幅是实现大功率高效率的两条重要途径。在甲类工作状态时,为保证不失真,必须满足Ic1mIC0m,又UcmVCC(忽略晶体管饱和压降),所以由公式(3.2.5)可知,最高效率为50%。在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲最高效率为78.5%。,思考题设一丙类功率放大器工作于临界状态，其工作角频率为w0，集电极负载谐振电阻为Re，现欲将放大器工作角频率提高为w1（w1w0），调节C为C1，以使回路重新谐振，且天线负载值不随频率而变化，试问：1.这时Re值变大还是变小了，为什么？2.放大器工作状态发生什么变化？如果要使其重新工作在临界状态，可以调制哪些参量来实现？3.集电极直流电流Ic0是变大了还是变小了？4.若天线是通过一耦合回路接入集电极的谐振回路，接入系数为n，则n值如何变化可以使放大器重新工作在临界状态？,
