通信电子电路谐振功率放大器.ppt

通信电子电路,文凤,书山有路勤为径学海无崖苦作舟,第三章 高频谐振功率放大器,第三章 高频谐振功率放大器,3.1 概述 3.2 丙类谐振功率放大器的工作原理及其性能 分析 3.3 丙类谐振功率放大器的工作状态及其特性 3.4 丙类谐振功率的耦合与设计原则3.5 倍频器,3.1 概述,第三章 高频谐振功率放大器,作用：为天线或其它负载单元提供足够大的高频输出功率。性能指标：（管子安全前提下）输出功率（Po=Vom2/2RL)足够大;效率足够高c=输出功率/电源提供功率=Po/PD=Po/（Po+Pc)失真小（谐波分量应尽量小，以免对其他频道产生干扰）特点：工作频率高，相对频带窄（频宽只中心频率的1%或更小)；采用谐振系统作为负载回路；放大器一般工作在C（丙）类工作状态，属于非线性电路；输入信号强，电压在几百毫伏一几伏数量级附近;不能用线性等效电路分析，一般采用图解法和折线法分析；用途：主要用于各种类型的发射机，以及许多电子设备如 高频换流器及微波功率源等。输出功率：便携式发射机：毫瓦级；无线电广播电台：几十千瓦，甚至兆瓦级。,提高效率减小管耗的方法：,第三章 高频谐振功率放大器,讨论：若要提高C，就应减少 PC，则要减少 iC vCE,途径 1：减小管子在信号周期内的导通时间，即 增大 iC 0 的时间。（由甲类甲乙类乙类丙类）,途径 2：使管子运用在开关状态(又称丁类)；管子在半个周期内 饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE vCE(sat)很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗 iC vCE 处在很 小的值上。截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小，C 显著增大。,返回概述,总结,为提高效率，管子的运用状态从甲类乙类丙类开关工作的丁类转变。但随效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。（乙类可采用互补对称电路，丙类则可采用具有谐振性质的负载等）,功率放大器的分类,第三章 高频谐振功率放大器,甲类：Q点在放大区，功率管在整个周期内都导通=1800（如小信号放大器）,乙类：Q点在放大区和截止区交界处，VBEQ=VBE(on)，功率管仅在半个周期内导通。=900（如乙类互补对称功放）,丙类：Q点在截止区，功率管小于半个周期内导通。900,甲乙类：Q点在放大区和截止区之间，但靠近截止区的位置，管子在大于半个周期小于一个周期内导通。900 1800,返回概述,3.2 丙类谐振功率放大器的工作原理及其性能分析,一、丙类谐振功率放大器的原理电路,LC构成匹配网络，用来保证输出与输入信号变化规律一致，其谐振频率等于输入信号中心频率。,VB为基极偏置电压，其值应小于VBE(on)即静态工作点应设置在截止区，以实现丙类工作。,原理分析,性能分析,第三章 高频谐振功率放大器,B、E间的有效电压：,C、E间的电压：,RFC为高频扼流圈（通直流阻交流）;Co为耦合电容（通交流阻直流）iL中无直流分量（即Ico=Idc）,二、工作原理分析,第三章 高频谐振功率放大器,vBE,若对iC分解傅里叶级数：,思考：可通过那些途径 改变导通角？,思考：若将该三极管的输出直接接在一个纯阻负载上可以吗？,Icmax,改变导通角的途径,返回,第三章 高频谐振功率放大器,可通过改变 输入信号幅度Vsm和偏置电压VB来调整导通角的大小,当 Vsm一定,可改变VB,饱和区,放大区,截止区,左移,导通角减小右移,导通角增大,当VB 一定,可改变Vsm,饱和区,放大区,截止区,Vsm减小,导通角变小;Vsm增大,导通角变大,关于集电极电流ic,第三章 高频谐振功率放大器,平均分量,基波分量,n次谐波分量,ic,根据电流分解理论知：,返回,原理分析续,与输入信号的频率相同,思考：输入电压、集电极电流、输出电压的波形相同吗？,工作原理分析续：输出电压表达式,第三章 高频谐振功率放大器,因为LC谐振回路谐振于信号频率，因而电路谐振电阻R上流的是基波电流，即输出电压为：,VB,丙类功放各级电压、电流的波形图,C、E间的电压：,性能分析,三、谐振功放的性能分析:,1、输出功率:,2、转换效率:,3、管子消耗的功率:,第三章 高频谐振功率放大器,为电压利用系数=Vcm/Vcc,尖顶余弦函数脉冲的分解系数与波形系数曲线,详细解答,第三章 高频谐振功率放大器,例题1：谐振功放的电路及晶体管转移特性曲线如图，已知L=7.68H，VB=-1V，VCC=12V，设输入信号为：,例2,例3,详细解答：,根据题意得：,曲线的斜率为:,管子的导通电压为:,又因为基极偏置电压:,所以有:,返回例1,第三章 高频谐振功率放大器,例题2:已知谐振功率放大器的输出功率PO=5W,集电极电源电压VCC=+24V,如果要求攻放的集电极效率=80%,电源供给的功率PD及耗散功率PC各为多少?,返回,解:,第三章 高频谐振功率放大器,例3：初步设计一个丙类功放，它采用N沟道增强型管子，电路向负载提供25W的功率，放大器效率为85，工作频率50MHz，电源电压为12V。,第三章 高频谐振功率放大器,解：电路基本结构跟三极管构成的丙类功放类似，电路初步设计为：,忽略饱和压降VDS(S)，则认为1，即Vom=VCC,要工作于丙类状态，要求VGS VGS(th),管子的选择：选fT、f尽量大的管子；设RLC并联谐振回路的品质因素Qe为10，则有：L=R/O Qe=9 10-4(H)；C=1/O2 L=12(PF),返回例1,3.3 丙类谐振功放动态分析（工作状态及几种特性）,、谐振功率放大器的动态分析方法(用静态特性曲线表示，其高频效应 可忽略。且谐振回路具有理想滤波特性）,第三章 高频谐振功率放大器,若设输入电压：,当放大器工作在谐振状态时，其外部电路输入端电压方程为:,又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程）：,动态特性曲线在vCE轴上的截距,一、动态特性方程（了解）,动态特性曲线的斜率,二、动态曲线画法(了解）：,第二章 高频谐振功率放大器,V0,gd,当R增大Vcm=Icm1R增大|gd|减小，曲线向左移动。,IQ=gc(VB-VBE(on),A(vcemin，vbemax),Q(VCC，IQ),vcemin=VCC-Vcm,B,A,B(VO，0),Q,VO=VCC-Vcmcos,B、Q的确定,B、Q点的确定,B点的确定：(VCC-Vcm cos，0),Q点的确定：(VCC，gc(VB-VBE(on),返回,第三章 高频谐振功率放大器,第二章 高频谐振功率放大器,在放大技术中，人们根据器件是否进入截止和进入截止区的时间长短，将放大器分为甲类、乙类和丙类等，而在丙类放大器中，有时需要晶体管进入饱和区，以获得人们期望的某种结果，根据晶体管的输出动态点是否进入饱和区将放大器的工作状态分为欠压、临界、过压三种状态。,A1：vCEmin 对应的动态点处于放大区，Vcm VCC VCES 欠压状态,A2：vCEmin 对应的动态点处于临界点临界状态，Vcm VCC VCES。若临界饱和线的斜率为gcr，则有：ICmax=gcr(VCC Vcm)=gcr VCES,A3：vCEmin 对应的动态点处于饱和区，Vcm VCC VCES 欠压状态，iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，随 Vcm 增大,凹陷加深,第三章 高频谐振功率放大器,三、丙类谐振功率放大器的三种工作状态：欠压、临界和过压状态,高频谐振功放的动态特性,一、负载特性,第三章 高频谐振功率放大器,：VB、Vsm、VCC 一定，改变 Re 对应特性。,vBE,过压区,临界区,欠压区,A1,A5,A3,A4,A2,V0,当Re增大Vcm=Icm1Re增大|gd|减小，曲线向左移动。,Re,Re 的增加势必将引起 Vcm 增大(),ReVcmvCEmin；工作状态由欠压临界过压，iC 由接近余弦变化的电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。,继续,负载特性续,第三章 高频谐振功率放大器,Vcm=ReIcm1 Po=VcmIcm1/2 PD=VCCIC0 PC=PDPo C=Po/PD,（1）临界:Po最大，效率也较高，可以说是最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态。,（2）过压:Rp变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，Po有所下降。常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。集电极调幅也工作于这种状态。,Reopt _最佳负载阻抗（匹配阻抗）,（3）欠压:Po与都比较低且PC大，输出电压又不够稳定，因此一般较少采用。但在某些场合，例如基极调幅，则需采用这种工作状态。,调制特性,二、调制特性,1.集电极调制特性,(1)含义：指VB、Vsm 和 Re一定，放大器性能随 VCC变化的特性。,(2)调制特性：,VCCVcmvCEmin，工作状态由：过压 临界欠压，iC 由中间有凹陷的脉冲波。转变为接近余弦变化的电流脉冲波且脉冲高度增加。,第三章 高频谐振功率放大器,（包括集电极调制和基极调制两种特性）,结论:,若要VCC能有效控制Vcm实现集电极调制，则放大器应工作在过压状态；集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。,集电极 调幅电路,调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性。,第三章 高频谐振功率放大器,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。,返回,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（结合转移特性讲）,(1)含义：Vsm、VCC、Re一定，放大器性能随 VB 变化的特性。,第三章 高频谐振功率放大器,饱和区,放大区,截止区,(2)调制特性：当 Vsm 一定，VB 时，iC宽度、高度，IC0 Icm1Vcm，使 vCEmin，工作状态：欠压临界过压状态。,过压状态：随VB 正值方向增大，集电极电流的宽度和高度均增加，使凹陷加深，结果使 IC0 和 Ic1m、Vcm 均将增大，但增大得十分缓慢，可认为近似不变。,结论：若要VB 有效控制VCC 实现基极调制，应工作在欠压状态；基极调制特性是实现基极调幅的原理依据。（因基极调幅非线性失真大；需激励信号功率大；所以一般不采用）,基极调幅原理电路,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。,第三章 高频谐振功率放大器,返回,三、放大特性（振幅特性）,1.含义：当 VB、VCC 和 Re一定，放大器性能随Vsm 变化的特性。,2.特性：固定 VB，增大 Vsm 与上述固定 Vsm 增大 VB 的情况类似.,第三章 高频谐振功率放大器,饱和区,放大区,截止区,即 VB 一定，Vsm 时，iC宽度、高度，IC0 Icm1Vcm，使 vCEmin，工作状态：欠压临界过压状态。,放大特性的应用,放大特性的应用,(1)谐振功放作为线性功放时,为了使输出信号振幅 Vcm 反映输入信号 Vsm 的变化，放大器必须在 Vsm 变化范围内工作在欠压状态。,第三章 高频谐振功率放大器,(2)谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter),作用：将 Vsm 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 Vsm 的变化范围内工作在过压状态，或 Vsm 的最小值应大于临界状态对应的 Vsm 限幅门限电压。,第三章 高频谐振功率放大器,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，一丙类谐振功放，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，表明放大器没在临界。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、Vsm 和 VB 或同时或两两增大均可使放大器由欠压进入临界。,五、总结：,VB、Vsm、Re由小到大增加时，功放的工作状态都由欠压过压。,VCC由小到大增加时，功放的工作状态都由过压欠压,第三章 高频谐振功率放大器,VB、Vsm 和 VCC、Re变化对电路性能及工作状态的影响:,要实现集电极调制，应该调整VCC让电路工作于过压状态,要实现基极调制，应该调整VB让电路工作于欠压状态,要作为功率放大器用，应该调整Re Reopt让电路工作于临界状态。,要作限幅器用，应该调整Vsm让电路工作于过压状态,例题,例题,例题：某谐振功率放大器中的功放管的输出特性曲线如图示，电路处于临界状态，已知gcr=0.41S，0.9，VCC=30V，导通角900，求：Vom、R、Po、PD,第三章 高频谐振功率放大器,返回,例题 已知某一由场效应管组成的丙类功放，其输入回路如图3-2-9（a）所示。其中场效应管的转移特性如图3-2-11所示。当VGG=VGSQ=2V，Vim=2V时放大器处于临界工作状态，其效率为70%。试问：在其它条件不变情况下，Vim由2伏变成1伏后，功放效率如何？,第三章 高频谐振功率放大器,解：由于VGG=2V，所以无论Vim为何值，管子的导通角均为90 o。又由已知的转移特性可知：Vim减半后，iD的最大值也应减半。由式（3-2-3）和式（3-2-5），Id1m和Id0也会减半。这样，利用式（3-2-9）可得到Vim减半后，值也应减半。,返回,2.4 实际高频谐振功放电路及其设计原则,电路的组成及其要求,功放管的集电极经外电路到发射极这条路叫集电极电路；,功放管的基极经外电路到发射极这条路叫基极电路；,第三章 高频谐振功率放大器,丙类谐振功放由5部分构成：信号源、有源器件T、负载RL、匹配网络、直流馈电电路（VCC、VB),集电极电流、基极电流中都含有平均分量、基波分量及高次谐波分量，外电路必须对这些分量有正确的通路，放大器才能正常工作。,集电极电路各电流分量的通路应满足下面三点要求：,对直流：EC应全部加到C、E两端,对基波：应全部通过负载，外电路对基波电流呈一等效谐振电阻Re,对高次谐波：外电路应近似短路,基极电路各电流分量的通路应满足下面两点要求：,外电路对直流应短路,外电路对信号频率分量能通过，其谐波应短路,任何谐振功放电路组成应满足上述要求，因此在设计一个电路后应按上述要求检验，以判定电路是否正确。,一、直流馈电电路(Power Supply Circuit),第三章 高频谐振功率放大器,谐振功放管外电路由：直流馈电电路和匹配网络组成。,通过匹配网络将交流输出功率有效地传输到负载。,保证晶体管各电极获得相应的馈电电源;,一、直流馈电电路,直流馈电电路包括集电极馈电电路和基极馈电电路；它们分别又有串馈和并馈两种。,直流馈电电路分为,直流电源、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为串接的一种馈电方式。,直流电源、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为并接的一种馈电方式。,考虑因素：滤波匹配网络安装方便及对滤波匹配网络的影响。,1、集电极馈电电路,第三章 高频谐振功率放大器,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,串馈,并馈,串馈：滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。安装不方便。,并馈：由于 CC1 隔断直流，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。,2、基极馈电电路：,第三章 高频谐振功率放大器,VB,+VB-,串馈,并馈,为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。,二、滤波匹配网络,匹配网络是为解决电信号能否有效地进行传输提出来的。谐振功放电路的匹配电路分输入、输出和级间匹配三种。用在不同的地方其要求不一样。,对输出滤波匹配网络的要求（3条）：,(1)实现阻抗变换将外接负载 RL 变换为放大管所要求的最佳负载Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。,(2)选频滤波（用谐波抑制度Hn来衡量）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)。,(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,接近 1。,第三章 高频谐振功率放大器,在几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。,常见的匹配网络,第三章 高频谐振功率放大器,谐振功放的滤波匹配网络的基本形式有两种：LC串联和LC并联谐振电路。作用是实现阻抗匹配、选频滤波，满足此要求的匹配网络的形式很多（常见的匹配网络）不论形式有何不同，均可由下述串-并联阻抗变换公式将其等效为上述两种基本网络的组合。,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,串并,由此得:,第三章 高频谐振功率放大器,并串,电容：X,电感：XLL,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)。,返回,丙类谐振功放的工程设计原则,设计的一般步骤：,1、选择工作状态并计算效率和满足输出功率要求所需的最佳负载电阻值。,2、选择功率晶体管,3、选择匹配网络,4、偏置电路的考虑,5、调整与调谐,第三章 高频谐振功率放大器,1、选择工作状态并计算效率和满足输出功率要求所需的最佳负载电阻值。,a、放大器所需的最佳负载电阻Re:,b、电源提供的功率PD:,c、集电极耗散功率PC:,d、集电极效率C:,为了兼顾Po和C的要求，谐振功放的通角为：,第三章 高频谐振功率放大器,2、选择功放管,根据工作频率及电源电压、管耗等要求选择合适的功率晶体管,a、为了减小工作频率的变化对管子放大倍数的影响（当ff时，UCES 等要增加）也为了使管子的引线电感，结电容等电抗分量的影响最小，应使所选管子的fT越大越好。但限于成本和实际管子的制造水平，管子的fT与工作中心频率fs应满足下式：,b、管耗为Pcmax=Po/Po 且PCM 应满足下式：PCM2.5Pcmax,C、对三极管V(BR)CEO的要求。在考虑到管子的二次击穿，谐波电压，以及在调试中出现的失谐情况，应有右式的限制：V(BR)CEO 3EC,d、对三极管ICM 的要求。如考虑到输入信号的频率范围，以及电路的基本正常工作等实际情况，ICM应满足：ICM 2Idc=2(Po/)/VCC,第三章 高频谐振功率放大器,3、匹配网络的选择以及偏置电路的考虑,根据谐振功率放大器的最佳负载电阻、输入阻抗、信号源内阻抗及放大器的真实负载阻抗，选择并计算适合于放大器的匹配网络。,因谐振功放一般工作于丙类状态，故发射极一般采用反向偏置，且多采用自给反偏置电路。,4、调整与调谐,前面的分析都是在准线性且以三极管静态特性曲线为依据的基础上进行的，但在工作频率较低ff时，必须考虑三极管基区非平衡少子渡越时间、体电阻、引线电感以及饱和压降增大等因素的影响。所有这些都将使放大器的功率增益、最大输出功率及效率急剧下降。因而在实际功放中，设计时必须考虑它们的影响并加以调整。,对放大器的设计只是最初的一步，而对放大器的进一步实验才是走向实用的关键，每次实验总是离不开调整与调谐两个内容。,第三章 高频谐振功率放大器,调谐是指将放大器的各个谐振回路调整到输入信号频率上，以保证有用功率的最大传递和减小无用功率信号在各元器件之间的交换。这有利于三极管安全可靠地工作。,调整是指在基频下的匹配电阻大小的调整，以使信号源能向放大管输入端提供最大的信号，使放大管能向负载提供最大的功率输出。,放大器是否调整和调谐好，首要标志输出电压的交流信号幅度大小来判断。若vi不变且在没很大失谐情况下，输出回路调整和调谐好的标志是：Vom最大，直流Idc最小，Pc小，效率最大。,3.5 丙类倍频器,n倍频器是指输出信号频率（即输出谐振回路的谐振频率）为输入信号频率整数(n)倍的频率变换电路。如为两倍时，就称为二倍频器；如为三倍时，就称为三倍频器。取出的是输出电流的n次谐波分量。,直流成分：,有用频率的振幅，即输入信号的n 次谐波振幅为：,第三章 高频谐振功率放大器,另外，与丙类功放类似的公式有：,在Icmax不变情况下，随着n的增加，Icnm下降，这对倍频器不利，为使谐波分量达到最大，作倍频器时一般选择使n()为最大值的通角，根据余弦脉冲分析得最佳导通角为：,2.3,第三章 高频谐振功率放大器,动态特性曲线在vCE轴上的截距(B点对应的vCE的值）,动态特性曲线的斜率,VO=VCC-Vcmcos,