教学课件:第三章-高频电子电路ppt超好.ppt
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1、第三章 高频调谐功率放大器 3.1 概述 3.2 调谐功率放大器的工作原理 3.3 功率和效率 3.4 调谐功率放大器的工作状态分析 3.5 调谐功率放大器的实用电路 3.6 功率晶体管的高频效应 3.7 倍频器 3.8 集成高频功率放大电路及应用简介,二、本章重点和难点,(一)本章重点 1.调谐功放的用途与特点(与小信号调谐放大器进行 比较);2.调谐功放的工作原理;3.功率和效率,区别五种功率和两种效率;4.工作状态(过压状态、欠压状态、临界状态)和阻 抗变换问题;5.直流馈电电路;自给偏压环节基流偏压与射 流偏压;6.倍频器。,(二)本章难点 1.工作状态分析特别是过压状态;2.自给偏压
2、环节;3.调谐功率放大器动态负载线。,一、作用 高频功率放大器是一种能量转换器件,它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。它的作用是放大信号,使之达到足够功率输出,以满足天线发射或其他负载的要求。,3.1 概述,高频功率放大器的分类(按其工作频带的宽窄划分):窄带和宽带两种窄带高频功率放大器:通常以选频电路作为输出回路,故又称为调谐功率放 大器;宽带高频功率放大器:输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路,因 此又称为非调谐功率放大器。注意:本章主要讨论调谐功率放大器。,高频调谐功率放大器和小信号调谐放大器的异同之处:相同之处:它们放大的信号
3、均为高频信号,而且放大器的负载均 为谐振回路不同之处:小信号调谐放大器的输入信号很小,在微伏到毫伏数量级,晶 体管工作于线性区,它的功率很小,但通过阻抗匹配,可以获 得很大的功率增益(3040db);小信号放大器一般工作在 甲类状态,效率很低。,调谐功率放大器的输入信号很大,为几百毫伏到几伏,晶体管 工作延伸到非线性区域截至和饱和区。这种放大器的输出 功率大,以满足天线发射或其他负载的要求,效率较高,一般 工作在丙类状态。,高频调谐功率放大器和低频放大器的异同之处:相同之处:输出功率大,效率要高。,不同之处:1、工作频率与相对带宽不同。2、放大器的负载不同。低频负载:电阻、变压器。高频负载:谐
4、振回路 3、放大器的工作状态不同它的主要技术指标有:输出功率、效率和谐波抑制度(输出中的谐波分量应尽量小)等。调谐功率放大器的电子器件:晶体管或电子管。,1.输入信号强,电压在几百毫伏几伏数量级附近;2.为了提高放大器的工作效率,它通常工作在丙类,即晶体管工作延伸到非线性区域饱和区、截止区;3.要求:输出功率大、效率高。,二、特点,功率较低的场合一般用晶体管,功率大的场合用电子管。,高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态,用解析法分析较困难,故工程上普遍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。,三、分析方法,3.2 调谐功率放大器的工作原理,一、电路二、折线近似分析法直线段近似法
5、三、晶体管导通的特点、导通角、余弦脉冲电流的分析四、槽路电压,注意:该电路和小信号调谐放大器的不同(bias),3.2.1 电路,各元件的作用:,Ec 是直流电源电压;Eb 是基极偏置电源电压。输入信号经变压器T1 耦合到晶体管基-射极,这个信号也叫激励信号。L、C 组成并联谐振回路,作为集电极负载,这个回路也叫槽路。放大后的信号通过变压器耦合到负载 RL上以达到阻抗匹配的要求。,注意:在实际工作中,为了节省电源,可以不加偏置,或采 用自给偏压代替Eb。,3.2.2 晶体管特性的折线化折线近似分析法:将电子器件的特性理想化,每条特性曲线用一组折线 来代替。忽略特性曲线弯曲部分的影响,简化了电流
6、 的计算,虽然精度较低,但仍可满足工程的需要。,图3-2 晶体管特性及其折线化,转移特性曲线:OA、AB近似输出特性曲线:EO、OC、CD近似临界线:斜线穿过每一条静态输出特性曲线的拐点临界点,称为临界线临界状态:当放大器在激励电压 ube 和集电极电压 uc 为最大 值的瞬间工作在临界点时,称为工作在临界状态;,放大状态:工作在临界线右边时,称为放大状态。饱和状态或过压状态:工作在临界线左边即坐标原点与临界线之间的任意一点时,称为工作在.临界方程:ic=gcruce,gcr 具有电导的量纲在转移特性的放大区,折线化后的AB线斜率为g(约为几十至几百毫 安/伏)。此时,理想静态特性可用下式表示
7、:,折线近似分析法的优点:略。,3.2.3 晶体管导通的特点、导通角 设输入信号为:,加到晶体管基-射极电压为:Eb 基极反偏电压三极管导通条件:ub Eb+Uj,无信号:晶体管截止 有信号:激励信号 Eb+Uj 导通,特别注意,图3-3 折线法分析非线性电路电流电压波形,注意:管子只在一个周期的一小部分时间内导通,故集电极电流是 周期性的余弦脉冲。导通角:把集电极电流导通时间的一半称为集电极电流的导通角用 表示,放大器工作在甲类:管子在整个周期内导通放大器工作在乙类:管子在半个周期内导通放大器工作在丙类:管子导通时间小于半个周期,导通角的解:,故:,分析:(Uj+Eb)一定,激励愈强(Ubm
8、),愈大 Ubm一定,(Uj+Eb)愈强,愈小,3.2.4 集电极余弦脉冲电流分析 时,管子截止,ic=0 时,管子导通,ic 0,即:-wt,ic 0,其余时间ic=0,故ic 的波形是被切除了 下半部分的余弦脉冲。下面求余弦脉冲的幅度:,当 t=0 时,ic 最大,以Icmax 表示,可得 Icmax=g bm(1-cos)这样电流ic又可写成:傅立叶级数展开式为:,基波分量幅度为:,n 次谐波分量幅度为:,上述各式都包含两部分:最大电流Icmax、以 为变量的函数。上述各式的第二部分分别用 表示:,直流成分为 基波成分为 2次谐波为、称作余弦脉冲分解系数,它们是导通角 的函数。为了使用方
9、便,将几个常用分解系数与 的关系绘制在图3-4中。,图3-4 余弦脉冲分解系数曲线,、的特点1)2)当,,结论:1.调谐功率放大器的激励信号大,它的转移特性曲线可用折线 近似。2.在余弦信号激励时,只要知道电流的导通角,就可以求 得各次谐波分解系数。3.若电流的峰值已知,电流得各次谐波分量就完全确定。3.2.5 槽路电压槽路是调谐在信号基波频率的,槽路对基波具有最大的阻抗,并且表现为纯电阻性,而对于其它谐波,其阻抗要小的多。故槽路电压基本上是一个正弦波即基波,晶体管集电极电压:uce=Ec-Ucmcoswt,特别注意,Ucm:槽路电压幅值(抽头 部分),Ucm=Ic1m Rc,Rc:是集电极等
10、效负载电阻,也即槽路调谐在基波频率时,并联谐 振电阻折算到抽头部分的数值。,0,注意:上述计算中没有考虑晶体管的输出阻抗,这是因为调谐功率放 大器的负载一般远小于晶体管输出阻抗,在计算中可以忽略它 的影响。,3.3 功率和效率 从能量转换方面看:放大器是通过晶体管把直流功率转换成交流功率,通 过槽路把脉冲功率转换为正弦功率,然后传输给负载。说明:在能量的转换和传输过程中,不可避免地产生损耗,所 以放大器的效率不能达到100。功率放大器功率大,电源供给、管子发热等问题也大。为了尽量减小损耗,合理地利用晶体管和电源,必须分析功率放大器的功率 和效率问题。,调谐功率放大器有如下五种功率需要考虑。电源
11、供给的直流功率PS;通过晶体管转换的交流功率,即晶体管集电极输出的 交流功率 Po;通过槽路送给负载的交流功率,即RL上得到的功率PL;晶体管在能量转换过程中的损耗功率,即晶体管损耗功 率PC;槽路损耗功率PT。,五项功率的相互关系:,图3-5 调谐功率放大器中的功率关系,集电极效率:晶体管转换能量的效率叫集电极效率,以 c 表示,其计算式为:,槽路效率:槽路将交流功率Po 传送给负载的效率,叫槽路效率以 T 表示,其计算式为:,下面分析 c、T 与哪些因素有关,以便设计出高效率的放大器:,1.集电极效率,电源供给功率PS和交流输出功率Po可分别表示为,集电极效率c为,注意:,集电极电流利用系
12、数:是余弦脉冲基波分量和直流分量分解系数之比,代 表着集电极电流基波幅值与直流电流之比,所以这个 比值叫集电极电流利用系数。,分析:1.是 的函数,2.,3.,4.,图3-4 余弦脉冲分解系数曲线,集电极电压利用系数:,基波电压幅值为:,说明:,Ucm/Ec不能任意提高 的原因:,一般管子饱和电压可按1V计算,高频时可适当增大,例如,某放大区电源电压,管子饱和压降1V,电压利用系数为,特别注意,根据以上分析,在调整较好的调谐放大器中 对比,甲类放大器 为180,查曲线可知 由此可见丙类放大器的 比甲类约高一倍,这正是丙类优于甲类的地方。同理,丙类也高于乙类。,2、槽路效率,负载折算到槽路的等效
13、回路:,L,Um是回路两端的电压值,将上两式代入式(3-28)可得,分析:,综上所述,为了尽可能利用小功率容量的管子和电源,输出较大的功率,应力求和 高。高要适当选取,电压利用系数尽可能大;高,要求槽路空载品质因数Q0大,即应选用低损耗的电感和电容元件。,3.4 调谐功率放大器的工作状态分析3.4.1 调谐功率放大器的动态特性调谐功率放大器的动态特性:是晶体管内部特性和外部特性结合起来的特性(即实 际放大器的工作特性)。晶体管内部特性:是在无载情况下,晶体管的输出特性和转移特性(见 图3-2)晶体管外部特性:是在有载情况下,晶体管输入、输出电压(ube,uce)同时变化时,ic ube,ic
14、uce特性。,图3-2 晶体管特性及其折线化,放大区动态特性由下列三个方程求得:,内部特性方程:,外部特性方程:,将 ube代入式:,说明:Q点位于横坐标的下方,即对应于静态工作点的电流为负,这 实际上是不可能的,它说明Q点是个假想点,反映了丙类放大 器处于截止状态,集电极无电流。,分析:在回路参数、偏置、激励、电源电压确定后,ic=f(uce),它表 明放大器的动态特性是一条直线,只需找出两个特殊点,就可 把动态线绘出。例如,要确定静态工作点 和起始导通点。对于静态工作点Q,其特征是uce=Ec,故有:,Q点的坐标为:,图3-7调谐功率放大器的动态特性,晶体管集电极电压:uce=Ec-Ucm
15、coswt,特别注意,对于起始导通点 B,其特征是ic=0,得,解方程得:,动态线:连接Q点和B点的直线并向上延长与ubemax(ubemax=Ubm-Eb)相 交于C点,则直线BC段就是晶体管处于放大区的动态线。,从上式可以看出,调谐功率放大器的动态电阻不仅与导通角 有关,而且与等效负载电阻Rc有关。(动态线斜率的倒数即为调谐放大器的动态电阻 Rc。),由图3-7可见,放大区的动态特性,类似于低频放大器的负载特性,但是与它有着严格的区别。其动态线不仅是负载的函数,而且是导通角的函数。丙类放大器的动态电阻是,3.4.2 调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法1.调谐功率放大器的三种工作状态根
16、据调谐功率放大器在工作时是否进入饱和区,可将放大器分为欠压、过压和临界三种工作状态。欠压:晶体管工作不进入饱和区,即在任何时刻都工作在 放大状态,临界:若刚进入饱和区边缘,则称为过压:工作时有部分时间进入饱和区,则称为.2.工作状态判别方法 uce(Ec Ucm)ucemin=Ec-Ucm ucemin Uces,欠压工作状态 ucemin Uces,临界工作状态ucemin Uces,过压工作状态,3.4.3 Rc,Ec,Eb和Ubm变化对放大器状态的影响,故三种状态取决于:Ec、Eb、Ubm、Rc,当调谐功率放大器的电源电压、偏置电压和激励电压幅值一定后,放大器的集电极电流,槽路电压、输出
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