谐振功率放大器.ppt

高频电子线路,内容二、 谐振功率放大器,主要内容: 1 主要用途及与其他放大器的比较,高频功放用于发射机末级（大信号非线性电路）,发射机中的高频放大器,高频谐振功放应用在什么地方？,放大高频大信号使发射机末级获得足够大的 发射功率。,高效率输出,高功率输出,为什么要使用高频功放？,使用高频功率放大器的目的,高频功率信号放大器使用中需要解决的两个 问题？,高频谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处,相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。,不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。,图 小信号谐振放大器波形图,图2谐振功率放大器波形图,谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同：,首先，都是功放，都要求输出功率大和效率高。,都要把电源供给的直流能量转化为交流能量。效率越高，表明转换的交流能量越多。,谐振功率放大器：它的负载必须是谐振回路，通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c90)。,非谐振放大器：它的负载为无调谐负载，可分为低频非谐振功率放大器和宽带高频功率放大器。,图 3 12 晶体管高频功率放大器的原理线路,高功放的工作原理,工作原理 图3-12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。,1电流、 电压波形 设输入信号为,集电极电流这样的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，即,其中：,尖顶余弦脉冲的分解系数,由图可以看出，放大器的负载为并联谐振回路，回路输出的电压为,按图规定的电压方向，集电极电压为,2 高频功放的能量关系 在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)即输出功率P1为,(3 22),集电极电源供给的直流输入功率P0为,(3 23),直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极 损耗功率Pc, 即,(3 24),Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。 定义集电极效率为,(3 25),(3 26),设其基波电流振幅为I b1, 且与ub同相(忽略实际存在 的容性电流), 则激励功率为,(3 27),高频功放的功率放大倍数为,(3 28),用dB表示为,(3 29),下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率P1随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。,尖顶脉冲的分解系数,当c120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。,图6-9 尖顶脉冲的分解系数,由曲线可知：极端情况c=0时，,如果此时=1，c可达100%。,为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。,下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率P1 随通角c变化的情况，从而选择合适的工作状态。,1. 高频功放的动态特性,下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性， 动特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶体管集电极电流ic与电极电压(Ube或Uce)的关系曲线, 它 在icUce或icUbe坐标系统中是一条曲线。,B,c, 欠压状态 B点以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，根据Uc=RpIc1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此。, 临界状态 负载线和Ubemax正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。, 过压状态 放大器的负载较大，在过压区，随着负载Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。,图 电压、电流随负载变化波形,2 高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、 临界和过压三种状态,3.2.3 高频功放的外部特性 高频功放是工作于非线性状态的放大器, 同时也可 以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)。 1高频功放的负载特性 负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率变化的特性。 2高频功放的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub 时, 放大器电流、 电压、 功率及效率的变化特性。 3、调制特性,1. 高频功放的负载特性,Ube,过压区,临界区,欠压区,1. 高频功放的负载特性,过压区,临界区,欠压区,End,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,结论：,欠压：恒流，Vcm变化， 较小，c低，Pc较大；,过压：恒压，Icm1变化， 较小，c可达最高；,临界： 最大，c较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,1. 高频功放的负载特性,掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的!,欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。,过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。,临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。,2 高频功放的振幅特性,3. 调制特性(1)基极调制特性,基极调幅作用是通过改变EB来改变cm1与1才能实现的，因此，必须工作于欠压区。,EB绝对值的增加等效于减少 Ub，两者都会使ubemax产生相同的变化,（2)集电极调制特性,集电极调幅作用是通过改变EC来改变c1与1才能实现的，因此，必须工作于过压区。,4. 高频功放的调谐特性,高频功率放大器的高频特性,上一节以静态特性为基础，对高频功放进行了近似的分析，只能说明高频功放的原理，不能反映高频工作时的其他现象。实际的高频功放当晶体管工作在“中频区”或“高频区”时，通常会出现以下的现象：,输出功率下降 效率降低 功率增益降低 输入、输出阻抗为复阻抗,这些现象主要是由于功放管的性能随频率变化（即高频效应）引起的。功放管的高频效应主要有以下几个方面：,3、发射极引线电感的影响,4、饱和压降的影响,2、非线性电抗效应,1、少数载流子的渡越时间效应,一、少数载流子的渡越时间效应,渡越时间少数载流子从基区扩散到集电极所需的时间。,低频区：小于信号周期，基区载流子的分布与外加瞬时电压一 一对应，各极电流与外加电压也一一对应。,高频区：与信号周期相当，各极电流与外加电压不再一一对应，表现为：,1. 由于少数载流子在基区内的渡越时间，当发射极电压由正偏转为反偏时，基区内的一部分载流子还来不及扩散到集电极，又被这反向偏置的电场重新推斥回发射极，形成了负脉冲，同时主脉冲的高度也有所下降。,2. 集电极电流基波分量落后于发射极电流，输入、输出产生附加相移。,3. 基极电流波形变复杂。,二、非线性电抗效应,三、发射极引线电感的影响,高频时引线电感可以构成输入、输出之间的射极反馈耦合，会引起增益下降，并使输入阻抗增加了一个附加的电感分量。,四、饱和压降的影响,晶体管工作于高频率时，饱和压降随频率的提高而加大（趋肤效应），如果在保持同一工作电流时：,功放管中的集电结电容是随集电结电压变化的非线性势垒电容，其数值可达几十到一二百皮法。高频时会构成输出与输入间的反馈支路，频率越高，反馈越大，会引起放大器工作不稳定。通过它的反馈会在输出端形成一个输出电容，使输出阻 抗变为复阻抗。,4. 饱和压降的影响 晶体管工作于高频时, 实验发现其饱和压降随频率提高而加大。,3.4 高频功率放大器的实际线路,3.4.1 直流馈电线路 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、 Lb的应用方法。 图3 25是集电极馈电线路的两种形式: 串联馈电线路和并联馈电线路。 图 3 25(b) 中晶体管、 电源、 谐振回路三者是并联连接的, 故称为并联馈电线路。,串并馈直流供电电路的优缺点 并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠；缺点是在并馈电路中，Lb处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；,串馈电路的特点正好与并馈电路相反，滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。,2基极馈电线路 基极馈电线路也有串联和并联两种形式。 图3 28示出了几种基极馈电形式, 基极的负偏压既可以是外加的, 也可以由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。,3.4.2 输出匹配网络 该双端口网络应具有这样的几个特点: (1) 以保证放大器传输到负载的功率最大, 即起到阻抗匹配的作用; (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率, 即有良好的滤波作用; (3) 大多数发射机为波段工作 。要适应波段的要求。,图 3 29几种常见的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型,1. LC匹配网络 图3 29是几种常用的LC匹配网络。,对于L I型网络有,(3 32a),(3 32b),(3 32c),对于L-型网络有,(3 33a),(3 33b),(3 33c),图 L型匹配网络 (a) L-I型网络; (b) L-型网络,图3 30是一超短波输出放大器的实际电路, 它工作于固定频率。,图 3 30 一超短波输出放大器的实际电路,2 耦合回路 图3 30是一短波发射机的输出放大器， 它采用互感耦合回路作输出电路, 多波段工作。,图3 30 短波输出放大器的实际线路,3.4.3 高频功放的实际线路举例 图3 31(a)是工作频率为50 MHz的晶体管谐振功率放大电路, 它向50 外接负载提供25 W功率, 功率增益达7 dB。,(a) 50 MHz谐振功放电路;,图 3 32 高频功放实际线路 (b) 175 MHz谐振功放电路,3.5 高效功放、功率合成与射频模块放大器,3.5.1 D类高频功率放大器 1. 电流开关型D类放大器 图3 33是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图， 线路通过高频变压器T1, 使晶体管V1、 V2获得反向的方波激励电压。,图 3 33 电流开关型D类放大器 的线路和波形,由此可得,集电极回路两端的高频电压有效值为,集电极回路两端的高频电压峰值为,V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形, 它的基频分量振幅等于(2/)Ic0。 V1、 V2的ic1、 ic2中的基频分量电流在集电极回路阻抗RL(考虑了负载RL的反射电阻)两端产生的基频电压振幅为,将式(3 35)代入式(3 37), 得,输出功率为,(3 39),(3 38),(3 37),集电极损耗功率为,(3 42),(3 41),(3 40),2 电压开关型D类放大器 图3 34为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。 两个同型(NPN)管串联, 集电极加有恒定的直流电压Ec。,输入功率为,图 3 34 电压开关型D类功放的线路及波形,由图可见, 因ic1、ic2都是半波余弦脉冲(=90), 所以两管的直流电压和负载电流分别为,两管的直流输入功率为,负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波 电压分量。 对uce2分解可得,负载上的功率为,可见 此时匹配的负载电阻为,3.5.2 功率合成器 功率合成器, 就是采用多个高频晶体管, 使它们产生的高频功率在一个公共负载上相加。 图3 35是常用的一种功率合成器组成方框图。,图 3 35功率合成器组成,由3dB耦合器原理可知, 当两晶体管输入电阻相等时, 则两管输入电压与耦合器输入电压相等,在晶体管的输出端, 当两管正常工作时, 两管输出 相同的电压, 即 且 , 但由于负载上 的电流加倍, 故负载上得到的功率是两