高频谐振放大器第2节.ppt

,3.2.1 谐振功率放大器的工作原理 3.2.2 高频谐振功率放大器的图解分析法 3.2.3 高频功率放大器的外部特性 3.2.4 高频功率放大器的实际线路,3.2 高频功率放大器的原理与特性,1、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。 2、高频功率放大器与低频功率放大器的异同 相同之处：高频功率放大器与低频功率放大器的共同要求： 高功率输出 高效率输出 相异之处： (1)工作频率与相对频宽不同，故低频功放采用阻性 负载；而高频功放采用选频网络作负载回路； (2)所用工作状态不同，低功放一般工作于甲类、乙类 或甲乙类；高功放一般工作于丙类、丁类等。 (3)不能用线性模型电路分析，一般采用图解法和折线法 进行分析,对比功率放大器的工作状态：,功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类等开关功率放大器。,谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路,3、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。,谐振功率放大器 波形图,小信号谐振放大器 波形图,转移特性曲线,输出特性曲线,共同之处：都要求输出功率大和效率高。 不同之处： 谐振功率放大器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(90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。 非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。,4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同,3.2.1谐振功率放大器的工作原理,一、谐振放大器的基本电路结构,除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：,晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。,(1)谐振回路LC是晶体管 的负载 (2)电路工作在丙类工作 状态；基极负偏压（或零偏压）,线路特点：,二、工作原理分析,ub,+ uBE _,根据晶体管的转移特性曲线可得：,谐振功率放大器转移特性曲线,故得：,必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。,(2)(半)导通角,即集电极电流的导通角是由输入回路决定的,(3)尖顶余弦脉冲的数学表达式推导,ic,(4) 集电极尖顶余弦电流脉冲的分解,当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作 状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。,而周期性的尖顶脉冲可以进行傅里叶频谱分解：,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,尖顶脉冲的分解系数,也可查余弦脉冲的分解系数表得到,2、集电极输出电压,ic,信号特点：,4、谐振功率放大器的功率关系和效率,(1)功率关系 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率PD ，使之一部分转变为交流信号功率Po输出去，另一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率Pc。,根据能量守衡定理：,直流功率：,输出交流功率：,Uc - 回路两端的基频电压 Ic1 - 基频电流 R L - 回路的负载阻抗,讨论：如何提高Po?,1) 保持Ic1不变，提高Uc ：即输入回路不变，调整输出回路，通过提高RL及Ucc以获得大的Uc， Po ；,2) 保持RL不变，提高IC1:即输出回路不变， RL及Ucc不变，可调整输入回路，通过提高icmax及调整 以获得大的IC1 ，Uc， Po ；,（2）放大器的集电极效率：,集电极电压利用系数,波形系数，为通角 的函数； 越小越大,讨论：如何提高效率?,因此，丙类谐振功率放大器提高效率的途径有：,1) 提高电压利用系数。,2) 提高波形系数。,由曲线可知： 极端情况=0o 时，,若此时=1， 可达100% 但此时PO=0， 无功率输出,尖顶脉冲的分解系数,当120时，Ic1/icmax达到最大值。在Ic max与负载阻抗RL为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，取=120应该是最佳通角了。但此时放大器处于甲已类工作状态，效率太低。,右图可见：,因此，为了兼顾功率与效率， 最佳半通角取70左右。,图解分析法的步骤：,1.测出晶体管的转移特性曲线及输出特性曲线，并将 这两组曲线折线化处理； 2.作出不同工作状态下的动态特性曲线； 3.根据激励电压b的大小在特性曲线上画出对应输出 电压Uc和电流脉冲ic的波形； 4.分析功放的外部特性，即分析放大器的外部供电电压 或负载的变化将如何影响输出电压、输出电流、输出 功率、效率等指标的。,3.2.2高频谐振功率放大器的图解分析法,+ uCE -,+ uBE _,一、放大区动态特性方程,设输入信号为正弦波：,当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：,输入端：,输出端：,返回,返回,ubemax,二、动态特征曲线的画法：,所以，放大器的动态特性曲线是由三段折线组合而成，如右图所示OABC,对应为另一条直线BC,II又因为在截止区（即当 时）有：,III另在在饱和区，集电极电 流只受集电极电压的控制， 而与基极电压无关。 有临界线方程：,对应为直线OA,I在放大区（即当 时）有：,高频放大器的工作状态是由负载阻抗RL、激励电压ub、供电电压UCC、UBB等4个参量决定的。 如果UCC、UBB、ub 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻RL决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随RL而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。 所谓动态特性是和静态特性相对应而言的，在考虑了负载的反作用后，所获得的uce、ube与 ic 的关系曲线就叫做动态特性。,三、 谐振功率放大器的动态特性曲线（负载线）, 欠压工作状态： 集电极最大点电流在临界线的右方 过压工作状态： 集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区 临界工作状态 是欠压和过压状态的分界点， 集电极最大点电流正好落在临界线上,1、放大器的工作状态,在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大器的工作状态分为三种情况：,动态曲线：,可见动态特性曲线的斜率和负载有关，放大器的工作状态 将随负载的不同而变化。,2、图解推导动态特性曲线,ub,（1）欠压工作状态,ub,返回,（2）过压工作状态,ub,（3）临界工作状态,ub,2.3.2 高频功率放大器的负载特性,ub,返回,临界状态下，若已知电源电压UCC， UBB三极管的参数gc， UBB，设电压利用系数为，集电极的导通角为 。 求谐振功率放大器的其余参数，如功率和效率等。,1) 首先要求得集电极电流脉冲的两个主要参量ic max和,导通角,3、谐振功率放大器临界状态的计算,集电极电流脉冲幅值icmax,2）由 值，查表求得电流余弦脉冲的各谐波分量系数0()、 1()、 ()，并求得各个分量的实际值IC0、 IC1。,3) 谐振功率放大器的功率和效率,直流功率：,交流输出功率：,集电极效率：,4) 根据,可求得最佳负载电阻：,在临界工作时，接近于1，作为工作估算，可设定=1。或者若已知临界线斜率Sc及输出功率PO，也利用下面的公式求得：,5) 说明,“最佳”的含义在于采用这一负载值时，调谐功率放大器的效率较高，输出功率较大。,高频放大器的负载阻抗RL、激励电压Ub、供电电压UCC、UBB4个外部变量会影响放大器的工作状态、功率及效率等。 对应的影响关系分别为： 1.负载特性 2.振幅特性（放大特性） 3.调制特性,3.2.3 高频功率放大器的外部特性,一、高频功率放大器的负载特性,1 、欠压区,2 、过压区,a.负载线的斜率由小变大，如图中123。 b.放大器的工作状态由欠压临界过压； c.输出电压uc逐渐增大。 d.输出电流ic的波形由 尖顶脉冲凹顶脉冲,3、uc、ic 随负载变化的波形：当负载电阻RL 由小至大变化时，, 欠压状态 在欠压区至临界点的范围内，放大器的输出 电压Uc随负载电阻RL的增大而增大，而电流ic max、IC1、 IC0其基本不变，根据,4、功率及效率随负载（工作状态）变化的波形：,则电源功率PD不变、输出功率PO将增加，管耗将减少，效率将增加。, 过压状态 放大器的负 载较大，在过压区，随 着负载RL的 加大，Ic1要 下降，因此放大器的输 出功率和效率也要减小。, 临界状态 负载线和Ub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。,注意：,二、高频功放的振幅特性,饱和区,放大区,截止区,固定UBB、增大Ubm使基极输入电压uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压 。,当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映输入信号振幅Ubm的变化，放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。,当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在 Ubm变化的范围内工作在过压状态。,三、 高频功率放大器的调制特性,UCC变化时对工作状态的影响,在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随UCC变化而变化，故输出功率基本不变； 而在过压区，输出电流的振幅将随UCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。,集电极调制电路（P197图6-12、P198图6-13）,进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢,返回,饱和区,放大区,截止区,当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角c增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。,返回,固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情况类似，它们都使基极输入电压uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压 。,基极调制电路（P198图6-14、P199图6-15）,1. 导通角 的调整,由,若保持Ub不变减小偏置UBB绝对值；或保持UBB不变增大激励电压振幅Ub；或同时增大UBB绝对值和Ub，这三种情况均可使导通角 增大，若相反，则可使 减小。但是采取上述三种方法中的任一个方法，当 增大时，ic脉冲电流的振幅Im会加大，输出功率P1当然也会加大，而当减小时， Im和P1均将减小。有时希望增大，但要保持Im不变，则应在减小UBB绝对值的同时，适当减小激励Ub。,四、放大器工作状态及导通角的调整,2. 欠压、临界、过压工作状态的调整,调整欠压、临界、过压三种工作状态，大致有以下几种方法： 改变集电极负载RL； 改变供电电压UCC； 改变偏压UBB； 改变激励Ub。,(1)改变RL，但Ub、UCC、UBB不变 当负载电阻RL由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。在临界状态时输出功率最大。,(2) 改变UCC，但RL、Ub、UBB不变 当集电极供电电压UCC由小至大变化时，放大器的工作 状态由过压经临界转入欠压。,(3) Ub变化，但UCC、UBB、RL不变或UBB变化， 但UCC、Ub、RL不变 这两种情况所引起放大器工作状态的变化是相同的。因为无论是Ub还是UBB的变化，其结果都是引起ube的变化。当UBB或Ub由小到大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。,一、直流馈电电路：为晶体管各级提供合适的偏置,二、交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。,集电极馈电电路,基极馈电电路,级间耦合网络,输出匹配网络,3.2.4 高频功率放大器的实际线路,要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入 和输出端还需接有：,串馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功 率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。 C1、LC为低通滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源VCC中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号流入直流电源。,并馈电路 指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功 率管三者为并联连接的一种馈电电路。,如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，避免高频信号流入直流电源，C2为高频输出耦合电容,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,2. 基极馈电电路,基极馈电电路也分串馈和并馈两种。 1）基极偏置常采用自给偏置电路；-串馈 2）由负电源-U分压供给基极偏置电压；-串馈 3）零偏压；-并馈,UBB,+ UBB -,以上基极自给偏压电路中，前两个为并馈线路， 后一种为串馈线路。,二 交流匹配网络(高频功放的耦合回路),(1) 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。,(2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。,(3) 在有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。,输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接,输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载,1、级间耦合网络,对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。 多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。 这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。,对于中间级应采取如下措施：,（1）使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒压源。 （2）降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本身 的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效率一般为k=0.1-0.5，平均在0.3上下。也就是说，中间级的输出功率应为后一级所需激励功率的3-10倍。,2、输出匹配网络,输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络。 这种匹配网络有L型、型、T型网络及耦合回路。 输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波、和高效率。 需要匹配的原因： 当调谐功率放大器工作于最佳负载值时的功放的效率较高，输出功率较大。 在实际电路中，放大器所要求的最佳电阻需要通过匹配网络和终端负载（如天线等）相匹配。,在大功率输出级，匹配网络可用L型、T型、型等滤波型,滤波器型的匹配网络,匹配的原理： 通过改变匹配回路的可调元件，将负载阻抗ZL转换成放大管所要求的最佳负载阻抗RLCR，使管子送出的功率PO能尽可能多的馈至负载。,1 .L型匹配网络,1 .L型匹配网络,补：串、并联阻抗的等效互换,变换前后串联电路的阻抗、品质因数应与并联电路的阻抗、品质因数相等，即：,所以等效互换的变换关系为：,串、并联等效互换分析,（1）小的串联电阻R1转化为大的并联电阻R2:,（2）串联电抗X1转化为同性质的并联电抗X2:,（3）串并联电路的有效品质因数为：,L型匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低（通常Q10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型网络作匹配之用。,介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的辅射电阻与等效电容；,L2、C2为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线辐射功率达到最大。,这种电路是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。,4. 输出耦合回路(并联谐振回路型的匹配电路),一、掌握谐振功率放大器的作用、特点及其与高频小信号放大器和低频功率放大的相同点和不同点。 1. 谐振功率放大器主要用来放大高频大信号，其目的是为了获得高功率和高效率输出的有用信号。 2. 谐振功率放大器的特点是晶体管基极为负偏压，即工作在丙类工作状态，其集电极电流为余弦脉冲状，由于负载为LC回路，则输出电压为完整正弦波。,小 结,3、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：放大的信号均为高频信号， 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。,共同之处: 都要求输出功率大和效率高。 不同之处：工作频率与