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 v3.1 概述 v3.2 丙类谐振功率放大器的工作原理及其性能 分析 v3.3 丙类谐振功率放大器的工作状态及其特性 v3.4 丙类谐振功率的耦合与设计原则 v3.5 倍频器 3.13.1 概述概述 vv作用：作用：为天线或其它负载单元提供为天线或其它负载单元提供足够大的高频输出功率。 vv性能指标性能指标：（：（管子安全前提下）管子安全前提下） 输出功率输出功率（P P o o =V=Vom om 2 2 /2R/2R L L ) )足够大足够大; ; 效率足够高效率足够高 c c = =输出功率输出功率/ /电源提供功率电源提供功率=P=P o o /P/PD D = P = P o o / /（P P o o +P+P c c ) ) 失真小 失真小（谐波分量应尽量小，以免对其他频道产生干扰） ） vv特点：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； vv用途：用途：主要用于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。 vv输出功率：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：提高效率减小管耗的方法： 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 总总 结结 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） 功率放大器的分类功率放大器的分类 VCC vCE iC O Q Q 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。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 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 3.2.33.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性 一、负载特性：VB、Vsm 、VCC 一定，改变 Re 对应特性。 vBE iC VB VBE(on) vBE iC gC Vsm vBEmax Icmax vCE iC VCC Q vCEmin VCES gd vBEmax 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 R e 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 负载特性续负载特性续 ic vCE Po Re 欠压区过压区 临界区 Re 欠压区过压区 临界区 Ic1 Ico PD Pc vbemax Ucm 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。 （包括集电极调制和基极调制两种特性） vCE ic vBEmax Q VCC Q VCC Q VCC iC 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。 集电极集电极 调幅电路调幅电路 调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性。 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. 2. 基极调制特性基极调制特性（结合转移特性讲）（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。 Vcm Ico Icml 临界 VB 过压 欠压O VB2 vBE iC vBEmax1 vBEmax2 VB3 vBE VB1 vBEmax3 VBE(on) iC t 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：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。 返回 三、放大特性（振幅特性）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 2. . 特性特性：固定 VB，增大 Vsm 与上述固定 Vsm 增大 VB 的情况类似. vBE iC vBEmax1 uBEmax2 vBE VB vBEmax3 VBE(on) iC t 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。 (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。 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：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 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3.2.4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 返回 例题例题3.2.43.2.4 已知某一由场效应管组成的丙类功放，其输入回路 如图329（a）所示。其中场效应管的转移特性如图3211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？ v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（323）和 式（325）， Id1m和Id0也会减半。这 样，利用式（329）可得到Vim减半 后，值也应减半。 返回 2.42.4 实际高频谐振功放电路及其设计原则实际高频谐振功放电路及其设计原则 2.4.1 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； 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： 对直流直流：EC应全 部加到C、E两端 对基波基波：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。一个电路后应按上述要求检验，以判定电路是否正确。 一、一、直流馈电电路直流馈电电路(Power Supply Circuit) 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 1、集电极馈电电路、集电极馈电电路 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT ICO直流通路 ICO EC LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT IC1交流通路 Ic1 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT ICn交流通路 ICn iC频谱 LC回路阻抗特性 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT 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：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 ： CBCB CB1 LB L L C C VT VT EB EB CB LB LB LB CE RB Re VT VT VT IBO VB IBO Ieo + 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、二、滤波匹配网络滤波匹配网络 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（对输出滤波匹配网络的要求（3 3条）：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。 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。 常见的匹配网络常见的匹配网络 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: 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 2.4.32.4.3丙类谐振功放的工程设计原则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 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： 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 3 3、匹配网络的选择以及偏置电路的考虑、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 4、调整与调谐、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f