通信电子线路第二章.ppt

第 2 章 谐振功率放大器,2.1 谐振功率放大器的工作原理,2.2 谐振功率放大器的性能特点,2.3 谐振功率放大器电路,1.1 功率电子线路概述,作用：高效地实现能量变换和控制。,种类：根据应用领域和处理对象不同,(1) 功率放大电路：放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。,(2) 电源变换电路：对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。,1.1.1 功率放大器,与其它放大器相比,相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。,不同点：性能要求和运用特性不同。,一、功率放大器的性能要求,1. 安全。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。,2. 高效率。,用c 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效率：,Po 输出信号功率 (Output Signal Power)； PD 电源提供的功率； PC 管耗 (Power Dissipation),式中：,Po 一定，c 高PD 小PC 小, 可选 PCM 小的管子，以降低成本；同时减少能源消耗。,3. 失真小。输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。,作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。,二、功率管的运用特点,1. 功率管的运用状态,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。,功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。,甲类：功率管在一个周期内导通 (如小信号放大)。,乙类：功率管仅在半个周期内导通。,甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。,丙类：功率管小于半个周期内导通。,2. 不同运用状态下的C,管子的运用状态不同，相应的Cmax 也不同。,减小 PC 可提高C。,假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为,讨论：若减少 PC，则要减少 iC vCE,途径 1：由甲类甲乙类乙类丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间。,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。,1. 电路,(1) 输入端：,RB偏置电阻 CB旁路电容 Tr1耦合变压器,(2) 输出端：,Tr2耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用，,1.2.2 甲类、乙类功放的电路组成及功率性能,一、甲类变压器耦合功放,二、乙类推挽功率放大器,乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的推挽 (Push-Pull) 电路。可有多种实现方案：,(1) 变压器耦合乙类推挽功放 (2) 互补推挽功放,第 2 章 谐振功率放大器,谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般工作在丙类（或丁类、乙类），主要用在无线电发射机中，用来对载波或已调波进行功率放大。,用途：对载波或已调波进行功率放大,构成：匹配网络为谐振系统,应用状态：丙类（或丁类、乙类）,2.1 谐振功率放大器的工作原理,在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两部分组成。,2.1.1 丙类谐振功率放大器,1. 电路组成,ZL 外接负载，呈阻抗性，用 CL 与 RL 串联等效电路表示。,Lr 和 Cr 匹配网络，与 ZL 组成并联谐振回路。调节 Cr 使回路谐振在输入信号频率。,VBB基极偏置电压，设置在功率管的截止区，以实现丙类工作。,2. 集电极电流 ic,若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则在输入信号电压,的作用下，根据 ，,在静态转移特性曲线 (icvBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半周,用付里叶级数可将电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和，即,3. 输出电压 vo,(1) 对基波分量,由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，在高 Q 回路中，其值 Re 近似为,其中：, 回路谐振角频率, 回路有载品质因数,(2) 对非基波分量,谐振回路对 iC 中的其它分量呈现的阻抗均很小，平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。,结论：回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而在负载上可得到所需的不失真信号功率。,小结：丙类谐振功率放大器的功能,(1) 选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。,(2) 阻抗匹配：谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻 Re，而且调节 Lr 和 Cr 还能保持回路谐振时使 Re 等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配。,所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹配负载的双重作用。,4. 丙类功放的功率特性分析,(1) 丙类功放的问题,若提高集电极效率，管子导通时间减小；但引起 iC 中基波分量幅度 Icm 减小，从而导致输出功率减小。,(2) 解决方法, 将基极偏置电压 VBB 向负值方向增大，减少管子导通时间。, 增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅度 Vbm，使减小导通时间的同时维持输出功率不变。, 后果：加到基极上的最大反向电压(VBBVbm)可能使功率管发射结反向击穿。,在维持输出功率的条件下，一味地减管子导通时间来提高,集电极效率的做法往往是不现实的。为进一步提高效率，可采用开关工作的谐振功率放大器丁类。,2.1.2 丁类和戊类谐振功率放大器,1. 丁类简介,(1) 电路,Tr 次级两绕组相同，极性相反。,T1 和 T2 特性配对，为同型管。,(2) 原理,若 vi 足够大，则,vi 0时，T1 饱和导通，T2 截止，,vi 0，T2 饱和导通，T1 截止，,A 点幅值：,该电压加到 L、C、R 串联谐振回路上，若谐振回路工作在输入信号角频率上，,且其 Q 值足够高，则可近似认为通过回路的电流 iL 是角频率为 的余弦波，RL 上获得不失真输出功率。,(3) 性能特点, T1、T2 尽管导通电流很大，但相应的管压降很小( ),，管耗小，放大器的效率高。(90% 以上), 考虑结电容、分布电容等影响，实际波形如 vA 虚线所示，管子动态管耗增大，丁类功放效率受限。,2. 戊类放大器,为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计的集电极，保证 vCE 为最小值的一段期间内，才有集电极电流流通，这是正在发展的戊类放大器。,2. 实现原理,在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入信号频率的 n 次谐波上，则输出谐振回路上仅有 iC 中的 n次谐波分量产生的高频电压，而其它分量产生的电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号频率 n 倍的输出信号功率。,2.1.3 倍频器,1. 概念,倍频器 (Frequency Multiplier)：将输入信号的频率倍增 n 倍的电路。, 滤波。谐振回路需滤除高于 n 和低于n 的各次分量。低于 n 的分量幅度较大，滤除较难。倍频次数越高，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。,(2) 变容二极管、阶跃二极管构成参量倍频器，适用于倍频次数较高时。,(1) 三极管倍频器,倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频。原因：, 效率。集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度随着 n 的增加而迅速减小。倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低。,作业：,2.2 谐振功率放大器的性能特点,2.2.1 近似分析方法,1. 概述,丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，使得集电极电压，电流波形不同。但二者又互为确定(vCE 由 iC 产生，而 vCE 通过基极宽度调制效应影响 iC)。,要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐。,2. 谐振功放的近似分析方法准静态分析法,(1) 方法基于下面的两个假设,假设一：谐振回路具有理想的滤波特性，只能产生基波电压（在倍频器中，只能产生特定次数的谐波电压），其它分量的电压均可忽略。,所以，尽管集电极电流为脉冲波，但集电极电压却是余弦的。同理，放大器输入端也有谐振回路，尽管基极电流为脉冲波，但基极电压是余弦的，可表示为：,(2-2-1),假设二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲线表示，其高频效应可忽略。分析时的输出特性曲线，其参变量采用 vBE，而不是通常的 iB。,(2) 分析步骤, 由式 2-2-1 确定 vBE 和 vCE： 先设定VBB、Vbm、VCC、Vcm 四个电量数值，并将t 按等间隔 (t = 0，15，30 ，) 给定不同的数值，则 vBE 和 vCE 便确定(图 a)。,(2-2-1),由输出特性画 iC：根据不同间隔上的 vBE 和vCE 值，在输出特性曲线上（以 vBE 为参变量）找到对应的动态点，由此可以确定 iC 值的波形，其中动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线。,(a) (b),不到VCC，因为导通角小于 ,.,(3) 功率性能分析, 谐振电阻,用付里叶变换对 iC 脉冲波进行分解，求出其中的平均分量 IC0 和基波分量 Ic1m。由此可以确定所需的集电极谐振回路谐振电阻 Re。, 功率性能,(4) 讨论,四变量VBB、Vbm、VCC、Vcm 不同，iC 的波形和数值就不同，由此求得的 Re 及相应的功率性能就不同。应了解四变量的影响。,2.2.2 欠压、临界和过压状态,1. VBB、Vbm、VCC 不变，iC 随 Vcm 的变化规律,(1) iC 的宽度：由图所示，主要取决于 VBB、Vbm，VBB、Vbm 一定，iC 脉宽近似确定，与 Vcm 关系不大。,(2) iC 的值：,由,当 t = 0 时，,当 VBB、Vbm 即 vBEmax 为定值时，VcmvCEmin,动态点A左移,情况 A：Vcm 的取值，使所对应的动态点处在放大区。,情况 A：Vcm 增大，使 t = 0 所对应的动态点处在临界点，iCmax 略微减小。,情况 A：Vcm 继续增大，使 t = 0 所对应的动态点处在饱和区，iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，且随 Vcm 增大，凹陷加深。,2. 欠压、临界、过压,欠压 (Undervoltage)：vCEmin 对应的动态点处于放大区。,临界 (Critical)：vCEmin 对应的动态点处于放大区和饱和区之间的临界点。,过压(Overvoltage)：vCEmin 对应的动态点处于饱和区。,3. iC平均分量IC0 与基波分量Ic1m,由此可求功率性能。,由于丙类工作，在管子导通期间，iC 和 cost 均为正值，因此，iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大。如果出现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小。,作业 2-5，2-8,2.2.3 四个电量对性能影响的定性讨论,一、负载特性,1. 含义：谐振功放的负载特性是指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。,2. 特性,Re 的增加势必将引起 Vcm 增大( ),ReVcmvCEmin放大器欠压过压 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。,据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性。,Vcm = ReIc1m Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 PC = PDPo C = Po/ PD,由 IC0 和 Ic1m 的变化就可以画出 Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线。,3. 讨论,(1) 欠压区：由图(a)，Re 由小增大时，iC 脉冲的高度略有减小，相应的 IC0、Ic1m 也略有减小，因而由图(b)，Vcm (ReIc1m)和 Po(,)近似线性增大，而,PD(= VCCIC0) 略有减小，C 增大，PC 减小。,(2) 过压区：随 Re 增大，电流脉冲高度减小，凹陷加深，相应的 IC0、Ic1m 减小，结果使 Vcm 略有增加，Po、PD 减小，且Po比PD减小的慢，从而 C 略有增加，PC 略有减小。,(3) 匹配负载：如果 Re 的取值使管子工作在临界状态，则 Po 最大，且 C 较大，PC 较小，放大器性能接近最佳性能。将此时的 Re 称为谐振功放的匹配负载，用 Reopt 表示。,二、调制特性,包括集电极调制和基极调制两种特性。,1. 集电极调制特性,(1) 含义：VBB、Vbm 和 Re一定，放大器性能随 VCC变化的特性。,(2) 调制特性：VBB、Vbm一定，则 VBEmax 和 iC脉宽一定。而对应于 VCEmin 的动态点必定在 vBE = VBEmax 的那条输出特性曲线上移动。, 欠压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲高度略有减小，因而 IC0 和 Ic1m 也将略有减小，Vcm( = ReIc1m)也略有减小。, 过压状态：随 VCC减小，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因而IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。,2. 基极调制特性,(1) 含义：Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。,(2) 调制特性：当 Vbm 一定，VBB 由负向正增大时，iC不仅宽度增加，而且其高度增加（因 VBEmax 增大），因而 IC0 和 Ic1m、Vcm 增大，结果使 VCEmin 减小，放大器由欠压进入过压状态。,进入过压状态后，随VBB 向正值方向增大，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。,3. 调幅电路,调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性。,(1) 集电极调幅原理电路,图中：, 输入高频载波电压，,c 载波频率, 调制信号电压， 为调制频率,它们与谐振功放电路的不同仅是集电极回路接入了调制信号电压。,为谐振回路上的输出电压。,(2) 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。,三、放大特性,1. 含义：当 VBB、VCC 和 Re 一定，放大器性能随Vbm 变化的特性。,2. 特性：固定 VBB，增大 Vbm 与上述固定 Vbm 增大 VBB 的情况类似，它们都使 iC 的宽度和高度增大，放大器由欠压进入过压，图 (a)。,(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 Vbm 的变化，放大器必须在 Vbm 变化范围内工作在欠压状态，图 (b)。,(2) 谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter),作用：将 Vbm 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 Vbm 的变化范围内工作在过压状态，或 Vbm 的最小值应大于临界状态对应的 Vbm 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、Vbm 和 VBB 或同时或两两增大均可使放大器由欠压进入临界。,若增大 Re，Po 减小，放大器实际工作在过压状态，可增大 VCC（同时，适当增大 Re 或 Vbm 或 VBB），需注意管子安全。,实际上放大器的工作状态除了改变 Re 外还可以根据实际情况通过改变 VCC、Vbm、VBB 来判断，不过改变 Re 较普遍，但不论改变哪个量都必须保证回路谐振在工作频率上。,2.3 谐振功率放大器电路,在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两部分组成。,2.3.1 直流馈电电路,1. 串馈与并馈,考虑到滤波匹配网络元件的安装方便，馈电电路(Power Supply Circuit) 对滤波匹配网络的影响。,直流馈电电路分为,(1) 串馈：直流电源 VCC、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。,LC高频扼流圈，与 CC 构成电源滤波电路。,在信号频率上 LC 的感抗很大，接近开路；CC 的容抗很小，接近短路，目的是避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。,(2) 并馈：直流电源 VCC、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。,LC 高频扼流圈，CC1 隔直电容， CC2 电源滤波电容,要求在信号频率上，LC 的感抗很大，接近开路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。,此时，虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并联的，但滤波匹配网络两端电压 vc (t) 直接反映在 LC 上，因而有,。与串馈电路相同。,(3) 串馈与并馈的比较：,相同点：两种馈电方式，VCC都能全部加到集电极上；,不同点：滤波匹配网络的接入方式。, 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。, 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. 基极偏置电路,(1) 作用：为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。,(2) 常用类型：三种常用的基极偏置电路。,图(a)，基极偏置电压由 VCC 通过 RB1 和 RB2 分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。,图 (b)、（c），自给偏置电路。,图 (b) 偏置电路：LB、RB、CB1。RB 产生压降，提供自偏电压；LB 避免 RB、CB1 对输入滤波匹配网络的旁路影响,图 (c) 偏置电路：LB 产生压降，提供自偏电压；,3. 自给偏置电路,(1) 自给偏压 IB0 的产生,以图(b) 为例，ib 为脉冲电流，可分解为 IB0、Ib1m、Ib2m,由基尔霍夫定律得,电流 i2 通路有高频扼流圈 LB，只有直流电流可以通过，而 ib 中的直流分量为 IB0，故 i2 为 IB0。,ib,i2,i1,(2) 称为自给偏置的原因：当未加输入信号时，偏置为零；当输入信号由小增大时，由于 IB0 相应增大，加到 B-E 间的偏置电压 VBE = IB0RB 均将向负值方向增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应称为自给偏置效应。,(3) 自给偏置电路的作用：, 用于放大等幅载波信号的功率放大器，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用。, 用于正弦振荡器，可以提高振荡幅度的稳定性。, 若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，造成输出信号失真，应当避免。,1. 串联谐振回路（P368）,(1) 电路：,r 固有损耗电阻,(2) 分析,Qe 越大，频率选择性越强，滤波效果越好。, 固有品质因数,由于 RS、RL 使 Qe 小于 Q0，增加了通频带宽，要改善必须增大 Qe，除选用 Q0 大的电感外，还要电压源 RS 小，并限制 RL。,2. 并联谐振回路,(1) 电路,(2) 分析,令回路总电导为 0，求得谐振角频率,，此时，输出电压 V 最大，并与 I 同相。,令, 有载品质因数, 固有品质因数,2.3.2 滤波匹配网络,1. 位置：对交流通路而言，滤波匹配网络(Filter-Matched Network)介于功率管 T 和外接负载 RL 之间。,2. 对滤波匹配网络的要求（3条）,(1) 变换将外接负载 RL 变换为放大管所要求的负载 Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。,(2) 滤波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)。,工程上用谐波抑制度Hn表示滤波性能的好坏。,设 IL1m 和 ILnm 分别为通过外接负载电流中基波和 n 次谐波分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波功率分别为 PL 和 PLn，则对 n 次谐波的谐波抑制度定义为,Hn 越小，网络对 n 次谐波的抑制能力越强。通常n 选 2，即对二次谐波的抑制度。,(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。,3. 讨论,(1) 谐波抑制度Hn和传输效率K 间的矛盾,在实际滤波匹配网络中，提高谐波抑制度 Hn，就会牺牲传输效率K，反之亦然。,(2) 说明,通过 LC 并联谐振回路来简要说明。,图中 L 和 C 为滤波网络(在谐振功放中，简称 L 型网络)，rL 为 L 中的固有损耗电阻，RL 为外接负载电阻。令,为回路固有品质因数，在高 Q 条件下，它的有载品质因数 Qe 近似为,显然，当 Q0 一定时，Qe 越小，即 RL 越大于rL，相应的K就越大。但 Qe 越小，回路谐振曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。,谐振功放匹配滤波网络的基本形式两种（串联谐振，并联谐振） 其作用：阻抗匹配、选频滤波。 满足上述要求的匹配滤波网络形式有多种。 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。 常用滤波匹配网络的结构、组成元件的表达式参阅教材表2-3-1。 (P101),4. 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,(1) 串转并公式,由此得,(2) 并转串公式,(3) 说明, 式中，, Xp 和 Xs 为实数, 电容： X,电感： XLL,上述各式表明，Qe 取定后，Rp 和