《谐振功放》PPT课件.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,2.4 高频功率放大器,谐振功放：用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。,特点：负载匹配网络为谐振系统,应用状态：丙类(或丁类、乙类),用途：对载波或已调波进行功率放大,种类：丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放 倍频器,了解高频功率放大器的特点，理解谐振功率放大器的工作原理以及实际谐振功放电路的组成，掌握谐振功率放大器的负载特性。,本章的基本要求与基本知识点：,预备知识选频网络,选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号；,常用滤波器：LC串、并联谐振回路；集中参数滤波器。,1、性能指标：,中心频率0：此点传输系数最大,通频带BW3dB,选择性与矩形系数：描述滤波器对带外信号的衰减程度；,相频特性：要求接近线性。,选频特性,品质因数Q：,2、谐振回路的基本特性,谐振频率0：,阻抗特性,Q 值越大选择性越好,通频带：,预备知识选频网络,选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号；,常用滤波器：LC串、并联谐振回路；集中参数滤波器。,性能指标：,中心频率0：此点传输系数最大,Q 值越大选择性越好。,2.1 谐振功率放大器的工作原理,谐振频率0：,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;,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，使功率管 Q 点设在截止区，以实现丙类工作。,图 211 谐振功率放大器原理电路,2集电极电流 iC,图 212,输入： vb(t) = Vbmcos st,vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st,集电极电流 iC 傅里叶级数展开：,为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。,3输出电压 vo,(1)对基波分量,阻抗最大，为谐振电阻 Re,在高 Q 回路中， Re 近似为,式中，, 回路总电容, 回路谐振角频率, 回路有载品质因数,(2)对非基波分量,阻抗很小，产生的电压均可忽略。,丙类谐振功率放大器谐振回路的功能：, 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电压。, 阻抗匹配：调节 Lr 和 Cr ，谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻 Re，并阻抗匹配。,4功率特性分析,(1)丙类功放的问题,图 213 脉冲宽度变化的示意图,(2)解决方法,2.1.2 丁类和戊类谐振功率放大器,1丁类谐振功率放大器,(1)电路,Tr 二次侧两绕组相同，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， vA1 = VCC VCE(sat),vi 0 时，T2 饱和导通，T1 截止， vA2 = VCE(sat),A 点最大振幅值：,vA = vA1 vA2 = VCC 2VCE(sat),(3) 讨论, VCE(sat)小，管耗小，放大器的效率高 (90% 以上) ；, 因结电容、分布电容等影响，实际波形不理想，使管耗增大，丁类功放效率受限。,2戊类放大器,2.2 谐振功率放大器的性能特点,2.2.1 近似分析方法,1使用条件两假设, 谐振回路滤波特性理想，即:, 功率管特性用输入和输出静态特性曲线表示，其参变量采用 vBE(而不是通常的 iB) 。,2分析步骤,图 221 谐振功率放大器的近似分析方法(b), 求动态点，画波形；, 连动态线，画 iC 波形；, 图解积分求分量；, 计算功率性能。,(1)求动态点，画波形,图 221 谐振功率放大器的近似分析方法(a),设定 VBB、Vbm、VCC、Vcm ，将 t 按等间隔(t = 0， 15， 30， ) 给定数值，由：,便可确定 vBE 和 vCE (图 a)。,(2)连动态线，画 iC 波形：,图 221 谐振功率放大器的近似分析方法(b),根据 vBE 和vCE 值，在输出特性曲线上(以 vBE 为参变量)找对应的动态点，画动态线(动态点的连线)，由此可确定 iC 的波形。,不到 VCC，因为导通角小于 ,(3) 图解积分求得分量 IC0 和 Ic1m,谐振电阻,(4) 计算功率性能,2.2.2 欠压、临界和过压状态,1VBB、Vbm、VCC 不变， Vcm 由小变大，动态点左移, 欠压状态,Vcm 的取值，使所对应的 动态点均处在放大区。, 过压状态,Vcm 继续增大，使 A(t = 0)动态点处在饱和区，iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，Vcm 增大，凹陷加深。, 临界状态,Vcm 增大，使 t = 0 所对应的动态点 A处在临界点，iCmax 略微减小。,临界状态：动态点A处于放大区和饱和区临界点的状态；,欠压状态：动态点A处于放大区的状态； 为高度和宽度基本不变的余弦冲波,过压状态：动态点A处于饱和区的状态； 的高度减小，凹陷加深。,2 iC 的平均分量 IC0 与基波分量 Ic1m,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。,由此可求功率性能,2.2.3 四个电压量对性能影响的定性讨论,一、负载特性,1定义,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(Vcm = ReIcm),3 Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线,图 2-2-4 负载特性,Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPo C = Po/ PD,二、调制特性,图 225 集电极调制特性,两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。,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, 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。,(3) 集电极调幅原理电路,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。,图 227 集电极调幅电路,2基极调制特性,图 226 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 ，iC宽度、高度 ， IC0 Ic1m 、Vcm ，VCEmin ，放大器欠压 过压。,过压后，随 VBB，iC 宽度、高度 ，凹陷加深，IC0 和 Ic1m、Vcm 均增加缓慢，可认为近似不变。,(3)基极调幅原理电路,图 228 基极调幅电路, 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,图 229 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 229(a)。,(1)谐振功放作为线性功放,图 2210 (a) 线性功率放大器的作用,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。,(2) 谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter),图 2210 (b) 振幅限幅器的作用,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，设一个丙类谐振功率放大器，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。,图 225 集电极调制特性,例 设两个谐振功放具有相同的回路元件参数，它们的输出功率Po分别为 1W 和 0.6W。若增大两放大器的VCC，发现其中Po=1W 的放大器输出功率增加不明显， Po= 0.6W的放大器输出功率增加明显，试分析其原因。若要增大Po=1W 放大器的输出功率，试问还应同时采取什么措施（不考虑功率管的安全工作问题）？,2.3 谐振功率放大器电路,谐振功放管外电路：, 直流馈电电路, 滤波匹配网络,2.3.1 直流馈电电路,考虑因素：滤波匹配网络安装方便；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,要求：,1、除晶体管的内阻外，没有其它电阻消耗直流能量；,2、只有高频基波分量通过负载回路；,3、管外电路对高频谐波分量短路。,1集电极馈电电路,图 231 (a) 集电极 直流馈电电路,LC高频扼流圈，与 CC 构成电源滤波电路。,(2)并馈,三者(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馈电方式。,三者(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馈电方式。,（1）串馈,(b) 图 231 集电极直流馈电电路,LC 高频扼流圈； CC1 隔直电容； CC2 电源滤波电容。,在信号频率上，LC 感抗很大，接近开路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。,vCE = VCC + vc。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。,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,图 232 基极偏置电路, 图 232(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 232 (b)、(c)，自给偏置电路。,图 232 (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。,3自给偏置电路,(1)自给偏压的产生,图 232 (b)，vb 0 ib 0，为脉冲电流，可分解为 IB0、Ib1m、Ib2m 、,(2)自给偏置,v(t) = 0， VBE = 0；vb(t) 由小至大 IB0 随之增大 VBE = IB0RB 负向增大。,自给偏置效应：这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应。,(3) 自给偏置电路的作用, 用于载波功放，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。, 用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。, 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。,2.3.2 滤波匹配网络,1位置（输出滤波匹配网络）,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( 2 + 1 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。,图 233 基极偏置电路,谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。,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,(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)。,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 K = PL/ Po 接近 1。,3讨论,(1)谐波抑制度 Hn 和 K 间的矛盾,(2)说明,图 234 LC 谐振回路,(3)谐振功放匹配滤波网络的基本形式,组成原则：由异性质电抗元件构成,2.3.3 谐振功率放大器电路,1电路(p102 103),2分析, 直流馈电(集电极、基极)电路，元件作用, 滤波、匹配网络(输入、输出),三、滤波匹配网络参数的计算,分析思路 根据滤波匹配网络完成的功能：,1、选频（滤波） 容抗=感抗 ；,4 高频功率放大器,2.4.1 高频功率管及其大