调幅调制高频功率放大器与倍频器分析.ppt

任务2 调幅发射机 80m波段小功率发射机制作,2.2.2. 振幅调制、高频功率与倍频器 高频功率放大器 倍频器,三、高频功率放大器与倍频器,任务引入： 无线电通信或测控系统是用空间辐射方式传送信号的，由电磁波理论知道，交变的电振荡可以利用天线向空中辐射出去。但天线的尺寸必须足够长（天线振子的长度与电振荡的波长可以比拟），才能有效地把电振荡辐射出去。因此，为了采用合适的天线长度和保证一定的发射距离，需要解决两个基本点问题：一是将所要传送的信息“装到”（骑载）高频振荡波上，再由天线发射出去，即对被传送信息进行调制；二是因高频振荡电路产生的信号功率很小，为保证信号的传输距离，需对已调制信号进行功率放大，再由天线发射出去。 本任务主要解决第二个问题，即已调信号的功率放大的问题，即设计与制作高频功率放大器。,()高频功率放大器与高频小信号放大器、低频功率放大器的区别 高频功率放大器既不同于高频小信号放大器，也不同于低频功率放大器。高频功率放大器与高频小信号放大器的相同地方都是要求有选频特性；高频功率放大器与低频功率放大器的相同地方都是要求有较大的输出功率与较高的效率，但二者的工作频率和相对频带宽度差别很大，有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率较低，相对频带较宽，工作频率一般在20Hz20KHz，高频端与低频端之差达1000倍，所以低频功率放大器的负载不能采用谐振负载，而用电阻、变压器等非谐振负载。而高频功率放大器的工作频率很高，可由几百KHz到几百MHz，甚至几万MHz，但相对频带一般很窄。,高频功率放大器按工作频带分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两类。窄带高频功率放大器以并联谐振回路为输出电路，又称为谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则采用传输线变压器，并可采用功率合成技术来增大输出功率。 高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、宽带和谐波抑制度等。,(2) 放大器的甲、乙、丙类工作状态 在放大器中，根据晶体管工作是否进入截止区和进入截止区的时间相对长短，即根据晶体管的导通角的大小，将放大器分为甲、乙、丙类工作状态。 通常把一个信号周期內集电极电流导通角度的一半称为放大器的导通角，用表示。 ）甲类 当 =180时，放大器处于甲类工作状态。线性电压放大器工作在甲类状态。 ）乙类 当 =90时，放大器处于乙类工作状态。低频功率放大器工作在乙类状态。 3）丙类 当 90时，放大器处于丙类工作状态。谐振功率放大器工作在丙类状态。,(3)高频功率放大器的分类 窄带功率放大器和宽带功率放大器两类 (4)高频功率放大器设计的主要要求 1)功率输出满足需要，即在电源电压一定情况下输出功率越高越好。 2)功率转换效率要高，要求在满足功率输出要求的同时，必须提高功率的转换效率。,(3)谐波及非线性失真要小 丙类工作状态具有集电极耗散功率小、效率高的特点， 为了提高功率放大器的效率，大多数高频功率放大晶体管工作 丙类态，这种状态下的晶体管处于非线性工作区，晶体管输出电流与输入信号之间存在着严重的非线性失真，输出谐波丰富，常采用谐振选频方法来滤除谐波，减少失真。谐振选频网络具有窄带特性，通常将带有谐振选频网络的这类放大器称为窄带功率放大器或谐振功率放大器。,1.谐振功率放大器的基本工作原理,图2-2-12中为一谐振功率放大器，它由晶体管、输出调谐回路、电源及基极偏置电路等组成，为提高效率，晶体管发射结一般取零偏置或负偏置。,谐振功率放大器的电压、电流波形,丙类功率放大器基极与集电极间的电流电压波形关系,丙类放大输出电流与导通角的关系,丙类放大输出电流与导通角的关系,集电极余弦脉冲电流的解析表达式，它取决于脉冲高度 和导通角,余弦脉冲分解系数,2.输出功率与效率,(1) 输出功率 放大器的输出功率 等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻 上的功率 (2)输出效率 电源功率 输出效率 为波形系数， 为电源利用系数,放大器的工作状态与工作效率,设 甲类工作状态： 乙类工作状态： 丙类工作状态：,3.输入信号的类型与导通角的选择,高频功率放大器输入放大的信号可能是幅度变化的调幅波，也可能是幅度不变的调频波、等幅电报等信号，或者用于倍频，不同的信号类型所要求导通角的选择不同。下面从等幅波功率放大，调幅波功率放大，n次谐波倍频（倍频器）这三种情况来讨论导通角的选择。,(1)等幅波功率放大,谐振功率放大器最基本的应用是进行等幅波功率放大。为了兼顾输出信号功率和效率的要求，对放大等幅波，通常选择最佳导通角=60-70，当=1时，实际效率可达85%以上，可用于调频波、调相波、等幅电报及某些数字调制信号的发射。,(2)调幅波功率放大,调幅波的振幅不是衡量，因此进行功率放大时，若将工作状态选为丙类，此时，集电极电流脉冲的基波分量幅度为 式中， 是调幅波的瞬时幅度。由于 不是恒定的，因此导致 和导通角随着改变，输出基波电流 不再与输人电压 成比例，会出现波形失真。 所以，为了不产生失真，调幅波谐振功率放大器的工作状态选为乙类，这时=90，1(90)=0.5。因此，,从上式可见，在乙类工作状态下集电极基波电流幅度正比于输入信号电压幅度，不会产生波形失真。因此，放大调幅波的谐振功率放大器最佳导通角=90，并将工作于乙类状态的谐振功率放大器称为“乙类线性放大器”。实际应用时可以在兼顾输出功率和效率的同时作适当调整，以使调幅波失真最小。,(3) n次谐波倍频器,当谐振功率放大器的集电极回路调谐于n次谐波时，输出回路就对基频和其它非n次谐波呈现较小阻抗，仅对所需要的n次谐波呈现很大的谐振电阻，从而在输出回路两端获得n次谐波输出，通常将这类电路称为丙类倍频器。丙类倍频器导通角的选择依所需谐波的倍率而定，最佳倍频导通角选择大致是:二倍频时取60，三倍频时约取40，一般有:,这里n一般不大于5，否则倍频效率过低。如果需要增加倍频次数，可将倍频器级联使用,或采用其他倍频电路。,14MHZ、21MHZ短波倍频放大器电路分析,集电极调幅电路分析,高频功率放大器实验,1实验目的 （1）了解丙类功率放大器的基本工作原理，掌握丙类放大器的调谐特性以及负载改变时的动态特性。 （2）了解高频功率放大器丙类工作的物理过程以及当激励信号变化对功率放大器工作状态的影响。 （3）比较甲类功率放大器与丙类功率放大器的特点、功率、效率。 （4）掌握丙类放大器的计算与设计方法。,2. 实验内容,观察高频功率放大器丙类工作状态的现象，并分析其特点，测试丙类功放的调谐特性 （1）测试丙类功放的负载特性 （2）观察激励信号变化、负载变化对工作状态的影响,3. 基本原理总结,由前面相关知识的学习我们知道：放大器按照电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类等不同放大类型。功率放大器电流导通角越小，放大器的效率越高。 甲类功率放大器的，效率最高只能达到50%，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级放大。 非线性丙类功率放大器的电流导通角，效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。特点：非线性丙类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)，基极为负偏置，电流导通角，为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。,电路原理图如图2-2-21所示，该实验电路由两级功率放大器组成。其中Q3（3DG12）、T6组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态，其中RA3、R14、R15组成静态偏置电阻，调节RA3可改变放大器的增益。W1为可调电阻，调节W1可以改变输入信号幅度；Q4（3DG12）、T4组成丙类功率放大器。R16为射极反馈电阻，T4为谐振回路，甲类功放的输出信号通过R13送到Q4基极作为丙类放大的输入信号，此时只有当甲类放大输出信号大于丙类放大管Q4基极射极间的负偏压值时，Q4才导通工作。与拨码开关相连的电阻为负载回路外接电阻，改变S1拨码开关的位置可改变并联电阻值，即改变回路Q值。,甲类功率放大器,（1）静态工作点 如图2217所示，甲类功率放大器工作在线性状态，电路的静态工作点由下列关系式确定：,(2)负载特性 结合甲类功放的负载特性图2-2-17和图2-2-21，甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定，两级间通过变压器进行耦合。为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻RH称为最佳负载电阻。集电极的输出功率PC的表达式为：,集电极的输出功率PC的表达式为： 最大不失真输出： 阻抗变换：,丙类功率放大器,（1）基本关系式 丙类功率放大器的基极偏置电压UBE是利用发射极电流的直流分量IEO（ICO）在射极电阻R17上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当丙类放大器的输入信号为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。图2-2-20画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。,集电极的电流、电压关系式,（2）负载特性,当放大器的电源电压为UCC，基极偏压Ube，输入电压(或称激励电压)Usm确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。谐振功率放大器的交流负载特性如图2-2-19所示,最佳负载电阻,由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降UCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm(max)。 此时，集电极输出的功率PC和效率都较高，此时放大器处于临界工作状态。Rq所对应的值称为最佳负载电阻，用R0表示，即,当RqR0时，放大器处于欠压状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。当RqR0时，放大器处于过压状态，如B点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，谐波较多，输出功率较低。为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。判断放大器是否为临界工作状态的条件是：,4.主要技术指标的测试方法,（1）输出功率 高频功率放大器的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。对于图2-2-21所示的电路，由于负载RL与丙类功率放大器的谐振回路之间采用变压器耦合方式，则集电极回路的谐振阻抗Rq上的功率等于负载RL上的功率，所以将集电极的输出功率视为高频放大器的输出功率。,测量功率放大器主要技术指标的连接电路如图2-2-20所示，其中由高频信号发生器提供所需频率的高频激励信号电压，用示波器监测波形失真，直流毫安表mA测量集电极的直流电流，高频电压表V测量负载RL的端电压，也可由示波器读出电压峰峰值换算。注意只有在集电极回路处于谐振状态时才能进行各项技术指标的测量。可以通过高频电压表V及直流毫安表mA的指针来判断集电极回路是否谐振，即电压表V的指示为最大，毫安表mA的指示为最小时集电极回路处于谐振，用示波器监测更方便调整谐振时输出波形最大。,（2）效率 高频功率放大器的总效率由晶体管集电极效率和输出网络的传输效率决定。而输出网络的传输效率通常是由电感、电容在高频工作时产生一定损耗而引起的。放大器的能量转换效率主要由集电极的效率所决定，所以通常将集电极的效率视为高频功率放大器的效率 .,利用图2-2-20所示电路，可以通过测量来计算功率放大器的效率，集电极回路谐振时，测得 ， 的值由下式计算：,（3）功率增益 放大器的输出功率P0与输入功率Pi之比称为功率增益，用AP（单位：dB）表示。,5.实验步骤,（1）测试调谐特性 前置放大电路J3处输入频率=9MHz(Vp-p0.3V)的高频信号，调节W1，中周T6使回路谐振，使TP6处不失真的信号电压峰峰值为5V左右，S1全部开路，保持J3处输入信号幅度不变，改变输入信号频率，从9MHz15MHz（以1MHz为步进）记录TP6处的输出电压值，填入表2-2-1，并画出谐振特性曲线。,（2）测试负载特性 在前置放大电路中J3处输入频率11.8MHz（Vp-p0.3V）的高频信号，调节W1使TP6处信号约为5V，调节中周使回路调谐（调谐标准：TH4处波形波形幅度最大且为双峰