[课件资料]3谐振高频功率放大器2017-4-10

第三章,高频功率放大器,3.1概述3.2丙类高频功率放大器工作原理3.3谐振功率放大器折线分析方法3.4谐振功率放大电路3.5倍频器3.6小结,目录,1、定义高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，后经天线将其辐射到空间。高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。,3.1概述,高频功放,窄带高频功放：输出回路是具有选频滤波作用的谐振电路，又称调谐功率放大器或谐振功率放大器。,宽带高频功放：输出回路是传输线变压器或其他宽带匹配网络（非谐振网络），又称非调谐功率放大器,2、分类（1）按工作频带分类,三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为几个工作状态：,从甲类到戊类的设计思想是为了提高功放电路的效率,（2）按导通周期分类,甲类：,乙类：,甲乙类：,丙类：,丁类、戊类,3、高频功率放大器的指标：,高频功率放大器的技术指标包括：输出功率、效率功率增益、带宽和谐波抑制。其中主要技术指标是输出功率和效率。直流电源提供给功率放大电路，一部分转变为交流输出功率；另一部分以热能形式被晶体管耗散。由此可以得到效率c表达式：,其中，P=为直流电源功率、Po为交流输出功率、Pc为集电极耗散功率。,提高功放效率的方法,提高功放效率的方法：,1.减小iC的,2.减小uCE,丙类,器件饱和时uCE最小,电压开关型D类功放原理图,+VCC,V1,V2,丙类功放原理图,-VCC,晶体管丙类谐振功率放大器的电路原理图,3.2谐振高功放工作原理,认识电路(本章主要讨论丙类谐振高频功率放大器),和为电源滤波电容,L、C和RL组成的并联谐振回路的谐振频率等于输入信号的频率fc,电路中输入信号为，直流偏置电源为/和/,认识放大器静态时，丙类高频功放的发射结反偏或者截止；发射极的电压为脉冲电压；集电极的电流呈周期脉冲状。,认识导通角,高频功放中所研究的信号导通角是低频功放中信号导通周期弧度（或角度）的一半。,集电极电流分解,已知集电极电流呈周期脉冲状，那么可以对其进行傅里叶级数展开，得到,傅里叶级数展开,周期信号可以展开成在完备正交信号空间中的无穷级数。如果完备的正交函数集是三角函数集或指数函数集，那么周期信号所展开的无穷级数就分别称为“三角型傅里叶级数”或“指数型傅里叶级数”，统称为傅里叶级数。也就是说，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示（因为正弦函数和余弦函数正交），前文中已说到集电极电流是周期脉冲，因此可以对集电极电流信号进行分解。,参考资料，可课后自主学习,余弦脉冲的傅里叶级数展开仿真,IB0和IC0为基极和集电极的直流分量；Ib1m和Ic1m是基极和集电极的基波分量的振幅；Ibnm和Icnm是n次谐波分量的振幅。,上式中，,根据丙类功放的晶体管的导通状态，可知基极电流iB(t)和iC(t)都是周期性的脉冲信号。因此有,由于集电极负载采用调谐回路，且回路调谐在基波频率,中的基波分量呈现的,(即输入信号频率)上，因而回路对,阻抗很高,且为纯阻,而对各次谐波分量呈现的阻抗很小,n频率的信号输出幅度很小，可近似忽略。,谐振输出最大,LC网络的输出,三极管C-E端的输出,各部分电压与电流的关系,对于=2fc阻抗很高,且为纯阻；而对各次谐波n的分量呈现的阻抗很小，导致输出幅度很低。,例3-1,求并联谐振回路的二次到五次谐波与基波对应的阻抗幅值的比值。,由图3-2可知：,Qe=100,且,例3-1,分别代入，RL、Qe和n值，可求得对应的得到高次谐波与基波的对应阻抗幅值。,各次谐波n的阻抗远小于基频时的阻抗，导致输出幅度很低。,结论当集电极回路的谐振频率等于输入信号的频率时，对于基波分量来说，回路阻抗为纯电阻，基波分量在回路两端产生的压降很大；对于直流分量来说，在回路两端产生的压降为零；对于各次谐波分量来说，在回路两端产生的压降相对很小，可忽略不计。因此，在讨论丙类谐振高频功放电路输出时，一般只考虑集电极电流的基波分量；此时，电路输入信号的频率等于并联谐振网络的谐振频率，信号可实现不失真放大。,3.3折线分析法,研究的技术指标:输出功率、效率,集电极耗散功率,交流输出功率,2.分析关键：从集电极余弦脉冲电流中求出直流分量和基波分量的振幅。,集电极直流电源输出功率,讨论丙类高频功放输出时，一般只考虑集电极电流的基波分量,该方法将晶体管的输入、输出特性曲线理想化，每条曲线都用一条或者多条射线来代替,4.折线分析法：,3.解决方法：解析近似分析法/折线分析法：适用于晶体管,将晶体管的特性曲线理想化,理想化曲线的解析式,利用晶体管的参数求出和,(1)输入特性曲线的理想化,当集电极电压大于一定值时，对的影响可以忽略。,3.3.1晶体管特性曲线的理想化,低频,称为折线的斜率。,(2)正向传输特性曲线的理想化,理想化的晶体管的共射极电流放大系数=const,（跨导）,理想化的曲线分为截止和导通两种情况的折线。,gc称为晶体管跨导;,(3)输出特性曲线的理想化,在饱和区，与呈线性；在放大区，与无关，近似为常数。,3.3.1晶体管特性曲线的理想化,UCES为饱和晶体管压降。,gcr称为饱和区集电极电流的斜率;,3.3.2分解集电极余弦电流脉冲,1）集电极余弦电流脉冲的表达式,代入正向传输特性曲线表达式,设,由iC脉冲波形图，可以得到条件：（1）Ct=C时，iC=0。（红点）,（2）Ct=0时，iC=ICM。（蓝点）,以上三条是丙功主要的分析表达式。,综合两个表达式,（1）,（2）,（3）,ic(t)的完整表达式为：,分解得到傅里叶级数的系数为：,P57,i(c),i=0,1,n,分别指各个分量的分解系数，该系数是导通角c的函数。,最终ic(t)脉冲分解为傅里叶级数,由傅里叶级数的求系数法得,其中：,ic(t)脉冲的分解系数,3.3.3高频功放的输出功率与效率,（1）直流电源输出功率,（2）高频功率放大器输出功率,（3）高频功率放大器的效率,波形系数,集电极电压利用系数,根据上述参数，功率和效率的技术指标的计算公式为：,随导通角增大,输出功率先增大后减小,而效率一直减小。为了兼顾输出功率和效率,通常选取丙类功放！,思考：当和为定值，随着的变化，输出功率怎么变化？在的理想条件下，随着的变化，效率怎么变化？,甲类180,乙类90,甲乙类,丙类,3.3.4高频功率放大器的动态特性,动态特性：在余弦激励信号的作用下，放大器的动态工作点的变化轨迹。也就是集电极电流在有负载的情况下得到的关系曲线，也称为谐振功率放大器的交流负载线。为便于理解，附上静态特性的概念集电极电流在没带负载的情况下得到的关系，是晶体管本身固有的。,已知,整理后得到：,其中，动态特性曲线在uCE上的截距,动态特性曲线的斜率,可以理解为低频时的交流负载线的等效,斜率：,与x轴(uCE)的交点：,已知式子中的截距和斜率时，连同条件时，可以直接确定出AB-BC折线。（截距法）,分析动态特性的方法有：,分析动态特性的方法有：,当无法采用截距法直接分析时，可延长AB线，总能与线相交，称此交点为虚拟工作点Q。Q点纵坐标为负，是负电流，实际上是不存在的，是为了作动态特性而虚拟的，因此本方法也叫虚拟电流法。,Q点的坐标为（VCC，IQ）。,其中IQ的求取可由动态特性曲线在uCE(t)=VCC时求取。,斜率gd的分析,代入,根据公式得到：RL时，|gd|变小，,因为gd为负值，曲线斜率向逆时针方向旋转。,同时，RL,Ucm,则A点（VCC-Ucm，ICM）的坐标往,Y轴方向平移，则A点将会在放大区和饱和区之间变化。,返回负载特性,根据gd为不同的值，与输出特性曲线交点A点所处的位置，高频功放就分为了：欠压区、临界区和过压区。,分别演示上图中的三种情况：,放大器的工作状态,根据集电极是否进入饱和区，分为：,过压状态：集电极最大点电流进入临界线左边的饱和区,临界状态：集电极最大点电流落在临界线上,是欠压和过压状态的分界。,欠压状态：集电极电流都在临界线的右方,三种工作状态的特点及应用,欠压状态：电流脉冲为尖顶，输出电压幅度相对较小，输出功率较小，效率也低。因输出电压的振幅随RL变换而变化，在基极调幅电路中应用，其他应用较少。临界状态：输出电压较大，电流为尖脉冲，输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态。较多应用于发射机中的功率输出级。在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。过压状态：电流为凹顶脉冲，输出电压幅度大，过压区内输出电压振幅随变化小。常作为发射机的高频功率放大器的中间级应用和用于限幅电路。,RL,调整放大器的工作状态有以下方法：（1）改变谐振负载（2）改变集电极电源电压（3）改变基极电源电压（4）改变输入信号的振幅,3.3.5谐振功率放大器的动态特性及负载特性,50,(1)改变谐振负载负载特性,负载特性：在晶体管的型号、和、一定，放大器的工作状态、电流、电压、输出功率和效率随谐振电阻的变化而变化的关系。实际上是利用改变其中的使得斜率gd变化（在动态特性部分已分析过）,谐振功率放大器的负载特性曲线,(2)改变集电极电源电压调制特性,随着VCC的增大，ICM逐渐增大，IC1M相应增大，Ucm=IC1M*RL增大。Q点水平移动。在理想状态下，Ucm正比于VCC，应用于集电极调幅。,VBBCgd，斜率变化VBBIQ，Q点竖直移动,(3)改变基极电源电压基极调制特性,在欠压状态，输出信号的振幅受控于基极电压基极调幅,(4)改变输入信号的振幅放大特性,在欠压或者过压状态下，可用于输出信号的振幅的放大,Cgd，斜率变化,调整放大器的工作状态有以下方法：（1）改变谐振负载直接改变斜率（2）改变集电极电源电压Q点水平移动（3）改变基极电源电压改变导通角进而改变斜率，Q点竖直移动（4）改变输入信号的振幅改变导通角进而改变斜率,小结,例3-1谐振功率放大器输出功率Po已测出，在电路参数不变时，为提高Po采用提高Vbm的办法。但效果不明显，试分析原因，并指出为了达到Po明显提高的目的，可采用什么措施?,负载特性曲线,采用提高Vbm提高Po效果不明显说明放大器工作在过压工作状态，为了达到Po明显提高的目的可以降低VBB、减小RL或增加VCC。,2)根据,3)根据ICM=gcUbm(1cosc)，求得ICM、Ic1m、Ic0,c=70，cos70=0.342，,Ic1m=ICM1(70)=20.436=0.872AIc0=ICM0(70)=20.253=0.506A,1)根据图可求得转移特性的斜率gc,例3-2某谐振功率放大器的转移特性如图所示。已知该放大器采用晶体管的参数为：功率增益Ap=13dB，管子允许通过的最大电流IcMax=3A，最大集电极功耗为Pcmax=5W。管子的Ubz=0.6V，放大器的负偏置VBB=1.4V，c=70，VCC=24V，电压利用系数=0.9，试计算放大器的电流、电压和功率的参数。,4)求交流电压振幅：Ucm=VCC=240.9=21.6V对应功率、效率。P=VCCIC0=240.506=12W,Pc=P=-Po=2.6WPcmax(安全工作),则,5)输入功率因为Ap=13dB，即,3.4.1直流馈电电路,3.4.2输出回路和级间耦合回路,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,3.4高频功率放大器的电路组成,1.集电极馈电电路,根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。,3.4.1直流馈电电路,(1)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（串联）一种直流馈电电路。,CS、ZL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，又避免高频信号在LC负载回路以外不必要的损耗。CS、ZL的选取原则为：LC10回路阻抗1/CS1/10回路阻抗,如图ZL为高频扼流圈，Cp为高频旁路电容，CC为隔直流通高频电容，ZL、Cp、CC的选取原则与串馈电路基本相同。,(2)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。,（3）馈电线路的基本组成原则,右原理图的直流通路、基波分量的交流通路、谐波分量的交流通路应如图所示：,输出回路为例,（4）串并馈直流供电路的优缺点并馈电路优点：信号回路两端均处于直流地电位零电位；对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠；并馈电路缺点:ZL处于高频高电位上，它对地的分布电容将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特点正好与并馈电路相反。,2.基极馈电电路,基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源VCC分压供给。在功放级输出功率大于1W时，基极偏置常采用自给偏置电路。利用发射极直流电流在发射极偏置电阻上产生所需的偏置的方法，称为自偏置。这种方法具有在输入信号幅度变化时自动稳定输出电压的作用。,（1）基极串联、并联馈电电路,1）串联馈电如图（a）所示。,基极电路两种馈电形式,2）并联馈电如图（b）所示。,vBE=VBB+Vbmcost,在输入回路满足：,3）偏置电路中的自生反偏压,图（1）CB2和RB、CB1、LB产生稳定的IB0，IB0RB自生反偏压；,图（2）主要由CE和RE产生稳定的IE0，IE0RB自生反偏压；,图（3）CB和LB产生稳定的IB0，IB0在LB损耗电阻自生反偏压；,3.4.2匹配网络,为了使功率放大器能输出负载所需的电流、电压幅度及相应的功率，通常需要多级高频谐振功率放大器，可分为输入级、激励级和输出级。对应的匹配网络可以分为输入、输出和级间匹配网络。分别实现源与放大器、放大器与负载，以及放大器的推动级和输出级间的匹配联接。高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗ZL转换成放大管所要求的最佳负载阻抗Rp，使管子送出的功率P0能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。,匹配网络的作用1.使负载阻抗为放大器所要的较优负载电阻，即保证放大管传输到负载的功率尽可能大2.抑制工作频率以外的频率（滤波）3.匹配电路具有一定的通频带,当已调波通过网络时不至于导致波形失真,匹配网络主要由L型、型和T型的LC网络构成。,输出匹配网络介于高频功率管和外接负载之间,为保证放大器的输出功率能有效地传送到负载上,输出匹配网络应满足以下要求：选频滤波和阻抗匹配。,(3)使输出的信号功率高效率地传送至外负载上。即要求负载功率PL能基本等于输出功率PO。,1、输出匹配网络,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。,2、级间匹配网络,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、级间匹配网络,1.160MHz，13W谐振功率放大电路放大器的功率增益达9dB，可向50负载供出13W功率，电路如图所示。,基极采用自给偏置电路，Ib0在Lb的直流电阻上产生很小的负向偏置电压，C1、C2、L1构成T型匹配网络，调节C1和C2，使本级的输入阻抗等于前级放大器所要求的50匹配电阻，以传输最大的功率。集电极采用并馈电路，LC为高频扼流圈；CC为高频旁路电容。对于交流信号，放大器的输出端采用L型匹配网络，调节C3、C4可使