高频电子线路(谐振功率放大器).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 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 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 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 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vc 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 基波电流分量产生的相应基波电压的幅度将很大 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基本不失真的信号功率 回路谐振角频率 回路有载品质因数 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 丙类功放效率提升问题 若提高集电极效率 可使管子导通时间减小 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 VBB Vbm 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上获得基本不失真输出功率 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 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 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 FrequencyMultiplier 将输入信号的频率倍增n倍的电路 3 倍频电路 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 变容二极管等构成参量倍频器 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 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 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 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 Vcm vCEmin 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 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 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 Re Vcm vCEmin 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 ReIc1mPo VcmIc1m 2PD VCCIC0PC PD Po 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 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 AmplitudeLimiter 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 PowerSupplyCircuit 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与匹配网络相并联 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 但在线性功率放大器中将造成输出信号失真 应当避免 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 MatchedNetwork 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 变换阻抗 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 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