3-1丙类谐振功放的工作原理及特性分析.ppt

1 第3章高频功率放大器 2 3 1丙类 C类 谐振功率放的工作原理3 2谐振功放的性能分析3 3谐振功率放大器电路3 4丁 D 类和戊 E 类谐振功率放大器3 5集成高频功率放大器及其应用简介3 6宽带高频功率放大器电路 3 学习目的 1 高频功率放大器的电路组成2 谐振功率放大器的工作原理3 高频功率放大器的外部特性 4 高频 谐振 功率放大器在发射机中的位置 从图中可见 高频功放是无线发射机的重要组成部分 概述 5 在无线电广播和通信发射机中 为了获得大功率的高频信号 必须采用高频功率放大器 窄带高频功率放大器 宽带高频功率放大器 通常以LC并联谐振回路作负载 又称为谐振功率放大器 以传输线变压器为负载 因此又称为非谐振功率放大器 高频功率放大器按工作频带的宽窄可分 6 1 使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率 2 放大的实质 实质是一种能量转换 将电源提供的直流功率转变成交流信号功率输出 3 高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题 高效率输出 高功率输出 7 4 工作状态 1 甲类 工作点设置在放大区 输入信号ui在整个周期都有集电极电流ic产生 如图 优点 无失真 波形好 缺点 静态IC较大 管耗大 效率低 转换效率约为50 8 2 乙类 工作点设置在截止点上 晶体管只在输入信号的半个周期内导通 有集电极电流ic产生 如图 优点 静态IC 0 管耗小效率高 效率约为78 5 缺点 输出脉冲电流 波形严重失真 9 3 甲乙类 工作点设置在放大区靠近截止点的位置 晶体管导通的时间大于半个周期 在输入信号的大半个周期内导通 有集电极电流ic产生 如图 优点 静态IC 0 管耗小 效率高 效率约为50 78 5 缺点 严重失真 10 4 丙类 工作点设置在截止区以内 晶体管导通的时间小于半个周期 在输入信号的小半个周期内导通 有集电极电流ic产生 如图 优点 静态IC 0 管耗小 效率高 效率 78 5 缺点 输出电流波形严重失真 11 功率放大器一般分为甲类 乙类 甲乙类 丙类等工作方式 为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器 谐振功率放大器通常工作于丙类状态 属于非线性电路 12 3 1丙类 C类 谐振功放的工作原理 13 一 基本电路原理 1 电路组成 晶体管谐振回路输入回路偏置电路 VCC VBB为集电极和基极的直流电源电压 为使晶体管工作在丙类状态 VBB应小于晶体管的导通电压uBE on 在没有输入信号时 晶体管处于截止状态 ic 0 14 由于RL比较大 所以 谐振回路的品质因数比较小 但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用 L C为滤波匹配网络 与RL构成并联谐振回路 作为晶体管集电极负载 选频滤波 阻抗匹配 完成以下功能 仿真1 仿真2 15 高频功率放大器中各分电压与电流的关系 16 2 电流 电压波形 设输入一高频余弦信号为 则 当uBE的瞬时值大于基射间导通电压UBE on 时 晶体管导通 产生基极脉冲电流iB 相应产生集电极脉冲电流ic 如图所示 基极电流和集电极电流为周期性非正弦函数 17 用傅里叶级数展开得 式中 Ico为直流电流分量 iC1为基波分量 iC1 Icm1COS ct iC2为二次谐波分量 iC2 Icm2COS2 ct iCn为n次谐波分量 iCn IcmnCOSn ct 18 当集电极回路调谐在输入信号频率 上时 即与高频输入信号的基波谐振时 谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻Re 对其他各次谐波 回路因失谐呈现很小的电抗 可看成短路 直流分量只能通过回路电感线圈 直流电阻较小 可看成短路 这样 脉冲电流ic流经谐振回路时只有基波电流才产生压降 19 可见 利用谐振回路的选频作用 可以将失真的集电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出 晶体管集射间的电压为 其中 Ucm为基波电压振幅 若回路谐振电阻为Re 则 20 谐振功放工作原理小结 设置VBB UBE on 使晶体管工作于丙类 当输入信号较大时 可得集电极余弦电流脉冲 将LC回路调谐在信号频率上 就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出 21 二 输出功率与效率 1 放大器的输出功率PO 2 集电极直流电源供给功率PD 3 集电极耗散功率PC 4 放大器效率 c 其中 集电极电流利用系数 又称波形系数 为集电极电压利用系数 三 余弦电流脉冲的分解 略去uCE对iC的影响 将转移特性折线化 当 t 0时 iC iCmax iC表示为 利用傅里叶级数 将脉冲序列iC展开 当 t 时 iC 0 波形系数 25 值越小 g1 值越大 效率越高 效率 若 1时 甲类工作状态 乙类工作状态 丙类工作状态 设 可见 丙类工作状态的效率最高 当 60 时 效率可达90 随着 的减小 效率还会进一步提高 但当 40 后 波形系数的增加很缓慢 也就是说 过小后 放大器效率的提高就不显著了 此时的下降迅速 为了达到一定的输出功率 所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大 从而对前级提出过高的要求 谐振功率放大器一般取 为70 左右 例图3 1 1所示电路中 VCC 24V Po 5W 70 0 9 求该功放的 C PD PC iCmax和回路谐振阻抗Re 解 29 3 2谐振功率放大器的特性分析 30 放大器工作状态的分类 丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分 欠压 不进入饱和区 过压 进入饱和区 临界 达到临界饱和 31 一 高频功率放大器的工作状态 1 高频功放的动态特性 即当加上激励信号及接上负载阻抗时 晶体管集电极电流iC与uBE uCE的关系曲线 32 O ubemax ui 0 33 A1点处于放大区称为欠压 Undervoltage 状态 A2点处于临界区称为临界 Critical 状态 A3点处于饱和区称为过压 Overvoltage 状态 功率放大器三种工作状态和状态波形 34 2 欠压 临界和过压工作状态 1 欠压 uCEmin对应的动态点处于放大区 晶体管处于放大状态 ic为尖顶余弦脉冲 35 2 临界 uCEmin对应的动态点处于放大区和饱和区之间的临界点 晶体管处在放大区与饱和区的临界点上 ic仍为余弦脉冲 但幅度有所减小 顶端变化平缓 放大器工作在临界线状态时 输出功率大 管子损耗小 放大器的效率也就较大 36 3 过压 uCEmin对应的动态点处于饱和区 ic为中间凹陷的脉冲波 随着Ucm增大 uCE的减小脉冲波的凹陷加深 高度减小 37 思考题 在过压区为什么会出现凹陷 iC凹陷的原因 谐振回路作负载 饱和时 uBE对iC的影响很小 随着饱和深度的加深 uCE继续减小 使iC迅速减小 从而出现凹陷 Ucm越大 uCEmin越小 凹陷越深 脉冲高度越小 38 二 影响放大器工作状态的因素 高频放大器的工作状态是由负载阻抗Re 激励电压Uim 供电电压VCC VBB等4个参量决定的 1 负载特性 1 含义 谐振功放的负载特性是指VBB Uim和VCC一定 放大器性能随Re的变化特性 2 特性 39 Re的增加 1 将引起Ucm UCEmin iC高度略有下降 2 Re Ucm UCEmin 放大器欠压 过压 iC由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波 iC电流 40 据此可以画出Ic0和Ic1m随Re变化的特性 Ucm ReIc1mPo UcmIc1m 2PD VCCIC0PC PD Po C Po PD 由IC0和Ic1m的变化就可以画出Ucm Po PD PC C随Re变化的曲线 41 3 讨论 1 欠压区 图 a Re iC脉冲高度略有减小 IC0 Ic1m也略有减小 图 b Ucm ReIc1m近似线性增大 Po I2c1mRe近似线性增大 PD VCCIC0略有减小 C P0 PD增大 PC PD Po减小 欠压状态的功率和效率都比较低 集电极耗散功率也较大 输出电压随负载阻抗变化而变化 因此较少采用 但晶体管基极调幅 需采用这种工作状态 42 2 临界状态 临界状态的特点是输出功率最大 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 发射机的末级常设计成这种状态 43 3 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Ucm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 过压状态的优点 当负载阻抗变化时 输出电压比较平稳且幅值较大 在弱过压时 效率可达最高 但输出功率有所下降 发射机的中间级 集电极调幅级常采用这种状态 44 4 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 45 包括集电极调制和基极调制两种特性 1 集电极调制特性 含义 VBB Uim和Re一定 放大器性能随VCC变化的特性 特性 2 调制特性 46 VCC的增加 1 VBB Uim一定 UBEmax一定 iC脉宽一定 高度略有增加 2 VCC Ucemin 放大器过压 欠压 iC由中间有凹陷的脉冲波转变为余弦电流脉冲 iC电流 47 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 Ucm ReIc1m 也略有减小 讨论 48 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 49 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 为谐振回路上的输出电压 放大器工作在过压状态 50 2 基极调制特性 含义 Uim VCC Re一定 放大器性能随VBB变化的特性 特性 51 VBB的增加 1 VCC Uim一定 VBB 则UBEmax iC脉宽和高度均 2 VBB Ucemin 放大器欠压 过压 iC由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波 iC电流 52 过压状态 随VBB增大 集电极电流的宽度和高度均增加 凹陷加深 IC0和Ic1m Vcm缓慢增大 近似不变 欠压状态 随VBB增加 集电极电流的宽度和高度均增加 IC0和Ic1m Ucm ReIc1m 近似线性增加 讨论 53 基极调幅原理电路 基极偏置电压 放大器工作在欠压状态 54 1 含义 当VBB VCC和Re一定 放大器性能随Uim变化的特性 2 特性 固定VBB 增大Uim与上述固定Uim增大VBB 基极调制特性 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 3 放大特性 振幅特性 55 Uim的增加 VCC VBB一定 Uim 则UBEmax iC脉宽和高度均 Uim Ucemin 放大器欠压 过压 iC由余弦电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波 iC电流 Uim 56 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Vim的变化 放大器必须在Vim变化范围内工作在欠压状态 图 b 3 应用 57 谐振功放作为振幅限幅器 AmplitudeLimiter 作用 将Vim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Vim的变化范围内工作在过压状态 或Vim的最小值应大于临界状态对应的Vim限幅门限电压 58 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 Vim和VB或同时或两两增大均可使放大器由欠压进入临界 59 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Vim或VB 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 Vim VB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 60 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高 不同点 工作频率和带宽 负载 工作状态 联想对比 61 谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处 相同之处 它们放大的信号均为高频信号 而且放大器的负载均为谐振回路 不同之处 为激励信号幅度大小不同 放大器工作点不同 晶体管动态范围不同 谐振功率放大器波形图 小信号谐振放大器波形图 62 谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 共同之处 都要求输出功率大和效率高 功率放大器实质上是一个能量转换器 把电源供给的直流能量转化为交流能量 能量转换的能力即为功率放大器的效率 谐振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 其工作状态通常选为丙类工作状态 c 90 为了不失真的放大信号 它的负载必须是谐振回路 非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器 低频功率放大器的负载为无调谐负载 工作在甲类或乙类工作状态 宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载 小结 1 基本工作原理 电路组成 VBB uBE on 晶体管工作在丙类