《高频功率放大器》PPT课件.ppt

第3章高频功率放大器的结构与实现 3 1概述3 2谐振功率放大器的结构和原理3 3实际丙类谐振功放的原理分析3 4谐振功放的耦合和设计原则3 5丙类倍频器3 6 宽带高频功率放大器3 7 功率合成与功率分配电路 作用 高效地实现能量变换和控制 种类 根据应用领域和处理对象不同 1 功率放大电路 放大器的一类 用于通信 音像等电子设备 2 电源变换电路 对电源能量进行特定变换 用于电源设备 电子系统 工业控制 3 1概述 1功率放大器 与其它放大器相比 相同点 均在输入信号作用下 将直流电源的直流功率转换为输出信号功率 不同点 性能要求和运用特性不同 一 功率放大器的性能要求 1 安全 输出功率大 管子大信号极限条件下运用 2 高效率 用 c集电极效率 CollectorEfficiency 衡量转换效率 Po 输出信号功率 OutputSignalPower 式中 PD 电源提供的功率 PC 管耗 PowerDissipation Po一定 c高 PD小 PC小 可选PCM小的管子 以降低费用 3 失真小 输出功率越大 相应的动态电压电流越大 器件特性非线性引起的非线性失真也越大 除采用反馈技术外 还必须限制输出功率 作为放大器 功率增益是重要的性能指标 但与上述三个要求相比 安全 高效和小失真是第一位的 功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补 二 功率管的运用特点 1 功率管的运用状态 根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同 功率管运用状态可分为甲类 乙类 甲乙类 丙类等多种 功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现 甲类 功率管在一个周期内导通 如小信号放大 乙类 功率管仅在半个周期内导通 甲乙类 管子在大于半个周期小于一个周期内导通 丙类 功率管小于半个周期内导通 2 不同运用状态下的 C 管子的运用状态不同 相应的 Cmax也不同 减小PC可提高 C 假设集电极瞬时电流和电压分别为iC和vCE 则PC为 讨论 若减少PC 则要减少iC vCE 途径1 由甲类 甲乙类 乙类 丙类 减小管子在信号周期内的导通时间 即增大iC 0的时间 途径2 使管子运用在开关状态 又称丁类 管子在半个周期内饱和导通 另半个周期内截止 饱和导通时 vCE vCE sat 很小 因此导通的半个周期内 瞬时管耗iC vCE处在很小的值上 截止时 不论vCE为何值 iC趋于0 iC vCE也处在零值附近 结果PC很小 C显著增大 总结 为提高集电极效率 管子的运用状态从甲类向乙类 丙类或开关工作的丁类转变 但随着效率的提高 集电极电流波形失真严重 为实现不失真放大 在电路中需采取特定措施 2功率器件 功率管是功率放大电路的关键器件 如何选择功率管的运用状态 并保证它们安全工作是需要共同解决的问题 为此 必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区 双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制 1 集电极最大允许管耗PCM 还与散热条件密切相关 2 集电极击穿电压V BR CEO 3 集电极最大允许电流ICM 以上与功率管的结构 工艺参数 封装形式有关 一 功率管散热和相应的PCM 耗散在功率管中的功率PC主要消耗在集电结上 造成集电结发热 结温升高 若集电极的散热条件良好 集电结上的热量很容易散发到周围空气中去 则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡 此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量 反之 散热条件不好 集电结就会在更高的温度上达到热平衡 甚至产生热崩而烧坏管子 集电结结温 Tj 升高 集电极电流 iC 增大 PC增大 Tj随之升高 iC增大 PC增大 Tj升高 如此反复 直至Tj超过集电结最高允许温度TjM 导致管子被烧坏的一种恶性循环现象 热崩 Thermalrunaway a b 功率管底座上加装散热器 实践中 为了利于集电结的散热 以提高PCM 双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上 3 窄带功放 高频功率放大器可以分为窄带和宽带功率放大器两类 窄带和宽带是指有用信号的带宽大小 一般来说 信号最低频率fimin与最高频率fimax满足2fimin fimax关系时 放大电路被称为窄带放大器 如第二章讲述的高频小信号谐振放大器就是一例 本章讲述的C类 也称丙类 功放也是一例 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 乙类 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 匹配网络 为谐振系统 应用状态 丙类 或丁类 乙类 3 2谐振功率放大器的结构和原理 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 1 电路组成 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 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vo 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 非饱和是指放大管在导通时间内只处于管子的放大区 而没有进入饱和区的工作情况 如将iC波中的虚实线合起来就有了一个完整的正弦波 设此完整正弦波的振幅为Icm 那么 4对基波分量近似分析 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 图3 2 1 a 中的高频扼波圈 对直流信号相当于短路 因此 晶体管电压vCE t 的直流分量以及隔直电容C0上的直流电压分量都应为VCC 若C0的容量很大 则 3 2 2 另外 从电路结构也能得知 由VCC提供的直流电流Idc只能流经放大管到地 也就意味着iL t 的直流成分为零 的直流成分与Idc相同 由波形经傅里叶级数分解后可得 3 2 3 若R L C C0组成的总阻抗远小于RFC的感抗 则的交流成分只能通过C0和并联谐振回路到地 这时 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 3 2 5 若频带选通电路 即并联谐振电路的L C谐振于输入信号频率 s 且R相对不太小的话 输出信号vo t 可近似表示为 3 2 6 而谐波电流则通过L C被释放掉了 不形成有效的输出电压分量 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 例题3 2 1 设计一个C类放大器 采用N沟道增强型VMOSFET管子作为电路的增益元件 要求电路向负载R提供25W的功率 放大器效率为85 忽略管子可变电阻区带来的影响 工作频率为50MHz 电源电压为正12伏 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 解 根据题意画出相应电路如图3 2 3所示 图中CD对交流短路 C和L谐振于工作频率 在忽略可变电阻区的影响条件下 可令 Vom VDD 12V 那么R 122 2 25 2 88 由式 3 2 11 可得 73 5o 也可由附录C的g1得到 又将ID1m 2Po Vom代入式 3 2 5 可得放大管的最大漏极电流IDmax 7 884 A 由式 3 2 2 有vDmax VDD Vom 24V 若设R L C回路的品质因素Q 5 则有 3 2 1非饱和下的丙类功放分析 L R Q 1 83 10 3 H C 1 L 2 5 526 10 3 F 若取RFC的感抗 RFC 25 ZL 则 若取 则 5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不失真信号功率 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 6 丙类功放的功率特性分析 1 丙类功放的问题 若提高集电极效率 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