第二章-谐振功率放大器案例.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(VBBVbm)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,vi0时，T1饱和导通，T2截止，,vi0，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,.,本节要点：,1.谐振功率放大器参数计算（PD、PO、cPC）2.谐振功率放大器的工作状态及负载特性讨论3.谐振功率放大器电路组成，滤波匹配网络元件参数估算方法4.谐振功率放大器电路识读,(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，VcmvCEmin,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(),ReVcmvCEmin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=PDPoC=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，令两者的端导纳相等，,即,(1)串转并公式,由此得,(2)并转串公式,(3)说明,式中，,Xp和Xs为实数,电容：X,电感：XLL,上述各式表明，Qe取定后，Rp和Rs，Xp和Xs之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变(Xs和Xp有相同的正负号)。,5.滤波匹配网络的设计,在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般在10以下。考虑到谐波抑制度，常用的滤波匹配网络除了上述最简单的L型外，更多的是由三个电抗元件组成的、T型以及由它们组成的多级混合网络。下面就介绍滤波匹配网络的阻抗变换特性。,假设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零，即回路传输效率趋近于1，外接负载电阻为RL，要求与Re和C0的串接或并接阻抗相匹配，C0为功率管的,分布电容。利用串并联阻抗转换公式，就可以导出各种滤波匹配网络的元件表达式。,例1:图(a)为T型滤波匹配网络，要求与Re和C0串接阻抗匹配，求各元件表达式。,(注意XC2含负号),解：将T型网络分割成两个串接的L型网络，图中。,再对这两个L型网络进行分析。,在后一个L型网络中，将XC2和RL的串接阻抗转换为Xp2和Rp2的并接阻抗，分别取值为,其中，,令，回路并联谐振，则L型网络呈现的谐振电阻为,且网络元件的表达式为,，,或,，由于Qe2为正实数，因而,根号内的值应大于零，故有,相应网络元件的表达式为,若已知Re、C0与RL，并选定Qe1，则T型网络的各元件值由下列各式确定：,式中，,例2：图示型滤波匹配网络，要求与Re、C0的并接阻抗匹配，求各元件表达式。,结果是网络呈现的谐振电阻为：,且,在由XC1和,组成的网络中，它的负载为,，现令,回路串联谐振，因而,或,设,，则,，,2.3.3谐振功率放大器电路,1电路(P123),2分析,直流馈电(集电极、基极)电路，元件作用,滤波、匹配网络(输入、输出),第2章谐振功率放大器,2.4高频功率放大器,2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗,2.4.2高频功率放大器设计举例,工作频率在几十兆赫兹至几百兆赫兹范围的谐振功率放大器统称为高频功率放大器。功率管的特性已不能仅用静态特性曲线表示。还需要考虑非线性电容，引线电感等分布参数和大注入效应等。工程上广泛采用借助功率管的大信号输入和输出阻抗的设计方法。,2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗,一、高频功率管结构,高频功率管的内部结构如图2-4-1所示。,内部结构,外部结构,(a)和(b)为四引线结构，其中两条引线为发射极(宜接成共发组态)或基极(宜接成共基组态)，目的是减小输入和输出公共极端点上的引线电感。,(c)和(d)为两线结构，金属底座为基极或发射极，宜接成共基组态或共发组态。,在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率管不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。,二、大信号输入和输出阻抗,大信号输入和输出阻抗可以通过实测得到。,1将功率管接入谐振电路,在指定频率上且特定幅值的输入信号