高频调谐功率放大器.ppt

1、1,第三章 高频调谐功率放大器,2,3.1 概述 3.2 调谐功率放大器的工作原理（重点） 3.3 功率和效率 （重点） 3.4 调谐功率放大器的工作状态分析（难点） 3.5 调谐功率放大器的实用电路（重点） 3.6 功率晶体管的高频效应 3.7 倍频器,第3章 高频调谐功率放大器,3,问题回顾：（模拟电子技术中的功放内容）,1. 放大器的放大原理与实质？,3. 工作状态对效率的影响？,2. 放大器的工作状态？,3.1 概述,4,1. 放大器的放大原理与实质,放大器本质上是一种能量转换器件。它利用三极管的电流控制作用，将直流电源输出的直流能量转换为按输入信号变化的交流能量，提供给负载。,共射级

2、放大器原理图,5,图 放大器工作状态的类型 （a） 甲类; （b） 乙类; （c） 甲乙类; （d） 丙类,2、放大器的工作状态,在相同激励信号作用下，根据集电极电流的导通时间，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作状态。,6,3、工作状态对效率的影响？,在相同激励信号作用下，集电极电流的流通时间越短，一个周期内的平均功耗越低，如果维持输出功率不变，其效率越高。为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。,不同工作状态时放大器的特点,工作状态,半导通角,理想效率,负,载,应,用,甲类,q,c,=180,50%,电阻，回路,低频，高频,乙类,q,c,=90,78.5%,推挽,低频,

3、甲乙类,90,q,c,180,50%,h,78.5%,推挽,低频,丙类,q,c,90,h,78.5%,选频回路,高频,丁类,开关状态,90%100%,选频回路,高频,7,本节问题：,3.1 概述,一、高频功率放大器在无线通信系统中的位置? 二、高频功率放大器性能的评价指标？ 三、联想对比1：调谐功放与小信号调谐放大器的比较？ 联想对比2：高频调谐功放与低频功放的比较？,8,一、高频功率放大器在无线通信系统中的位置,9,功率放大器的任务及其实质，决定了衡量它性能的两个主要指标:,1.（输出的交流）功率 2.（直流能量转化为交流能量的）效率,二.高频功率放大器的性能指标,10,三、联想对比1：,高

4、频功放和低频功放的异同之处？,11,相同之处：都要求输出功率大和效率高。,不同之处：,1、工作频率与相对频宽不同,3、放大器的工作状态不同,2、放大器的负载不同,12,联想对比2：,高频功率放大器与高频小信号放大器的异同之处？,13,高频小信号放大器,高频功率放大器,放大器原理电路,14,谐振功率放大器 波形图,小信号谐振放大器 波形图,15,相同之处：放大的信号均为高频信号 放大器的负载均为谐振回路。,不同之处：,1、设计任务与性能指标不同,2、激励信号幅度大小不同,3、放大器工作点和动态范围不同,4、工作状态不同,16,小结,高频功率放大器研究的主要矛盾：输出功率和效率 晶体管工作状态的选

5、择由主要矛盾决定,17,3.2 调谐功率放大器的工作原理,一、调谐功率放大器的电路形式（构成）? 二、调谐功率放大器如何完成它的功能 （即它的工作原理）?,问题：,18,注意:该电路和小信号调谐放大器的不同(bias),3.2.1 放大器原理电路,19,各元件的作用：,Ec 是直流电源电压； Eb 是基极偏置电源电压。 输入信号经变压器T1 耦合到晶体管基-射极， 这个信号也叫激励信号。 L、C 组成并联谐振回路，作为集电极负载， 这个回路也叫槽路。 放大后的信号通过变压器耦合到负载 RL上以 达到阻抗匹配的要求。,20,因工作于大信号非线性状态，属于非线性电路，不满足线性电路的叠加原理，不能

6、用线性等效电路来分析.所以，采用折线近似分析法，分析其导通角、集电极电流、输出电压等参量。,调谐功率放大器的折线近似分析法,21,3.2.2 调谐功率放大器的折线近似分析法,一、晶体管特性的折线化,二、集电极余弦脉冲电流分析,三、槽路电压,22,转移特性曲线,输出特性曲线,一、晶体管特性的折线化,23,导通角的计算,Uj,24,根据导通角的定义， 当 时， 即 由此可得导通角 与Eb、Ubm、Uj 间的关系,当激励信号足够大，晶体管导通，所以集电极电流是周期性的余弦脉冲。将 代入转移特性方程可得,25,1）当Eb、Uj一定，改变激励信号，就可改变 导通角 2）当管子定下来，Uj 一定，在一定激

7、励信号 下，改变Eb 就可改变导通角的大小。,导通角是调谐功率放大器的重要参数,丙类工作状态下,26,是周期性余弦脉冲电流，可用傅里叶级数展开。,当,时，电流 ic 为最大值，以Icmax表示,这样电流 ic又可写成,二、集电极余弦脉冲电流分析,27,ic,二、集电极余弦脉冲电流分析,28,直流分量：,基波分量：,n次谐波:,直流分量分解系数,基波分量分解系数,n次谐波分量分解系数,29,余弦脉冲分解系数曲线图,其中,总结：,30,图 余弦脉冲分解系数曲线,31,、 的特点 1） 2） 当 ， ，,32,三、槽路电压（即谐振回路两端电压）,33,1.波形基本正弦 条件1）槽路调谐于基波 2）Q

8、L 足够高（QL =510） 2.大小 Rc抽头部分谐振电阻 3.相位,34,图 折线法分析非线性电路电流电压波形,35,3.3 功率和效率,晶体管,直流功率 交流功率,槽路,脉冲功率 正弦功率,36,1、集电极效率 上式说明 与 、 成正比，是余弦脉冲基波 分量和直流分量分解系数之比，代表着集电极电流基 波幅值与直流电流之比，所以这个比值叫集电极电流 利用系数。因为 、 都是 的函数， 所以集电极效率与负载、激励大小及导通角有关。,37,38,讨论： 不论由于上述什么原因使Ucm增大时，则 也增大，从而使 提高。 不过 也不能任意提高，因为在管子导通的 某一瞬间，集电极电压 uce下降的最小

9、值为 ，则 ，当减小到一定程度（约为 12V），晶体管进入饱和区。此后虽然Ucm仍可增 大，ucemin进一步减小，电压利用系数也有所提高， 但其变化缓慢极限为1。,39,一般管子饱和电压可按1V计算，高频时可适当增大，例如，某放大区电源电压 ，管子饱和压降1V， 电压利用系数为,40,根据以上分析，在调整较好的调谐放大器中 对比，甲类放大器 为180,查曲线可知 由此可见丙类放大器的 比甲类约高一倍， 这正是丙类优于甲类的地方。,41,2.槽路效率,图3-6是负载折算到槽路的等效回路， Um为回路两端的电压幅值。由图可以看出， 负载功率PL是RL所吸收的功率，槽路损耗功 率PT是槽路空载电阻

10、R0所吸收的功率；而集 电极输出的基波功率Po相当于总电阻R所吸收 的功率。这些功率都可用槽路电压和各有关 电阻表示。即,42,图3-6 负载折算到槽路的等效回路及其功率关系,43,将上两式代入式（3-28）可得,44,上式表明， 决定于槽路的空载与有载品质因数。Q0愈大，QL愈小，则 愈高。实际上，由于受到槽路元件质量的限制，Q0不可能很大，一般只有几十到几百。QL也不能太小，否则槽路滤波效果太差，输出波形不好，一般至少要 ，若 ， ，则 如果选用较好的L、C 元件，Q0 可再大些， 也可再高些，故在电路设计中 可按0.80.9估计。,45,知道了 和 ，就可以根据负载要求的 输出功率PL

11、计算晶体管损耗。,46,PC 是选用晶体管容量的依据。例如 ， 则 若PL =1W，则晶体管损耗PC=0.31W，所选用晶 体管功率容量必须大于此值。为留有余地，可选用 PCM =0.5W 的管子。 在甲类放大器中，同样容量的管子，理论上最高 输出功率也只有0.25W ，同丙类放大器相比要差4 倍之多。,47,综上所述，为了尽可能利用小功率容量 的管子和电源，输出较大的功率，应力求 和 高。 高要适当选取 ，电压利用系数 尽可能大； 高，要求槽路空载品质因数Q0 大，即应选用低损耗的电感和电容元件。,48,某调谐功率放大器，已知 问：（1）当 时， 及 值是多少？ （2）若 保持不变，将 提高

12、到80%， 减少多少？,应用举例：,49,Homework,Textbook P86 3-1, 3-2, 3-6, 3-14,50,3.4调谐功放的工作状态分析,调谐功放的性能随电路外部参数变化的规律？,调谐功放的动态特性,分析出,研究目的：,51,放大器瞬时工作点移动的轨迹,3.4.1 调谐功放的动态特性,即晶体管内部特性和外部特性结合起来的特性,1. 由晶体管内部特性转移特性曲线,2. 在放大器有载情况下（负载回路处于谐振状态），输入、输出电压的表示式 晶体管外部特性,3. 将以上两特性方程联立，得到ic=f (uce)关系的动态特性曲线,52,g,Uj,53,由此直线方程，描点法作图。

13、取点如下：,1) 静态工作点Q,2) 起始导通点B,3）BQ延长线与ubemax交于点C,54,图3-7调谐功率放大器的动态特性,55,从上式可以看出，调谐功率放大器的动态电阻 不仅与导通角 有关，而且与等效负载电阻Rc有关。,BC段就是晶体管处于放大区的动态线。 由图3-7可见，放大区的动态特性，类似于低频放大器的负载特性，但是与它有着严格的区别。其动态线不仅是负载的函数，而且是导通角的函数。 丙类放大器的动态电阻是,4.丙类放大器的动态电阻 （即动态特性折线BC段斜率的倒数）,56,欠压状态、临界状态、过压状态,结合丙类状态下，晶体管实际导通时间，得到描述放大器瞬时工作点移动轨迹的动态特性

14、为折线AB、BC。,根据放大器动态特性折线BC段与折线段ubemax交点C的不同位置，定义放大器的三种工作状态为：,57,1.调谐功率放大器的三种工作状态 根据调谐功率放大器在工作时是否进入饱和区，可将放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种。 1)欠压若晶体管在任何时刻都不进入饱和区，称放大器工作在欠压状态； 2)临界若刚刚进入饱和区的边缘，称放大器工作在临界状态； 3)过压若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，则称放大器工作在过压状态。,3.4.2 调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法,58,(欠压) (临界) (过压),2. 工作状态的判别方法,59,3.4.3 Rc 、Ec 、Eb

15、和Ubm变化对放大器工作状态的影响,因为,所以放大器的这三种工作状态取决于 集电极等效负载电阻 Rc 电源电压Ec 偏置电压Eb 激励电压幅值Ubm,60,外部参数变化对调谐功放工作状态的影响,1. 负载特性,2. 调制特性,3. 振幅特性,调谐功放的性能随电路负载变化的规律？,调谐功放的工作状态随集电极电源电压和基极偏置电压变化的规律？,调谐功放的工作状态随激励（输入）电压振幅变化的规律？,61,1. 负载特性,（1） 变化对工作状态的影响,62,图3-8不同负载电阻时的动态特性,63,（1）欠压状态 ， Ucm 几乎随R c成正比增加； ，可见输出功率Po 随R c增大而增加； ，接近常量

16、； ，随R c增大而增加； ，随R c增大而减小。,1）不同工作状态下，电流、电压 、功率、效率与 RL的关系,64,（2）过压状态( ) 输出功率Po 随 R c增大而减小。 在临界状态Po 最大。 PS ，PC ， 自行分析。,65,图3-9 放大器的负载特性曲线,66,结论：,临界状态时，放大器输出功率Po最 大，效率也较高。一般调谐功率放大器 工作在临界状态、弱过压状态比较好。,67,2. Ec变化对放大器工作状态的影响 调谐功放的集电极调制特性,集电极调制特性是指当Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大 器的性能随集电极电源电压Ec 变化的特性。 当Ec改变时，放大器工作状态的变化如图3-

17、10示。因 为Rc不变，动态负载特性曲线的斜率不变又因为Eb、Ubm 不变，ubemax = Ubm - Eb也不变，因而，对应于ucemin的动 态点必定在的那条输出特性曲线上移动。,68,图3-7调谐功率放大器的动态特性,69,图3-10 Ec改变时对工作状态的影响,70,Ec 变化，ucemin 也随之变化。使得ucemin和Ucm的相对大小发生变化。 当Ec较大时， ucemin 具有较大数值， ucemin Uces ，放大器工作在欠压状态。 随着Ec减小，ucemin 也减小，当ucemin=Uces ，放大器工作在临界状态。 Ec再减小, ucemin Uces 时，放大器工作在

18、过压状态。,71,Ec =Ec2 时，放大器工作在临界状态； Ec Ec2 时，放大器工作在欠压状态； Ec Ec2 时，放大器工作在过压状态。 即当Ec由大变小时，放大器的工作状态由欠压进入过压，ic波形也由余弦脉冲波形变为中间出现凹陷的脉冲波。可见Ec控制ic波形的变化。,72,由于Ec控制ic 波形的变化，Ic1m、Ic0以及Ucm=Ic1mRc 也同样随Ec变化而变化。如图3-11所示。 这是集电极调制特性。该特性是晶体管集电极调幅的理论依据。 由图可见，只有在过压状态Ec对Ucm才能有较大的控制作用，所以集电极调幅应工作在过压状态。,73,图3-11 集电极调制特性,74,基极调制特

19、性是指当Ec、Ubm、Rc保持 恒定，放大器的性能随基极偏置电压Eb变化 的特性。 因为 ，当Ubm一定时， ubemax 随Eb 改变，从而导致 icmax 和 的变 化。,3. Eb变化对放大器工作状态的影响 基极调制特性,75,图3-7调谐功率放大器的动态特性,76,77,图3-12 基极调制特性,78,4. Ubm变化对放大器工作状态的影响 放大特性,调谐功放的放大特性是指当Ec、 Eb 、 Rc 保持恒定，放大器的性能随激励振幅 Ubm变化的特性。 因为 ，Eb和Ubm决定了放大器的ubemax，因此改变 Ubm的情况和改变Eb的情况类似。,79,图3-13 调谐功放的振幅特性,80

20、,由图可见： 在欠压区，高频振幅Ucm基本随Ubm线性变化， 所以为使输出振幅Ucm反映输入信号Ubm的变化，放 大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。 当调谐功放用作限幅器，将振幅在较大范围内 变化的输入信号变换为振幅恒定的输出信号时，放 大器必须在Ubm变化范围内工作在过压状态。,81,Example,例：有一个NPN型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，设已知 ， ， 工作频率为1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数 ， ， ， 解：1）由前面的讨论，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可认为此时集电极最小瞬时电压 。于是 2) 由式得：,82,3）选取

21、，则查表可知 4）计算余弦脉冲 未超过电流安全工作范围 5） 6） 7） 8） 9）由功率增益的定义 在本例中， ， ，因此求得所需的基极激励功率为,83,3.5 调谐功放的实用电路,一、馈电线路（为晶体管各电极提供馈电电源）,二、基极偏置电路,三、输入输出匹配电路,调谐功放电路的组成：(为了更好地辨认电路),84,放大器原理电路,85,一、直流馈电电路,根据直流电源连接方式的不同，可分为： 串联馈电线路：直流电源、晶体管和负载三者之间串联。 并联馈电线路：直流电源、晶体管和负载三者之间并联。,86,（1）扼流圈阻抗应比相应支路的阻抗大一个数量级（即大10倍）,扼流圈和旁路电容的选取原则:,（

22、2） 旁路电容应比相应支路阻抗小一个数量级。,为什么Ec一定要放在靠近“地”电位的一端？,87,二、基极偏置电路 （即代替基极偏置电压Eb的电路）,采用射极或基极电流的直流成分，通过一定阻值的电阻而造成的压降，作为放大器的基极自给偏压 .,88,射极电流自给偏压环节和基极电流自给偏压环节均可从以下几个方面进行分析,1) 电路 2）工作原理 3）参数选取 4）信号源有无直流通路高频扼流圈？ 高频扼流圈的作用是将射极偏压引向基 极，同时也为基极直流提供通路。,89,1.射极电流自给偏压,2.基极电流自给偏压,90,3.两种偏置方式比较,射极电流自给偏压：对放大器起负反馈作用， 能够自动维持放大器的

23、工作稳定。但要消 耗一定的,基极电流自给偏压：对 有调节作用，这对 改善输入信号源的稳定性有利。,91,输入匹配电路：,三、输入、输出匹配网络, 匹配电路作用,实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗之间的匹配，以期获得最大的激励功率。,输出匹配电路：,将负载变换为放大器所需的最佳负载电阻，以保证放大器输出功率最大。,92,1.并联谐振回路形式：用于前级、中间级放大器以及某些需要可调电路的输出级 2.滤波器形式：用于大功率、低阻抗宽带输出级，如无线电发射机多用此种电路。, 匹配电路形式,93,阻抗匹配,高频功率放大器工作在非线性状态，因此线性电路的阻抗匹配概念不能适用。 Why？ 非线性工作时，晶体

24、管工作于导通和截止，导通时内阻很小，截止时，内阻趋于无穷大，因此输出阻抗不是一个常数。内外阻相等失去意义 高频功放的阻抗匹配概念：在给定电路条件下，改变负载回路的可调元件，可使晶体管送出额定的输出功率Po至负载。,94,由于调谐功率放大器的晶体管工作在非线 性状态，匹配的概念与线性电路完全不相同。 由于调谐功率放大器工作在临界状态输出功率 最大，效率也较高。因此，放大器工作在临界 状态的等效电阻，就是放大器阻抗匹配所需的 最佳负载电阻，以Rcp 表示。, 并联谐振回路匹配电路,95,b.最佳负载电阻,a.临界状态槽路抽头部分的电压幅值,（1）最佳负载电阻的计算（已知Po、Ec、晶体管饱和压降U

25、ces),96,（2）电路中如何实现,计算线圈匝数的主要依据,97,例题谐振功放电路如下图(a)所示。要求其工作状态如图(b)所示。已知RL=100，f0=z，B=1.5MHz，C=100pF,EC=12V，N1+N2=60匝。求：N3,N1,N2。(不考虑LC回路本身的谐振电阻R0),98,在甚高频或大功率输出级，广泛利用 L，C变换网络来实现调谐和阻抗匹配。这种 电路形式很多，就其结构来看，可概括为L 型、T型、型三种类型。, 滤波器型匹配网络,99,RL是负载电阻，RS是信号源输出电阻。当 电路用作级间匹配网络时，RL 是下一级放大器的 输入电阻，RS是前一级放大器的输出电阻。当电 路用

26、在输入级或输出级时，RS、RL的具体含义视 工作情况确定。,100,图3-19 T 型电路及其变换,下面以T 型匹配网络为例进行讲解。,101,102,、,、,以RS和RL以及QC2表示的T 型网络元件参数,103,从xc1的计算式中知道，当 时，xc1的解是一虚数，即无法选择合理的电容，使负载和信号源阻抗匹配。 因此，T型网络的工作条件为,（3-65）,由式可知，只要满足上式要求，即可实现网络匹配的条件。,104,3.7 倍频器,倍频器是一种将输入信号频率成整数倍 （2倍、3倍n倍）增加的电路。它主要用 于甚高频无线电发射机或其它电子设备。 一、为什么采用倍频器 二、倍频器的种类 三、丙类倍频器的工作原理 四、使用时注意问题,105,一、为什么采用倍频器,(1) 降低设备的主振频率。由于振荡器频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低而稳定度较高的晶体振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。一般基音体体频率不高于20MHz，具有高稳定性的晶体频率通常不超过5 MHz。所以工作频率高，要求稳定性又严格的通信设备和电子仪器就需要倍频。 (2) 对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加大相移或频移，即可增加调制度。 (3) 可以扩展发射机输出级的工作波段。,106,二、倍频器的种类,丙类倍频器 参变量倍频器 本节主要介绍用丙类放大