通信電子電路2.ppt

1、1.3 諧振功率放大電路,1.3.1 概述,例： 擴(kuò)音系統(tǒng),功率放大器的作用： 用作放大電路的輸出級(jí)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動(dòng)作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。,高頻功率放大器的位置,功率放大器的特點(diǎn)：,仍是對(duì)輸入電壓、電流的放大。和之前學(xué)過的小信號(hào)放大器沒有本質(zhì)區(qū)別。 為獲得足夠大的功率，放大電路需要在大信號(hào)條件下工作引發(fā)許多新的問題。,功率放大器的特點(diǎn)：,1. 要求輸出功率盡可能大 為了獲得盡可能大的輸出，要求功放管往往要在接近極限的狀態(tài)下運(yùn)行。 2. 輸出效率要高 獲得高效率需要的條件：,直流電壓供給的功率,交流輸出的信號(hào)功率,集電極耗散功率,降低集電極耗散功率 提高效率,高頻小信號(hào)

2、諧振放大器工作狀態(tài)：甲類,最大輸出效率 僅有50%！,高頻諧振功放的工作狀態(tài)：大信號(hào)丙類,丙類：靜態(tài)工作點(diǎn)下移，使無信號(hào)輸入時(shí)，功率管處于截止?fàn)顟B(tài)，不造成功率損耗。 輸出有明顯截止失真。,功率放大器的特點(diǎn)：,3. 非線性失真 丙類狀態(tài)工作下的功放電路，產(chǎn)生了非常明顯的失真。正弦波脈沖 負(fù)載接諧振回路，用以濾去諧波，僅保留基波。,ic,當(dāng)集電極LC并聯(lián)回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率上時(shí)，集電極余弦電流脈沖iC的基波分量產(chǎn)生較大的壓降；LC回路的電感L對(duì)直流呈現(xiàn)很小的阻抗并且可以看作短路，各高次諧波對(duì)LC回路呈現(xiàn)的阻抗很小并且可以看作短路，因此直流分量、各高次諧波分量不會(huì)在LC回路兩端產(chǎn)生壓降。,輸出功率

3、與效率,放大器的輸出功率：,功率放大電路，本質(zhì)上是依靠信號(hào)源的控制，把集電極電源提供的直流功率轉(zhuǎn)化為負(fù)載回路的交流功率。 關(guān)注： 功率的大小 轉(zhuǎn)換效率的高低,集電極輸出的基波功率：,或：,為集電極電壓利用系數(shù)。,其中,放大器的耗散功率,集電極效率：,集電極電源提供的直流功率：,1.3.3 丙類諧振放大電路的性能分析,晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線,晶體管輸出特性曲線,晶體管輸出電流為周期脈沖形狀，將其命名為集電極余弦脈沖電流，用傅里葉級(jí)數(shù)展開為,Ic0：集電極余弦電流脈沖的直流分量,Ic1m：為集電極余弦電流脈沖的基波分量振幅,Icnm：為集電極余弦電流脈沖的n次諧波分量振幅,一、集電極余弦電流脈沖ic的

4、分析,設(shè)輸入信號(hào)是頻率的單頻余弦信號(hào)，即,可得基極回路電壓為,基極輸出電流為：,可知，當(dāng),時(shí),則：,當(dāng) t=0時(shí),則,將上兩式代入集電極電流的表達(dá)式，并整理得：,將,展開為傅里葉級(jí)數(shù),其中：,式中，0()、 1() 、 n()分別稱為余弦電流脈沖的直流分解系數(shù)、一次諧波分解系數(shù)以及n次諧波分解系數(shù)，其大小是半導(dǎo)角的函數(shù)。,定義波形系數(shù)為,(a) 分解系數(shù) (b) 波形系數(shù) 尖頂余弦脈沖的分解系數(shù),當(dāng)一定時(shí)，基本上符合123。即，基波分量最大，越高頻的諧波振幅越小。 對(duì)應(yīng)某次諧波，有相對(duì)應(yīng)的角，使得輸出振幅最大。例如1在=120時(shí)最大。二次諧波2在=60時(shí)最大。可根據(jù)需要選取半導(dǎo)角。 同樣的，也

5、可以找到相對(duì)應(yīng)的角，使某次諧波輸出為零。 1/0:反映電路效率。 效率和輸出功率的矛盾。,為了兼顧功率與效率，最佳通角 c 70,二、 高頻功放管集電極的動(dòng)態(tài)特性,動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)基極加上輸入信號(hào)并且集電極接上負(fù)載阻抗時(shí)，晶體管集電極電流ic與集電極電壓uce 之間的關(guān)系。 動(dòng)態(tài)特性曲線:功率放大器工作點(diǎn)變化的軌跡，也稱動(dòng)態(tài)交流負(fù)載線， 由集電極電流ic與集電極電壓uce曲線構(gòu)成。 由于晶體管的靜態(tài)特性曲線是非線性的，所以實(shí)際動(dòng)態(tài)特線性曲線也是非線性的，但可以證明：當(dāng)靜態(tài)特性曲線折線化后，且放大器負(fù)載處于諧振狀態(tài)，即負(fù)載為純電阻，則動(dòng)態(tài)特性曲線也為一條直線。,下圖所示為折線化轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線

6、：,動(dòng)態(tài)線,由以下表達(dá)式：,則此時(shí)，得出ic與uce的關(guān)系，也即我們所要求的動(dòng)態(tài)特性曲線。,令iC=0，確定第一個(gè)特殊點(diǎn)。,再令uCE=Ec，確定第二個(gè)特殊點(diǎn)。,二者相連，即可確定動(dòng)態(tài)線。 也即，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的EB,EC等值，可確定放大電路的動(dòng)態(tài)特性。,當(dāng)iC=Icm時(shí)，還可以寫出斜率值gd的另一種形式：,代入:,則得：,因此：動(dòng)態(tài)電導(dǎo)gd與R、都有關(guān)系。,三、 諧振電阻R對(duì)ic的影響,改變負(fù)載電阻R，即可改變交流負(fù)載線斜率。 從而影響放大電路的工作狀態(tài)。,臨界狀態(tài) 欠壓狀態(tài) 過壓狀態(tài),（1）動(dòng)態(tài)特性曲線1代表R較小因而Ucm也較小的情形，稱為欠壓工作狀態(tài)。它與靜態(tài)曲線交點(diǎn)A1決定了集電極電流

7、脈沖的高度。顯然，這時(shí)電流波形為尖頂余弦脈沖；,（2）隨著R的增加，動(dòng)態(tài)線斜率逐漸減小，輸出電壓Ucm也逐漸增加。直到它與臨界線交于一點(diǎn)A2時(shí)，放大器工作于臨界狀態(tài)。此時(shí)電流波形仍為尖頂余弦脈沖；,（3）負(fù)載電阻R繼續(xù)增加，輸出電壓進(jìn)一步增大，即進(jìn)入過壓工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)線3就是這種情形。其波形發(fā)生發(fā)生凹陷，是由于進(jìn)入過壓區(qū)后轉(zhuǎn)移特性為負(fù)斜率而產(chǎn)生的。,當(dāng)放大器直流電源電壓EC和EB以及激勵(lì)電壓Ubm固定不變，放大器的集電極電流Ic0、Ic1m、回路電壓Ucm、輸出功率Po、效率隨負(fù)載電阻變化的特性稱為放大器的負(fù)載特性。它是高頻功率放大器的重要特性之一。 通過研究負(fù)載特性，可選取合適的R，使放大器

8、的工作更理想。,四、 負(fù)載特性,由圖可以看出，在臨界狀態(tài)，Po達(dá)到最大值。因此在設(shè)計(jì)高頻功率放大器時(shí)，如果希望輸出功率最大，就應(yīng)使之工作在臨界狀態(tài)。,集電極功耗PC=PD-Po，在欠壓區(qū)內(nèi)，當(dāng)R減小時(shí)，PC上升很快；當(dāng)R 0時(shí)，PC達(dá)到最大值，可能使晶體管燒壞，必須避免發(fā)生這種情況。,效率C Po/PD，在欠壓時(shí)，PD變化很小，所以隨Po的增加而增加；到達(dá)臨界狀態(tài)，開始時(shí)Po的下降沒有PD下降快，因而繼續(xù)增加，但增加緩慢。隨著R 的繼續(xù)增加，Po因Ic1m的急劇下降而下降，因而略有減小。由此可知，在靠近臨界的弱過壓狀態(tài)出現(xiàn)最大值。,三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)： 1）臨界狀態(tài) 優(yōu)點(diǎn)輸出功率最大，效率也較

9、高，可以說是諧振功率放大器最佳工作狀態(tài)。 主要用于發(fā)射機(jī)末端。,2）過壓狀態(tài)（強(qiáng)過壓和弱過壓） 優(yōu)點(diǎn)當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)；在弱過壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降。 經(jīng)常用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場(chǎng)合，例如發(fā)射機(jī)的中間級(jí)放大器。,3）欠壓狀態(tài) 輸出功率與效率都比較低，而且集電極消耗功率大，輸出電壓又不夠穩(wěn)定，因此較少采用。但在某些場(chǎng)合，例如基極調(diào)幅，就是工作在欠壓狀態(tài)。,例：坦克的天線（負(fù)載），碰地或者碰到裝甲車殼會(huì)帶來什么結(jié)果？ 答： 1. 天線為末端負(fù)載。則此時(shí)相應(yīng)放大電路工作在臨界狀態(tài)。 2. 天線碰地后，負(fù)載阻抗減小。則工作狀態(tài)變化到欠壓狀態(tài)。 3. 此時(shí)晶體管工

10、作不安全，Pc急劇增加，易燒毀。,2. 下面的電路屬于哪種電路（ ） A、共射放大電路 B、諧振功率放大電路 C、小信號(hào)諧振放大電路D、正弦波振蕩電路,C,由負(fù)載特性可知，要使諧振丙類功放的輸出功率最大，其工作狀態(tài)應(yīng)為( ) 若要效率最高，應(yīng)工作在( ) A、過壓狀態(tài) B、欠壓狀態(tài) C、臨界狀態(tài)D、弱過壓狀態(tài),C,D,1.3.4 直流饋電電路,作用： 1.輸入回路與輸出回路加上合適的直流偏壓，以使放大器正常的工作； 2.由于電源是作為一個(gè)系統(tǒng)的公共部分，要求高頻信號(hào)不能通過直流電源以免對(duì)其他的單元電路產(chǎn)生干擾。,集電極饋電電路,基極饋電電路,集電極直流饋電電路,對(duì)于集電極電路，由于其電流是脈沖

11、形狀，包含各種頻率成分，電路的組成原則如下。,(1) 由于直流Ic0是產(chǎn)生直流功率的，Ic0由VCC經(jīng)過外電路提供給集電極，應(yīng)該是除了晶體管的內(nèi)阻外，沒有其他電阻消耗能量。因此，要求外電路對(duì)直流Ic0的等效電路如圖(a)所示。,(a) 直流等效電路,(2) 基波分量Ic1m應(yīng)通過負(fù)載電路，以產(chǎn)生所需要的高頻輸出功率。因此，Ic1m只應(yīng)在負(fù)載回路產(chǎn)生電壓降，其余部分對(duì)于Ic1m來說，都應(yīng)該是短路的。所以對(duì)于Ic1m的等效電路如圖 (b)所示。,(b)基波等效電路,(3) 外電路對(duì)高次諧波Icnm為短路到地，如圖 (c)所示。,(c) 高次諧波等效電路,要滿足以上幾條原則，可以采用串聯(lián)饋電電路與并

12、聯(lián)饋電電路兩種電路。 串饋是指直流電源、晶體管以及諧振負(fù)載回路三者之間是串聯(lián)連接的。并饋是將上述三部分并聯(lián)連接。,(a) 串饋,(b) 并饋,在圖中，Lc是大電感，稱為高頻扼流圈，其對(duì)高頻電流呈現(xiàn)很大的阻抗，阻止高頻電流通過，近似為斷路；Cc1、Cc2是大電容，分別稱為高頻旁路電容和耦合電容，其對(duì)高頻電流呈現(xiàn)很小的阻抗，近似為短路。Lc與Cc1構(gòu)成電源濾波電路，用以避免高頻信號(hào)通過直流電源而產(chǎn)生寄生干擾影響其他電路的正常工作。不管是并饋還是串饋，交流電壓與直流電壓都是串聯(lián)疊加在一起的，滿足 。,串饋：L、C高頻地電位。諧振回路直流高電位，不接地。 并饋：諧振回路直流低電位，可接地。L、C并聯(lián)影

13、響參數(shù)。,基極直流饋電電路,要使放大器工作在丙類，功率管基極應(yīng)加反向偏置電壓或小于導(dǎo)通開啟電壓Uon的正向偏置電壓。當(dāng)基極的偏置電壓通過外加電壓方式實(shí)現(xiàn)的，稱為固定偏壓方式；由基極直流電流或發(fā)射極電流流過電阻而產(chǎn)生的偏壓，稱為自給偏壓方式。,圖(a)是利用基極電流脈沖iB中直流分量IB0經(jīng)RB產(chǎn)生偏置電壓，根據(jù)IB0的流向，則該偏置電壓給基極加了一個(gè)反向偏置電壓。高頻旁路電容CB使iB的基波以及各次諧波電流到地而不經(jīng)過RB，從而使RB上產(chǎn)生穩(wěn)定的直流壓降。通過改變RB的大小可以調(diào)節(jié)反向偏置電壓的大小。,圖(b)利用發(fā)射極電流的直流分量IE0在發(fā)射極偏置電阻RE上產(chǎn)生所需要的VBB。其分析方法與

14、圖(a)的分析類似，都是直流負(fù)反饋電路，RB、RE都是負(fù)反饋電阻，可以穩(wěn)定輸出電壓振幅。,圖(c)是利用高頻扼流圈LB中固有的直流電阻以及晶體管基區(qū)體電阻Rbb對(duì)基極實(shí)現(xiàn)一個(gè)較小的反向偏置，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、元件用得少；缺點(diǎn)是數(shù)值較小且不夠穩(wěn)定，因而一般只在需要小的VBB時(shí)才采用這種電路。,1.3.5 匹配網(wǎng)絡(luò),1.阻抗變換 2.選頻濾波 3.高效能量輸出,常用匹配網(wǎng)絡(luò)的類型,高阻變低阻？ 低阻變高阻？,如果外接負(fù)載RL較大，而放大器所要求的負(fù)載電阻RC較小，可采用圖示電路。將XP與RL并聯(lián)形式等效變換為Xs與Rs的串聯(lián)形式。,(a) L形選頻匹配網(wǎng)絡(luò),(b) 等效電路,高阻抗變低阻抗選頻匹配網(wǎng)絡(luò)

15、,【例】 已知一諧振功率放大器，其工作頻率f=20MHz，該放大器工作在臨界狀態(tài)所需要的等效阻抗為 ，求：當(dāng)負(fù)載電阻 ，設(shè)計(jì)該選頻匹配網(wǎng)絡(luò)；,解：由題意可知，匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該使負(fù)載值增大，故采用第一種網(wǎng)絡(luò)。,因此有,由0.16H電感和318pF電容組成的倒L形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖所示。,L型T型型,1.3.5 諧振功率放大器電路舉例,圖示是頻率為160MHz的諧振功率放大器電路，該電路通過高頻扼流圈Lb給基極提供自給偏壓電路，集電極饋電采用并饋方式，電源VCC通過高頻扼流圈Lc給集電極供電，電容Cc為高頻旁路電容，濾除高次諧波以免其通過電源形成寄生干擾。,160 MHz諧振功率放大器電路,在高頻功率放大器

16、的輸入端采用由C1、C2、L1組成的T形匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)諧使該網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為160MHz，一方面起濾波的作用，濾除160MHz以外信號(hào)的進(jìn)入；另一方面起阻抗變換的作用，即將放大器的輸入阻抗變換為與前級(jí)阻抗相匹配。,高頻功率放大器的輸出端由C3、C4、L1組成的倒L形匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整C3、C4使該網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為160MHz，一方面濾除放大器工作在非線性狀態(tài)所產(chǎn)生的高次諧波；另一方面進(jìn)行阻抗變換，將負(fù)載變換為放大器所要求的最佳阻抗。,1.4 丙(C)類倍頻器,倍頻：使輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率的n倍 倍頻電路諧振回路的中心頻率不是調(diào)諧在輸入信號(hào)的頻率上，而是調(diào)諧在輸入信號(hào)的高次諧波頻率n 上,調(diào)諧在 n 上,集電極輸出電流,輸出n次諧波的功率,當(dāng)作為諧振功率放大器時(shí)，其導(dǎo)通角 時(shí)輸出功率最大；,為最大時(shí)輸出功率最大,當(dāng)作為二次倍頻電路使用時(shí)，其導(dǎo)通角 時(shí)輸出功率最大；,當(dāng)作為三次倍頻電路