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第3章高頻功率放大器1第3章高頻功率放大器13.1丙類(C類)諧振功率放的工作原理3.2諧振功放的性能分析3.3諧振功率放大器電路3.4?。―)類和戊(E)類諧振功率放大器3.5集成高頻功率放大器及其應(yīng)用簡(jiǎn)介3.6寬帶高頻功率放大器電路23.1丙類(C類)諧振功率放的工作原理2學(xué)習(xí)目的:1、高頻功率放大器的電路組成2、諧振功率放大器的工作原理3、高頻功率放大器的外部特性3學(xué)習(xí)目的:1、高頻功率放大器的電路組成3
高頻(諧振)功率放大器在發(fā)射機(jī)中的位置從圖中可見,高頻功放是無線發(fā)射機(jī)的重要組成部分概述4高頻(諧振)功率放大器在發(fā)射機(jī)中的位置從圖中可見,高
在無線電廣播和通信發(fā)射機(jī)中,為了獲得大功率的高頻信號(hào),必須采用高頻功率放大器。
窄帶高頻功率放大器:寬帶高頻功率放大器:通常以LC并聯(lián)諧振回路作負(fù)載,又稱為諧振功率放大器。以傳輸線變壓器為負(fù)載,因此又稱為非諧振功率放大器。高頻功率放大器按工作頻帶的寬窄可分:5在無線電廣播和通信發(fā)射機(jī)中,為了獲得大功率的高頻1、使用高頻功率放大器的目的放大高頻大信號(hào)使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足夠大的發(fā)射功率。2、放大的實(shí)質(zhì):
實(shí)質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換。將電源提供的直流功率轉(zhuǎn)變成交流信號(hào)功率輸出。3、高頻功率信號(hào)放大器使用中需要解決的兩個(gè)問題①高效率輸出②高功率輸出61、使用高頻功率放大器的目的放大高頻大信號(hào)使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足4.工作狀態(tài)1、甲類:工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū);輸入信號(hào)ui在整個(gè)周期都有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。ICUCEOQiCtO優(yōu)點(diǎn):無失真,波形好,;缺點(diǎn):靜態(tài)IC較大,管耗大,效率低。轉(zhuǎn)換效率約為50%。74.工作狀態(tài)1、甲類:工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū);I
2、乙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止點(diǎn)上;晶體管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)IC=0,管耗小效率高。效率約為78.5%。缺點(diǎn):輸出脈沖電流,波形嚴(yán)重失真。ICUCEOQiCtO82、乙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止點(diǎn)上;優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)ICUCEOQiCtO
3、甲乙類:工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)靠近截止點(diǎn)的位置;晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期,在輸入信號(hào)的大半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)IC0,管耗小,效率高。效率約為50%<η<78.5%。缺點(diǎn):嚴(yán)重失真。9ICUCEOQiCtO3、甲乙類:工作點(diǎn)設(shè)置
4、丙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)以內(nèi);晶體管導(dǎo)通的時(shí)間小于半個(gè)周期,在輸入信號(hào)的小半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。<優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)IC=0,管耗小,效率高。效率η>78.5%。缺點(diǎn):輸出電流波形嚴(yán)重失真。104、丙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)以內(nèi);<優(yōu)點(diǎn):靜功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式,為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。諧振功率放大器通常工作于丙類狀態(tài),屬于非線性電路11功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式3.1
丙類(C類)諧振功放的工作原理123.1丙類(C類)諧振功放的工作原理12
一、基本電路原理1、電路組成晶體管諧振回路輸入回路偏置電路
VCC、VBB為集電極和基極的直流電源電壓。為使晶體管工作在丙類狀態(tài),VBB應(yīng)小于晶體管的導(dǎo)通電壓uBE(on),在沒有輸入信號(hào)時(shí),晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),ic=0。iC+ui–RL+uCE–+
uBE
VCCVBBiB+uc–+––+LC圖3.1.3丙類諧振功放原理電路13一、基本電路原理1、電路組成晶體管VCC由于RL比較大,所以,諧振回路的品質(zhì)因數(shù)比較??;但不影響諧振回路對(duì)諧波成分的抑制作用。L、C為濾波匹配網(wǎng)絡(luò),與RL構(gòu)成并聯(lián)諧振回路,作為晶體管集電極負(fù)載。*選頻濾波*阻抗匹配完成以下功能:仿真1仿真214由于RL比較大,所以,諧振回路的品質(zhì)因數(shù)比較高頻功率放大器中各分電壓與電流的關(guān)系15高頻功率放大器中各分電壓與電流的關(guān)系152、電流、電壓波形設(shè)輸入一高頻余弦信號(hào)為則當(dāng)uBE的瞬時(shí)值大于基射間導(dǎo)通電壓UBE(on)時(shí),晶體管導(dǎo)通,產(chǎn)生基極脈沖電流iB,相應(yīng)產(chǎn)生集電極脈沖電流ic,如圖所示?;鶚O電流和集電極電流為周期性非正弦函數(shù)。162、電流、電壓波形設(shè)輸入一高頻余弦信號(hào)為則當(dāng)u用傅里葉級(jí)數(shù)展開得式中:Ico為直流電流分量iC1為基波分量;iC1=Icm1COSωct
iC2為二次諧波分量;iC2=Icm2COS2ωct
iCn為n次諧波分量;iCn=IcmnCOSnωct
…………17用傅里葉級(jí)數(shù)展開得式中:Ico為直流電流分量iC1為基波分量當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率ω上時(shí)(即與高頻輸入信號(hào)的基波諧振時(shí)):諧振回路對(duì)基波電流而言等效為一純電阻Re;對(duì)其他各次諧波,回路因失諧呈現(xiàn)很小的電抗,可看成短路;直流分量只能通過回路電感線圈,直流電阻較小,可看成短路。這樣,脈沖電流ic流經(jīng)諧振回路時(shí)只有基波電流才產(chǎn)生壓降。18當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率ω上時(shí)(即與高頻輸入信號(hào)的基波可見,利用諧振回路的選頻作用,可以將失真的集電極脈沖電流變換為不失真的余弦電壓輸出。晶體管集射間的電壓為:其中,Ucm為基波電壓振幅。若回路諧振電阻為Re,則19可見,利用諧振回路的選頻作用,可以將失真的集諧振功放工作原理小結(jié):設(shè)置VBB<UBE(on),使晶體管工作于丙類。當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí),可得集電極余弦電流脈沖。將LC回路調(diào)諧在信號(hào)頻率上,就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。iC+ui–RL+uCE–+uBE
VCCVBBiB+uc–+––+LC諧振功放原理電路20諧振功放工作原理小結(jié):設(shè)置VBB<UBE(二、
輸出功率與效率1.放大器的輸出功率PO2.集電極直流電源供給功率PD3.集電極耗散功率PC4.放大器效率ηc其中集電極電流利用系數(shù),又稱波形系數(shù)。為集電極電壓利用系數(shù)。21二、輸出功率與效率1.放大器的輸出功率PO2.集電極直流
三、余弦電流脈沖的分解略去uCE對(duì)iC的影響,將轉(zhuǎn)移特性折線化三、余弦電流脈沖的分解略去uCE對(duì)iC的影響,當(dāng)t
=0時(shí),iC=iCmaxiC表示為利用傅里葉級(jí)數(shù),將脈沖序列iC展開:當(dāng)t
=時(shí),iC=0當(dāng)t=0時(shí),iC=iCmaxiC表示為利用…00.10.20.30.40.50.6
20406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()波形系數(shù)…00.10.20.30.40.50.62040θ值越小,g1(θ)值越大,效率越高。效率:若ξ=1時(shí),00.10.20.30.40.50.6
20406080100120140160180°n()g1()3()2()0()1()g1()2.01.0甲類工作狀態(tài):乙類工作狀態(tài):丙類工作狀態(tài):設(shè)25θ值越小,g1(θ)值越大,效率越高。效率:若ξ=1時(shí),0000.10.20.30.40.50.6
2040
6080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()可見,丙類工作狀態(tài)的效率最高,當(dāng)θ=60o時(shí),效率可達(dá)90%,隨著θ的減小,效率還會(huì)進(jìn)一步提高。但當(dāng)θ<40o后,波形系數(shù)的增加很緩慢,也就是說θ過小后,放大器效率的提高就不顯著了,此時(shí)的下降迅速,為了達(dá)到一定的輸出功率,所要求的輸入激勵(lì)信號(hào)電壓的幅值將會(huì)過大,從而對(duì)前級(jí)提出過高的要求。
00.10.20.30.40.50.6204000.10.20.30.40.50.6
204060
80
100120
140160180°n()3()2()0()1()g1()諧振功率放大器一般取θ為70o左右。00.10.20.30.40.50.6204060
例圖3.1.1所示電路中,VCC=24V,Po=5W,=70o,=0.9,求該功放的C、
PD、PC、iCmax
和回路諧振阻抗Re。解:例圖3.1.1所示電路中,VCC=24V,P3.2諧振功率放大器的特性分析293.2諧振功率放大器的特性分析29放大器工作狀態(tài)的分類:丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分:欠壓(不進(jìn)入飽和區(qū))過壓(進(jìn)入飽和區(qū))臨界(達(dá)到臨界飽和)30放大器工作狀態(tài)的分類:丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分:
一、高頻功率放大器的工作狀態(tài)iC+ui–RL+uCE–+
uBE
VCCVBBiB+uc–+
––
+LC
1.高頻功放的動(dòng)態(tài)特性
即當(dāng)加上激勵(lì)信號(hào)及接上負(fù)載阻抗時(shí),晶體管集電極電流iC與uBE、uCE的關(guān)系曲線。31一、高頻功率放大器的工作狀態(tài)iC+RL++VCCVBBiuceic?AOVCC?QUcmuceminubemaxui=032uceic?AOVCC?QUcmuceminubemaxuiA1點(diǎn)處于放大區(qū)稱為欠壓(Undervoltage)狀態(tài)
A2點(diǎn)處于臨界區(qū)稱為臨界(Critical)狀態(tài)
A3點(diǎn)處于飽和區(qū)稱為過壓(Overvoltage)狀態(tài)功率放大器三種工作狀態(tài)和狀態(tài)波形33A1點(diǎn)處于放大區(qū)稱為欠壓(Undervoltage)狀態(tài)A2.欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)(1)欠壓:uCEmin
對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于放大區(qū),晶體管處于放大狀態(tài)。ic為尖頂余弦脈沖。342.欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)(1)欠壓:uCEmi(2)臨界:uCEmin
對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于放大區(qū)和飽和區(qū)之間的臨界點(diǎn),晶體管處在放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界點(diǎn)上。ic仍為余弦脈沖,但幅度有所減小,頂端變化平緩。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí),輸出功率大,管子損耗小,放大器的效率也就較大。35(2)臨界:uCEmin對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于放大區(qū)和(3)過壓,uCEmin
對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于飽和區(qū),ic為中間凹陷的脈沖波,隨著Ucm增大,uCE的減小脈沖波的凹陷加深,高度減小。36(3)過壓,uCEmin對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于飽和區(qū),ic思考題:在過壓區(qū)為什么會(huì)出現(xiàn)凹陷?iC凹陷的原因:諧振回路作負(fù)載。飽和時(shí),uBE對(duì)iC的影響很小,隨著飽和深度的加深,uCE繼續(xù)減小,使iC迅速減小,從而出現(xiàn)凹陷。Ucm越大,uCEmin越小,凹陷越深,脈沖高度越小。37思考題:在過壓區(qū)為什么會(huì)出現(xiàn)凹陷?iC凹陷的原因:37二、影響放大器工作狀態(tài)的因素高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Re、激勵(lì)電壓Uim、供電電壓VCC、VBB等4個(gè)參量決定的。1、負(fù)載特性
(1)含義:諧振功放的負(fù)載特性是指VBB、Uim
和VCC
一定,放大器性能隨Re的變化特性。(2)特性38二、影響放大器工作狀態(tài)的因素高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)Re的增加(1)將引起
Ucm
↑(),UCEmin↓,iC高度略有下降。
(2)
Re↑→Ucm↑→UCEmin↓→放大器欠壓→過壓→iC
由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC
電流39Re的增加(2)Re↑→Ucm↑→UCEmin↓據(jù)此可以畫出
Ic0和Ic1m隨Re變化的特性。
Ucm=ReIc1m
Po=UcmIc1m/2
PD=VCCIC0
PC=PD-Po
C=Po/PD由
IC0
和Ic1m的變化就可以畫出Ucm、Po、PD、PC、C
隨Re
變化的曲線。40據(jù)此可以畫出Ic0和Ic1m隨Re變化的特性。3.討論
(1)欠壓區(qū):圖(a),Re↑
,iC
脈沖高度略有減小,IC0、Ic1m
也略有減小,
圖(b),Ucm=ReIc1m
近似線性增大;
Po=I2c1mRe
近似線性增大;PD=VCCIC0
略有減小;ηC
=P0/PD增大;PC
=PD-Po減小。
欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低,集電極耗散功率也較大,輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化,因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅,需采用這種工作狀態(tài)。413.討論(1)欠壓區(qū):圖(a),Re↑
(2)臨界狀態(tài):
臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大,效率也較高,比最大效率差不了許多,可以說是最佳工作狀態(tài)。
發(fā)射機(jī)的末級(jí)常設(shè)計(jì)成這種狀態(tài)。42(2)臨界狀態(tài):臨界狀態(tài)的特
(3)過壓區(qū):
隨Re
增大,電流脈沖高度減小,凹陷加深,相應(yīng)的IC0、Ic1m
減??;結(jié)果使Ucm
略有增加;Po、PD
減小,且Po比PD減小的慢;從而C
略有增加;PC
略有減小。
過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn):當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí),輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大;在弱過壓時(shí),效率可達(dá)最高,但輸出功率有所下降。
發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。43(3)過壓區(qū):過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn):當(dāng)負(fù)
(4)匹配負(fù)載:如果Re
的取值使管子工作在臨界狀態(tài),則Po
最大,且C
較大,PC
較小,放大器性能接近最佳性能。將此時(shí)的Re
稱為諧振功放的匹配負(fù)載,用Reopt
表示。44(4)匹配負(fù)載:如果Re的取值使管子工作包括集電極調(diào)制和基極調(diào)制兩種特性。
(1)集電極調(diào)制特性
含義:VBB、Uim
和Re一定,放大器性能隨VCC變化的特性。
特性:2、調(diào)制特性45包括集電極調(diào)制和基極調(diào)制兩種特性。(1)集電極調(diào)制特性VCC的增加(1)VBB、Uim一定,UBEmax一定,iC脈寬一定,高度略有增加。
(2)
VCC↑→Ucemin↑→放大器過壓→欠壓→iC
由中間有凹陷的脈沖波轉(zhuǎn)變?yōu)橛嘞译娏髅}沖。iC電流46VCC的增加(2)VCC↑→Ucemin↑→放大器
※欠壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖高度略有減小,因而IC0和Ic1m
也將略有減小,Ucm(=ReIc1m)也略有減小。
討論:47※欠壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖高
※過壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖的高度降低,凹深加深,因而IC0、Ic1m、Vcm將迅速減小。
48※過壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖的高度集電極調(diào)幅原理電路
圖中:
——
輸入高頻載波電壓ωc——載波頻率——調(diào)制信號(hào)電壓,
為調(diào)制頻率為諧振回路上的輸出電壓。放大器工作在過壓狀態(tài)。49集電極調(diào)幅原理電路圖中:——輸入高頻載波電壓ωc—(2)基極調(diào)制特性
含義:Uim、VCC、Re
一定,放大器性能隨VBB
變化的特性。特性:50(2)基極調(diào)制特性含義:Uim、VCCVBB的增加(1)VCC、Uim一定,VBB↑則UBEmax↑,iC脈寬和高度均↑。
(2)
VBB↑→Ucemin↓→放大器欠壓→過壓→iC
由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC電流51VBB的增加(2)VBB↑→Ucemin↓→放大器
※過壓狀態(tài):隨VBB
增大,集電極電流的寬度和高度均增加,凹陷加深,IC0和Ic1m、Vcm
緩慢增大,近似不變。
※欠壓狀態(tài):隨VBB
增加,集電極電流的寬度和高度均增加,IC0和Ic1m
,Ucm(=ReIc1m)近似線性增加。
討論:52※過壓狀態(tài):隨VBB增大,集電極電流的寬度和基極調(diào)幅原理電路——基極偏置電壓
放大器工作在欠壓狀態(tài)。53基極調(diào)幅原理電路——基極偏置電壓放大器工作在欠壓狀態(tài)
(1)含義:當(dāng)VBB、VCC和Re
一定,放大器性能隨Uim
變化的特性。
(2)特性:固定VBB,增大Uim
與上述固定Uim增大VBB
(基極調(diào)制特性)的情況類似,它們都使iC
的寬度和高度增大,放大器由欠壓進(jìn)入過壓,圖(a)。3、放大特性(振幅特性)54(1)含義:當(dāng)VBB、VCC和Re一定,放Uim的增加VCC、VBB一定,Uim↑則UBEmax↑,iC脈寬和高度均↑。
Uim↑→Ucemin↓→放大器欠壓→過壓→iC
由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC電流Uim55Uim的增加Uim↑→Ucemin↓→放大器諧振功放作為線性功放時(shí)
為了使輸出信號(hào)振幅Vcm
反映輸入信號(hào)Vim
的變化,放大器必須在Vim
變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài),圖(b)。(3)
應(yīng)用56諧振功放作為線性功放時(shí)為了使輸出信號(hào)振幅
諧振功放作為振幅限幅器(AmplitudeLimiter)
作用:將Vim在較大范圍內(nèi)的變化轉(zhuǎn)換為振幅恒定的輸出信號(hào)。
特點(diǎn):根據(jù)放大特性,放大器必須在Vim的變化范圍內(nèi)工作在過壓狀態(tài),或Vim
的最小值應(yīng)大于臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的
Vim限幅門限電壓。
57諧振功放作為振幅限幅器(AmplitudeL四、四個(gè)特性在調(diào)試中的應(yīng)用
在調(diào)試諧振功放時(shí),上述四個(gè)特性十分有用。
例如,一丙類諧振功放,設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài),若制作出后,Po和C
均不能達(dá)到要求,則應(yīng)如何進(jìn)行調(diào)整。
Po
達(dá)不到要求,表明放大器沒在臨界。若增大Re
能使Po
增大,則根據(jù)負(fù)載特性,斷定放大器工作在欠壓狀態(tài),此時(shí)分別增大Re、Vim
和VB
或同時(shí)或兩兩增大均可使放大器由欠壓進(jìn)入臨界。58四、四個(gè)特性在調(diào)試中的應(yīng)用在調(diào)試諧振功放時(shí),上
若增大Re,Po減小,放大器實(shí)際工作在過壓狀態(tài),可增大VCC(同時(shí),適當(dāng)增大
Re或Vim
或VB),需注意管子安全。
實(shí)際上放大器的工作狀態(tài)除了改變
Re
外還可以根據(jù)實(shí)際情況通過改變VCC、Vim、VB
來判斷,不過改變Re
較普遍,但不論改變哪個(gè)量都必須保證回路諧振在工作頻率上。59若增大Re,Po減小,放大器實(shí)際工作在過壓狀態(tài),可增高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高。不同點(diǎn):工作頻率和帶寬、負(fù)載、工作狀態(tài)聯(lián)想對(duì)比:60高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率※諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處相同之處:它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào),而且放大器的負(fù)載均為諧振回路。不同之處:為激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同;放大器工作點(diǎn)不同;晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。諧振功率放大器波形圖小信號(hào)諧振放大器波形圖61※諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處相同之處:它們放※諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同共同之處:都要求輸出功率大和效率高。功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器,把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量,能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號(hào)(信號(hào)的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小),其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(c<90),為了不失真的放大信號(hào),它的負(fù)載必須是諧振回路。非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無調(diào)諧負(fù)載,工作在甲類或乙類工作狀態(tài);寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載。62※諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同共同之處:都要求輸出小結(jié)1.基本工作原理*電路組成VBB<uBE(on),晶體管工作在丙類小結(jié)1.基本工作原理VBB<uBE(on),晶體管工作可見,利用諧振回路的選頻作用,可以將失真的集電極脈沖電流變換為不失真的余弦電壓輸出。*電流、電壓波形可見,利用諧振回路的選頻作用,可以將失真的集2、輸出功率與效率00.10.20.30.40.50.6
204060
80
100120140160180
°n()3()2()0()1()g1()丙類工作狀態(tài)的效率最高,隨著θ的減小,效率會(huì)進(jìn)一步提高。但當(dāng)θ<40o后,波形系數(shù)的增加很緩慢,也就是說θ過小后,放大器效率的提高就不顯著了。
諧振功率放大器一般取θ為70o左右。θ值越小,g1(θ)值越大,效率越高。2、輸出功率與效率00.10.20.30.40.50.623、諧振功率放大器的特性分析(1)高頻功放的工作狀態(tài):欠壓、臨界和過壓狀態(tài)。(2)影響放大器工作狀態(tài)的因素負(fù)載特性
集電極調(diào)制特性3、諧振功率放大器的特性分析(1)高頻功放的工作狀態(tài):欠壓、基極調(diào)制特性振幅特性Uim基極調(diào)制特性振幅特性Uim作業(yè)1.討論題3.1.2、3.1.3P63
2.3.2.1、3.2.2P68作業(yè)1.討論題3.1.2、3.1.3P63第3章高頻功率放大器69第3章高頻功率放大器13.1丙類(C類)諧振功率放的工作原理3.2諧振功放的性能分析3.3諧振功率放大器電路3.4?。―)類和戊(E)類諧振功率放大器3.5集成高頻功率放大器及其應(yīng)用簡(jiǎn)介3.6寬帶高頻功率放大器電路703.1丙類(C類)諧振功率放的工作原理2學(xué)習(xí)目的:1、高頻功率放大器的電路組成2、諧振功率放大器的工作原理3、高頻功率放大器的外部特性71學(xué)習(xí)目的:1、高頻功率放大器的電路組成3
高頻(諧振)功率放大器在發(fā)射機(jī)中的位置從圖中可見,高頻功放是無線發(fā)射機(jī)的重要組成部分概述72高頻(諧振)功率放大器在發(fā)射機(jī)中的位置從圖中可見,高
在無線電廣播和通信發(fā)射機(jī)中,為了獲得大功率的高頻信號(hào),必須采用高頻功率放大器。
窄帶高頻功率放大器:寬帶高頻功率放大器:通常以LC并聯(lián)諧振回路作負(fù)載,又稱為諧振功率放大器。以傳輸線變壓器為負(fù)載,因此又稱為非諧振功率放大器。高頻功率放大器按工作頻帶的寬窄可分:73在無線電廣播和通信發(fā)射機(jī)中,為了獲得大功率的高頻1、使用高頻功率放大器的目的放大高頻大信號(hào)使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足夠大的發(fā)射功率。2、放大的實(shí)質(zhì):
實(shí)質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換。將電源提供的直流功率轉(zhuǎn)變成交流信號(hào)功率輸出。3、高頻功率信號(hào)放大器使用中需要解決的兩個(gè)問題①高效率輸出②高功率輸出741、使用高頻功率放大器的目的放大高頻大信號(hào)使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足4.工作狀態(tài)1、甲類:工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū);輸入信號(hào)ui在整個(gè)周期都有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。ICUCEOQiCtO優(yōu)點(diǎn):無失真,波形好,;缺點(diǎn):靜態(tài)IC較大,管耗大,效率低。轉(zhuǎn)換效率約為50%。754.工作狀態(tài)1、甲類:工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū);I
2、乙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止點(diǎn)上;晶體管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)IC=0,管耗小效率高。效率約為78.5%。缺點(diǎn):輸出脈沖電流,波形嚴(yán)重失真。ICUCEOQiCtO762、乙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止點(diǎn)上;優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)ICUCEOQiCtO
3、甲乙類:工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)靠近截止點(diǎn)的位置;晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期,在輸入信號(hào)的大半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)IC0,管耗小,效率高。效率約為50%<η<78.5%。缺點(diǎn):嚴(yán)重失真。77ICUCEOQiCtO3、甲乙類:工作點(diǎn)設(shè)置
4、丙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)以內(nèi);晶體管導(dǎo)通的時(shí)間小于半個(gè)周期,在輸入信號(hào)的小半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,有集電極電流ic產(chǎn)生,如圖。<優(yōu)點(diǎn):靜態(tài)IC=0,管耗小,效率高。效率η>78.5%。缺點(diǎn):輸出電流波形嚴(yán)重失真。784、丙類:工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)以內(nèi);<優(yōu)點(diǎn):靜功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式,為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。諧振功率放大器通常工作于丙類狀態(tài),屬于非線性電路79功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式3.1
丙類(C類)諧振功放的工作原理803.1丙類(C類)諧振功放的工作原理12
一、基本電路原理1、電路組成晶體管諧振回路輸入回路偏置電路
VCC、VBB為集電極和基極的直流電源電壓。為使晶體管工作在丙類狀態(tài),VBB應(yīng)小于晶體管的導(dǎo)通電壓uBE(on),在沒有輸入信號(hào)時(shí),晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),ic=0。iC+ui–RL+uCE–+
uBE
VCCVBBiB+uc–+––+LC圖3.1.3丙類諧振功放原理電路81一、基本電路原理1、電路組成晶體管VCC由于RL比較大,所以,諧振回路的品質(zhì)因數(shù)比較?。坏挥绊懼C振回路對(duì)諧波成分的抑制作用。L、C為濾波匹配網(wǎng)絡(luò),與RL構(gòu)成并聯(lián)諧振回路,作為晶體管集電極負(fù)載。*選頻濾波*阻抗匹配完成以下功能:仿真1仿真282由于RL比較大,所以,諧振回路的品質(zhì)因數(shù)比較高頻功率放大器中各分電壓與電流的關(guān)系83高頻功率放大器中各分電壓與電流的關(guān)系152、電流、電壓波形設(shè)輸入一高頻余弦信號(hào)為則當(dāng)uBE的瞬時(shí)值大于基射間導(dǎo)通電壓UBE(on)時(shí),晶體管導(dǎo)通,產(chǎn)生基極脈沖電流iB,相應(yīng)產(chǎn)生集電極脈沖電流ic,如圖所示。基極電流和集電極電流為周期性非正弦函數(shù)。842、電流、電壓波形設(shè)輸入一高頻余弦信號(hào)為則當(dāng)u用傅里葉級(jí)數(shù)展開得式中:Ico為直流電流分量iC1為基波分量;iC1=Icm1COSωct
iC2為二次諧波分量;iC2=Icm2COS2ωct
iCn為n次諧波分量;iCn=IcmnCOSnωct
…………85用傅里葉級(jí)數(shù)展開得式中:Ico為直流電流分量iC1為基波分量當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率ω上時(shí)(即與高頻輸入信號(hào)的基波諧振時(shí)):諧振回路對(duì)基波電流而言等效為一純電阻Re;對(duì)其他各次諧波,回路因失諧呈現(xiàn)很小的電抗,可看成短路;直流分量只能通過回路電感線圈,直流電阻較小,可看成短路。這樣,脈沖電流ic流經(jīng)諧振回路時(shí)只有基波電流才產(chǎn)生壓降。86當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率ω上時(shí)(即與高頻輸入信號(hào)的基波可見,利用諧振回路的選頻作用,可以將失真的集電極脈沖電流變換為不失真的余弦電壓輸出。晶體管集射間的電壓為:其中,Ucm為基波電壓振幅。若回路諧振電阻為Re,則87可見,利用諧振回路的選頻作用,可以將失真的集諧振功放工作原理小結(jié):設(shè)置VBB<UBE(on),使晶體管工作于丙類。當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí),可得集電極余弦電流脈沖。將LC回路調(diào)諧在信號(hào)頻率上,就可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。iC+ui–RL+uCE–+uBE
VCCVBBiB+uc–+––+LC諧振功放原理電路88諧振功放工作原理小結(jié):設(shè)置VBB<UBE(二、
輸出功率與效率1.放大器的輸出功率PO2.集電極直流電源供給功率PD3.集電極耗散功率PC4.放大器效率ηc其中集電極電流利用系數(shù),又稱波形系數(shù)。為集電極電壓利用系數(shù)。89二、輸出功率與效率1.放大器的輸出功率PO2.集電極直流
三、余弦電流脈沖的分解略去uCE對(duì)iC的影響,將轉(zhuǎn)移特性折線化三、余弦電流脈沖的分解略去uCE對(duì)iC的影響,當(dāng)t
=0時(shí),iC=iCmaxiC表示為利用傅里葉級(jí)數(shù),將脈沖序列iC展開:當(dāng)t
=時(shí),iC=0當(dāng)t=0時(shí),iC=iCmaxiC表示為利用…00.10.20.30.40.50.6
20406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()波形系數(shù)…00.10.20.30.40.50.62040θ值越小,g1(θ)值越大,效率越高。效率:若ξ=1時(shí),00.10.20.30.40.50.6
20406080100120140160180°n()g1()3()2()0()1()g1()2.01.0甲類工作狀態(tài):乙類工作狀態(tài):丙類工作狀態(tài):設(shè)93θ值越小,g1(θ)值越大,效率越高。效率:若ξ=1時(shí),0000.10.20.30.40.50.6
2040
6080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()可見,丙類工作狀態(tài)的效率最高,當(dāng)θ=60o時(shí),效率可達(dá)90%,隨著θ的減小,效率還會(huì)進(jìn)一步提高。但當(dāng)θ<40o后,波形系數(shù)的增加很緩慢,也就是說θ過小后,放大器效率的提高就不顯著了,此時(shí)的下降迅速,為了達(dá)到一定的輸出功率,所要求的輸入激勵(lì)信號(hào)電壓的幅值將會(huì)過大,從而對(duì)前級(jí)提出過高的要求。
00.10.20.30.40.50.6204000.10.20.30.40.50.6
204060
80
100120
140160180°n()3()2()0()1()g1()諧振功率放大器一般取θ為70o左右。00.10.20.30.40.50.6204060
例圖3.1.1所示電路中,VCC=24V,Po=5W,=70o,=0.9,求該功放的C、
PD、PC、iCmax
和回路諧振阻抗Re。解:例圖3.1.1所示電路中,VCC=24V,P3.2諧振功率放大器的特性分析973.2諧振功率放大器的特性分析29放大器工作狀態(tài)的分類:丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分:欠壓(不進(jìn)入飽和區(qū))過壓(進(jìn)入飽和區(qū))臨界(達(dá)到臨界飽和)98放大器工作狀態(tài)的分類:丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分:
一、高頻功率放大器的工作狀態(tài)iC+ui–RL+uCE–+
uBE
VCCVBBiB+uc–+
––
+LC
1.高頻功放的動(dòng)態(tài)特性
即當(dāng)加上激勵(lì)信號(hào)及接上負(fù)載阻抗時(shí),晶體管集電極電流iC與uBE、uCE的關(guān)系曲線。99一、高頻功率放大器的工作狀態(tài)iC+RL++VCCVBBiuceic?AOVCC?QUcmuceminubemaxui=0100uceic?AOVCC?QUcmuceminubemaxuiA1點(diǎn)處于放大區(qū)稱為欠壓(Undervoltage)狀態(tài)
A2點(diǎn)處于臨界區(qū)稱為臨界(Critical)狀態(tài)
A3點(diǎn)處于飽和區(qū)稱為過壓(Overvoltage)狀態(tài)功率放大器三種工作狀態(tài)和狀態(tài)波形101A1點(diǎn)處于放大區(qū)稱為欠壓(Undervoltage)狀態(tài)A2.欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)(1)欠壓:uCEmin
對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于放大區(qū),晶體管處于放大狀態(tài)。ic為尖頂余弦脈沖。1022.欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)(1)欠壓:uCEmi(2)臨界:uCEmin
對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于放大區(qū)和飽和區(qū)之間的臨界點(diǎn),晶體管處在放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界點(diǎn)上。ic仍為余弦脈沖,但幅度有所減小,頂端變化平緩。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí),輸出功率大,管子損耗小,放大器的效率也就較大。103(2)臨界:uCEmin對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于放大區(qū)和(3)過壓,uCEmin
對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于飽和區(qū),ic為中間凹陷的脈沖波,隨著Ucm增大,uCE的減小脈沖波的凹陷加深,高度減小。104(3)過壓,uCEmin對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)處于飽和區(qū),ic思考題:在過壓區(qū)為什么會(huì)出現(xiàn)凹陷?iC凹陷的原因:諧振回路作負(fù)載。飽和時(shí),uBE對(duì)iC的影響很小,隨著飽和深度的加深,uCE繼續(xù)減小,使iC迅速減小,從而出現(xiàn)凹陷。Ucm越大,uCEmin越小,凹陷越深,脈沖高度越小。105思考題:在過壓區(qū)為什么會(huì)出現(xiàn)凹陷?iC凹陷的原因:37二、影響放大器工作狀態(tài)的因素高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Re、激勵(lì)電壓Uim、供電電壓VCC、VBB等4個(gè)參量決定的。1、負(fù)載特性
(1)含義:諧振功放的負(fù)載特性是指VBB、Uim
和VCC
一定,放大器性能隨Re的變化特性。(2)特性106二、影響放大器工作狀態(tài)的因素高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)Re的增加(1)將引起
Ucm
↑(),UCEmin↓,iC高度略有下降。
(2)
Re↑→Ucm↑→UCEmin↓→放大器欠壓→過壓→iC
由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC
電流107Re的增加(2)Re↑→Ucm↑→UCEmin↓據(jù)此可以畫出
Ic0和Ic1m隨Re變化的特性。
Ucm=ReIc1m
Po=UcmIc1m/2
PD=VCCIC0
PC=PD-Po
C=Po/PD由
IC0
和Ic1m的變化就可以畫出Ucm、Po、PD、PC、C
隨Re
變化的曲線。108據(jù)此可以畫出Ic0和Ic1m隨Re變化的特性。3.討論
(1)欠壓區(qū):圖(a),Re↑
,iC
脈沖高度略有減小,IC0、Ic1m
也略有減小,
圖(b),Ucm=ReIc1m
近似線性增大;
Po=I2c1mRe
近似線性增大;PD=VCCIC0
略有減小;ηC
=P0/PD增大;PC
=PD-Po減小。
欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低,集電極耗散功率也較大,輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化,因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅,需采用這種工作狀態(tài)。1093.討論(1)欠壓區(qū):圖(a),Re↑
(2)臨界狀態(tài):
臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大,效率也較高,比最大效率差不了許多,可以說是最佳工作狀態(tài)。
發(fā)射機(jī)的末級(jí)常設(shè)計(jì)成這種狀態(tài)。110(2)臨界狀態(tài):臨界狀態(tài)的特
(3)過壓區(qū):
隨Re
增大,電流脈沖高度減小,凹陷加深,相應(yīng)的IC0、Ic1m
減小;結(jié)果使Ucm
略有增加;Po、PD
減小,且Po比PD減小的慢;從而C
略有增加;PC
略有減小。
過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn):當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí),輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大;在弱過壓時(shí),效率可達(dá)最高,但輸出功率有所下降。
發(fā)射機(jī)的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。111(3)過壓區(qū):過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn):當(dāng)負(fù)
(4)匹配負(fù)載:如果Re
的取值使管子工作在臨界狀態(tài),則Po
最大,且C
較大,PC
較小,放大器性能接近最佳性能。將此時(shí)的Re
稱為諧振功放的匹配負(fù)載,用Reopt
表示。112(4)匹配負(fù)載:如果Re的取值使管子工作包括集電極調(diào)制和基極調(diào)制兩種特性。
(1)集電極調(diào)制特性
含義:VBB、Uim
和Re一定,放大器性能隨VCC變化的特性。
特性:2、調(diào)制特性113包括集電極調(diào)制和基極調(diào)制兩種特性。(1)集電極調(diào)制特性VCC的增加(1)VBB、Uim一定,UBEmax一定,iC脈寬一定,高度略有增加。
(2)
VCC↑→Ucemin↑→放大器過壓→欠壓→iC
由中間有凹陷的脈沖波轉(zhuǎn)變?yōu)橛嘞译娏髅}沖。iC電流114VCC的增加(2)VCC↑→Ucemin↑→放大器
※欠壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖高度略有減小,因而IC0和Ic1m
也將略有減小,Ucm(=ReIc1m)也略有減小。
討論:115※欠壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖高
※過壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖的高度降低,凹深加深,因而IC0、Ic1m、Vcm將迅速減小。
116※過壓狀態(tài):隨VCC減小,集電極電流脈沖的高度集電極調(diào)幅原理電路
圖中:
——
輸入高頻載波電壓ωc——載波頻率——調(diào)制信號(hào)電壓,
為調(diào)制頻率為諧振回路上的輸出電壓。放大器工作在過壓狀態(tài)。117集電極調(diào)幅原理電路圖中:——輸入高頻載波電壓ωc—(2)基極調(diào)制特性
含義:Uim、VCC、Re
一定,放大器性能隨VBB
變化的特性。特性:118(2)基極調(diào)制特性含義:Uim、VCCVBB的增加(1)VCC、Uim一定,VBB↑則UBEmax↑,iC脈寬和高度均↑。
(2)
VBB↑→Ucemin↓→放大器欠壓→過壓→iC
由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC電流119VBB的增加(2)VBB↑→Ucemin↓→放大器
※過壓狀態(tài):隨VBB
增大,集電極電流的寬度和高度均增加,凹陷加深,IC0和Ic1m、Vcm
緩慢增大,近似不變。
※欠壓狀態(tài):隨VBB
增加,集電極電流的寬度和高度均增加,IC0和Ic1m
,Ucm(=ReIc1m)近似線性增加。
討論:120※過壓狀態(tài):隨VBB增大,集電極電流的寬度和基極調(diào)幅原理電路——基極偏置電壓
放大器工作在欠壓狀態(tài)。121基極調(diào)幅原理電路——基極偏置電壓放大器工作在欠壓狀態(tài)
(1)含義:當(dāng)VBB、VCC和Re
一定,放大器性能隨Uim
變化的特性。
(2)特性:固定VBB,增大Uim
與上述固定Uim增大VBB
(基極調(diào)制特性)的情況類似,它們都使iC
的寬度和高度增大,放大器由欠壓進(jìn)入過壓,圖(a)。3、放大特性(振幅特性)122(1)含義:當(dāng)VBB、VCC和Re一定,放Uim的增加VCC、VBB一定,Uim↑則UBEmax↑,iC脈寬和高度均↑。
Uim↑→Ucemin↓→放大器欠壓→過壓→iC
由余弦電流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g有凹陷的脈沖波。iC電流
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