射頻模擬電路_No4_第一章(3)

1、第一章 選頻放大器,主講人： 趙宏飛 Email: ,電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,電子科技大學(xué),2,第1章 選頻放大器要點(diǎn),1-3 高頻諧振功率放大器,主要內(nèi)容： 基本工作原理 折線近似分析方法 動(dòng)態(tài)特性 饋電線路 匹配網(wǎng)絡(luò) 重點(diǎn)： 分析集中參數(shù)的高頻諧振功率放大器,電子科技大學(xué),3,1-3 什么是高頻諧振功率放大器？,電子科技大學(xué),4,高頻諧振功率放大器在無(wú)線電發(fā)送設(shè)備中扮演重要角要保證足夠遠(yuǎn)的傳輸距離，就必須要有足夠大的發(fā)射功率。,高頻諧振功率放大器包括：緩沖放大器、中間放大器、推挽放大器以及末級(jí)功率放大器,1-3 高頻諧振功率放大器特點(diǎn),電子科技大學(xué),5,與低頻功放相同：輸出功率大、效率

2、高 但也有很大的不同：,1-3 高頻諧振功率放大器工作區(qū)域,電子科技大學(xué),6,散熱設(shè)計(jì) 保護(hù)電路,1-3 高頻諧振功率放大器分析方法,電子科技大學(xué),7,分析方法：放大器處于非線性工作狀態(tài)，高頻小信號(hào)諧振放大器的一套線性模型在這里已完全不能用，只能用圖解法或折線近似分析法來(lái)分析功率放大器。,高頻諧振功率放大器工作頻率滿足 從而 因此，可用晶體管的靜態(tài)特性可作為高頻諧振功率放大器理論分析的基礎(chǔ),分析方法：放大器處于非線性工作狀態(tài)，高頻小信號(hào)諧振放大器的一套線性模型在這里已完全不能用，只能用圖解法或折線近似分析法來(lái)分析功率放大器。,高頻諧振功率放大器工作頻率滿足 從而 因此，可用晶體管的靜態(tài)特性可作

3、為高頻諧振功率放大器理論分析的基礎(chǔ),1-3 高頻諧振功率放大器性能指標(biāo),功率 能夠輸出比較大的功率，這是它作為“功率放大器”最為基本的要求 效率 效率是功率放大器的生命 諧波、雜散波 這是衡量功率放大器失真水平的重要指標(biāo)，越小越好,電子科技大學(xué),8,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),9,其中,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),10,典型的并聯(lián)諧振回路,導(dǎo)通電壓,可正可負(fù),基極回路合適的偏置電壓,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),11,放大器沒(méi)有顯著的電流，工作于丙類。,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),12,因?yàn)榫?/p>

4、體管僅在部分時(shí)間內(nèi)有電流流通，大部分時(shí)間內(nèi)是無(wú)集電極電流的，集電極耗散功率等于集電極電壓與集電極電流之乘積，因而大部分時(shí)間是無(wú)集電極耗散功率的。 設(shè),電源提供的功率 輸出的交流功率 集電極耗散功率 能量守恒,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),13,定義集電極效率:,越小，集電極效率 越高。,從20提高到75(丙類)，則 增大了12倍。,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),14,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),15,單音激勵(lì)信號(hào),輸入回路方程,輸出回路方程,脈沖電流 的周期與輸入信號(hào)的周期是相同的，可分解成無(wú)數(shù)多個(gè)正弦波之和：,最大,1

5、-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),16,在工程實(shí)踐中,第n次諧波的集電極阻抗,第n次諧波的集電極阻抗的近似值,諧振時(shí),從而,于是第n次諧波的集電極歸一化阻抗,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),17,可見(jiàn)，高次諧波呈現(xiàn)的阻抗,因此，回路阻抗對(duì)于各次諧波來(lái)說(shuō)，它們的值與諧振于基頻時(shí)的阻抗相比小到可以忽略的程度(僅為百分之幾)，從而可以認(rèn)為是短路的。,例如，當(dāng) 時(shí)，高次諧波的歸一化阻抗,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),18,諧振回路對(duì) 呈現(xiàn)阻抗 ，對(duì) ， ，可近似認(rèn)為短路(阻抗近似為零)。,由于諧振回路的選頻作用，集電極的交流輸出電壓仍是與

6、輸入電壓相同的正弦波，相位相反。,于是,其中,從而,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),19,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),20,電源輸入的直流功率(平均功率),交流輸出功率,集電極耗散功率,1-3-1 高頻諧振功率放大器工作原理,電子科技大學(xué),21,定義波形系數(shù),定義電壓利用系數(shù),集電極效率,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,電子科技大學(xué),22,轉(zhuǎn)移特性曲線,輸出特性曲線,基本思想：用折線來(lái)代替實(shí)際特性曲線。,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,電子科技大學(xué),23,將高頻諧振功率放大器的實(shí)際特性曲線用折線來(lái)代替后，我們就可以用解

7、析的方法分析放大器的工作過(guò)程,輸入、輸出回路的電壓回路方程,輸入激勵(lì)電壓,由轉(zhuǎn)移特性曲線折線近似,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,電子科技大學(xué),24,定義導(dǎo)通角 為一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通角度的12，那么,將 代入 得,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,電子科技大學(xué),25,當(dāng) 時(shí)，集電極電流最大,即,從而,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,電子科技大學(xué),26,尖頂余弦電流脈沖用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi),其中,稱為尖頂余弦電流分解系數(shù),1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,電子科技大學(xué),27,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,根據(jù)導(dǎo)通角的大小，我們可將功率放

8、大器分成以下幾類： 甲類 甲乙類 乙類 丙類,電子科技大學(xué),28,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,對(duì)任一導(dǎo)通角，總有一個(gè)尖余弦電流分解系數(shù)最大，例如 當(dāng)放大器用作倍頻器時(shí)，要注意選取合適的導(dǎo)通角，例如,電子科技大學(xué),29,1-3-2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法,當(dāng) 時(shí) ，即乙類放大器無(wú)奇次諧波 功率放大器最佳導(dǎo)通能角,電子科技大學(xué),30,集電極效率,越高,越小,越大,最大,無(wú)交流功率輸出,最大,小 效率最低,最大,兼顧功率和效率，最佳導(dǎo)通角一般取 左右,輸出功率,1-3-3 高頻諧振功率放大器動(dòng)態(tài)特性,電子科技大學(xué),31,考慮負(fù)載反作用后，輸入信號(hào)隨時(shí)間變化時(shí)，工作點(diǎn)移動(dòng)的

9、軌跡稱為放大器的負(fù)載特性，又稱為負(fù)載線。,靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性： 不變， 變化， 的特性。 靜態(tài)輸出特性： 不變， 變化， 的特性。 靜態(tài)輸入特性： 不變， 的特性。,當(dāng)某些參數(shù)變化時(shí)，負(fù)載線的斜率、位置與斜率大小都會(huì)發(fā)生變化，這種特性稱為動(dòng)態(tài)特性。,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性負(fù)載特性,電子科技大學(xué),32,負(fù)載特性 ： ， ， 保持不變時(shí)，諧振回路的諧振電阻 (等效負(fù)載)變化時(shí)，負(fù)載線的變化情況。,負(fù)載線的作法,晶體管的折線化方程,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性負(fù)載特性,電子科技大學(xué),33,截距,斜率,相交于A點(diǎn),1-3-3 動(dòng)態(tài)特性負(fù)載特性,電子科技大學(xué),34,Q點(diǎn)為轉(zhuǎn)移特性中斜率為 折線的延長(zhǎng)線與 坐標(biāo)位置相交的

10、點(diǎn)。,虛擬工作點(diǎn)電流,在丙類工作狀態(tài)時(shí)， 實(shí)際上并不存在，僅是用來(lái)確定Q的位置。 令 ,找到另一點(diǎn)A，連接AQ即為負(fù)載線,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性負(fù)載特性,電子科技大學(xué),35,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性交點(diǎn)A,電子科技大學(xué),36,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性交點(diǎn)A,電子科技大學(xué),37,A1 A2,尖頂余弦脈沖,欠壓工作狀態(tài),A2,尖頂余弦脈沖,臨界工作狀態(tài),電流波形出現(xiàn)凹坑,過(guò)壓工作狀態(tài),A2 A3,由于諧功放的負(fù)載是諧振回路，具有良好的選頻能力，諧振回路兩瑞的電壓是連續(xù)的正弦波形，到達(dá)A4后， 電壓進(jìn)一步下降，直到達(dá) ，完成連續(xù)的正弦波形。,出現(xiàn)凹坑的原因,注意，如負(fù)載是真正的電阻，則電流波形不可能出現(xiàn)凹坑。

11、,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性交點(diǎn)A,電子科技大學(xué),38,A1 A2,尖頂余弦脈沖,欠壓工作狀態(tài),較小,基本不變（ 不變）,負(fù)載線為雙折線,欠壓狀態(tài),增加,不變,不變,不變,基本保持不變,恒流源工作狀態(tài) 電流是尖頂余弦電流脈沖,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性交點(diǎn)A,電子科技大學(xué),39,A2,尖頂余弦脈沖,臨界工作狀態(tài),較大,基本與欠壓狀態(tài)的 一樣,負(fù)載線為雙折線,臨界狀態(tài) 最大， 較高，是最佳工作狀態(tài)。,1-3-3 動(dòng)態(tài)特性交點(diǎn)A,電子科技大學(xué),40,電流波形出現(xiàn)凹坑,過(guò)壓工作狀態(tài),A2 A3,負(fù)載線為三折線,最大,下降,過(guò)壓狀態(tài),增加,不變,電流波形出現(xiàn)凹坑,下降,凹坑愈深,愈小,基本不變( 不斷增加),1-

12、3-3 動(dòng)態(tài)特性交點(diǎn)A,電子科技大學(xué),41,1-3-4調(diào)制特性VCC的影響,電子科技大學(xué),42,的影響,不變,變化,不變,不變,不變,不變,不變,不變,不變,負(fù)載線斜率,不變,或,1-3-4 調(diào)制特性VCC的影響,電子科技大學(xué),43,1-3-4 調(diào)制特性VCC的影響,電子科技大學(xué),44,增加,Q點(diǎn)右移,欠壓,電流幾乎恒定不變,減小,Q點(diǎn)左移,過(guò)壓,電流隨過(guò)壓程度的加強(qiáng)而下降,電流波形出現(xiàn)凹坑,越小,凹坑越深,下降,過(guò)壓,增加,與 的關(guān)系基本是線性的,增加,振幅調(diào)制電路,與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系,1-3-4調(diào)制特性VCC的影響,電子科技大學(xué),45,1-3-4調(diào)制特性集電極調(diào)幅,電子科技大學(xué),46,1

13、-3-4調(diào)制特性集電極調(diào)幅,電子科技大學(xué),47,調(diào)制信號(hào),與集電極電壓 串接,過(guò)壓區(qū),成線性關(guān)系,獲得最大調(diào)幅指數(shù),高頻諧功放工作于臨界工作點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的集電極電壓,缺點(diǎn)：需要調(diào)制信號(hào)源提供較大的功率。,集電極調(diào)幅,1-3-4調(diào)制特性VBB的影響,電子科技大學(xué),48,1-3-4調(diào)制特性VBB的影響,電子科技大學(xué),49,不變,變化,增加,增加,下降,增加,增加,下降,下降,虛擬工作點(diǎn)電流,下降,虛擬工作點(diǎn)向上平移，狀態(tài)從欠壓到臨界，甚至到達(dá)過(guò)壓工作狀態(tài)。,的影響,1-3-4調(diào)制特性VBB的影響,電子科技大學(xué),50,欠壓區(qū),減小,減小,過(guò)壓區(qū),電流脈沖出現(xiàn)凹坑,增加,增加,基本不變,與,變化趨勢(shì)一致,

14、1-3-4調(diào)制特性基極調(diào)幅,電子科技大學(xué),51,欠壓狀態(tài),不變,線性增加,與,基本成線性關(guān)系,基極調(diào)幅,優(yōu)點(diǎn)：不要求 調(diào)制源提供大的功率。,1-3-5高頻諧振功率放大器的放大特性,電子科技大學(xué),52,不變,變化,增加,增加,減小,增加,增加,不變,減小,減小,1-3-6 高頻諧振功率放大器饋電,電子科技大學(xué),53,饋電原則：高頻諧振功率放大器工作在丙類，它的饋電線路除了保證集電極合適的工作電壓外，還要保證基極偏置。,交流等效電路還要考慮到負(fù)載是諧振回路，交流分量必須通過(guò)諧振回路,以獲得交流信號(hào)的放大。,諧振功放工作在大電流狀態(tài)，為減少功耗，外電路應(yīng)對(duì)直流近似短路，但又不能對(duì)交流短路。,外電路為

15、保證輸出波形不失真，對(duì)交流諧波應(yīng)近似短路。,1-3-6高頻諧振功率放大器集電極饋電,電子科技大學(xué),54,集電極電路對(duì)不同頻率電流的等效電路,1-3-6 集電極饋電串饋,電子科技大學(xué),55,串饋:電源、諧振回路、晶體管三者串聯(lián)。,1-3-6集電極饋電串饋,電子科技大學(xué),56,實(shí)際工程中,電源公用，電源必須通過(guò)去耦網(wǎng)絡(luò)饋電。,去耦網(wǎng)絡(luò)由 型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。,射頻扼流圈RFC(Radio Frequency Choke),去耦用的大電感，理論上對(duì)直流短路，交流開(kāi)路。,阻止高頻電能流過(guò)公用電源內(nèi)阻產(chǎn)生高頻能量損耗，特別是避免在名級(jí)之間由此而產(chǎn)生的寄生耦合。,1-3-6 集電極饋電并饋,電子科技大學(xué),57,大

16、功率高頻諧振功效的末級(jí)放大管有時(shí)使用電子管， 值高達(dá)上千伏，因此諧振回路處于直流高電壓，在調(diào)整諧振回路的諧振頻率時(shí)容易觸上高壓。,1-3-6 集電極饋電,電子科技大學(xué),58,串饋或并饋僅僅是指電路的給構(gòu)形式而言。對(duì)于電壓來(lái)說(shuō)，無(wú)論是串饋或并饋直流電壓與交流電壓總是串聯(lián)的。,對(duì)交流而言,對(duì)直流而言,不論內(nèi)回路還是外回路都滿足方程,1-3-6 高頻諧振功率放大器基極饋電,電子科技大學(xué),59,折線近似分析法適用,1-3-6 高頻諧振功率放大器基極饋電,電子科技大學(xué),60,自給偏壓：由串接在發(fā)射極回路或基極回路的低通網(wǎng)絡(luò)(RC并聯(lián)回路)構(gòu)成。,為使諧振功放工作于丙類，基極偏置電壓一般要加上負(fù)電壓。為了

17、供給基極負(fù)的偏置電壓，需要一組單獨(dú)的“負(fù)”電源提供偏置。,1-3-6 高頻諧振功率放大器基極饋電,電子科技大學(xué),61,基極回路必須形成直流通路，為保證晶體管正常工作，一定有單方向流動(dòng)的基極電流。,為減小對(duì)輸人激勵(lì)電壓 的要求,“零”偏壓或略微正電壓偏置,(小于 ),1-3-6 高頻諧振功率放大器基極饋電,電子科技大學(xué),62,1-3-6 高頻諧振功率放大器基極饋電,電子科技大學(xué),63,1-3-7 高頻諧振功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),64,末級(jí)高頻諧振功率放大器的負(fù)載往往是天線，中間級(jí)(推挽級(jí))的負(fù)載是末級(jí)功率放大器的輸入阻抗，輸入級(jí)放大器的負(fù)載則是下一級(jí)放大器的輸人阻抗。,諧振功率放大器只

18、有工作在臨界工作狀態(tài)附近，才能獲得最大的輸出功率 和較高的效率；否則，不是輸出功率很小，就是晶體管不能工作在安全狀態(tài)(電流過(guò)大、 過(guò)大等)。,1-3-7 高頻諧振功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),65,為保證工作在最佳狀態(tài)，任意的負(fù)載值須通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成所需的工作在臨界狀態(tài)附近的負(fù)載電阻值。,1-3-7 高頻諧振功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),66,使負(fù)載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。,工作在臨界狀態(tài)時(shí)所需的,匹配網(wǎng)絡(luò),抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它應(yīng)有良好的濾波作用。,能濾去 (對(duì)高次諧波呈現(xiàn)短路)。,理想情況下，流

19、過(guò)負(fù)載電阻上的電流應(yīng)該只有 ( 為流過(guò) 的基波電流)。,1-3-7 高頻諧振功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),67,在有幾個(gè)電子器件同時(shí)輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送功率到負(fù)載，但同時(shí)又應(yīng)盡可能地使這幾個(gè)電子器件彼此隔離，互不影響。,定義濾波度：,愈大，匹配網(wǎng)絡(luò)濾波效果愈好。,1-3-7 高頻諧振功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),68,負(fù)載電阻 上消耗的功率,中間回路效率,功率損耗在匹配網(wǎng)絡(luò)上,越接近1越好,匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保證一定的通頻帶，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，調(diào)整要方便。,1-3-7 高頻諧振功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),69,輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整是保證有效輻射功率的關(guān)鍵。,末級(jí)輸出匹配網(wǎng)

20、絡(luò)的負(fù)載是天線，為了保證有效地通信，天線應(yīng)該輻射盡可能大的功率。,反映到初級(jí)回胳的反映電阻為：,天線回路調(diào)諧成串聯(lián)諧振狀態(tài),M改變,改變,1-3-7 高頻諧振功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),70,1-3-7 高頻諧振功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò),電子科技大學(xué),71,改變M,負(fù)載電阻,諧振回路的損耗電阻,可以在不影響回路調(diào)諧的情況下,調(diào)整中介回路的等效阻抗,達(dá)到阻抗匹配,耦合越緊,即互感M越大,反映等效電阻,越大,回路的等效阻抗,下降越多,1-3-7 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中間回路效率,電子科技大學(xué),72,無(wú)負(fù)載時(shí)回路的諧振阻抗,有負(fù)載時(shí)回路的諧振阻抗,負(fù)載電阻,諧振回路的損耗電阻,回路電流有效值,1-3-7 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中間回路效率,電子科技大學(xué),73,無(wú)負(fù)載時(shí)的空載品質(zhì)因數(shù)值,有負(fù)載時(shí)的有載品質(zhì)因數(shù)值,要使回路的傳輸效率高，則空載品質(zhì)越大越好，有載空載品質(zhì)越小越好。中間回路本身的損耗越小越好。,1-3-7輸出匹