通信電子線(xiàn)路第三章第1～4節(jié).ppt

1、1,第三章 高頻調(diào)諧功率放大器,2,3.1 概述 3.2 調(diào)諧功率放大器的工作原理 3.3 功率和效率 3.4 調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析 3.5 調(diào)諧功率放大器的實(shí)用電路 3.6 功率晶體管的高頻效應(yīng) 3.7 倍頻器 3.8 集成高頻功率放大電路,一、本章內(nèi)容,3,二、本章重點(diǎn)和難點(diǎn),（一）本章重點(diǎn) 1.調(diào)諧功放的用途與特點(diǎn)(與小信號(hào)調(diào)諧放大器進(jìn)行比較)； 2.折線(xiàn)近似分析法；3.調(diào)諧功放的工作原理； 4.功率和效率，區(qū)別五種功率和兩種效率； 5.工作狀態(tài)(過(guò)壓狀態(tài)、欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài))和阻抗變換問(wèn)題； 6.直流饋電電路；自給偏壓環(huán)節(jié)基流偏壓與射流偏壓； 7.倍頻器。,4,（二）本章難點(diǎn)

2、1.工作狀態(tài)分析特別是過(guò)壓狀態(tài)； 2.自給偏壓環(huán)節(jié)； 3.調(diào)諧功率放大器動(dòng)態(tài)負(fù)載線(xiàn)。,5,reverse bias 反向偏置 zero bias 零偏置 forward bias 正向偏置 2. C class 丙類(lèi) 3. tank circuit 槽路 4. power 功率 5. efficiency 效率 6. cosine pulse 余弦脈沖,三、相關(guān)英文詞匯,6,一、作用 高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。 高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。它的作用是放大信號(hào)，使之達(dá)到足夠功率輸出，以滿(mǎn)足天線(xiàn)發(fā)射或其他負(fù)載的要求。 作為載波發(fā)

3、射機(jī)及無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)輸出級(jí)或輸出前一級(jí)(末級(jí)或末前級(jí))。,3.1 概述,7,1.輸入信號(hào)強(qiáng)，電壓在幾百毫伏幾伏數(shù)量級(jí)附近; 2.為了提高放大器的工作效率，它通常工作在丙類(lèi)，即晶體管工作延伸到非線(xiàn)性區(qū)域飽和區(qū)、截止區(qū); 3.要求：輸出功率大、效率高。,二、特點(diǎn),8,高頻功率放大器因工作于大信號(hào)的非線(xiàn) 性狀態(tài)，用解析法分析較困難，故工程上普 遍采用近似的分析方法折線(xiàn)法來(lái)分析其 工作原理和工作狀態(tài)。,三、分析方法,9,3.2 調(diào)諧功率放大器的工作原理,一、電路 二、折線(xiàn)近似分析法直線(xiàn)段近似法 三、晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn)、導(dǎo)通角、 余弦脈沖電流的分析 四、槽路電壓,10,注意:該電路和小信號(hào)調(diào)諧放大器的不同(

4、bias),一、電路,11,各元件的作用：,Ec 直流電源電壓； Eb 基極偏置電源電壓。,L、C 組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極負(fù)載，這個(gè)回路也叫槽路。 放大后的信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到負(fù)載 RL上以達(dá)到阻抗匹配的要求。,輸入信號(hào)經(jīng)變壓器T1 耦合到晶體管基-射極，這個(gè)信號(hào)也叫激勵(lì)信號(hào)。,12,二、折線(xiàn)近似分析法直線(xiàn)段近似法,圖3-2 晶體管特性及其折線(xiàn)化,13,所謂折線(xiàn)近似分析法，是將電子器件的特性理想化，每條特性曲線(xiàn)用一組折線(xiàn)來(lái)代替。這樣就忽略了特性曲線(xiàn)彎曲部分的影響，簡(jiǎn)化了電流的計(jì)算，可滿(mǎn)足工程的需要。,14,在轉(zhuǎn)移特性的放大區(qū)，折線(xiàn)化后的線(xiàn)斜率為（約幾十至幾百）。此時(shí)，理想靜態(tài)特性可用下式

5、表示 （3-1）,15,折線(xiàn)近似分析法可以使計(jì)算簡(jiǎn)化，在一定程度上能反映出特性曲線(xiàn)的基本特點(diǎn)。對(duì)于分析大幅度電壓或電流作用下的非線(xiàn)性電路有一定的準(zhǔn)確度。常用來(lái)分析大信號(hào)調(diào)幅、檢波和調(diào)諧功率放大器。,16,三、晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn)、導(dǎo)通角、余弦脈沖電流的分析,1.晶體管導(dǎo)通的特點(diǎn) 無(wú)信號(hào)：晶體管截止 有信號(hào)：激勵(lì)信號(hào) Eb+Uj 導(dǎo)通,17,當(dāng)激勵(lì)信號(hào) ube 足夠大，放大器工作在放大區(qū)和截止區(qū)，集電極電流是周期性的余弦脈沖，波形如圖3-3示。將ube表示式 代入式（3-1）可得,(3-3),18,根據(jù)導(dǎo)通角的定義， 當(dāng) 時(shí)， 即 由此可得導(dǎo)通角 與Eb、Ubm、Uj 間的關(guān)系,19,2.導(dǎo)通時(shí)間的

6、衡量導(dǎo)通角,1）當(dāng)Eb、Uj一定，改變激勵(lì)信號(hào)，就可改變 導(dǎo)通角 (3-4) 2）當(dāng)管子定下來(lái)，Uj 一定，在一定激勵(lì)信號(hào)下，改變Eb 就可改變導(dǎo)通角的大小。,20,圖3-3 折線(xiàn)法分析非線(xiàn)性電路電流電壓波形,21,1）采用折線(xiàn)近似分析法 ic是周期性余弦脈沖電流。 2）余弦特征的表達(dá)峰值Icmax ,導(dǎo)通角 3）余弦特征的分解直流成分、基波及 2、3、 n次諧波 。,3.余弦脈沖電流的分析,22,周期性余弦脈沖電流可用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)。為此，需要求得余弦脈沖電流的幅度Icmax 。將式（3-4）代入式（3-3）得到,（3-3）,（3-4）,23,當(dāng),時(shí)，電流 ic 為最大值，以Icmax表示,

7、這樣電流 ic又可寫(xiě)成,(3-5),(3-6),24,電流 ic 的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為,(3-7),其中，ic 直流分量為,(3-8),25,基波分量幅值為,(3-9),對(duì)于 n 次諧波的幅值為,(3-10),上述各式都包含兩部分，一部分是最大電流 Icmax ，另一部分是以 為變量的函數(shù)。,26,對(duì)應(yīng)于直流分量、基波分量，n 次諧波分量的函數(shù)，分別用 、 、 表示，即,27,直流成分為 基波成分為 2次諧波為 、 、 稱(chēng)作余弦脈沖分解系數(shù)，它們是導(dǎo)通角 的函數(shù)。 為了使用方便，將幾個(gè)常用系數(shù)與 的關(guān)系繪制在圖3-4中。,28,圖3-4 余弦脈沖分解系數(shù)曲線(xiàn),29,、 的特點(diǎn) 1） 2） 當(dāng)

8、， ，,30,四、槽路電壓,1.波形基本正弦 條件1）槽路調(diào)諧于基波 2）QL 足夠高（QL =510）,31,2.電路分析 Rc抽頭部分諧振電阻,32,圖3-3 折線(xiàn)法分析非線(xiàn)性電路電流電壓波形,33,3.3 功率和效率,調(diào)諧功率放大器有如下五種功率需要考慮：,1.電源供給的直流功率PS ； 2.通過(guò)晶體管轉(zhuǎn)換的交流功率，即晶體管集電極輸出的 交流功率Po ； 3.通過(guò)槽路送給負(fù)載的交流功率,即RL 上得到的功率PL;,34,4.晶體管在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗功率，即晶體管損耗 功率PC ； 5.槽路損耗功率 PT。 以上五項(xiàng)功率的相互關(guān)系： 電源供給的功率PS ，一部分(PC)損耗在管子，使

9、管子發(fā)熱；另一部分(Po)轉(zhuǎn)換為交流功率，輸出給槽路。通過(guò)槽路一部分(PT)損耗在槽路線(xiàn)圈和電容中，另一部分(PL)輸出給負(fù)載RL。,35,圖3-5 調(diào)諧功率放大器中的功率關(guān)系,36,晶體管轉(zhuǎn)換能量的效率叫集電極效率，以 表示，其計(jì)算式為 (3-21),37,槽路將交流功率Po傳送給負(fù)載的效率，叫 槽路效率，以 表示，其計(jì)算式為 (3-22) 下面分析 、 與哪些因素有關(guān)，以便設(shè) 計(jì)出高效率的放大器。,38,電源供給功率PS和交流輸出功率Po可分別表 示為,1.集電極效率,（3-23）,（3-24）,39,集電極效率 為 (3-25) 上式說(shuō)明 與 、 成正比，前者是余弦脈沖基波分量和直流分量

10、分解系數(shù)之比，代表著集電極電流基波幅值與直流電流之比，所以這個(gè)比值叫集電極電流利用系數(shù)。因?yàn)?、 都是 的函數(shù)，所以它與負(fù)載、激勵(lì)大小及導(dǎo)通角有關(guān)。,40,討論： 不論由于上述什么原因使Ucm增大時(shí)，則 也增大，從而使 提高。 不過(guò) 也不能任意提高，因?yàn)樵诠茏訉?dǎo)通的某一瞬間，集電極電壓 uce下降的最小值為,41,，則 ，當(dāng)減小到一定程度（約為12V），晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。此后雖然Ucm仍可增大，ucemin進(jìn)一步減小，電壓利用系數(shù)也有所提高，但其變化緩慢極限為1。,42,一般管子飽和電壓可按1V計(jì)算，高頻時(shí)可適當(dāng)增大，例如，某放大區(qū)電源電壓 ，管子飽和壓降1V， 電壓利用系數(shù)為,43,根據(jù)以上

11、分析，在調(diào)整較好的調(diào)諧放大器中 對(duì)比，甲類(lèi)放大器 為180,查曲線(xiàn)可知 由此可見(jiàn)丙類(lèi)放大器的 比甲類(lèi)約高一倍， 這正是丙類(lèi)優(yōu)于甲類(lèi)的地方。,44,2.槽路效率,圖3-6是負(fù)載折算到槽路的等效回路， Um為回路兩端的電壓幅值。由圖可以看出， 負(fù)載功率PL是RL所吸收的功率，槽路損耗功 率PT是槽路空載電阻R0所吸收的功率；而集 電極輸出的基波功率Po相當(dāng)于總電阻R所吸收 的功率。這些功率都可用槽路電壓和各有關(guān) 電阻表示。即,45,2.槽路效率,圖3-6是負(fù)載折算到槽路的等效回路， Um為回路兩端的電壓幅值。由圖可以看出， 負(fù)載功率PL是RL所吸收的功率，槽路損耗功 率PT是槽路空載電阻R0所吸收

12、的功率；而集 電極輸出的基波功率Po相當(dāng)于總電阻R所吸收 的功率。這些功率都可用槽路電壓和各有關(guān) 電阻表示。即,46,圖3-6 負(fù)載折算到槽路的等效回路及其功率關(guān)系,47,將上兩式代入式（3-28）可得,（3-29）,48,上式表明， 決定于槽路的空載與有載品質(zhì)因數(shù)。Q0愈大，QL愈小，則 愈高。實(shí)際上，由于受到槽路元件質(zhì)量的限制，Q0不可能很大，一般只有幾十到幾百。QL也不能太小，否則槽路濾波效果太差，輸出波形不好，一般至少要 ，若 ， ，則 如果選用較好的L、C 元件，Q0 可再大些， 也可再高些，故在電路設(shè)計(jì)中 可按0.80.9估計(jì)。,49,知道了 和 ，就可以根據(jù)負(fù)載要求的 輸出功率P

13、L 計(jì)算晶體管損耗。,（3-30）,50,PC 是選用晶體管容量的依據(jù)。例如 ， 則 若PL =1W，則晶體管損耗PC=0.31W，所選用晶 體管功率容量必須大于此值。為留有余地，可選用 PCM =0.5W 的管子。 在甲類(lèi)放大器中，同樣容量的管子，理論上最高 輸出功率也只有0.25W ，同丙類(lèi)放大器相比要差4 倍之多。,51,綜上所述，為了盡可能利用小功率容量 的管子和電源，輸出較大的功率，應(yīng)力求 和 高。 高要適當(dāng)選取 ，電壓利用系數(shù) 盡可能大； 高，要求槽路空載品質(zhì)因數(shù)Q0 大，即應(yīng)選用低損耗的電感和電容元件。,52,為了討論調(diào)諧功率放大器不同工作狀態(tài) 對(duì)電壓、電流、功率和效率的影響，需

14、要對(duì) 調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。,3.4 調(diào)諧功率放大器的工作狀態(tài)分析,53,調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性是晶體管內(nèi) 部特性和外部特性結(jié)合起來(lái)的特性（即實(shí)際 放大器的工作特性）。晶體管內(nèi)部特性是無(wú) 載情況下，晶體管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。 晶體管外部特性是有載情況下，晶體管 輸入、輸出電壓（ ， ）同時(shí)變化時(shí)， ， 特性。,一、調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,54,放大區(qū)動(dòng)態(tài)特性由下列三個(gè)方程求得，即 內(nèi)部特性方程 (3-31) 外部特性方程 (3-32) 將 代入式（3-31），得 (3-33) 由于 則有,55,代入式（3-33）得 (3-34) 在回路參數(shù)、偏置、激勵(lì)、電源電壓確定后， 。它

15、表明放大器的動(dòng)態(tài)特性是一條直線(xiàn)， 只需找出兩個(gè)特殊點(diǎn)，就可把動(dòng)態(tài)線(xiàn)繪出。 例如，要確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q 和起始導(dǎo)通點(diǎn)B 。 對(duì)于靜態(tài)工作點(diǎn)Q，其特征是 ，代入式 （3-34）得,56,由于調(diào)諧功率放大器Eb 和 Uj 的值恒為正，所以ic 為負(fù)值。Q 點(diǎn)的坐標(biāo)（見(jiàn)圖3-7）為,57,對(duì)于起始導(dǎo)通點(diǎn)B,其特征是 ,代入式 （3-34）得 解方程得 此時(shí) ,晶體管剛好處于截止到導(dǎo)通的 轉(zhuǎn)折點(diǎn)，B點(diǎn)的坐標(biāo)為,58,圖3-7調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)特性,59,連Q,B點(diǎn)的直線(xiàn)并延長(zhǎng)與 相交于C 點(diǎn)，BC段就是晶體管處于放大區(qū)的動(dòng)態(tài)線(xiàn)。 由圖3-7可見(jiàn)，放大區(qū)的動(dòng)態(tài)特性，類(lèi)似于低頻 放大器的負(fù)載特性，但是與它有

16、著嚴(yán)格的區(qū)別。其 動(dòng)態(tài)線(xiàn)不僅是負(fù)載的函數(shù)，而且是導(dǎo)通角的函數(shù)。,60,從上式可以看出，調(diào)諧功率放大器的動(dòng)態(tài)電阻 不僅與導(dǎo)通角 有關(guān)，而且與等效負(fù)載電阻Rc有關(guān)。,丙類(lèi)放大器的動(dòng)態(tài)電阻是,61,二、調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài)及其判別方法,1.調(diào)諧功率放大器的三種工作狀態(tài) 根據(jù)調(diào)諧功率放大器在工作時(shí)是否進(jìn)入飽和區(qū)，可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過(guò)壓和臨界三種。,62,1)欠壓若晶體管在任何時(shí)刻都工作在放大狀態(tài)，稱(chēng)放大器工作在欠壓狀態(tài)； 2)臨界若剛剛進(jìn)入飽和區(qū)的邊緣，稱(chēng)放大器工作在臨界狀態(tài)； 3)過(guò)壓若晶體管工作時(shí)有部分時(shí)間進(jìn)入飽和區(qū)，則稱(chēng)放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。,63,2. 工作狀態(tài)的判別方法,

17、(欠壓) (臨界) (過(guò)壓),64,三、 Rc 、Ec 、Eb 和Ubm變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響,因?yàn)?所以放大器的這三種工作狀態(tài)取決于 集電極等效負(fù)載電阻 Rc 電源電壓Ec 偏置電壓Eb 激勵(lì)電壓幅值Ubm,65,當(dāng)調(diào)諧功率放大器的電源電壓、偏置電壓和激勵(lì)電壓幅值一定后，放大器的集電極電流，槽路電壓、輸出功率、效率隨晶體管等效負(fù)載電阻的變化特性被稱(chēng)做調(diào)諧功率放大器的負(fù)載特性。 圖3-8表示在三種不同負(fù)載電阻Rc 時(shí)，作出的三條不同動(dòng)態(tài)特性QA1 ,QA2 , QA3A3,1. Rc變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響 調(diào)諧功放的負(fù)載特性,66,圖3-8不同負(fù)載電阻時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,67,其中QA1 對(duì)

18、應(yīng)于欠壓狀態(tài)， QA2 對(duì)應(yīng)于臨界狀態(tài)， QA3 A3 對(duì)應(yīng)于過(guò)壓狀態(tài)。,68,圖3-9 放大器的負(fù)載特性曲線(xiàn),69,（1）欠壓狀態(tài) ， Ucm 幾乎隨R c成正比增加； 可見(jiàn)輸出功率Po 隨R c增大而增加； 接近常量； 隨R c增大而增加； 隨R c增大而減小。,1）不同工作狀態(tài)下，電流、電壓 、功率、效率與 RL的關(guān)系,70,（2）過(guò)壓狀態(tài)( ) 輸出功率Po 隨 R c增大而減小。 在臨界狀態(tài)Po 最大。 PS ，PC ， 自行分析。,71,結(jié)論：,臨界狀態(tài)時(shí)，放大器輸出功率Po最 大，效率也較高。一般調(diào)諧功率放大器 工作在臨界狀態(tài)、弱過(guò)壓狀態(tài)比較好。,72,73,2）阻抗匹配,在一定

19、 Ec、Ubm下 ,調(diào)整Rc,使Rc=Rcp使放大器工作在臨界狀態(tài),可獲得最大的輸出功率Po 和高的效率 。符合此條件叫“阻抗匹配”。,74,2. Ec變化對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響 調(diào)諧功放的集電極調(diào)制特性,集電極調(diào)制特性是指當(dāng)Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能隨集電極電源電壓Ec 變化的特性。 當(dāng)Ec改變時(shí)，放大器工作狀態(tài)的變化如圖3-10示。,75,因?yàn)镽c不變，動(dòng)態(tài)負(fù)載特性曲線(xiàn)的斜率不變。又因?yàn)镋b、Ubm不變，ubemax = Ubm - Eb也不變，因而，對(duì)應(yīng)于ucemin的動(dòng)態(tài)點(diǎn)必定在的那條輸出特性曲線(xiàn)上移動(dòng)。,76,Ec 變化，ucemin 也隨之變化。使得ucemin和Uc

20、m的相對(duì)大小發(fā)生變化。 當(dāng)Ec較大時(shí)， ucemin 具有較大數(shù)值， ucemin Uces ，放大器工作在欠壓狀態(tài)。 隨著Ec減小，ucemin 也減小，當(dāng)ucemin=Uces ，放大器工作在臨界狀態(tài)。 Ec再減小, ucemin Uces 時(shí)，放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。,77,圖3-10 Ec改變時(shí)對(duì)工作狀態(tài)的影響,78,Ec =Ec2 時(shí)，放大器工作在臨界狀態(tài)； Ec Ec2 時(shí)，放大器工作在欠壓狀態(tài)； Ec Ec2 時(shí)，放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)。 即當(dāng)Ec由大變小時(shí)，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)壓，ic波形也由余弦脈沖波形變?yōu)橹虚g出現(xiàn)凹陷的脈沖波。可見(jiàn)Ec控制ic波形的變化。,79,由于Ec控制ic 波形的變化，Ic1m、Ic0以及Ucm=Ic1mRc 也同樣隨Ec變化而變化。如圖3-11所示。 這是集電極調(diào)制特性。該特性是晶體管集電極調(diào)幅的理論依據(jù)。 由圖可見(jiàn)，只有在過(guò)壓狀態(tài)Ec對(duì)Ucm才能有較大的控制作用，所以集電極調(diào)幅應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)。,80,圖3-11 集電極調(diào)制特性,81,基極調(diào)制特性是指當(dāng)Ec、Ubm、