第2章 谐振功率放大器精选PPT.ppt

第第2章章 谐振功率放大器谐振功率放大器第1页，此课件共41页哦 三个最主要的技术指标。三个最主要的技术指标。三个最主要的技术指标。三个最主要的技术指标。因此，高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶因此，高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状体管集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。态。同时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，同时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用采用采用采用LCLC谐振回路作为选频网络谐振回路作为选频网络谐振回路作为选频网络谐振回路作为选频网络，故称为，故称为丙类谐振功率放大丙类谐振功率放大丙类谐振功率放大丙类谐振功率放大电路电路电路电路。输出功率（大）输出功率（大）效率（高）效率（高）非线性失真（小）非线性失真（小）第2页，此课件共41页哦 本章着重讨论本章着重讨论丙类谐振功放的工作原理、动态特性和丙类谐振功放的工作原理、动态特性和丙类谐振功放的工作原理、动态特性和丙类谐振功放的工作原理、动态特性和电路组成。电路组成。电路组成。电路组成。2.1 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2.1.1 2.1.1 丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器第3页，此课件共41页哦 、：输出并联谐振回路：输出并联谐振回路（作用：选频与阻抗匹配）（作用：选频与阻抗匹配）、：高频旁路电容与隔直作用：高频旁路电容与隔直作用 为了实现丙类工作，基极偏置电压为了实现丙类工作，基极偏置电压 应设置在功率管的截止区内应设置在功率管的截止区内（通常为负值）。（通常为负值）。在静态转移特性曲线上画出的集电极电流波形是周期性的脉冲序在静态转移特性曲线上画出的集电极电流波形是周期性的脉冲序列，其宽度小于列，其宽度小于180180度。利用傅立叶级数的理论，将其分解为平均分量度。利用傅立叶级数的理论，将其分解为平均分量（直流）、基波分量和各次谐波分量之和。即（直流）、基波分量和各次谐波分量之和。即第4页，此课件共41页哦 甲、乙、丙三种工作状态下的转移特性分析甲、乙、丙三种工作状态下的转移特性分析 第5页，此课件共41页哦 由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率 上，所以它对上，所以它对 中中的基波分量呈现最大阻抗，且为纯电阻，称之为谐振电阻，在高的基波分量呈现最大阻抗，且为纯电阻，称之为谐振电阻，在高QQ值回值回路中，路中，为回路总电容为回路总电容为回路总电容为回路总电容,为回路谐振角频率为回路谐振角频率为回路谐振角频率为回路谐振角频率,为回路有载品质因数为回路有载品质因数为回路有载品质因数为回路有载品质因数。第6页，此课件共41页哦 谐振回路对谐振回路对 中的其他分量呈现的阻抗很小，所以产生的电压可忽中的其他分量呈现的阻抗很小，所以产生的电压可忽略。所以略。所以 的波形为余弦波的波形为余弦波（其中（其中）在此，谐振回路起到了选频和阻抗匹配的双重作用。在此，谐振回路起到了选频和阻抗匹配的双重作用。为了进一步提高效率，可以采用为了进一步提高效率，可以采用开关工作的谐振功率放大器开关工作的谐振功率放大器开关工作的谐振功率放大器开关工作的谐振功率放大器，即，即丁类丁类丁类丁类谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器。2.1.2*2.1.2*丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器第7页，此课件共41页哦 丁类谐振功率放大器原理电路及其波形丁类谐振功率放大器原理电路及其波形丁类谐振功率放大器原理电路及其波形丁类谐振功率放大器原理电路及其波形第8页，此课件共41页哦 功率与效率功率与效率功率与效率功率与效率第9页，此课件共41页哦 2.1.3 2.1.3 倍频器倍频器倍频器倍频器 1.1.倍频器类型倍频器类型倍频器类型倍频器类型 晶体管倍频器（几十晶体管倍频器（几十MHMHz z以下）以下）参量倍频（参量倍频（100100兆周以上）兆周以上）2 2.晶体管倍频原理电路及其特点晶体管倍频原理电路及其特点晶体管倍频原理电路及其特点晶体管倍频原理电路及其特点 电路与丙类谐振功放相似电路与丙类谐振功放相似 ，不同点在于，不同点在于 谐振在谐振在上。上。特点：谐振在特点：谐振在 上，上，n n 不宜过大，否则电流太小；不宜过大，否则电流太小；LCLC选频网络选频网络选出选出 分量，滤除大于或小于分量，滤除大于或小于 的分量，的分量，要求滤波条件苛刻。要求滤波条件苛刻。n n 一般采取一般采取2 2或或3 3，不宜过大。，不宜过大。高的倍频可以用高的倍频可以用 n n 个二倍频或三倍频电路级连。个二倍频或三倍频电路级连。第10页，此课件共41页哦 2.2 谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点2.2.1 2.2.1 近似分析方法近似分析方法近似分析方法近似分析方法准静态分析法准静态分析法准静态分析法准静态分析法 假设一：放大器输入和输出端均接有谐振回路，且具有理想的滤波假设一：放大器输入和输出端均接有谐振回路，且具有理想的滤波特性。所以，基极和集电极电压均为余弦，其管外特性方程为特性。所以，基极和集电极电压均为余弦，其管外特性方程为 假设二：管子的特性用输入和输出静态特性曲线表示，忽略其高频假设二：管子的特性用输入和输出静态特性曲线表示，忽略其高频效应。（注意：将输出特性曲线上的参变量通过输入特性曲线由效应。（注意：将输出特性曲线上的参变量通过输入特性曲线由 转转换成换成 。）。）第11页，此课件共41页哦 谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法第12页，此课件共41页哦 动态线动态线动态线动态线由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段构成，由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段构成，动态线动态线与横轴交在小于与横轴交在小于V VCCCC地方（因导通角小于地方（因导通角小于180180度度），），集电极电流是一集电极电流是一集电极电流是一集电极电流是一串串串串余弦余弦余弦余弦脉冲脉冲脉冲脉冲。用傅立叶级数对集电极脉冲电流进行分解，求出其平均分量用傅立叶级数对集电极脉冲电流进行分解，求出其平均分量 和和基波分量振幅基波分量振幅 ，进而求得，进而求得 集电极谐振回路谐振电阻集电极谐振回路谐振电阻集电极谐振回路谐振电阻集电极谐振回路谐振电阻 直流电源提供功率直流电源提供功率直流电源提供功率直流电源提供功率 输出信号功率输出信号功率输出信号功率输出信号功率 集电极耗散功率集电极耗散功率集电极耗散功率集电极耗散功率 集电极效率集电极效率集电极效率集电极效率第13页，此课件共41页哦 四个电量四个电量 、的变化对集电极电流脉冲波形均会产的变化对集电极电流脉冲波形均会产生影响，从而生影响，从而 及其它功率参数也会发生相应的变化。及其它功率参数也会发生相应的变化。下面讨论这四个电量是如何影响放大器性能的。下面讨论这四个电量是如何影响放大器性能的。2.2.2 2.2.2 欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态 讨论讨论 、一定时，改变一定时，改变 对集电极电流脉冲波形及对集电极电流脉冲波形及数值的影响。数值的影响。集电极电流脉冲的宽度主要取决于集电极电流脉冲的宽度主要取决于 和和 的大小，当的大小，当 和和一定时，集电极电流脉冲的宽度近似一定，几乎不随一定时，集电极电流脉冲的宽度近似一定，几乎不随 的大小而变化。的大小而变化。但波形的形状会产生一定的变化。但波形的形状会产生一定的变化。第14页，此课件共41页哦 第15页，此课件共41页哦 工作状态的划分方法工作状态的划分方法工作状态的划分方法工作状态的划分方法结论：结论：结论：结论：动态线动态线由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段构成，由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段构成，动态动态线与横轴交在小于线与横轴交在小于V VCCCC地方（因导通角小于地方（因导通角小于180180度度）；）；集电极电流集电极电流是一是一串串余弦脉冲（或一串凹陷脉冲）；余弦脉冲（或一串凹陷脉冲）；过压状态过压状态电流出现凹陷原因电流出现凹陷原因是集电极负载是谐振回路所致。是集电极负载是谐振回路所致。第16页，此课件共41页哦 根据傅立叶级数理论，根据傅立叶级数理论，中的平均分量中的平均分量 和基波分量振幅和基波分量振幅 分别表示为分别表示为 所以，所以，脉冲越宽，高度越高，脉冲越宽，高度越高，和和 就越大，就越大，出现出现凹陷时，凹陷越深，凹陷时，凹陷越深，和和 就越小。就越小。第17页，此课件共41页哦 2.2.3 2.2.3 四个电压量对性能影响的定性讨论四个电压量对性能影响的定性讨论四个电压量对性能影响的定性讨论四个电压量对性能影响的定性讨论一、负载特性一、负载特性一、负载特性一、负载特性 定义：若定义：若 、不变，放大器随不变，放大器随 变化的特性。变化的特性。第18页，此课件共41页哦 由小增大时，放大器由欠压进入由小增大时，放大器由欠压进入 过压状态，相应的过压状态，相应的 由余弦脉冲变为由余弦脉冲变为 中间凹陷的脉冲波。中间凹陷的脉冲波。I Ic1mc1m、I IC0C0在欠压区下降慢，在过压区明显在欠压区下降慢，在过压区明显 下降；下降；V Vcmcm变化趋势却相反。变化趋势却相反。结论：结论：结论：结论：如果如果如果如果 的取值使管子工作在临界的取值使管子工作在临界的取值使管子工作在临界的取值使管子工作在临界 状态，则状态，则状态，则状态，则 最大，最大，最大，最大，较大，较大，较大，较大，较小，较小，较小，较小，放大器接近最佳性能。通常将相应的值放大器接近最佳性能。通常将相应的值放大器接近最佳性能。通常将相应的值放大器接近最佳性能。通常将相应的值 称为谐振功率放大器的匹配负载，用称为谐振功率放大器的匹配负载，用称为谐振功率放大器的匹配负载，用称为谐振功率放大器的匹配负载，用 表示。表示。表示。表示。负载特性负载特性负载特性负载特性第19页，此课件共41页哦 二、调制特性二、调制特性二、调制特性二、调制特性 集电极调制特性集电极调制特性集电极调制特性集电极调制特性 定义：若定义：若定义：若定义：若 、不变，放大器随不变，放大器随不变，放大器随不变，放大器随 的变化特性。的变化特性。的变化特性。的变化特性。第20页，此课件共41页哦 调制特性曲线调制特性曲线结论：结论：欲想改变欲想改变 能有效控制能有效控制 实现集电实现集电极调制极调制，则放大器应，则放大器应工作在过压状态；工作在过压状态；集电极调制特性集电极调制特性是实现集电极调幅的原是实现集电极调幅的原理依据。理依据。第21页，此课件共41页哦 基极调制特性基极调制特性基极调制特性基极调制特性 定义：若定义：若定义：若定义：若 、不变，放大器随不变，放大器随不变，放大器随不变，放大器随 的变化特性。的变化特性。的变化特性。的变化特性。第22页，此课件共41页哦 结论：结论：结论：结论：改变改变改变改变 欲想有效控制欲想有效控制欲想有效控制欲想有效控制 实现实现实现实现基极调制基极调制基极调制基极调制，则放大器应工作在，则放大器应工作在，则放大器应工作在，则放大器应工作在欠欠欠欠 压状态压状态压状态压状态；基极调制特性基极调制特性基极调制特性基极调制特性是实现基极调幅的是实现基极调幅的是实现基极调幅的是实现基极调幅的 原理依据。（因基极调幅非线性失真原理依据。（因基极调幅非线性失真原理依据。（因基极调幅非线性失真原理依据。（因基极调幅非线性失真 大；需激励信号功率大；所以一般不大；需激励信号功率大；所以一般不大；需激励信号功率大；所以一般不大；需激励信号功率大；所以一般不 采用）采用）采用）采用）调制特性曲线调制特性曲线第23页，此课件共41页哦 集电极调幅与基极调幅集电极调幅与基极调幅集电极调幅与基极调幅集电极调幅与基极调幅 调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性a)a)集电极调幅电路：集电极调幅电路：；丙类谐振功放的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。丙类谐振功放的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。丙类谐振功放的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。丙类谐振功放的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。第24页，此课件共41页哦 第25页，此课件共41页哦 b)b)基极调幅电路基极调幅电路 丙类谐振功放的基极调制是基极调幅的原理依据。丙类谐振功放的基极调制是基极调幅的原理依据。丙类谐振功放的基极调制是基极调幅的原理依据。丙类谐振功放的基极调制是基极调幅的原理依据。第26页，此课件共41页哦 三、放大特性三、放大特性三、放大特性三、放大特性定义：若定义：若定义：若定义：若V VCCCC、V VBBBB、R Re e不变，放大器随不变，放大器随不变，放大器随不变，放大器随V Vbmbm变化特性。变化特性。变化特性。变化特性。第27页，此课件共41页哦 画出放大特性曲线画出放大特性曲线 结论结论结论结论:欲想改变欲想改变欲想改变欲想改变V Vbmbm有效控制有效控制有效控制有效控制V Vcmcm实现放大实现放大实现放大实现放大，则放大器，则放大器，则放大器，则放大器应工作在欠压状态应工作在欠压状态应工作在欠压状态应工作在欠压状态；它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）。它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）。它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）。它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）。欲想改变欲想改变欲想改变欲想改变V Vbmbm，使，使，使，使V Vcmcm基本不变基本不变基本不变基本不变实现限幅实现限幅实现限幅实现限幅，则放大器应，则放大器应，则放大器应，则放大器应工作在过压状态工作在过压状态工作在过压状态工作在过压状态。第28页，此课件共41页哦 2.3 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 在谐振功率放大器中，其管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络在谐振功率放大器中，其管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两部分组成。两部分组成。2.3.1 2.3.1 直流馈电电路直流馈电电路直流馈电电路直流馈电电路馈电原则：馈电原则：馈电原则：馈电原则：对直流呈短路对直流呈短路 对基波分量呈现最大阻抗对基波分量呈现最大阻抗 对其他谐波分量基本呈现短路对其他谐波分量基本呈现短路 集电极馈电电路集电极馈电电路 按电流流通路径划分馈电电路形式按电流流通路径划分馈电电路形式 基极馈电电路基极馈电电路一、集电极馈电（串馈、并馈）一、集电极馈电（串馈、并馈）一、集电极馈电（串馈、并馈）一、集电极馈电（串馈、并馈）若功率管若功率管 C-EC-E结、结、V VCCCC 、LCLC回路三者是串联（或并联），则称为回路三者是串联（或并联），则称为集电极串馈（或并馈）电路。集电极串馈（或并馈）电路。第29页，此课件共41页哦 集电极串、并馈电路形式集电极串、并馈电路形式集电极串、并馈电路形式集电极串、并馈电路形式第30页，此课件共41页哦 串并馈电电路的异同点：串并馈电电路的异同点：串并馈电电路的异同点：串并馈电电路的异同点：i i 共同点共同点共同点共同点：供电效果相同，即具有相同的直流通路。供电效果相同，即具有相同的直流通路。ii ii 不同点不同点不同点不同点：并馈并馈并馈并馈：LC LC 回路两端均是直流低电位端，且有一端接地；回路两端均是直流低电位端，且有一端接地；串馈串馈串馈串馈：LC LC 回路两端均是直流高电位端，且没有一端接地；回路两端均是直流高电位端，且没有一端接地；馈电附加元件（馈电附加元件（L LC C、C CC C ）并馈并馈并馈并馈：L LC C、C CC C 加在加在LC LC 回路高电位端，造成分布参数并回路高电位端，造成分布参数并 到到LC LC 回路上，影响频率稳定。回路上，影响频率稳定。串馈串馈串馈串馈：L LC C、C CC C 加在加在LC LC 回路低电位端，不影响频率稳定。回路低电位端，不影响频率稳定。第31页，此课件共41页哦 二、基极馈电（串馈、并馈）二、基极馈电（串馈、并馈）二、基极馈电（串馈、并馈）二、基极馈电（串馈、并馈）若功率管的发射结、若功率管的发射结、v vi i、V VBBBB三者是串联（或并联），则称为基极串三者是串联（或并联），则称为基极串馈（或并馈）电路。馈（或并馈）电路。常用基极馈电电路常用基极馈电电路第32页，此课件共41页哦 自给反偏压电路的作用自给反偏压电路的作用自给反偏压电路的作用自给反偏压电路的作用 放大器中引入自给反偏压是稳定工作点。放大器中引入自给反偏压是稳定工作点。丙类谐振功放引入基极自给反偏压是稳定工作状态，克服非线性失真。丙类谐振功放引入基极自给反偏压是稳定工作状态，克服非线性失真。振荡器中自给偏压的作用是稳定输出电压的振幅。振荡器中自给偏压的作用是稳定输出电压的振幅。切不可在乙类变压器耦合推挽功率放大电路或线性谐振功率放大电路中切不可在乙类变压器耦合推挽功率放大电路或线性谐振功率放大电路中加自给反偏压电路，否则可能导致非线性失真。加自给反偏压电路，否则可能导致非线性失真。2.3.2 2.3.2 滤波匹配网络滤波匹配网络滤波匹配网络滤波匹配网络 对输出匹配网络的要求对输出匹配网络的要求对输出匹配网络的要求对输出匹配网络的要求 将外接将外接将外接将外接R RL L 转化成功率管集电极要求的匹配负载转化成功率管集电极要求的匹配负载转化成功率管集电极要求的匹配负载转化成功率管集电极要求的匹配负载R Re e。选出基波分量，滤除谐波分量。选出基波分量，滤除谐波分量。选出基波分量，滤除谐波分量。选出基波分量，滤除谐波分量。将功率管给出的信号功率高效率地传送到外接负载上。将功率管给出的信号功率高效率地传送到外接负载上。将功率管给出的信号功率高效率地传送到外接负载上。将功率管给出的信号功率高效率地传送到外接负载上。设计设计设计设计 LC LC 匹配网络的基本依据匹配网络的基本依据匹配网络的基本依据匹配网络的基本依据 串并支路阻抗变换公式串并支路阻抗变换公式串并支路阻抗变换公式串并支路阻抗变换公式第33页，此课件共41页哦 常用匹配网络设计常用匹配网络设计常用匹配网络设计常用匹配网络设计 i L i L 形匹配网络形匹配网络 定义：用两个异型电抗连接成定义：用两个异型电抗连接成 L L 形形第34页，此课件共41页哦 结构：结构：设计举例：（如图所示设计举例：（如图所示L L形网络，已知形网络，已知 ，且，且 ，求，求x xs s、x xp p）第35页，此课件共41页哦 第36页，此课件共41页哦 ii ii 形匹配网络设计形匹配网络设计 定义：用两个同性抗和一个异性抗连接成定义：用两个同性抗和一个异性抗连接成 形网络。形网络。结构：结构：设计实现的条件设计实现的条件 （a a）变换原则变换原则 型变成二个型变成二个L L形形 第二个第二个 LL形形把把 R RLL变换为假想电阻变换为假想电阻 R Rs s 第一个第一个 LL形形把把 R RSS变换为匹配电阻变换为匹配电阻 R Re e第37页，此课件共41页哦（b b）设计方法已知：设计方法已知：R RL L、R Re e ，求，求结论：结论：实现条件：实现条件：；已知已知 、确定，但确定，但 、不是唯一的选择，可以合理组合不是唯一的选择，可以合理组合使使 达到最佳状态的匹配网络，所以达到最佳状态的匹配网络，所以 型网络得到广泛应用。型网络得到广泛应用。第38页，此课件共41页哦 iii Tiii T形匹配网络设计形匹配网络设计 定义：用两个同性质的电抗与一个异定义：用两个同性质的电抗与一个异形电形电抗连接成抗连接成T T形形网络网络 结构形式：结构形式：设计与实现条件：设计与实现条件：a a）设计原则设计原则 若串臂为两个同性电抗，则并臂分成若串臂为两个同性电抗，则并臂分成 T T形形两个两个L L形形两个同性电抗两个同性电抗若半臂为异性电抗，则并臂分成两个异性电抗若半臂为异性电抗，则并臂分成两个异性电抗 第二个第二个L L形形假想电阻假想电阻R Rp p 第一个第一个L L形形匹配电阻匹配电阻 R RS S第39页，此课件共41页哦 b b）设计方法：已知设计方法：已知 R RL L、R Re e ，求，求 、结论：结论：实现条件：实现条件：；已知已知 、确定，但确定，但 、不是唯一的选择，可以合理组合，使不是唯一的选择，可以合理组合，使 达到最佳状态、所以滤波性能好，得到了广泛应用。达到最佳状态、所以滤波性能好，得到了广泛应用。第40页，此课件共41页哦 谐振功放应用实例谐振功放应用实例谐振功放应用实例谐振功放应用实例例一例一 50MHz50MHz，25W25W谐振功放谐振功放 例二例二160MHz160MHz，10W10W谐振功放谐振功放第41页，此课件共41页哦