高频谐振功率放大器.ppt
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1、第第4章章 高频谐振高频谐振功率放大器功率放大器2008-12-94.1 概述概述4.2 高频谐振功率放大器的工作原理高频谐振功率放大器的工作原理4.3 高频谐振功率放大器的实际电路高频谐振功率放大器的实际电路4.1 概述概述 高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中,高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中,对高频载波或高频已调波进行功率放大。对高频载波或高频已调波进行功率放大。目的:能够使电信号能够有效地进行远距离传输目的:能够使电信号能够有效地进行远距离传输特点:高频、大信号、非线性工作特点:高频、大信号、非线性工作要求:输出功率大、转换效率高要求:输出功率大、转换效率高窄带高频功率
2、放大器:以谐振回路为负载,所以又称窄带高频功率放大器:以谐振回路为负载,所以又称 谐振功率放大器谐振功率放大器宽带高频功率放大器:采用非选频性负载,如传输线宽带高频功率放大器:采用非选频性负载,如传输线 变压器或其他宽带匹配电路变压器或其他宽带匹配电路分析方法:折线法近似分析分析方法:折线法近似分析谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处:它们放大的信号均为高频信号,而且放大相同之处:它们放大的信号均为高频信号,而且放大 器器的负载均为谐振回路。的负载均为谐振回路。不同之处:激励信号幅度大小不同;放大器工作点不同;不同之处:激励信号幅度大小不
3、同;放大器工作点不同;晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。高频功率放大器和低频功率放大器的共同高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是特点都是输出功率大和效率高输出功率大和效率高。联想对比:联想对比:功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直流能量转化为交流能量,能量转换的能力供给的直流能量转化为交流能量,能量转换的能力即为功率放大器的效率。即为功率放大器的效率。小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图工作状态工作状态 功率放大器一般分为功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙甲类、乙类、甲乙类
4、、丙类类等工作方式,为了进一步提高工作效率还提出了等工作方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类丁类与与戊类戊类放大器。放大器。谐振功率放大器通常工作于谐振功率放大器通常工作于丙类丙类工作状态,属于非线工作状态,属于非线性电路。性电路。功率放大器的主要技术指标是功率放大器的主要技术指标是输出功率输出功率与与效率。效率。4.2 高频谐振功率放大器的工作原理高频谐振功率放大器的工作原理特点:特点:1、NPN高频大功率晶体管,高频大功率晶体管,高高fT;改变改变UBB可以改变放可以改变放大器的工作类型;大器的工作类型;2、大信号激励:大信号激励:12V;3、发射结在一个周期内只发射结在一个周期内只有
5、部分时间导通,有部分时间导通,iB、iC均均为一系列高频脉冲;为一系列高频脉冲;4、谐振回路作负载可以滤、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流除高频脉冲电流iC中的谐波中的谐波分量,同时实现阻抗匹配。分量,同时实现阻抗匹配。组成:组成:BJT、LC谐振回路、馈电电源谐振回路、馈电电源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT4.2.1 基本电路构成基本电路构成4.2.2 工作原理及性能指标工作原理及性能指标分析与计算大大简化,但误差也大;分析与计算大大简化,但误差也大;理论分析与计算只是为电路参数的选择与调整提理论分析与计算只是为电路参数的选择与调整提供依据与指导,实际电路工作时需要调整。
6、供依据与指导,实际电路工作时需要调整。uCE0ic输出特性输出特性uBE0ibUD输输入入特特性性转转移移特特性性uBE0icUDgm一、特性曲线的折线化:一、特性曲线的折线化:二、各极电流、电压波形:二、各极电流、电压波形:uBEib tUimUBBUD-uBEib t-t-icuBEic t-图解可见,图解可见,iB和和iC的都是余弦脉冲的都是余弦脉冲,定义定义为为半导通角半导通角,三极管,三极管只在(只在(,)内导通内导通,当,当90o时,功率放大器工作时,功率放大器工作于于丙类状态丙类状态。iC t-0ic1Ic1m t0ucUc1m t0 tuCE1UCC0Uc1mic余弦脉冲展开为
7、傅立叶余弦脉冲展开为傅立叶级数:级数:将将 当当iC流过流过LC谐振回路时,在回路两端谐振回路时,在回路两端产生电压产生电压uC。由于谐振回路的选频特性,由于谐振回路的选频特性,uC中只有基波分量幅度最大中只有基波分量幅度最大,其它频率的,其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。信号电压幅度较小可以忽略。设设Re并联回路谐振时的等效负载并联回路谐振时的等效负载电阻电阻,包括,包括BJT的输出电导和等效的的输出电导和等效的RL。从图中可以看出,丙类高频谐振功放从图中可以看出,丙类高频谐振功放由于选频作用,即使由于选频作用,即使iC是不连续的脉冲电是不连续的脉冲电流,在流,在谐振回路两端也会得到余弦电
8、压谐振回路两端也会得到余弦电压。还可以利用选频特性得到倍频器。还可以利用选频特性得到倍频器。如果振荡回路的如果振荡回路的 0=n,则在回路两端可得则在回路两端可得到频率为到频率为n 的电压的电压:u0=Umcosn t;相当于实现了相当于实现了对输入信号的对输入信号的n倍频。倍频。高频功率放大器中各分电压与电流的关系高频功率放大器中各分电压与电流的关系12ic余弦脉冲的分解余弦脉冲的分解icicmax-/2-/2 tIMIMcos 其中其中 0()、1()、n()为谐波分解系数;为谐波分解系数;另定义另定义 1=Ic1m/Ic0=1()/0()为波形系数为波形系数,随,随 减小而增大。减小而增
9、大。/1/0=1 0 1 2 30,1,2,32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170三、高频功放中的能量关系与效率:三、高频功放中的能量关系与效率:2)集电极电源提供功率:)集电极电源提供功率:1)集电极输出功率:)集电极输出功率:3)集电极损耗功率:)集电极损耗功率:4)集电极效率:)集电极效率:5)对效率的影对效率的影响响电压利用系数电压利用系数 c=Uc1m/UCC,c1,1 随随 而变化;而变化;乙类乙类功放功放:=/2 ,1=/2,max=/4=78.5%;丙类功放丙类功放:/2 ,减小,减小 ,1 提高,提
10、高,c提高;但是提高;但是 很小很小时,时,1提高不多,输出功率却降低很多。故提高不多,输出功率却降低很多。故 通常选在通常选在60o90o之间。之间。乙类乙类理想理想 c=16)交流电源提供的功率称为)交流电源提供的功率称为放大器的激励放大器的激励功率:功率:7)功率放大倍数:功率放大倍数:v丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的负载?谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上?负载?谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上?v答:这是因为放大器工作在丙类状态时,其集电极答:这是因为放大器工作在丙类状态时,其集电极电流将是失真严重的脉冲波形,如果采用非
11、调谐负电流将是失真严重的脉冲波形,如果采用非调谐负载,将会得到严重失真的输出电压,因此必须采用载,将会得到严重失真的输出电压,因此必须采用谐振回路作为集电极的负载。谐振回路作为集电极的负载。v调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集电极电流脉冲中的谐波分量滤除,取出其基波分量,电极电流脉冲中的谐波分量滤除,取出其基波分量,从而得到不失真的输出电压。从而得到不失真的输出电压。v例:已知谐振功率放大器例:已知谐振功率放大器V VCCCC20V20V,I Ic0c0250mA250mA,P Po o4W4W,U Ucmcm0.9V0.9VCCCC,试求
12、该放大器的,试求该放大器的P PE E、P Pc c、C C和和I Ic1mc1m为多少?为多少?解:解:P PE E=V=VCCCCI Ic0c020200.25=5W0.25=5W P Pc c=P=PE EP Po o=5=54=1W4=1W C C=P=Po o/P/PE E=4/5=80%=4/5=80%U Ucmcm0.9V0.9VCCCC=0.9=0.920=18V20=18V I Ic1mc1m2P2Po o/U Ucmcm2 24/18444.4mA4/18444.4mAv例:已知谐振功率放大器输出功率例:已知谐振功率放大器输出功率P Po o4W4W,C C6060,V V
13、CCCC20V20V,试求,试求P Pc c和和I Ic0c0。若保持。若保持P Po o不变,将不变,将C C提高到提高到8080,试问,试问P Pc c和和I Ic0c0减小多少?减小多少?解:解:P Po o4W4W,C C6060,V VCCCC20V20V,则,则 P PE E=P Po o/C C=4/0.66.67W=4/0.66.67W P Pc c=P PE E P Po o=6.67=6.674=3.67W4=3.67W I Ic0c0=P PE E/V VCCCC=6.67/20=6.67/20(A A)333.3mA333.3mA若保持若保持P Po o不变,将不变,将
14、C C提高到提高到8080 ,则,则 P Pc c=P PE EP Po o=P Po o/C CP Po o=4/0.8=4/0.84=54=54=1W4=1W P Pc c=P Pc c P Pc c=3.673.671=2.67W1=2.67WI Ic0 c0=I Ic0 c0 I Ic0c0=6.67/206.67/20 5/205/20=0.0830.083(A A)=83mA=83mA3点法作图:点法作图:t=0,uBE=UBB+Uim;uCE=UCC-Uc1m 得到得到C点点 t=/2,uBE=UBB;uCE=UCC 得到得到 B点点 t=,uBE=UBB-Uim 串联电阻串联电
15、阻Rs。图(图(a)中中求得:求得:(只适于(只适于ReRL的情况)的情况)图(图(b)中中求得求得:(只适于(只适于ReRL的情况)的情况)三、三种不同形式的匹配网络三、三种不同形式的匹配网络RLReCL(Xs)ReCL(Xp)(a)RLReC(Xp)L ReC(Xs)L(b)1、L型网络型网络(a)型网络型网络XsXs1Xs2RLRLXpXp1Xp2(b)T型网络型网络2、型和型和型网络型网络C1C245pFCcC3C410pFLb280 HL1L2VT50 50 17pF16 H0.01 F97 H16pFUCC (28V)Lc280 H4.3.3 高频功率放大器的实际电路高频功率放大器
16、的实际电路4.4 丁类高频功率放大器简介丁类高频功率放大器简介 在丙类高频功放中,提高集电极效率是靠减小集在丙类高频功放中,提高集电极效率是靠减小集电极电流的导通角实现的,但这样同时会减小输出功电极电流的导通角实现的,但这样同时会减小输出功率。丁类功率放大器的晶体管工作于率。丁类功率放大器的晶体管工作于开关状态开关状态,管子,管子导通时进入饱和区,器件内阻接近于导通时进入饱和区,器件内阻接近于0,截止时电流,截止时电流为为0,这样可以使集电极功耗大为减小,效率大大提,这样可以使集电极功耗大为减小,效率大大提高。丁类功放分为高。丁类功放分为电流开关型电流开关型和和电压开关型电压开关型两种电路。两
17、种电路。下面以电压开关型电路为例,简要说明丁类功下面以电压开关型电路为例,简要说明丁类功率放大器的工作原理率放大器的工作原理UCC VT1 VT2 A L0 C0 RL uL iC1 iL uA iC2 Cc 两个同型的三极管两个同型的三极管VT1、VT2相串联,输入变压器为相串联,输入变压器为VT1、VT2提供相位相反的驱动电压,使两管交替饱和导通,提供相位相反的驱动电压,使两管交替饱和导通,A点处的电压为方点处的电压为方波,振幅为波,振幅为 相应的电流电压波形如图所示。负载电阻相应的电流电压波形如图所示。负载电阻RL与与L0、C0构成高构成高Q串联串联谐振回路,当它调谐于输入信号频率时,在
18、负载上得到电压谐振回路,当它调谐于输入信号频率时,在负载上得到电压uA的基波的基波分量,实现高频放大的目的。分量,实现高频放大的目的。RL上基波电压振幅:上基波电压振幅:基波电流振幅:基波电流振幅:输出功率:输出功率:通过电源的平均电流分量:通过电源的平均电流分量:电源供给功率:电源供给功率:效率:效率:理想情况下,两管集电极损耗均为零,效率可达理想情况下,两管集电极损耗均为零,效率可达100%。实际工作中,。实际工作中,三极管在饱和、截止之间的转换需要一定的时间,三极管在饱和、截止之间的转换需要一定的时间,uA不是理想方波,而是不是理想方波,而是存在着上升沿和下降沿,转换期间存在一定的电压和
19、电流,使管耗增加,存在着上升沿和下降沿,转换期间存在一定的电压和电流,使管耗增加,效率降低,所以应选择开关时间短的高频开关三极管或无电荷存储效应的效率降低,所以应选择开关时间短的高频开关三极管或无电荷存储效应的VMOS场效应管,并减小电路中的分布电容。场效应管,并减小电路中的分布电容。在电流开关型电路中,两管推挽工作,电源在电流开关型电路中,两管推挽工作,电源 通过大电感通过大电感 供给一个恒定电流供给一个恒定电流 两管轮流导通(饱和),因而回路电流方向也随之轮流改变。两管轮流导通(饱和),因而回路电流方向也随之轮流改变。2、电流开关型电路、电流开关型电路 由图知,该电路与推挽电路非常相似,但
20、有两由图知,该电路与推挽电路非常相似,但有两点不同之处:一个是集电极回路中点不是地电位点不同之处:一个是集电极回路中点不是地电位(推挽电路此点则在交流地电位);另一个是在(推挽电路此点则在交流地电位);另一个是在 电感的电流不能突变电感的电流不能突变的原理,使的原理,使 提供一个恒定的电提供一个恒定的电电路中串接了大电路中串接了大电感电感。加入。加入 的目的是利用通过的目的是利用通过,以保证当两管轮流导通时,通过每管的电流波,以保证当两管轮流导通时,通过每管的电流波流流波形是矩形方波。波形是矩形方波。电流开关型功率放大器的工作波形 当当LC回路谐振时,在它两端所回路谐振时,在它两端所产生的正弦
21、波电压与集电极方波电产生的正弦波电压与集电极方波电流中的基波电流分量同相。两个晶流中的基波电流分量同相。两个晶体管的集电极一发射极瞬时电压体管的集电极一发射极瞬时电压 4.5 宽带功率放大器宽带功率放大器 在多通道通信系统及频段通信系统中,需要采用宽带高在多通道通信系统及频段通信系统中,需要采用宽带高频功率放大器,它以非调谐的宽带网络作输出匹配网络,频功率放大器,它以非调谐的宽带网络作输出匹配网络,要求在很宽的波段范围内对信号进行尽可能一致的线性放要求在很宽的波段范围内对信号进行尽可能一致的线性放大。大。由于宽带放大器没有选频作用,一般只工作于非线性失由于宽带放大器没有选频作用,一般只工作于非
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