高频功率放大电路精选文档.ppt
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1、高频功率放大电路本讲稿第一页,共七十五页第第3章章 功率放大电路功率放大电路3.1概述概述 与低频功率放大电路一样,输出功率、效率和非线性失真同样是高频功率放大电路的三个最主要的技术指标。不言而喻,安全工作仍然是首先必须考虑的问题。在通信系统中,高频功率放大电路作为发射机的重要组成部分,用于对高频已调波信号进行功率放大,然后经天线将其辐射到空间,所以要求输出功率很大。输出功率大,从节省能量的角度考虑,效率更加显得重要。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态。同时,为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量,采用LC谐振回路作为选频网络
2、,故称为丙类谐振功率放大电路。本讲稿第二页,共七十五页 显然,谐振功放属于窄带功放电路。对于工作频带要求较宽,或要求经常迅速更换选频网络中心频率的情况,可采用宽带功率放大电路。宽带功放工作在甲类状态,利用传输线变压器等作为匹配网络,并且可以采用功率合成技术来增大输出功率。本章着重讨论丙类谐振功放的工作原理、动态特性和电路组成,对于甲类和乙类谐振功放的性能指标也作了适当介绍,接着再讨论高频宽带功率放大电路,最后给出了集成高频功率放大电路的一些实例。本讲稿第三页,共七十五页3.2丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大电路 3.2.1 工作原理工作原理 图3.2.1是谐振功率放大电路原理图。假定输入信
3、号是单频正弦波,输出回路调谐在输入信号的相同频率上。根据基尔霍夫电压定律,可得到以下表达式:uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcost (3.2.1)uCE=VCC+uc=VCC-Ic1mRcost=VCC-Ucmcost (3.2.2)本讲稿第四页,共七十五页本讲稿第五页,共七十五页 其中ub和uc分别是输入信号和输出信号,R是回路等效总电阻,IC0和Ic1m分别是集电极电流iC中的直流分量和基波振幅。由此可以得到集电极电源提供的直流功率PD,谐振功放输出交流功率Po、集电极效率和集电极功耗PC:PD=VCCIC0 (3.2.3)Po=Ic1mUcm=PC=PD-Po 本讲稿第六页,共七十
4、五页 从公式(3.2.1)(3.2.5)可知,如果要增大输出功率,在回路等效总电阻不变的情况下,需增大Ic1m,当器件确定时,就是要增大输入信号振幅Ubm;如果要提高效率,需增大Ic1m或减小IC0(减小IC0即减小集电极功耗,通过降低静态工作点可以实现)。所以,增大输入信号振幅和降低静态工作点是实现大功率高效率的两条重要途径。图3.2.2是三种不同静态工作点情况时晶体管转移特性分析。其中QA、QB和QC分别是甲类、乙类和丙类工作时的静态工作点。本讲稿第七页,共七十五页本讲稿第八页,共七十五页 在甲类工作状态时,为保证不失真,必须满足Ic1mIC0,又UcmVCC(忽略晶体管饱和压降),所以由
5、公式(3.2.5)可知,最高效率为50%。在乙类工作状态时,集电极电流是在半个周期内导通的尖顶余弦脉冲,可以用傅氏级数展开为:iC=IC0+Ic1mcos 20t+Ic2mcos20t+=其中ICm是尖顶余弦脉冲的高度,即集电极电流最大值。由此 可求得在Ucm=VCC时的最高效率=本讲稿第九页,共七十五页 在图3.2.2中,随着基极偏置电压VBB逐渐左移,静态工作点逐渐降低,晶体管的工作状态由甲类、乙类而进入丙类。由刚才的分析可知,乙类的效率确实高于甲类。功率放大电路是大信号工作,而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性,这样将使分析比较复杂。为简化分析,可以将晶体管特性曲线理想化,即用一条
6、或几条直线组成折线来代替,称为折线近似分析法。图3.2.3是将晶体管转移特性折线化,由此来分析丙类工作状态的有关参数。本讲稿第十页,共七十五页 图 3.2.3 丙类状态转移特性分析本讲稿第十一页,共七十五页 由图3.2.3可以得到集电极电流iC的分段表达式:iC=g(uBE-Uon)uBEUon 0 uBEUon(3.2.6)如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度2来表示,则称为导通角。可见,0180。在放大区,将式(3.2.1)代入式(3.2.6),可以得到:iC=g(VBB+Ubmcost-Uon)当t=时,iC=0,由式(3.2.7)可求得:本讲稿第十二页,共七十五页 =a
7、rccos (3.2.8)当t=0时,iC=ICm,由式(3.2.7)和(3.2.8)可求得:gUbm=ICm(1-cos)(3.2.9)所以,式(3.2.7)可写成:iC=gUbm 从集电极电流iC的表达式可以看出,这是一个周期性的尖顶余弦脉冲函数,因此可以用傅里叶级数展开,即 iC=IC0+Ic1mcost+Ic2mcos 2t+Icnmcos nt+。本讲稿第十三页,共七十五页 由于iC是ICm和的函数,所以它的各次谐波的振幅也是ICm和的函数,若ICm固定,则只是的函数,通常表示为:IC0=ICm0(),Ic1m=ICm1(),Ic2m=ICm2(),(3.2.11)其中0(),1()
8、,2(),被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。图3.2.4给出了在0180范围内的分解系数曲线和波形系数曲线。波形系数g1()=若定义集电极电压利用系数=UcmVCC,可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式:本讲稿第十四页,共七十五页本讲稿第十五页,共七十五页 由图3.2.4可以看出,1(90)=1(180)=0.5,这两种情况分别对应于乙类和甲类工作状态,均比丙类(90)的数值高,而1的最大值是1(120)=0.536,处于甲乙类状态。这意味着当回路等效总电阻R和脉冲高度ICm相同时,丙类的输出功率比甲类、甲乙类和乙类都要小一些,但是丙类的集电极效率比它们都要高。本讲稿第十六页,共七十五页 分
9、析式(3.2.12)、(3.2.13)可知,增大和g1的值是提高效率的两个措施,增大1是增大输出功率的措施。然而图3.2.4告诉我们,增大g1与增大1是互相矛盾的。导通角越小,g1越大,效率越高,但1却越小,输出功率也就越小。所以要兼顾效率和输出功率两个方面,选取合适的导通角。若取=70,此时的集电极效率可达到85.9%,而=120时的集电极效率仅为64%左右。因此,一般以70作为最佳导通角,可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。例3.1在图3.2.3中,若Uon=0.6 V,g=10mAV,ICm=20mA,又VCC=12V,求当分别为180,90和60时的输出功率和相应的基极偏压VBB,以及
10、为60时的集电极效率。(忽略集电极饱和压降)本讲稿第十七页,共七十五页 解:由图3.2.4可知:0(60)=0.22,1(180)=1(90)=0.5,1(60)=0.38 因为 Ucm=VCC=12V所以,当甲类工作时(=180),根据式(3.2.11),(3.2.4),Ic1m=0.520=10mA,Po=1012=60 mW VBB=0.6+=1.6 V当乙类工作时(=90),Ic1m=0.520=10mA,Po=1012=60mWVBB=0.6V 本讲稿第十八页,共七十五页 当丙类工作时(=90),Ic1m=0.3820=7.6mA,Po=7.612=45.6mW IC0=0.2220
11、=4.4mA,=由式(3.2.9)可知:Ubm=所以由式(3.2.8)可求得:VBB=Uon-Ubmcos=Uon-=0.6-=-14 V本讲稿第十九页,共七十五页 2.2性能分析性能分析 若丙类谐振功放的输入是振幅为Ubm的单频余弦信号,那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系?Ucm的大小受哪些参数影响?式(3.2.1)、(3.2.2)和(3.2.6)分别给出了谐振功放输入回路、输出回路和晶体管转移特性的表达式。由这些公式可以看出,当晶体管确定以后,Ucm的大小与VBB、VCC、R和Ubm四个参数有关。利用图3.2.5所示折线化转移特性和输出特性曲线,借助以上三个表达式,我们来分
12、析以上两个问题。在分析之前,让我们先确定动态线的情况。本讲稿第二十页,共七十五页 在输出特性图中,表示输出电压uCE随集电极电流iC变化的轨迹线称为动态线,又称为交流负载线。由于谐振功放的负载是选频网络,故输出交流电压uc必然是一个完整的余弦信号。由图3.2.5可以看到,截止区和饱和区内的动态线分别和输出特性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为gcr),而放大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求出。由式(3.2.1)和(3.2.2)可写出:本讲稿第二十一页,共七十五页本讲稿第二十二页,共七十五页代入式(3.2.6),经过整理可得
13、到动态线表达式:iC=-gd(uCE-V0)其中由图(3.2.5)可以写出斜率值gd的另一种形式:gd=因为 Ic1m=ICm1(),R=所以Rd=(3.2.14)本讲稿第二十三页,共七十五页 1 负载特性负载特性 若VBB、VCC和Ubm三个参数固定,R发生变化,动态线、Ucm以及Po、等性能指标会有什么变化呢?这就是谐振功放的负载特性。由图3.2.6可知,VBB和VCC固定意味着Q点固定,Ubm固定进一步意味着也固定。根据式(3.2.14),放大区动态线斜率 将仅随R而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。动态线A1B1的斜率最大,即对应的负载R最小,相应的输出电压振幅Ucm1也最小
14、,晶体管工作在放大区和截止区。本讲稿第二十四页,共七十五页 图 3.2.6 三种不同斜率情况下的动态线及波形分析本讲稿第二十五页,共七十五页 动态线A2B2的斜率较小,与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点),相应的输出电压振幅Ucm2增大,晶体管工作在临界点、放大区和截止区。动态线A3B3的斜率最小,即对应的负载R最大,相应的输出电压振幅Ucm3比Ucm2略为增大,晶体管工作在饱和区、放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同,这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态,而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。注意,在过压状态时,iC波形的顶部发生凹陷,这是由于进
15、入过压区后转移特性为负斜率而产生的。本讲稿第二十六页,共七十五页 图3.2.7 给出了负载特性曲线。参照图3.2.6和式(3.2.3)(3.2.5),对于图3.2.7中各参数曲线随R变化的规律将很容易理解。由图3.2.7可以看到,随着R的逐渐增大,动态线的斜率逐渐减小,由欠压状态进入临界状态,再进入过压状态。在临界状态时,输出功率Po最大,集电极效率接近最大,所以是最佳工作状态。2 放大特性放大特性 若VBB、VCC、R三个参数固定,输入Ubm变化,此时输出Ucm以及Po、等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。本讲稿第二十七页,共七十五页本讲稿第二十八页,共七十五页 图3.2.8是利用折线化
16、转移特性分析丙类工作时iC波形随Ubm变化的关系,并给出了Ucm、Ic1m和Ic0与Ubm的关系曲线。由于Ubm的变化将导致的变化,从而使输出特性欠压区内动态线的斜率发生变化,所以利用输出特性分析放大特性不方便。由图3.2.8可以看到,在欠压状态时,Ucm随Ubm增大而增大,但不成线性关系,因为也会随之增大,使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类或乙类工作状态时,固定为180或90,不会随Ubm的变化而变化,此时Ucm与Ubm才成正比关系。在过压状态,随着Ubm增加,Ucm几乎保持不变。3 调制特性调制特性 (1)基极调制特性。本讲稿第二十九页,共七十五页本讲稿第三十页,共七十五页 参
17、照图3.2.6和式(3.2.3)(3.2.5),对于图3.2.7中各参数曲线随R变化的规律将很容易理解。由图3.2.7可以看到,随着R的逐渐增大,动态线的斜率逐渐减小,由欠压状态进入临界状态,再进入过压状态。在临界状态时,输出功率Po最大,集电极效率接近最大,所以是最佳工作状态。2 放大特性放大特性 若VBB、VCC、R三个参数固定,输入Ubm变化,此时输出Ucm以及Po、等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。本讲稿第三十一页,共七十五页 若VCC、R和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随基极偏压VBB变化的规律被称为基极调制特性。由于VBB和ub是以串联迭加方式处于功放的输入回路,所以VBB的
18、变化与ub的振幅Ubm的变化对输出电流iC和输出电压振幅Ucm的影响是类似的,可以将图3.2.9和图3.2.8(b)进行对照分析。基极调制的目的是使Ucm随VBB的变化规律而变化,所以功放应工作在欠压状态,才能使VBB对Ucm有控制作用。(2)集电极调制特性。若VBB、R和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随集电极电压VCC变化的规律被称为集电极调制特性。本讲稿第三十二页,共七十五页本讲稿第三十三页,共七十五页 图3.2.8是利用折线化转移特性分析丙类工作时iC波形随bm变化的关系,并给出了Ucm、Ic1m和Ic0与Ubm的关系曲线。由于Ubm的变化将导致的变化,从而使输出特性欠压区内动态线的斜率
19、发生变化,所以利用输出特性分析放大特性不方便。由图3.2.8可以看到,在欠压状态时,Ucm随Ubm增大而增大,但不成线性关系,因为也会随之增大,使iC脉冲的宽度和高度都随之增大。仅当处于甲类或乙类工作状态时,固定为180或90,不会随Ubm的变化而变化,此时Ucm与Ubm才成正比关系。在过压状态,随着Ubm增加,Ucm几乎保持不变。本讲稿第三十四页,共七十五页 3 调制特性调制特性 (1)基极调制特性。若VCC、R和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随基极偏压VBB变化的规律被称为基极调制特性。由于VBB和ub是以串联迭加方式处于功放的输入回路,所以VBB的变化与ub的振幅Ubm的变化对输出电流i
20、C和输出电压振幅Ucm的影响是类似的,可以将图3.2.9和图3.2.8(b)进行对照分析。基极调制的目的是使Ucm随VBB的变化规律而变化,所以功放应工作在欠压状态,才能使VBB对Ucm有控制作用。本讲稿第三十五页,共七十五页 (2)集电极调制特性。若VBB、R和Ubm固定,输出电压振幅Ucm随集电极电压VCC变化的规律被称为集电极调制特性。由图3.2.10(a)可以看到,VCC的变化使得静态工作点左右平移,从而使欠压区内的动态线左右平移,动态线的斜率不变。由图 3.2.10(b)可以看到,在欠压状态时,当VCC改变时,Ucm几乎不变。在过压状态时,Ucm随VCC而单调变化。所以,此时功放应工
21、作在过压状态,才能使VCC时对Ucm有控制作用,即振幅调制作用。本讲稿第三十六页,共七十五页本讲稿第三十七页,共七十五页 4 小结小结 根据以上对丙类谐振功放的性能分析,可得出以下几点结论:(1)若对等幅信号进行功率放大,应使功放工作在临界状态,此时输出功率最大,效率也接近最大。比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大。(2)若对非等幅信号进行功率放大,应使功放工作在欠压状态,但线性较差。若采用甲类或乙类工作,则线性较好。比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大。(3)丙类谐振功放在进行功率放大的同时,也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上,功放应工作在欠压状态;若调制信号加在集电极电压上
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