高频-第3章 高频谐振放大器(2)高频功放.ppt
《高频-第3章 高频谐振放大器(2)高频功放.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高频-第3章 高频谐振放大器(2)高频功放.ppt(72页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第第 3 3 章章 高频功率放大器高频功率放大器3.2 高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性 3.2.1 工作原理工作原理 3.2.2 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器的工作状态的工作状态 3.2.3 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器的外部特性的外部特性3.4 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器的实际电路的实际电路作业:作业:3-11、3-184.14.1 概概 述述1 1、使用高频功率放大器的目的、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问
2、题、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出 高功率输出高功率输出3、低频功放与高频功放的区别效率高低不同效率高低不同 相对带宽不同相对带宽不同 低频功放为宽带,高频功放为窄带。前者为阻性负载,后者为谐振负载。4、采用传输线作为负载的宽带高频功放5、按电流的流通角分类功放(甲、乙、丙),按电 流或电压的开关状态分类功放(丁、戊)。6、图解分析法和解析近似分析法3、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相同之处:它们放大的信号均为高频信号,而且放大器的负:它们放大的信号均为高频信号,而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为
3、谐振回路。不同之处不同之处:为激励信号幅度大小不同;放大器工作点不同;:为激励信号幅度大小不同;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。小信号谐振放大器波形图小信号谐振放大器波形图 谐振功率放大器波形图谐振功率放大器波形图4 4、谐振谐振功率放大器与功率放大器与非谐振非谐振功率放大器的异同功率放大器的异同共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直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,能量转换的能力即为功率放大器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。的效
4、率。谐振功率放大器谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号通常用来放大窄带高频信号(信号的通带信号的通带宽度只有其中心频率的宽度只有其中心频率的1%或更小或更小),其工作状态通常选为丙,其工作状态通常选为丙类工作状态类工作状态(c c9090),为了不失真的放大信号,它的负载为了不失真的放大信号,它的负载必须是谐振回路。必须是谐振回路。非谐振放大器非谐振放大器可分为可分为低频功率放大器低频功率放大器和和宽带高频功率放宽带高频功率放大器大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载,工作在甲类或。低频功率放大器的负载为无调谐负载,工作在甲类或乙类工作状态;宽带高频功率放大器以宽带乙类工作状态;宽带高频功率
5、放大器以宽带传输线传输线为负载。为负载。表 2-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 qc=180 50%电阻 低频 乙类 qc=90 78.5%推挽,回路 低频,高频 甲乙类 90qc180 50%h78.5%推挽 低频 丙类 qc90 h78.5%选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100%选频回路 高频 工作状态工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常
6、工作于谐振功率放大器通常工作于丙类丙类工作状态,属于工作状态,属于非线性非线性电路电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。5、非线性功率放大电路分析方法、非线性功率放大电路分析方法二大类二大类:图解法图解法和和解析近似分析法解析近似分析法(1)图解法)图解法:利用管子的特性曲线来对它的:利用管子的特性曲线来对它的工作状态进行计算。特点:客观、准确,工作状态进行计算。特点:客观、准确,但烦冗。但烦冗。(2)解析近似分析法)解析近似分析法:将管子的特性曲线用:将管子的特性曲线用某些近似解析式(折线法)来表示,然后某些近似解析式(折线法)来表示,然后对
7、放大器的工作状态进行分析计算。特点:对放大器的工作状态进行分析计算。特点:方便、物理概念清楚,但准确度低。方便、物理概念清楚,但准确度低。4.2 4.2 谐谐振功率放大器的工作原理振功率放大器的工作原理1、原理电路原理电路谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。量的过程中起开关控制作用。谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态:外部电路关系式:外部电路关系式:(发射结外部电路发射结外部电路)晶体管的内部特性:晶体管
8、的内部特性:(集电结外部电路)(集电结外部电路)为发射结的导通电压(0.7-0.8V)故晶体管的故晶体管的转移特性曲线转移特性曲线表达式:表达式:谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得:故得:必须强调指出,集电极电流必须强调指出,集电极电流i ic c虽虽然是脉冲状,但由于谐振回路的然是脉冲状,但由于谐振回路的这种滤波作用,仍然能得到正弦这种滤波作用,仍然能得到正弦波形的输出。波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示所示转移特性icVBZo理想化ic maxicwto+qcqco+qcqcVbmVbm
9、ebvcVBBwt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(a a)高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系LCLC回路能量转换过程回路能量转换过程LCLC回路的这种滤波作用回路的这种滤波作用(从能量的观点来解释)(从能量的观点来解释)当晶体管由截止转入导电时,当晶体管由截止转入导电时,由于回路中电感由于回路中电感L L的电流不能突变,的电流不能突变,因此,输出脉冲电流的大部分流过因此,输出脉冲电流的大部分流过电容电容C C,即使即使C C充电。充电电压的方充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源向是下正上负。这时直流电源
10、V VCCCC给给出的能量储存在电容出的能量储存在电容C C之中。过了一之中。过了一段时间,当电容两端的电压增大到段时间,当电容两端的电压增大到一定程度一定程度(接近电源电压接近电源电压),晶体管,晶体管截止。截止。由于这种周期性的能量补充,由于这种周期性的能量补充,所以振荡回路能维持振荡。当补充所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时,电路的能量与消耗的能量相等时,电路中就建立起动态平衡,因而维持了中就建立起动态平衡,因而维持了等幅的正弦波振荡。等幅的正弦波振荡。2、谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控功率
11、放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流信号功率输出去。信号功率输出去。由前述所知:由前述所知:有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上,成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上,成为集电极耗散功率。电极耗散功率。P PDCDC=直流电源供给的直流功率;直流电源供给的直流功率;P Po o=交流输出信号功率;交流输出信号功率;P Pc c=集电极耗散功率;集电极耗散功率;根据能量守衡定理:根据能量守衡定理:故集电极效率:故集电极效率:由上式可以得出以下两点结论:由上式可以得出以下两点结论:1
12、)1)设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率P Pc c,则集电极效率则集电极效率 c c自然自然 会提高。这样,在给定会提高。这样,在给定P PDCDC时,晶体管的交流输出功率时,晶体管的交流输出功率P Po o 就会增大;就会增大;2 2)由式由式可知可知 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值,那不超过规定值,那么提高集电极效率么提高集电极效率 c c,将使交流输出功率将使交流输出功率P Po o大为增加。谐振大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手,来提高输出功率与效率的。功率放大器就是从这方面入手,来提高输出功率与效率的。如
13、何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 可见使可见使i ic c在在 最低的时候才能通过,那么,集电极耗最低的时候才能通过,那么,集电极耗散功率自然会大为减小。散功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率:晶体管集电极平均耗散功率:故:要想获得高的集电极效率,谐振功率放大器的故:要想获得高的集电极效率,谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180180(c90),处于丙类工作状态。处于丙类工作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c c9090,集集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数:电极余弦
14、电流脉冲可分解为傅里叶级数:直流功率:直流功率:输出交流功率:输出交流功率:Vcm -回路两端的基频电压振幅回路两端的基频电压振幅 Icm1-基频电流振幅基频电流振幅Rp -回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率:放大器的集电极效率:集电极电压利用系数集电极电压利用系数波形系数,通角波形系数,通角 c c的函数;的函数;c c越小越小g g1 1(c c)越大越大 越大越大(即即V Vcmcm越大或越大或e ecmincmin越小越小)c c越小效率越小效率 c c越高。因此,丙越高。因此,丙类谐振功率放大器提高效率类谐振功率放大器提高效率 c c的途径即为减小的途径即为减小 c c
15、角;使角;使LCLC回路谐振在信号的基频上,即回路谐振在信号的基频上,即i ic c的最大值应对应的最大值应对应e ec c的最小值的最小值。基极偏置为负值;半通角基极偏置为负值;半通角 c c9090,即丙类工作状态;负即丙类工作状态;负载为载为LCLC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点:故谐振功率放大器的工作特点:4.3 4.3 谐谐振功率放大器的折振功率放大器的折线线近似分析法近似分析法一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电流对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电流的直流分量的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。工程上都采用近似估算和
16、实验调整相结合的方法对高工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。分析法。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法法。折线分析法的主要步骤:折线分析法的主要步骤:1 1、测出晶体管的、测出晶体管的转移特性转移特性曲线曲线ic uBE及及输出特性输出特性曲线曲线ic uce,并将这两组曲线作理想折线化处理并将这两组曲线作理想折线化处理2 2、作出
17、动态特性曲线、作出动态特性曲线3 3、是根据激励电压、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2由给定的负载谐由给定的负载谐 振阻抗的大小,即可求得放大器的输出电压、输出功率、振阻抗的大小,即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标直流供给功率、效率等指标二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线 根据理想化原理晶体管的静态
18、转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。若临界线的斜率为若临界线的斜率为g gcrcr,则临界线方程可写为则临界线方程可写为 ic=gcruCE1)1)欠压工作状态欠压工作状态:集电极最大点电流在饱和临界线的右方,交流输集电极最大点电流在饱和临界线的右方,交流输出电压较低且变化较大。出电压较低且变化较大。在非线性谐振功率放大器中,常常根据集电极是否进入在非线性谐振功率放大器中,常常根据集电极是否进入饱和区,将放大区的工作状态分为三种:饱和区,将放大区的工作状态分为三种:由上图可见,在饱和区,根据理想
19、化原理,集电极电流由上图可见,在饱和区,根据理想化原理,集电极电流只受集电极电压的控制,而与基极电压无关。只受集电极电压的控制,而与基极电压无关。3)3)临界工作状态临界工作状态:是欠压和过压状态的分界点,是欠压和过压状态的分界点,集电极最大点电流正好落在临界线上。集电极最大点电流正好落在临界线上。2)2)过压工作状态过压工作状态:集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区,集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区,交流输出电压较高且变化不大。交流输出电压较高且变化不大。三、集电极余弦电流脉冲的分解三、集电极余弦电流脉冲的分解 当晶体管特性曲线理想化后,丙类工作状态的集电极电当晶体管特性曲线理想化后
20、,丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。尖顶余弦脉冲尖顶余弦脉冲晶体管的内部特性为:晶体管的内部特性为:它的外部电路关系式它的外部电路关系式当当 t=0时,时,ic=ic max 因此因此ic=gc(uBEVBZ)uBE=VBB+Vbmcos tuCE=VCCVcmcos tic max=gcVbm(1cos c)ic maxwto2qc余弦脉冲分解:余弦脉冲分解:当当 t=时,时,ic=0 即即 0=gc(VBB+Vbmcos VBZ)(2)当当 t=0 时,时,ic=ic max,即即 ic max=gcVbm(1
21、 )(3)ic=gc(VBB+Vbmcos t VBZ)(1)(1)-(2)得ic=gcVbm(cos t )若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数由傅里叶级数的求系数法得由傅里叶级数的求系数法得其中:其中:尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数an2.01.00.50.40.30.20.102040 6080100qca1a0180120 160 a1a0a0a1a2a3140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时,时,Icm1/icmax达到最大值。在达到最大值。在Ic max与与负载阻抗负载阻抗Rp为某定值的为某定值的情况下,输出功率将达情况下,输出功率将
22、达到最大值。这样看来,到最大值。这样看来,取取 c=120 应该是最佳通应该是最佳通角了。但此时放大器处角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太于甲级工作状态效率太低。低。右图可见:右图可见:an2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qca1a0180120 160a1a0a0a1a2a3140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数由于:由于:波形系数波形系数由曲线可知:由曲线可知:极端情况极端情况 c c=0=0时,时,此时此时=1,c可达可达100%因此,为了兼顾功率与效率,因此,为了兼顾功率与效率,最佳通角取最佳通角取70 左右左右。an2.01.00.50.4
23、0.30.20.1020406080100qca1a0180120 160a1a0a0a1a2a31401.1.谐振功率放大器的动态特性谐振功率放大器的动态特性 高频放大器的工作状态是由负载阻抗高频放大器的工作状态是由负载阻抗R Rp p、激励电压激励电压vb、供电电压供电电压VCC、VBB等等4 4个参量决定的。个参量决定的。为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器,就为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放大器,就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化。样的变化。如果如果VCC、VBB、vb 3 3个参变量不变,则放大器
24、的工作个参变量不变,则放大器的工作状态就由负载电阻状态就由负载电阻Rp决定。此时,决定。此时,放大器的电流、输出电放大器的电流、输出电压、功率、效率等随压、功率、效率等随Rp而变化的特性,就叫做放大器的负而变化的特性,就叫做放大器的负载特性载特性。四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性四、谐振功率放大器的动态特性与负载特性当放大器工作于谐振状态时,它的外部电路关系式为当放大器工作于谐振状态时,它的外部电路关系式为uBE=VBB+Vbmcos t uCE=VCCVcmcos t消去消去cos t可得,可得,uBE=VBB+Vbm另一方面,晶体管的折线化方程为另一方面,晶体管的折线化方程为ic=g
25、c(uBEVBZ)得出在得出在icuCE坐标平面上的动态特性曲线坐标平面上的动态特性曲线(负载线或工作负载线或工作路路)方程:方程:(4.3.19)=gd(uCE V0)负载线的斜率为 ,截距为 图中示出动态特性曲图中示出动态特性曲线的斜率为负值,它的线的斜率为负值,它的物理意义是:物理意义是:从负载方面看来,放从负载方面看来,放大器相当于一个负电阻,大器相当于一个负电阻,亦即它相当于交流电能亦即它相当于交流电能发生器,可以输出电能发生器,可以输出电能至负载。至负载。用类似的方法,可用类似的方法,可得出在得出在ic uBE坐标平面坐标平面的动态特性曲线的动态特性曲线。电压、电流随负载变化波形电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高频-第3章 高频谐振放大器2高频功放 高频 谐振 放大器 功放
限制150内