[信息与通信]通信电子电路于洪珍第三章 第1~4节1.ppt
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1、第三章 高频调谐功率放大器,3.1 概述 3.2 调谐功率放大器的工作原理 3.3 功率和效率 3.4 调谐功率放大器的工作状态分析 3.5 调谐功率放大器的实用电路 3.6 功率晶体管的高频效应 3.7 倍频器 3.8 集成高频功率放大电路,返回总目录,一、本章内容,二、本章重点和难点,(一)本章重点 1.调谐功放的用途与特点(与小信号调谐放大器进行 比较); 2.折线近似分析法; 3.调谐功放的工作原理; 4.功率和效率,区别五种功率和两种效率; 5.工作状态(过压状态、欠压状态、临界状态)和阻 抗变换问题; 6.直流馈电电路;自给偏压环节基流偏压与射 流偏压; 7.倍频器。,(二)本章难
2、点 1.工作状态分析特别是过压状态; 2.自给偏压环节; 3.调谐功率放大器动态负载线。,reverse bias 反向偏置 zero bias 零偏置 forward bias 正向偏置 2. C class 丙类 3. tank circuit 槽路 4. power 功率 5. efficiency 效率 6. cosine pulse 余弦脉冲,三、相关英文词汇,一、作用 高频功率放大器是一种能量转换器件,它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。 高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。它的作用是放大信号,使之达到足够功率输出,以满足天线发射或其他负载的要求。 作为载波发射机
3、及无线电发射机输出级或输出前一级(末级或末前级)。,3.1 概述,1.输入信号强,电压在几百毫伏几伏数量级附近; 2.为了提高放大器的工作效率,它通常工作在丙类,即晶体管工作延伸到非线性区域饱和区、截止区; 3.要求:输出功率大、效率高。,二、特点,高频功率放大器因工作于大信号的非线 性状态,用解析法分析较困难,故工程上普 遍采用近似的分析方法折线法来分析其 工作原理和工作状态。,三、分析方法,3.2 调谐功率放大器的工作原理,一、电路 二、折线近似分析法直线段近似法 三、晶体管导通的特点、导通角、 余弦脉冲电流的分析 四、槽路电压,注意:该电路和小信号调谐放大器的不同(bias),一、电路,
4、各元件的作用:,Ec 是直流电源电压; Eb 是基极偏置电源电压。 输入信号经变压器T1 耦合到晶体管基-射极, 这个信号也叫激励信号。 L、C 组成并联谐振回路,作为集电极负载, 这个回路也叫槽路。 放大后的信号通过变压器耦合到负载 RL上以 达到阻抗匹配的要求。,二、折线近似分析法直线段近似法,图3-2 晶体管特性及其折线化,所谓折线近似分析法,是将电子器件的特性理想化,每条特性曲线用一组折线来代替。这样就忽略了特性曲线弯曲部分的影响,简化了电流的计算,可满足工程的需要。 在转移特性的放大区,折线化后的线斜率为(约几十至几百)。此时,理想静态特性可用下式表示 (3-1) 折线近似分析法可以
5、使计算简化,在一定程度上能反映出特性曲线的基本特点。对于分析大幅度电压或电流作用下的非线性电路有一定的准确度。常用来分析大信号调幅、检波和调谐功率放大器。,三、晶体管导通的特点、导通角、 余弦脉冲电流的分析,1.晶体管导通的特点 无信号:晶体管截止 有信号:激励信号 Eb+Uj 导通 当激励信号 ube 足够大,放大器工作在放大区和截止区,集电极电流是周期性的余弦脉冲,波形如图3-3示。将ube表示式 代入式(3-1)可得,(3-3),根据导通角的定义, 当 时, 即 由此可得导通角 与Eb、Ubm、Uj 间的 关系,2.导通时间的衡量导通角,1)当Eb、Uj一定,改变激励信号,就可改变 导通
6、角 (3-4) 2)当管子定下来,Uj 一定,在一定激励信号 下,改变Eb 就可改变导通角的大小。,图3-3 折线法分析非线性电路电流电压波形,1)采用折线近似分析法 ic是周期性余弦脉冲电流。 2)余弦特征的表达峰值Icmax ,导通角 3)余弦特征的分解直流成分、基波及 2、3、 n次谐波 。,3.余弦脉冲电流的分析,周期性余弦脉冲电流可用傅里叶级数展开。 为此,需要求得余弦脉冲电流的幅度Icmax 。将式 (3-4)代入式(3-3)得到,当,时,电流 ic 为最大值,以Icmax表示,这样电流 ic又可写成,(3-5),(3-6),电流 ic 的傅里叶级数展开式为,(3-7),其中,ic
7、 直流分量为,(3-8),基波分量幅值为,(3-9),对于 n 次谐波的幅值为,(3-10),上述各式都包含两部分,一部分是最大电流 Icmax ,另一部分是以 为变量的函数。,对应于直流分量、基波分量,n 次谐波分量的函数,分别用 、 、 表示,即,直流成分为 基波成分为 2次谐波为 、 、 称作余弦脉冲分解系数,它们是导通角 的函数。 为了使用方便,将几个常用系数与 的关系绘制在图3-4中。,图3-4 余弦脉冲分解系数曲线,、 的特点 1) 2) 当 , ,,四、槽路电压,1.波形基本正弦 条件1)槽路调谐于基波 2)QL 足够高(QL =510) 2.大小 Rc抽头部分谐振电阻 3.相位
8、,图3-3 折线法分析非线性电路电流电压波形,3.3 功率和效率,从能量转换方面看,放大器是通过晶体管把直流功率转换成交流功率,通过槽路把脉冲功率转换为正弦功率,然后传输给负载。在能量的转换和传输过程中,不可避免地产生损耗,所以放大器的效率不能达到100。功率放大器功率大,电源供给、管子发热等问题也大。为了尽量减小损耗,合理地利用晶体管和电源,必须了解功率放大器的功率和效率问题。 调谐功率放大器有如下五种功率需要考虑。,1.电源供给的直流功率PS ; 2.通过晶体管转换的交流功率,即晶体管集电极输出的 交流功率Po ; 3.通过槽路送给负载的交流功率,即RL 上得到的功率PL; 4.晶体管在能
9、量转换过程中的损耗功率,即晶体管损耗 功率PC ; 5.槽路损耗功率 PT。 以上五项功率的相互关系可用图3-5表示。电源供 给的功率PS ,一部分(PC)损耗在管子,使管子发热; 另一部分(Po)转换为交流功率,输出给槽路。通过槽路 一部分(PT)损耗在槽路线圈和电容中,另一部分(PL)输 出给负载RL。,图3-5 调谐功率放大器中的功率关系,晶体管转换能量的效率叫集电极效率,以 表示,其计算式为 (3-21) 槽路将交流功率Po传送给负载的效率,叫 槽路效率以 表示,其计算式为 (3-22) 下面分析 、 与哪些因素有关,以便设 计出高效率的放大器。,电源供给功率PS和交流输出功率Po可分
10、别表 示为,1 .集电极效率,(3-23),(3-24),集电极效率 为 (3-25) 上式说明 与 、 成正比,是余弦脉冲基波 分量和直流分量分解系数之比,代表着集电极电流基 波幅值与直流电流之比,所以这个比值叫集电极电流 利用系数。因为 、 都是 的函数,所以它与负 载、激励大小及导通角有关。,讨论: 不论由于上述什么原因使Ucm增大时,则 也增大,从而使 提高。 不过 也不能任意提高,因为在管子导通的 某一瞬间,集电极电压 uce下降的最小值为 ,则 ,当减小到一定程度(约为 12V),晶体管进入饱和区。此后虽然Ucm仍可增 大,ucemin进一步减小,电压利用系数也有所提高, 但其变化
11、缓慢极限为1。,一般管子饱和电压可按1V计算,高频时可适当增大,例如,某放大区电源电压 ,管子饱和压降1V, 电压利用系数为,根据以上分析,在调整较好的调谐放大器中 对比,甲类放大器 为180,查曲线可知 由此可见丙类放大器的 比甲类约高一倍, 这正是丙类优于甲类的地方。,2.槽路效率,图3-6是负载折算到槽路的等效回路, Um为回路两端的电压幅值。由图可以看出, 负载功率PL是RL所吸收的功率,槽路损耗功 率PT是槽路空载电阻R0所吸收的功率;而集 电极输出的基波功率Po相当于总电阻R所吸收 的功率。这些功率都可用槽路电压和各有关 电阻表示。即,图3-6 负载折算到槽路的等效回路及其功率关系
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