《谐振功率放大器.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《谐振功率放大器.ppt(64页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、高频电子线路 内容二、 谐振功率放大器 主要内容: 1 主要用途及与其他放大器的比较 2 谐振功率放大器的工作原理 丙类谐振功率放大器 丁类和戊类谐振功率放大器 倍频器 3 谐振功率放大器的性能特点 近似分析办法 欠压,临界和过压状态 四个电压量对性能影 响的定性讨论 负载特性 调制特性 放大特性 4 谐振功率放大器电路 直流馈电电路 滤波匹配电路 谐振功率放大器电路 5 高频功率放大器 高频功率管及其大信号输入和输出阻抗 高频功率放大器设计举例 n高频功放用于发射机末级(大信号非线性电路) 发射机中的高频放大器 高频谐振功放应用在什么地方? 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的 发射功率。
2、 高效率输出高功率输出 为什么要使用高频功放? 使用高频功率放大器的目的 高频功率信号放大器使用中需要解决的两个 问题? 高频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,而且放大器的负 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; 晶体管动态范围不同。 图 小信号谐振放大器波形图 图2谐振功率放大器波形图 谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同: 首先,都是功放,都要求输出功率大和效率高。 都要把电源供给的直流能量转化为交流能量。效率越高,表 明转换的交流能量越多。 谐振功率放大器:它的负载必须是谐振回路,通常用来放大窄 带高频信号
3、(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小),其工 作状态通常选为丙类工作状态(c90)。 非谐振放大器:它的负载为无调谐负载,可分为低频非谐振功 率放大器和宽带高频功率放大器。 图 3 12 晶体管高频功率放大器的原理线路 高功放的工作原理 工作原理 图3-12是一个采用晶体管的高频功率放大器的原 理线路。除电源和偏置电路外,它是由晶体管、谐振回 路和输入回路三部分组成。 1电流、 电压波形 设输入信号为 n集电极电流这样的周期性脉冲可以分解成直流 、基波(信号频率分量)和各次谐波分量,即 图 尖顶余弦脉冲 其中:尖顶余弦脉冲的分解系数 n由图可以看出,放大器的负载为并联谐振回路,回路输出的
4、电 压为 按图规定的电压方向,集电极电压为 2 高频功放的能量关系 在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频 一周的平均功率)即输出功率P1为 (3 22) 集电极电源供给的直流输入功率P0为 (3 23) 直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极 损耗功率Pc, 即 (3 24) Pc变为耗散在晶体管集 电结中的热能。 定义集电极 效率为 (3 25) (3 26) 设其基波电流振幅为I b1, 且与ub同相(忽略实际存在 的容性电流), 则激励功率为 (3 27) 高频功放的功率放大倍数为 (3 28) 用dB表示为 (3 29) 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功
5、率P1随通角 c变化的情况,从而选择合适的工作状态。 尖顶脉冲的分解系数 当c120时,Icm1/iCmax最大。在 iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情 况下,输出功率将达到最大值。 但此时放大器处于甲乙类状态, 效率太低。 图6-9 尖顶脉冲的分解系数 由曲线可知:极端情况c=0时, 如果此时=1,c可达100%。 为了兼顾功率与效率,最佳通角取 70左右。 下面分析基波分量Icm1、集电极效率c和输出功率P1 随通角c变化的情况,从而选择合适的工作状态。 1. 高频功放的动态特性 下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性, 动特性是 指当加上激励信号及接上负载阻抗时, 晶体管集电极电流i
6、c与电 极电压(Ube或Uce)的关系曲线, 它 在icUce或icUbe坐标系 统中是一条曲线。 Uce ic Uo A EC Q Ucm1 Ucmin gd B c 欠压状态 B点以右的区域。在欠压区 至临界点的范围内,根据Uc=RpIc1,放大 器的交流输出电压在欠压区内必随负载电 阻RP的增大而增大,其输出功率、效率的 变化也将如此。 临界状态 负载线和Ubemax正好相交于 临界线的拐点。放大器工作在临界状态时 ,输出功率大,管子损耗小,放大器的效 率也就较大。 过压状态 放大器的负载较大,在过压 区,随着负载Rp的加大,Ic1要下降,因此 放大器的输出功率和效率也要减小。 图 电压
7、、电流随负载变化波形 2 高频功放的工作状态 高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和 区可以分为欠压、 临界和过压三种状态 3.2.3 高频功放的外部特性 高频功放是工作于非线性状态的放大器, 同时也可 以看成是一高频功率发生器(在外部激励下的发生器)。 1高频功放的负载特性 负载特性是指只改变负载电阻RL, 高频功放电流、 电压、 功率及效率变化的特性。 2高频功放的振幅特性 高频功放的振幅特性是指只改变激励信号振幅Ub 时, 放大器电流、 电压、 功率及效率的变化特性。 3、调制特性 1. 高频功放的负载特性 UBE iC EB EB Ube iC gC Ubm Ubemax iCm
8、ax Uce iC EC Q Ucemin Uces gd vbemax Ucemin gcr 过 压 区 临界区 欠压区 Ubemax 1. 高频功放的负载特性 iC uce ubemax 过 压 区 临界区欠压区 欠压过压 0 临 界 R L 欠压过压 0 临 界 R L End 欠压、过压、临界三种工作状态的特点: 结论: 欠压:恒流,Vcm变化, 较小,c低,Pc较大; 过压:恒压,Icm1变化, 较小,c可达最高; 临界: 最大,c较高; 最佳工作状态 发射机末级 中间放大级 1. 高频功放的负载特性 欠压过压 0 临 界 R p 欠压过压 0 临 界 R L 掌握负载特性,对分析集
9、电极调幅电路、基极调幅电路的工 作原理,对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很 有帮助的! 欠压状态的功率和效率都比较低,集电极耗散功率也较大,输出电 压随负载阻抗变化而变化,因此较少采用。但晶体管基极调幅, 需采用这种工作状态。 过压状态的优点是,当负载阻抗变化时,输出电压比较平稳且幅值较大 ,在弱过压时,效率可达最高,但输出功率有所下降,发射机的中间级、 集电极调幅级常采用这种状态。 临界状态的特点是输出功率最大,效率也较高,比最大效率差不了许多 ,可以说是最佳工作状态,发射机的末级常设计成这种状态,在计算谐振 功率放大器时,也常以此状态为例。 2 高频功放的振幅特性 uce iC
10、ubemax1 ubemax 2 Q EC ubemax4 iC ubemax 3 欠压过压 0 临 界 V bm 欠压过压 0 临 界 V bm 3. 调制特性(1)基极调制特性 基极调幅作用是通过改变EB来改变cm1与1才能实现的,因 此,必须工作于欠压区。 ube EB ubemax1 uBE iC EB ubemax2 EB ubemax3 uce iC ubemax 1 ubemax 2 Q EC ubemax3 iC EB绝对值的增加等效于减少 Ub,两者都会使ubemax产生相同的变化 uce iC ubemax Q EC Q EC Q EC iC (2)集电极调制特性 过压欠压
11、 0 临 界 E C 过压欠压 0 临 界 V CC 集电极调幅作用是通过改变 EC来改变c1与1才能实现的,因 此,必须工作于过压区。 4. 高频功放的调谐特性 高频功率放大器的高频特性高频功率放大器的高频特性 上一节以静态特性为基础,对高频功放进行了近似的分 析,只能说明高频功放的原理,不能反映高频工作时的其 他现象。实际的高频功放当晶体管工作在“中频区”或“高频 区”时,通常会出现以下的现象: 输出功率下降 效率降低 功率增益降低 输入、输出阻抗为复阻抗 这些现象主要是由于功放管的性能随频率变化(即高频效应 )引起的。功放管的高频效应主要有以下几个方面: 3、发射极引线电感的影响 4、饱
12、和压降的影响 2、非线性电抗效应 1、少数载流子的渡越时间效应 一、少数载流子的渡越时间效应 渡越时间少数载流子从基区扩散到集电极所需的时间。 低频区:小于信号周期,基区载流子的分布与外加瞬时电压一 一对应,各极电流与外加电压也一一对应。 高频区:与信号周期相当,各极电流与外加电压不 再一一对应,表现为: 1. 由于少数载流子在基区内的渡越时间, 当发射极电压由正偏转为反偏时,基区内的 一部分载流子还来不及扩散到集电极,又被 这反向偏置的电场重新推斥回发射极,形成 了负脉冲,同时主脉冲的高度也有所下降。 2. 集电极电流基波分量落后于发射极电流, 输入、输出产生附加相移。 3. 基极电流波形变
13、复杂。 vbe t -VBB VBZ 低频 高频 ie iC iB 二、非线性电抗效应 三、发射极引线电感的影响三、发射极引线电感的影响 高频时引线电感可以构成输入、输出之间的射极反馈耦合,会引起增益下 降,并使输入阻抗增加了一个附加的电感分量。 四、饱和压降的影响四、饱和压降的影响 晶体管工作于高频率时,饱和压降随频率的提高而加大(趋肤效应), 如果在保持同一工作电流时: 功放管中的集电结电容是随集电结电压变化的非线性势垒电容,其数值 可达几十到一二百皮法。高频时会构成输出与输入间的反馈支路,频率越高 ,反馈越大,会引起放大器工作不稳定。通过它的反馈会在输出端形成一个 输出电容,使输出阻 抗
14、变为复阻抗。 4. 饱和压降的影响 晶体管工作于高频时, 实验发现其饱和压降随频 率提高而加大。 3.4 高频功率放大器的实际线路 3.4.1 直流馈电线路 直流馈电线路包括集电极和基极馈电线路。下面 结合集电极馈电线路和基极馈电线路说明Cb、 Lb的应 用方法。 图3 25是集电极馈电线路的两种形式: 串联馈 电线路和并联馈电线路。 图 3 25(b) 中晶体管、 电 源、 谐振回路三者是并联连接的, 故称为并联馈电线 路。 串并馈直流供电电路的优缺点 并馈电路中,信号回路两端均处于直流地电位,即零电位。对 高频而言,回路的一端又直接接地,因此回路安装比较方便, 调谐电容C上无高压,安全可靠
15、;缺点是在并馈电路中,Lb处 于高频高电位上,它对地的分布电容较大,将会直接影响回路 谐振频率的稳定性; 串馈电路的特点正好与并馈电路相反,滤波匹配网络 处于直流高电位上,网络元件不能直接接地。 2基极馈电线路 基极馈电线路也有串联和并联两种形式。 图3 28示出 了几种基极馈电形式, 基极的负偏压既可以是外加的, 也可以 由基极直流电流或发射极直流电流流过电阻产生。 3.4.2 输出匹配网络 该双端口网络应具有这样的几个特点: (1) 以保证放大器传输到负载的功率最大, 即起 到阻抗匹配的作用; (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率, 即有 良好的滤波作用; (3) 大多数发射机为波段工
16、作 。要适应波段的要 求。 图 3 29几种常见的LC匹配 (a) L型; (b) T型; (c) 型 1. LC匹配网络 图3 29是几种常用的LC匹配网络。 对于L I型网络有 (3 32a) (3 32b) (3 32c) 对于L-型网络有 (3 33a) (3 33b) (3 33c) 图 L型匹配网络 (a) L-I型网络; (b) L-型网络 图3 30是一超短波输出放大器的实际电路, 它 工作于固定频率。 图 3 30 一超短波输出放大器的实际电路 2 耦合回路 图3 30是一短波发射机的输出放大器, 它采 用互感耦合回路作输出电路, 多波段工作。 图3 30 短波输出放大器的实
17、际线路 3.4.3 高频功放的实际线路举例 图3 31(a)是工作频率为50 MHz的晶体管谐振 功率放大电路, 它向50 外接负载提供25 W功率, 功 率增益达7 dB。 (a) 50 MHz谐振功放电路; 图 3 32 高频功放实际线路 (b) 175 MHz谐振功放电路 3.5 高效功放、功率合成与射频模块放大器 3.5.1 D类高频功率放大器 1. 电流开关型D类放大器 图3 33是电流开关型D类放大器的原理线路和 波形图, 线路通过高频变压器T1, 使晶体管V1、 V2获 得反向的方波激励电压。 图 3 33 电流开关型D类放大器 的线路和波形 由此可得 集电极回路两端的高频电压有
18、效值为 集电极回路两端的高频电压峰值为 V1(V2)的集电极电流为振幅等于Ic0的矩形, 它的 基频分量振幅等于(2/)Ic0。 V1、 V2的ic1、 ic2中的基 频分量电流在集电极回路阻抗RL(考虑了负载RL的反射 电阻)两端产生的基频电压振幅为 将式(3 35)代入式(3 37), 得 输出功率为 (3 39) (3 38) (3 37) 集电极损耗功率为 (3 42) (3 41) (3 40) 2 电压开关型D类放大器 图3 34为一互补电压开关型D类功放的线路及电 流电压波形。 两个同型(NPN)管串联, 集电极加有恒定 的直流电压Ec。 输入功率为 图 3 34 电压开关型D类
19、功放的线路及波形 由图可见, 因ic1、ic2都是半波余弦脉冲(=90), 所以两管的直流电压和负载电流分别为 两管的直流输入功率为 负载上的基波电压UL等于uce2方波脉冲中的基波 电压分量。 对uce2分解可得 负载上的功率为 可见 此时匹配的负载电阻为 3.5.2 功率合成器 功率合成器, 就是采用多个高频晶体管, 使它们产 生的高频功率在一个公共负载上相加。 图3 35是常 用的一种功率合成器组成方框图。 图 3 35功率合成器组成 由3dB耦合器原理可知, 当两晶体管输入电阻相 等时, 则两管输入电压与耦合器输入电压相等 在晶体管的输出端, 当两管正常工作时, 两管输出 相同的电压, 即 且 , 但由于负载上 的电流加倍, 故负载上得到的功率是两管输出功率之 和, 即 图 3 36 同相功率合成器 (a) 交流等效电路; (b) B信号源开路时的等效电路 当 时, 由于流过负载的电流只有原来的 一半, 功率减小为原来的1/4, 而A管输出的另一半功 率正好消 耗在平衡电阻RT上, 即有 图3 37是反相功率合成器的原理线路。 输入 和输出端也各加有3 dB耦合器作分配和合并电路。 图 3 38是一反相功率合成器的实际线路。 它 工作于1.5 MHz, 输出功率100 W。 图 3 37 反相功率合成器的原理线路 图 3 378100 W反相功率合成器的实际线路
链接地址:https://www.31doc.com/p-2668487.html