大连海事大学本科教学质量与教学改革工程

第2章谐振功率放大器2.1谐振功率放大器的工作原理2.2谐振功率放大器的性能特点2.3谐振功率放大器电路第2章谐振功率放大器谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般工作在丙类（或丁类、乙类），主要用在无线电发射机中，用来对载波或已调波进行功率放大。用途：对载波或已调波进行功率放大构成：匹配网络为谐振系统应用状态：丙类（或丁类、乙类）2.1谐振功率放大器的工作原理在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两部分组成。2.1.1丙类谐振功率放大器1.电路组成ZL——外接负载，呈阻抗性，用CL与RL串联等效电路表示。Lr和Cr——匹配网络，与ZL组成并联谐振回路。调节Cr使回路谐振在输入信号频率。VBB——基极偏置电压，设置在功率管的截止区，以实现丙类工作。2.集电极电流ic若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则在输入信号电压tVtvsbmbcos)(的作用下，根据，tVVtvVvsbmBBbBBBEcos)(在静态转移特性曲线(ic～vBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。用付里叶级数可将电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和，即tItIIiiIisc2msc1m0Cc2c1C0Ccos2cos3.输出电压vo(1)对基波分量由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对iC中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，在高Q回路中，其值Re近似为LtrL2r20eRCLRLR式中，LrLrtCCCCC——回路总电容trs0/1CL——回路谐振角频率Lr0e/RLQ——回路有载品质因数(2)对非基波分量谐振回路对iC中的其它分量呈现的阻抗均很小，平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。结论：回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而在负载上可得到所需的不失真信号功率。小结：丙类谐振功率放大器的功能(1)选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。(2)阻抗匹配：谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re，而且调节Lr和Cr还能保持回路谐振时使Re等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配。所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹配负载的双重作用。4.丙类功放的功率特性分析(1)丙类功放的问题若提高集电极效率，管子导通时间减小；但引起iC中基波分量幅度Icm减小，从而导致输出功率减小。(2)解决方法①将基极偏置电压VBB向负值方向增大，减少管子导通时间。②增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅度Vbm，使减小导通时间的同时维持输出功率不变。③后果：加到基极上的最大反向电压(VBB－Vbm)可能使功率管发射结反向击穿。在维持输出功率的条件下，一味地减管子导通时间来提高集电极效率的做法往往是不现实的。为进一步提高效率，可采用开关工作的谐振功率放大器——丁类。2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器1.丁类简介(1)电路Tr次级两绕组相同，极性相反。T1和T2特性配对，为同型管。(2)原理若vi足够大，则vi＞0时，T1饱和导通，T2截止，CE(sat)CCA1vVvvi＜0，T2饱和导通，T1截止，CE(sat)A2vvA点幅值：vA=vA1vA2=CE(sat)CC2vV该电压加到L、C、R串联谐振回路上，若谐振回路工作在输入信号角频率上，且其Q值足够高，则可近似认为通过回路的电流iL是角频率为的余弦波，RL上获得不失真输出功率。(3)性能特点①T1、T2尽管导通电流很大，但相应的管压降很小()CE(sat)v，管耗小，放大器的效率高。(90%以上)②考虑结电容、分布电容等影响，实际波形如vA虚线所示，管子动态管耗增大，丁类功放效率受限。2.戊类放大器为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计的集电极，保证vCE为最小值的一段期间内，才有集电极电流流通，这是正在发展的戊类放大器。2.实现原理在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入信号频率的n次谐波上，则输出谐振回路上仅有iC中的n次谐波分量产生的高频电压，而其它分量产生的电压均可忽略，因而RL上得到了频率为输入信号频率n倍的输出信号功率。2.1.3倍频器1.概念倍频器(FrequencyMultiplier)：将输入信号的频率倍增n倍的电路。3.倍频电路②滤波。谐振回路需滤除高于n和低于n的各次分量。低于n的分量幅度较大，滤除较难。倍频次数越高，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。(2)变容二极管、阶跃二极管构成参量倍频器，适用于倍频次数较高时。(1)三极管倍频器倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频。原因：①效率。集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度随着n的增加而迅速减小。倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低。作业：2-1，2，42.2谐振功率放大器的性能特点2.2.1近似分析方法1.概述非谐振功率放大器：集电极负载为纯电阻，在特性曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压求出功率性能丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，使得集电极电压，电流波形不同。但二者又互为确定(vCE由iC产生，而vCE通过基极宽度调制效应影响iC)。要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐。2.谐振功放的近似分析方法——准静态分析法(1)方法基于下面的两个假设假设一：谐振回路具有理想的滤波特性，只能产生基波电压（在倍频器中，只能产生特定次数的谐波电压），其它分量的电压均可忽略。所以，尽管集电极电流为脉冲波，但集电极电压却是余弦的。同理，放大器输入端也有谐振回路，尽管基极电流为脉冲波，但基极电压是余弦的，可表示为：tVVvtVVvcoscoscmCCCEbmBBBE(2-2-1)假设二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲线表示，其高频效应可忽略。分析时的输出特性曲线，其参变量采用vBE，而不是通常的iB。(2)分析步骤①由式2-2-1确定vBE和vCE：先设定VBB、Vbm、VCC、Vcm四个电量数值，并将ωt按等间隔(ωt=0º，±15º，±30º，……)给定不同的数值，则vBE和vCE便确定(图a)。tVVvtVVvcoscoscmCCCEbmBBBE(2-2-1)②由输出特性画iC：根据不同间隔上的vBE和vCE值，在输出特性曲线上（以vBE为参变量）找到对应的动态点，由此可以确定iC值的波形，其中动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线。(a)(b)不到VCC，因为导通角小于.(3)功率性能分析①谐振电阻用付里叶变换对iC脉冲波进行分解，求出其中的平均分量IC0和基波分量Ic1m。由此可以确定所需的集电极谐振回路谐振电阻Re。c1mcme/IVR②功率性能DoCoDCm1Ccmo0CCCD/2/PPPPPIVPIVP(4)讨论四变量VBB、Vbm、VCC、Vcm不同，iC的波形和数值就不同，由此求得的Re及相应的功率性能就不同。应了解四变量的影响。2.2.2欠压、临界和过压状态1.VBB、Vbm、VCC不变，iC随Vcm的变化规律(1)iC的宽度：由图所示，主要取决于VBB、Vbm，VBB、Vbm一定，iC脉宽近似确定，与Vcm关系不大。(2)iC的值：由tVVvtVVvcoscoscmCCCEbmBBBE；当t=0时，cmCCCEminCEbmBBBEmaxBE,VVVvVVvv当VBB、Vbm即vBEmax为定值时，Vcm↑→vCEmin↓动态点A左移情况①——A：Vcm的取值，使所对应的动态点处在放大区。情况②——A：Vcm增大，使t=0所对应的动态点处在临界点，iCmax略微减小。情况③——A：Vcm继续增大，使t=0所对应的动态点处在饱和区，iC迅速减小，电流脉冲出现凹陷，且随Vcm增大，凹陷加深。结论：当VBB、Vbm、VCC固定不变，Vcm由小增大时，CEv由大变小，故动态线左移。2.欠压、临界、过压欠压(Undervoltage)：vCEmin对应的动态点处于放大区。临界(Critical)：vCEmin对应的动态点处于放大区和饱和区之间的临界点。过压(Overvoltage)：vCEmin对应的动态点处于饱和区。3.iC平均分量IC0与基波分量Ic1mttiItiIdcosπ1dπ21ππ-Cc1mππ-C0C由此可求功率性能。由于丙类工作，在管子导通期间，iC和cosωt均为正值，因此，iC脉冲越宽，高度越高，IC0和Ic1m就越大。如果出现凹陷，则凹陷越深，IC0和Ic1m就越小。作业2-5，2-82.2.3四个电量对性能影响的定性讨论一、负载特性1.含义：谐振功放的负载特性是指VBB、Vbm和VCC一定，放大器性能随Re的变化特性。2.特性Re的增加势必将引起Vcm增大()c1mecmIRVRe↑→Vcm↑→vCEmin↓→放大器欠压→过压→iC由接近余弦变化的电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。据此可以画出Ic0和Ic1m随Re变化的特性。Vcm=ReIc1mPo=VcmIc1m/2PD=VCCIC0PC=PD－PoC=Po/PD由IC0和Ic1m的变化就可以画出Vcm、Po、PD、PC、C随Re变化的曲线。3.讨论(1)欠压区：由图(a)，Re由小增大时，iC脉冲的高度略有减小，相应的IC0、Ic1m也略有减小，因而由图(b)，Vcm(＝ReIc1m)和Po(e2c1mRI)近似线性增大，而PD(=VCCIC0)略有减小，ηC增大，PC减小。(2)过压区：随Re增大，电流脉冲高度减小，凹陷加深，相应的IC0、Ic1m减小，结果使Vcm略有增加，Po、PD减小，且Po比PD减小的慢，从而C略有增加，PC略有减小。(3)匹配负载：如果Re的取值使管子工作在临界状态，则Po最大，且C较大，PC较小，放大器性能接近最佳性能。将此时的Re称为谐振功放的匹配负载，用Reopt表示。o2CE(sat)CCo2cmeopt)(2121PVVPVR二、调制特性包括集电极调制和基极调制两种特性。1.集电极调制特性(1)含义：VBB、Vbm和Re一定，放大器性能随VCC变化的特性。(2)调制特性：VBB、Vbm一定，则VBEmax和iC脉宽一定。而对应于VCEmin的动态点必定在vBE=VBEmax的那条输出特性曲线上移动。①欠压状态：随VCC减小，集电极电流脉冲高度略有减小，因而IC0和Ic1m也将略有减小，Vcm(=ReIc1m)也略有减小。②过压状态：随VCC减小，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因而IC0、Ic1m、Vcm将迅速减小。2.基极调制特性(1)含义：Vbm、VCC、Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。(2)调制特性：当Vbm一定，VBB由负向正增大时，iC不仅宽度增加，而且其高度增加（因VBEmax增大），因而IC0和Ic1m、Vcm增大，结果使VCEmin减小，放大器由欠压进入过压状态。进入过压状态后，随VBB向正值方向增大，集电极电流的宽度和高度均增加，使凹陷加深，结果使IC0和Ic1m、Vcm均将增大，但增大得十分缓慢，可认为近似不变。3.调幅电路调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性。(1)集电极调幅原理电路图中：tVtvcbmbcos)(——输入高频载波电压，ωc——载波频率tVvcosm——调制信号电压，为调制频率它们与谐振功放电路的不同仅是集电极回路接入了调制信号电压。ttVtvccmo)cos()(为谐振回路上的输出电压。令)()(CC0CCtvVtV作为放大器的等效集电极电源电压。若要求Vcm按调制信号规律变化，即Vcm(t)按VCC(t)的规律变换，则根据集电极调制特性，放大器必须在VCC(t)的变化范围内工作在过压状态。(2)基极调幅原理电路)()(BB0BBtvVtV——基极偏置电压使Vcm按VBB(t)的规律