通信电子线路讲义

通信电子线路主讲石松绪论＊线性电路与非线性电路的概念０.1非线性电子线路的作用一、功率放大二、振荡器三、波形变换，频率变换调制、解调电路，混频、倍频电路等。例：无线通信系统的发射、接收机电路框图。图0-1-1无线通信系统的组成方框图图0-1-2无线电波传播方式图0-1-3采用调幅方式的中波广播发射机组成方框图图0-1-4采用调幅方式的中波广播接收机组成方框图0.2非线性器件的基本特点线性电阻：utRit线性电容：qtCut线性电感：tLit一、非线性器件特性的参数＊非线性电阻（电导）为例图0-2-10g和g的定义1.直流电导0QQQIgV2.交流电导（微变电导、增量电导或时变增量电导）QQQdiigdvv交流电导也可表示为QQgfV3.平均电导图0-2-2在大信号作用下的电流波形(1)器件两端加上cosmvVt的余弦电压(2)器件中流过电流的傅里叶级数展开式为012coscos2mmiIItIt(3)定义平均电导为1,mmavQVmIgV＊跨导也有直流跨导、交流跨导（增量跨导）及平均跨导的概念。二、非线性器件特性的控制变量＊在电压与电流的关系中，存在谁控制谁的问题例：隧道二极管的伏安特性曲线（电压控制电流）图0-2-3隧道二极管的伏安特性曲线三、不满足叠加原理若ifv，则当12vvv时，不存在12fvfvfv例：2ifvv，当12vvv时2221212122fvvvvvvv即12122fvfvfvvv0.3本课程的特点一、理解物理含义是根本，不要求过于繁琐的数学计算；二、掌握基本电路的功能和原理是关键，不要被具体的电路所迷惑；三、多思考，勤练习。第一章功率电子线路1.1功率电子线路概述1.1.1功率放大器一、性能要求安全、高效率和不失真（失真小）。oP输出信号功率CP功率管耗散功率ooCoCDPPPPP集电极效率DoCPPP电源直流功率二、功率管的运用状态a.甲类b.乙类c.甲乙类d.丙类图1-1-1各种运用状态下的输出电流波形1、甲类导通角3602、乙类导通角1803、甲乙类导通角略大于1804、丙类导通角小于1805、丁类导通角180，导通期间管子饱和6、戊类电流导通角小于180，导通期间管子饱和集电极耗散功率计算式：2012CCCEPivdt1.1.2电源变换电路1.直流-直流变换器（DC-DCConverter）斩波器2.交流-交流变换器（AC-ACConverter）3.直流-交流变换器（DC-ACConverter）逆变器（Inverter）1.1.3功率器件一、功率管散热和相应的CMP1.热阻的概念图1-1-2热传导过程的模拟21thCTTRP2.集电结允许最高结温jMT下的CP最大值为图1-1-3CMP与aT之间的关系jMaCMthTTPR式中aT为周围空气温度。3.加装散热器后的热等效电路（a）,（b）功率管底座上加装散热器（c）相应的热等效电路图1-1-4功率管的散热器及相应热等效电路j:集电结s:散热器c:管壳a:周围空气ththjcthcsthsaRRRR二、二次击穿图1-1-5考虑到二次击穿后的功率管安全工作区三、功率MOS管(a)结构剖面图(b)转移特性(c)温度特性图1-1-6双扩散MOS功率管四、绝缘栅双极型功率管（IGBT）(a)结构(b)等效电路(c)电路符号图1-1-7IGBT1.2功率放大器的电路组成和工作特性1.2.1简单的共发射极放大器的功率分析图1-2-1简单共发射电路图解分析一、电路参数计算输出信号功率：12ocmcmPVI静态工作点Q：12CEQCCVV，2CCCEQCCCQLLVVVIRR三极管瞬间电压、电流：sinCECEQceCEQcmvVvVVtsinCCQcCQcmiIiIIt各功率计算：2012DCCCCCCQPVidtVI22220111222LCLCQLcmLCEQCQcmcmPiRdtIRIRVIVI201122CCCECEQCQcmcmPivdtVIVI集电极效率：12cmcmoDCCCQVIPPVI，式中oP取LP中的交流输出功率部分12cmcmVI显然，最大集电极效率发生在输出信号振幅为最大值的时候，此时12cmCCCEQVVV，cmCQII因此max125%4二、结论1.除了有用的输出功率12ocmcmPVI外，消耗的功率一部分在管子中（CP），另一部分为LR中的直流功率（CEQCQVI）；2.在CCV恒定的情况下，提高输出功率的方法只有增大cmI的值，即减小负载LR的值。但需配合增大激励bi的振幅，以确保cmI及cmV的振幅能达到最大；3.改变负载大小时，需要对输入激励和静态工作点作相应的调整：(1)改变负载大小；(2)负载线斜率发生变化；(3)重新调整静态工作点Q为新的负载线中点；(4)改变输入激励大小，以让输出信号振幅在不失真条件下为最大。图1-2-2充分激励时LR变化对功率性能的影响1.2.2甲类、乙类功率放大器的电路组成及其功率性能一、甲类变压器耦合功率放大器(a)原理电路(b)直流通路(c)交流通路图1-2-3甲类变压器耦合功率放大器图1-2-4甲类变压器耦合功率放大器的图解分析1.直流负载线方程CECCvV2.交流负载线方程CEcLCCviRVCECCQLCCviIRV1CCCCECQLLVivIRR或0cecLviR0CECEQcLvViR0CECCcLvViR在电路输出功率为最大的情况下，当0Ci时，应有2CECCvV，因此有CCLCQVRICCCQLVIR由此可确定电路的静态工作点,CEQCQQVI。3.功率性能分析三极管瞬间电压、电流：sinCCQcmiIItsinCECEQcmvVVt各功率：DCCCQPVI2012DCCCPiVdt12LocmcmPPVI12CCCCQcmcmPVIVI2012CCECPvidt显然输出功率为最大时，集电极消耗功率最小。此时，cmCCVV，CCcmCQLVIIR因此最大集电极效率为maxmax1250%CCCQoDCCCQVIPPVI由于负载不损耗直流功率，因此集电极效率相对简单的共发射极放大器提高了。4.管子安全使用参数(1)max12cmCCBRCEOVVVmax12cmCMIImaxmaxmax1128ocmcmCMBRCEOPVIVI(2)max12oCMPP二、乙类推挽功率放大器1.变压器耦合推挽功率放大器(a)变压器耦合(b)互补推挽图1-2-5乙类推挽功率放大器原理电路2.互补推挽功率放大器图1-2-6乙类互补推挽功率放大器的图解分析3.互补推挽电路的功率性能计算若输入信号siniimvtVt在不考虑失真的情况下，有当0t时，1sinCcmiIt，20Ci（1T导通，2T截止）当2t时，10Ci，2sinCcmiIt（1T截止，2T导通）负载LR上的电流、电压为sinLcmiIt（11CEii，22CEii）sinLcmvVt其中cmcmLVIR(1)求DP单电源在一个信号周期内的电流平均值为001sin2cmCcmIIItdt所以有120222CCcmCCcmDDDCCCLVIVVPPPVIR(2)其余功率性能参数的计算2122cmocmcmLVPVIR，2max2CCoLVPR2224ocmcmLDLCCcmCCPVVRPRVVV显然当cmV达到最大值CCV时，集电极效率也达到最大max78.5%4(3)求最大管耗令cmCCVV，称为电源电压利用系数，则2222max1122cmCCooLLVVPPRR2max224CCcmCCDoLLVVVPPRR单管管耗为212max12122CCDooPPPPP求极值，得当20.636时，1CP、2CP最大，为1max2maxmaxmax220.2CCooPPPP图1-2-7oP、DP、CP、C随变化的特性4.安全工作条件(1)max12cmCCBRCEOVVVmaxcmCMIImaxmaxmax1124ocmcmCMBRCEOPVIVI(2)max5oCMPP1.3乙类推挽功率放大电路1.3.1乙类互补推挽功率放大电路一、交越失真和偏置电路1.交越失真(a)电路(b)转移特性(c)传输特性图1-3-1射极跟随器图1-3-2交越失真图1-3-3加偏置的互补推挽电路及其传输特性2.二极管偏置电路（克服交越失真）图1-3-4二极管偏置电路3.BEV倍增偏置电路（克服交越失真）图1-3-5BEV倍增电路二、单电源供电的互补推挽电路图1-3-6单电源供电的互补推挽电路需要使用隔直流输出电容，此电容相当于第二个电源的作用，其电压值为12CCV。三、准互补推挽电路图1-3-7准互补推挽电路利用复合管，使得电路参数更容易做到对称。复合管中第二个管子的发射结通常并接一个几百的电阻，目的是为了让第一个管子的导通更充分，以更好地工作在线性区，同时起到减小穿透电流的作用。四、保护电路图1-3-8限流保护电路五、输入激励电路图1-3-9自举电路1.3.2集成功率放大器一、功率运算放大器图1-3-11功率运算放大器二、桥式功率放大器图1-3-12桥式功率放大器1.4功率合成技术1.4.1功率合成电路的作用图1-4-2用四个25W输出的放大器合成100W输出的组成方框图1-4-1功率合成电路的作用示意图1.A、B端输入等值同相功率，cR获得合成功率，dR无功率输出。2.A、B端输入等值反相功率，cR无功率输出，dR获得合成功率。3.dR与cR满足一定比例（满足隔离条件）时，A、B两输入端彼此隔离，互不影响。4.将C、D作为功率输入端，A、B作为功率输出端，将实现功率分配。1.4.2传输线变压器一、变压器和传输线的工作频带1.变压器依靠互感来耦合信号(1)上限频率受分布电容和绕组电感的限制(2)下限频率受初级绕组电感量（有限激磁）的限制2.传输线依赖于传输线理论图1-4-3传输线(1)上限频率受传输线长度的限制*传输线是指连接信号源和负载的两条平行等长导线。min11~810lmin：上限频率Hf的波长l：传输线长度(2)下限频率为零二、传输线变压器的工作原理图1-4-41:1倒相传输线变压器1.2、4输出端的电压等于1、3输入端的电压2.两导线上的电流大小相等，传输方向相反3.上限频率受传输线长度限制*高频时，传输线变压器趋向于传输线工作方式*由于在传输线工作方式下，分布电容是传输线参数的一部分，故上限频率可以很高4.下限频率受变压器绕组电感量（有限激磁电感量）的限制*在受传输线长度限制的情况下，提高绕组电感量的方法是将传输线绕在磁环上*低频时，趋向于变压器工作方式图1-4-5变压器工作对信号传输的影响三、传输线变压器的功能1.功率合成与分配2.阻抗变换(a)对称-不对称(b)不对称-对称图1-4-6对称与不对称变换器图1-4-74:1和1:4阻抗变换器分析(a)图电路：分析(b)图电路：2LvRi，2ivRi2LvRi，2ivRi442iLvRRi12144iLvRRi222cLvvZRii12122cLvvZRii1.4.3用传输线变压器构成的魔T混合网络图1-4-8功率合成电路一、功率合成adiii，dbiii12abiii122dabcabiiiiiii1.sinabmiiIt，sinabmvvVt