第二章 谐振功率放大器_2013_1

§2谐振功率放大器一、概述二、丙类谐振功率放大器三、丙类谐振功放工作状态的分析四、谐振功率放大器线路五、晶体管倍频器谐振功率放大器1、引入谐振功放的必要性2、谐振功率放大器的分类：●线性谐振功放(或或)放大已调幅波●丙类谐振功放()放大高频等幅波——载波、调频波、调相波等●高效率功放（,功率管工作在开关状态）一、概述18090901809090甲类乙类甲乙类丙类开关状态，丁茂类按电流的流通角划分放大器种类二、丙类谐振功率放大器1.原理电路及各元件作用●原理电路Lr、Cr：输出并谐回路谐振电阻C1、C2：高频旁路电容与隔直作用●Lr、Cr并谐回路的作用：选频；完成阻抗匹配●实际电路输入回路中有输入谐振回路L1C1，并联谐振电阻为Re1RessmcosvtV●Lr、Cr并谐回路的作用：1、选频；2、完成阻抗匹配，把外界电抗性负载转为功率管的应配负载●实际电路输入回路中有输入谐振回路L1C1，并联谐振电阻为Re12.工作原理：①在vs产生激励电流为is=Ismcosωt作用下,看各极电压电流波形:●ic的波形为一串余弦脉冲c0cmax0()Ii……cnmcmaxn()Ii01n，……称为电流分解分数●ib的波形为一串余弦脉冲●工作原理描述：在is为余弦信号的激励下，丙类谐振●vce的波形为余弦波因负载是具有选频作用的Lr、Cr并谐回路；所以vce=Vcmcosωt（其中Vcm=Ic1mRe）其中功放的ib，ic均是余弦脉冲，而vb,vc是完整的余弦波。（因为输入输出均为LC选频网络）●管外特性方程：bmsmblmelCmClme()VIIRVIR　CECCcmcosvtVV●vb的波形为余弦波vBE=VBB+vb=VBB+Vbmcosωt②结论：maxmax00max11coscos1cossincossincosccccctiiitiiIIc0c1是的周期函数，可以做傅里叶展开=（）（）=（1-cos）（）（）=（1-cos）高频功放的性能分析3.能量关系●●●●●若，则90=101190902（）=，（）=1（）g称波形系数，1902（）=gCD0PPP1010cD()1/((22)1)gPPcmcc/VV=实现高效率功放的途径•PD和激励信号相同时，甲、乙、丙类功放比较：（PC为下图中υCE和ic的阴影部分乘积）为进一步得到更大输出功率和更高效率，可利用管子工作在开关状态，使管子饱和导通期间始终维持VCE在最小值（VCE(sat)≈0，使PC趋于零）则大大提高效率，这种称为丁类高效率谐振功放，效率超过90%，它是两管工作，所以谐波输出小。但频率升高时效率下降。开关转换瞬间，两管可能同时导通或同时断开，造成二次击穿,易损坏管子。为克服其缺点，在电路上加以改进，提出了戊类高效率功放，是单管工作在开关状态，选择适当负载网络参数，使瞬态响应最佳。丁类谐振功率放大器思考题谐振功放与非谐振功放相比，有哪些异同点？相同点：它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率。不同点：(1)在谐振功放中，为了提高效率都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形(2)为实现不失真放大，必须限定输人信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的己调波信号。例10175()=0.29()=0.455，已知，，工作在临界状态的某高频功率放大器，Vcc=24V，集电极电压利用系数ξ=0.9，集电极电流流通角功放管集电极电流的脉冲幅度cmax5Ai计算：1、集电极电压Vcm、集电极电流Ic0、Ic12、输出功率Po、集电极转换效率η3、直流输入功率PDccC0cmax0C1cmax1C1C111C00DC0CC(1).924=21.6V=()=50.29=1.45A=()=50.455=2.28A11(2)Po=2.2821.624.622()111()222()10.4550.970.6%20.29(3)=V=cmcmcccmVVVVIiIiIVWIgIPI由01.4524=34.8W例206PWCCC0DCC某高频谐振功率放大器工作于临界状态，输出功率，电源电压V=24V，集电极直流电流I=300mA，电压利用系数=0.95，求直流电源功率P，集电极功耗P，效率及负载电阻ReccDC0ccC1CDC1C11C0cC1:.9524=22.8VP0.3247.21Po=62PPPo7.261.22Po260.52622.81110.526()0.9583.3%2220.3Re==cmcmcccmcmcmVVVVIVWIVWWIAVIgIVVI解由于0电源功率根据题意集电极功耗负载电阻cC122.8==43.30.526I三、丙类谐振功放工作状态的分析1.工作状态的划分方法按工作区划分欠压状态：管子导通时，动态线处于放大区临界状态：管子导通时，动态线达到临界饱和区过压状态：管子导通时，动态线进入饱和区动态线1、什么是动态线？在非谐振功率放大器中，为了分析放大器的性能，可以在三极管的输出特性曲线上作（三极管集电极的电压与电流的关系曲线）。由于集电极的负载为纯阻，负载线为一条直线。在谐振功率放大器中，由于集电极的负载为LC网络，三极管集电极的电压与电流是互相影响，互为确定的。精确的分析需要求解非线性微分方程。•2.如何求动态线①依据：管外特性方程②方法：近似静态特性分析方法分析：1、动态线2、集电极电流3、所需负载Re=Vcm/Ic1m4、放大器功率性能•取定四个值，由管外方程计算得到不同时间对应的VBE和VCE值。根据各个对应的VBE和VCE值，在功率管的输出特性曲线上（将其中的参变量iB改为VBE），找出相应的各动态点，它们的连线即为放大器的动态线。可见，动态线是描述VBE和VCE的移动轨迹。、、、BBbmcccmVVVV、、、、.....t=0153045③动态线与波形：④结论：●动态线由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段构成，动态线与横轴交在小于VCC地方（因）●集电极电流是一串余弦脉冲（或一串凹陷脉冲）●过压状态电流出现凹陷原因是集电极负载是谐振回路所致90●定义：若不变，放大器随变化的特性3.工作状态分析讨论对工作状态的影响①负载特性CCBBbmecm、、、（或）VVVRV称为负载特性。CCBBbm、、VVVeR●负载特性分析●画出负载特性曲线：●结论：实际负载应取在弱过压状态。（因趋近可见Ic1m、IC0在欠压区下降慢，在过压区明显下降；Vcm变化趋势却相反最小值，功率管最安全，仍提高、P0也较大）②调制特性i集电极的调制特性●定义：若不变，放大器随的变化特性。●集电极调制特性分析●画出调制特性曲线●结论：欲想改变VCC能有效控制VCm实现集电极调制，则放大器应工作在过压状态；集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。（集电极调幅参阅高电平调制电路）ii基极的调制特性●定义：若不变，放大器随的变化特性。●基极调制特性分析bmBBcccmminVVVC0C1CEIIIIVBEmax当一定，时，脉宽，，欠压进入过压状态●画出调制特性曲线改变欲想有效控制实现基极调制，则放大器应工作在欠压状态；基极调制特性是实现基极调幅的原理依据。（因基极调幅非线性失真大；需激励信号功率大；所以一般不采用）●结论：iii集电极调幅与基极调幅a)集电极调幅电路：；丙类谐振功放的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。BBVbmVCCCC+tvt（）＝（）VV▲电压电流波形▲电路工作原理▲平均功率b)基极调幅电路▲电路与工作原理其中(PD)0、(PO)0、(PC)0是载波状态功率;丙类谐振功放的基极调制是基极调幅的原理依据③放大特性定义：若VCC、VBB、Re不变，放大器随Vbm变化特性。▲平均功率式中(PD)0、(P0)0、(PC)0是载波状态平均功率●●放大特性分析●画出放大特性曲线●结论欲想改变Vbm有效控制Vcm实现放大，则放大器应工作在欠压状态；它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）欲想改变Vbm，使Vcm基本不变实现限幅，则放大器应工作在过压状态。例3：一个丙类谐振功放，设计在临界状态，现P0和ηc均不能达到设计要求，应如何进行调整？P0不能达到设计要求，表明放大器没有工作在临界状态。放大器可能工作在欠压或过压状态下,增大Re，如果P0增加，则放大器工作在欠压，此时分别增加Re，Vbm，或VBB均可使放大器从欠压进入到临界状态。如果增大Re，P0反而减小，则放大器工作在过压状态，此时增大Vcc可以使放大器从过压进入到临界状态。例4：一谐振放大器，原来工作在临界状态，后来发现该放大器的输出功率下降，但效率反而提高，而VCC，Vcm及VBEmax不变，问是什么原因造成的，此时放大器工作在什么状态？cmBEmaxCEminBEmaxcm1011max11m2cmcmeOeOVV121=2CCCCCCVVVVgVgIIVVRPRP，，及不变，，不变因此放大器的工作状态不变=不变=（）现提高了（）（）=增大了，表明减小了。（）工作状态不变，临界点的不变而减小了，（）将减小，减小要使不变，则只有增加，而下降了要减小通角，有两个BEmax1bmBBBBbmBBbmVVVVVVV途径、减小，2、减小题意要求只能在减小的同时，增大。四、谐振功率放大器线路1.直流馈电馈电原则：●对直流呈短路●对基波分量呈现最大阻抗●对其他谐波分量基本呈现短路●按电流流通路径划分馈电电路形式集电极馈电电路基电极馈电电路●基极、集电极回路中，电流的直流分量和基波分量有各自的正常通路●高频信号不能流过直流电源①集电极馈电（串馈、并馈）若功率管C-E结、、LC回路三者是串联(或并联)，则称为集电极串馈（或并馈）电路●集电极串、并馈电路形式●串并馈电电路的异同点ii不同点：并馈：LC回路两端均是直流低电位端，且有一端接地；串馈：LC回路两端均是直流高电位端，且没有一端接地；馈电附加元件（LC、）并馈：LC、加在LC回路交流高电位端，造成分布参数并到LC回路上，影响频率稳定。串馈：LC、加在LC回路交流低电位端，不影响频率稳定。▲▲CCCCCC▲▲i共同点：供电效果相同；均是接在高频电位的地电位端。●常用基极馈电电路②基极馈电若功率管的发射结、vi、VBB三者是串联（或并联），则称为基极串馈（或并馈）电路。●基极馈电形式:有串馈与并馈两种形式③自给反偏压电路的作用●放大器中引入自给反偏压是稳定工作点。●丙类谐振功放引入基极自给反偏压是稳定工作状态，克服非线性失真●振荡器中自给偏压的作用是稳定输出电压的振幅。●切不可在乙类变压器耦合推挽功率放大电路或线性谐振功率放大电路中加自给反偏压电路，否则可能导致非线性失真例5试画出一个两级谐振功率放大器的实际线路,要求:①两级均采用NPN管，发射极直接接地②第一级基极采用组合式偏置电路，提供负偏压，与前级互感耦合；第二级基极采用零偏电路③第一级集电极馈电采用并联形式，第二级集电极馈电采用串联形式④两级间回路为T型网络，输出回路采用∏型网络，负载为天线。T1C2Q1Q2R1R2GNDGNDGNDLc1L1VCCC3Cc2C1CbCc1Lc2L2Lc3VCC1L3VBB-5V匹配网络的种类∏型T型混合型2.匹配网络①对输出匹配网络的要求●将外接RL转化成功率管集电极要求的匹配负载Re。●选出基波分量，滤除谐波分量。用、描述滤波性能。L型双调谐型nK②设计LC匹配网络的基本依据——串并支路阻抗变换公式③常用匹配网络设计iL形匹配网络●定义：用两个异型电抗连接成