谐振功率放大器

第2章谐振功率放大器2.3谐振功率放大器电路2.3.1直流馈电电路2.3.2滤波匹配网络2.3.3谐振功率放大器电路谐振功放管外电路：①直流馈电电路②滤波匹配网络2.3.1直流馈电电路考虑因素：滤波匹配网络安装方便；馈电电路(PowerSupplyCircuit)对滤波匹配网络的影响。直流馈电电路分为串馈并馈1．串馈与并馈(1)串馈三者(直流电源VCC、滤波匹配网络和功率管)在电路形式上为串接的馈电方式。(a)图2–3–1集电极直流馈电电路cCCCEvVvLC——高频扼流圈，与CC构成电源滤波电路。在信号频率上LC的感抗很大，接近开路；CC的容抗很小，接近短路，避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。(2)并馈三者(直流电源VCC、滤波匹配网络和功率管)在电路形式上为并接的馈电方式。(b)图2–3–1集电极直流馈电电路LC——高频扼流圈；CC1——隔直电容；CC2——电源滤波电容。在信号频率上，LC感抗很大，接近开路，CC1、CC2的容抗很小，接近短路。虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并联的，但滤波匹配网络两端电压vc(t)直接反映在LC上，因而vCE=VCC+vc。与串馈电路相同。(3)串馈与并馈的比较相同点：两种馈电方式，VCC都能全部加到集电极上。不同点：滤波匹配网络的接入方式。(a)(b)图2–3–1集电极直流馈电电路①串馈：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并馈：CC1隔直流，匹配网络处于直流地电位上，网络元件可直接接地，安装比串馈方便。但LC和CC1与匹配网络相并联，它们的分布参数影响网络调谐。2．基极偏置电路(1)作用为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。(2)常用类型三种。图2–3–2基极偏置电路①图2–3–2(a)，基极偏置电压由VCC通过RB1和RB2分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。②图2–3–2(b)、(c)，自给偏置电路。图2–3–2(b)偏置电路：LB、RB、CB1。RB：产生压降，提供自偏电压；LB：避免RB、CB1对输入滤波匹配网络的旁路影响。3．自给偏置电路ibi2i1(1)自给偏压IB0的产生图2–3–2(b)，vb0ib0，为脉冲电流，可分解为IB0、Ib1m、Ib2m、···由基尔霍夫定律ib=i1+i2i2通路有高扼圈LB，仅直流电流可以通过，ib中的直流分量为IB0，故i2为IB0。(2)自给偏置Vb(t)=0，VBE=0；Vb(t)由小至大IB0随之增大VBE=IB0RB负向增大。自给偏置效应：这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应。(3)自给偏置电路的作用①用于载波功放，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用。②用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。③若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，造成输出信号失真，应当避免。2.3.2滤波匹配网络1．位置对交流通路而言，滤波匹配网络(Filter-MatchedNetwork)介于功率管T和外接负载RL之间。2．对滤波匹配网络的要求(2+1条)(1)变换将外接负载RL变换为放大管所要求的负载Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。图2–3–3基极偏置电路(2)滤波充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证在外接负载上输出所需基波功率(在倍频器中为所需的倍频功率)。谐波抑制度Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。设IL1m和ILnm分别为通过外接负载电流中基波和n次谐波分量的振幅，相应的基波和n次谐波功率分别为PL和PLn，则对n次谐波的谐波抑制度定义为L1mmLLLlg20lg10IIPPHnnnHn越小，网络对n次谐波的抑制能力越强。通常n选2，即对二次谐波的抑制度。(3)高效将功率管给出的信号功率Po高效地传送到外接负载上，即要求网络的传输效率K=PL/Po接近1。3．讨论(1)谐波抑制度Hn和K间的矛盾在实际滤波匹配网络中，提高Hn，就会牺牲传输效率K，反之亦然。(2)说明图2–3–4LC谐振回路如图2–3–4所示，L和C为滤波网络(简称L型网络)，rL为L中的固有损耗电阻，RL为外接负载电阻。令L00rLQ为回路固有品质因数，在高Q条件下，它的有载品质因数)(LLL0LL0eRrrQRrLQ)(LLL0LL0eRrrQRrLQ显然，当Q0一定时，RL越大于rL，相应的K就越大。但RL越大，Qe越小，回路谐振曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。(3)谐振功放匹配滤波网络的基本形式LC并联谐振回路LC串联谐振回路具体电路形式有多种。作用：阻抗匹配、选频滤波。不论形式有何不同，均可由串-并联阻抗变换公式将其等效为上述两种基本网络的组合。常用滤波匹配网络的结构、组成元件的表达式参阅教材表2-3-1(p101)。4．串、并联阻抗转换公式若将一个由电抗和电阻相串接的电路与相并接的电路等效转换，根据等效原理，令两者的端导纳相等，即ssppj1j11XRXR由此得(1)串转并公式)1(2ess2s2spQRRXRRssps2e2ss2s2sp)1(XRRXQRXXRX(2)并转串公式2eps1QRRppssXRRX(3)说明①式中，ppsseXRRXQ②Xp和Xs为实数③电容：XＣC1电感：XL=L上述各式表明，Qe取定后，Rp和Rs，Xp和Xs之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变(Xs和Xp有相同的正负号)。5．滤波匹配网络的设计在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般在10以下。考虑到谐波抑制度，常用的滤波匹配网络除了上述最简单的L型外，更多的是由三个电抗元件组成的、T型以及由它们组成的多级混合网络。下面就介绍滤波匹配网络的阻抗变换特性。假设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零，即回路传输效率趋近于1，外接负载电阻为RL，要求与Re和C0的串接或并接阻抗相匹配，C0为功率管的分布电容。利用串、并联阻抗转换公式，就可以导出各种滤波匹配网络的元件表达式。图2–3–7基极偏置电路例1：图2-3-7(a)为T型滤波匹配网络，要求与Re和C0串接阻抗匹配，求各元件表达式。111//LCCXXX解：将T型网络分割成两个串接的L型网络，图中。再对这两个L型网络进行分析。在后一个L型网络中，将XC2和RL的串接阻抗转换为Xp2和Rp2的并接阻抗，分别取值为)1(2e2Lp2QRRe2p22Lp2p2QRXRRXC(注意XC2含负号)(b)图2–3–7基极偏置电路0p21XXL令，回路并联谐振，则L型网络呈现的谐振电阻为)1(2e2Lp2eQRRR其中，L2e2/RXQC且网络元件的表达式为XC2=-Qe2RL，e2p2p21/QRXXL再来分析前一个L型网络，它的负载电阻为。将和的并接阻抗转换为Xs1和Rs1的串接阻抗，分别为eR1CXeR2e1es11QRRs1e11e1s1s1RQXRRXC1ee1/CXRQ0s110XXXLC其中。令，回路串联谐振，则L型网络呈现的谐振电阻2e12e2L2e1es1e111QQRQRRR1)1(2e1Lee2QRRQ或，由于Qe2为正实数，因而L2e1e)1(RQR根号内的值应大于零，故有相应网络元件的表达式为e1e1/QRXCee1s1e1s101RQRQXXXCL所以，若已知Re、C0与RL，并选定Qe1，则T型网络的各元件值由下列各式确定0ee11CLXRQXL2ARXCAQBQBABABQBXXXLCCe1e1e1111)/()/()/)(/(//式中，1)1(2e1LeQRRA)1(2e1eQRB讨论：该网络仅适用于的匹配要求。但由于Re越接近RL，A越趋近Qe1，XC1就越大，相应C1就越小，而过小的C1，在实践上是难以实现的，故此处，Re不易接近RL。)1/(2e1LeQRR例2：图2-3-8示型滤波匹配网络，要求与Re、C0的并接阻抗匹配，求各元件表达式。图2–3–8形滤波匹配电路解：首先取XL1+XC0=0，L1和C0并联谐振，网络得到简化，然后将XL2用虚线分成两个串联电感，即222LLLXXX在由与XC2组成的L型网络中，它的负载为RL，现将XC2与RL并联阻抗转换为串联阻抗Xs2和Rs2。并令，网络串联谐振。2LX0s22XXL结果是网络呈现的谐振电阻为22eLs2e1QRRR且e2Ls2Le2QRXRRXCLe22Le2RQXRRXCL2.3.3谐振功率放大器电路1．电路(p102~103)2．分析①直流馈电(集电极、基极)电路，元件作用②滤波、匹配网络(输入、输出)