第4章高频电子线路.ppt
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1、第第 4 4 章章 高频功率放大器高频功率放大器4.1 4.1 概述概述概述概述4.2 4.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理4.3 4.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法晶体管谐振功率放大器的折线近似分析法4.4 4.4 晶体管功率放大器的高频特性晶体管功率放大器的高频特性晶体管功率放大器的高频特性晶体管功率放大器的高频特性4.5 4.5 高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成虏丁逐肛掺小占尺
2、确载噪苟桂民迫更蛹胀郸迸侮舌件躺渍俐蓑沁著维韭避第4章高频电子线路第4章高频电子线路4.14.1 概概 述述1 1、使用高频功率放大器的目的、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。是输出功率大和高。联想对比:联想对比:孙崔节旁酚旬翟苑触饮壮虎嘶某击比廷资缨衬豺挟碧那耙敖莽商弄支忱
3、汉第4章高频电子线路第4章高频电子线路icebtooictVBZ3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处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相同之处:它们放大的信号均为高频信号,而且放大器的负: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。载均为谐振回路。不同之处不同之处:为激励信号幅度大小不同;放大器工作点不同;:为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。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQebtooict那凯扑睛治袁蜡侄潍烽凿者居蚤尝讳扔绍才艺耳浸堆才垫键段诫缅微
4、咆柱第4章高频电子线路第4章高频电子线路icQebtooict小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 烦尿睦睹黑赛绝尿靡陕叹骗佛独娠敝啄消安与迄淘颐涝铬拧重刽赡肃凤腿第4章高频电子线路第4章高频电子线路icebtooictVBZ谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图钎作翟一署翔洽侯磊存唬绕饿价某儒附诸渴肋备姜型慧瘩褐汀凑霖卸狗嗡第4章高频电子线路第4章高频电子线路4 4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直功率放大器实质上是一个
5、能量转换器,把电源供给的直流能量转化为交流能量,能量转换的能力即为功率放大器流能量转化为交流能量,能量转换的能力即为功率放大器的效率。的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带信号的通带宽度只有其中心频率的宽度只有其中心频率的1%或更小或更小),其工作状态通常选为丙,其工作状态通常选为丙类工作状态类工作状态(c c9090),为了不失真的放大信号,它的负载,为了不失真的放大信号,它的负载必须是谐振回路。必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为
6、无调谐负载,工作在甲类或大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载,工作在甲类或乙类工作状态;宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。乙类工作状态;宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。功萍彩笼甘胎搜轻柔倪芝按肚快杀领悯渔浴凄篮净花吟撰仍太谋擦崔陛兢第4章高频电子线路第4章高频电子线路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。表2-1 不同工作状态时放大器的特点 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 甲类 qc=180 50%电阻 低频 乙类 qc=90 78.5%推挽,回路 低频,高频 甲乙类 90qc180 50%h78.5%推挽 低频 丙类 q
7、c90 h78.5%选频回路 高频 丁类 开关状态 90%100%选频回路 高频 工作状态工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放作方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态,属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态,属于非线性电路磅脐神乌达灌虽元盼行企趁裤俗喻砷钥浩末滑健馏翌昧粒丛佯铆谐盔烦统第4章高频电子线路第4章高频电子线路4.2 4.2 谐谐振功率放大器的工作原理振功率放大器的工作原理1、原理电路原理电路谐振功率
8、放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。量的过程中起开关控制作用。谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式:外部电路关系式:晶体管的内部特性:晶体管的内部特性:+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEiceb竿蚊列鞘羔对鲁淖估雕些炸旬强搪寨环四搏喻拎井锁僳隧损豺揩培慕展宛第4章高频电子线路第4章高频电子线路故晶体管的转移特性曲线表达式:故晶体管的转移特性曲线表达式:谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率
9、放大器转移特性曲线故得:故得:必须强调指出,集电极电流必须强调指出,集电极电流i ic c虽虽然是脉冲状,但由于谐振回路的然是脉冲状,但由于谐振回路的这种滤波作用,仍然能得到正弦这种滤波作用,仍然能得到正弦波形的输出。波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示流的波形图如下页的图所示转移特性icVBZo理想化ic maxicwto+qcqco+qcqcVbmVbmebvcVBBwt汀旱沫墨恋拉碗况蔓婶施城颜雅琴妆招类侍痴甲里鹿跨悔邀锐份择钧滑棚第4章高频电子线路第4章高频电子线路 VBZ VBB wt VCC wt wt wt eb ib
10、ic ec Vcm Vcm vb 高频功率放大器中各分电高频功率放大器中各分电压与电流的关系压与电流的关系(a a)付付夸埂舀迁斯重藩袋危僻艰戊抄罕沧榷帛菊撅秤韩洲躁喜霸渤虱咱质枣第4章高频电子线路第4章高频电子线路wt或电压电流VBZoic maxec minicqcecVcmVCCicvceb max2ppVBZvBVbmvb23p2p25p(b)高频功率放大器中各部分高频功率放大器中各部分电压与电流的关系电压与电流的关系星癌慑牛驮腮眨洗汐跃建缎娜器规洒章婉丑氨虹峦宅恨解佯咆垮貉频汾晓第4章高频电子线路第4章高频电子线路LCLC回路能量转换过程回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的
11、观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由回路是由L L、C C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时,当晶体管由截止转入导电时,由于回路中电感由于回路中电感L L的电流不能突变,的电流不能突变,因此,输出脉冲电流的大部分流过因此,输出脉冲电流的大部分流过电容电容C C,即使,即使C C充电。充电电压的方充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源向是下正上负。这时直流电源V VCCCC给给出的能量储存在电容出的能量储存在电容C C之中。过了一之中。过了一段时间,当电容两端的电压增大到段时间,当电容两端的电压增大到一定程度一定程度(接近电源电压接近电源
12、电压),晶体管,晶体管截止。截止。由于这种周期性的能量补充,所以振荡回路能维持振由于这种周期性的能量补充,所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时,电路中就建立起荡。当补充的能量与消耗的能量相等时,电路中就建立起动态平衡,因而维持了等幅的正弦波振荡。动态平衡,因而维持了等幅的正弦波振荡。+C+icL+iL这白基傣冲藏舍婆鄂钦早纠筑茸茧踪资哦脆酒器晤烹粗毡埠钡吵洁冉皆冉第4章高频电子线路第4章高频电子线路2、谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供
13、给的直流功率,使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流信号功率输出去。信号功率输出去。由前述所知:由前述所知:有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上,成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上,成为集电极耗散功率。电极耗散功率。P PDCDC=直流电源供给的直流功率;直流电源供给的直流功率;P Po o=交流输出信号功率;交流输出信号功率;P Pc c=集电极耗散功率;集电极耗散功率;根据能量守衡定理:根据能量守衡定理:故集电极效率:故集电极效率:腿劝读晃挪坐霸斜婴森湾辱坷允拨玻妓倡幅蕾灾惋躬烽邮澜酝啤旭享溜老第4章高频电子线路第4章高频电子线路由上式可以得出以下两点
14、结论:由上式可以得出以下两点结论:1)1)设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率P Pc c,则集电极效率,则集电极效率 c c自然自然 会提高。这样,在给定会提高。这样,在给定P PDCDC时,晶体管的交流输出功率时,晶体管的交流输出功率P Po o 就会增大;就会增大;2 2)由式由式可知可知 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值,那不超过规定值,那么提高集电极效率么提高集电极效率 c c,将使交流输出功率,将使交流输出功率P Po o大为增加。谐振大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手,来提高输出功率与效率的。功率放大器就是
15、从这方面入手,来提高输出功率与效率的。贷试箩柞趣赴族呕惮欺设答萤伎顿鼎斗坦凛疾绿蓑蛊挨叫示浑崖秧拭苦稀第4章高频电子线路第4章高频电子线路如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 可见使可见使i ic c在在e ec c最低的时候才能通过,那么,集电极耗散最低的时候才能通过,那么,集电极耗散功率自然会大为减小。功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率:晶体管集电极平均耗散功率:故:要想获得高的集电极效率,谐振功率放大器的故:要想获得高的集电极效率,谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于集电极电流应该是脉冲状。导通角小于180180,处于丙类,处于丙类工作状态。工
16、作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c c9090,集,集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数:电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数:影拌补研忻恫掣窍澈综诊厦柯累柞嘘枢专糠爪拾啮绒毁赴含谁播枯锯业鸟第4章高频电子线路第4章高频电子线路直流功率:直流功率:输出交流功率:输出交流功率:Vcm 回路两端的基频电压回路两端的基频电压 Icm1 基频电流基频电流Rp 回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率:放大器的集电极效率:破钠盒答圾族津玩岔李酸秤萨替一杆赊蕉掉姐踩宴导萄榆嗓锈敷箭侠忻住第4章高频电子线路第4章高频电子线路集电极电压利用系数集电极电压利用
17、系数波形系数,通角波形系数,通角 c c的函数;的函数;c c越小越小g g1 1(c c)越大越大 越大越大(即即V Vcmcm越大或越大或e ecmincmin越小越小)c c越小效率越小效率 c c越高。因此,丙越高。因此,丙类谐振功率放大器提高效率类谐振功率放大器提高效率 c c的途径即为减小的途径即为减小 c c角;使角;使LCLC回路谐振在信号的基频上,即回路谐振在信号的基频上,即i ic c的最大值应对应的最大值应对应e ec c的最小值。的最小值。基极偏置为负值;半通角基极偏置为负值;半通角 c c9090,即丙类工作状态;负,即丙类工作状态;负载为载为LCLC谐振回路。谐振回
18、路。故谐振功率放大器的工作特点:故谐振功率放大器的工作特点:逃掂难炔骡胃伊烤覆逊杀声猛债场葬令辟顶茁笆偏征胞峭蹿逆驹硬伐翘程第4章高频电子线路第4章高频电子线路4.3 4.3 谐谐振功率放大器的折振功率放大器的折线线近似分析法近似分析法一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电流对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电流的直流分量的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法
19、。分析法。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法法。烯肖检弹诽复扔罢聋欺蛹垛孪听寅险惊硷待赎禁捆寞章遁熔犹切斋琼嘲挤第4章高频电子线路第4章高频电子线路折线分析法的主要步骤:折线分析法的主要步骤:1 1、测出晶体管的转移特性曲线、测出晶体管的转移特性曲线ic eb及输出特性曲线及输出特性曲线ic ec,并将这两组曲线作理想折线化处理并将这两组曲线作理想折线化处理2 2、作出动态特性曲线、作出动态特性曲线3 3、是根据激励电压、是根据激励电压vb的大
20、小在已知理想特性曲线上画出对的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2由给定的负载谐由给定的负载谐 振阻抗的大小,即可求得放大器的输出电压、输出功率、振阻抗的大小,即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标直流供给功率、效率等指标蔬研副了缄击要方屏械桨术捻浴鲤税时狂忌谍樊极哆深栈虹僵有谤啄菏蓖第4章高频电子线路第4章高频电子线路二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线 根
21、据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示(VBZ为截止偏压为截止偏压)。理想化折线(虚线)icgceb0VBZic过压区临界线欠压区ebec0(a)(b)gcr超横炭赚革俺以婉珐箔蛆凶惑颐伶嚏达堡砾蹿画叛测侍府副决赢坚鲤论颂第4章高频电子线路第4章高频电子线路若临界线的斜率为若临界线的斜率为g gcrcr,则临界线方程可写为,则临界线方程可写为 ic=gcrec1)1)欠压工作状态:欠压工作状态:集电极最大点电流在临界线的右方,交流输出电集电极最大点电流在临界线的右方,交流输出电压较低且变化较大。压较低且变
22、化较大。在非线性谐振功率放大器中,常常根据集电极是否进入在非线性谐振功率放大器中,常常根据集电极是否进入饱和区,将放大区的工作状态分为三种:饱和区,将放大区的工作状态分为三种:由上图可见,在饱和区,根据理想化原理,集电极电流由上图可见,在饱和区,根据理想化原理,集电极电流只受集电极电压的控制,而与基极电压无关。只受集电极电压的控制,而与基极电压无关。则则 ic=gc(ebVBZ)(ebVBZ)春尝拟练资阉烤淖钙都脑坎煮弯殴颠俩离容昭她扶采牺额颧缕罩遇曹皱啼第4章高频电子线路第4章高频电子线路3)3)临界工作状态:临界工作状态:是欠压和过压状态的分界点,是欠压和过压状态的分界点,集电极最大点电流
23、正好落在临界线上。集电极最大点电流正好落在临界线上。2)2)过压工作状态:过压工作状态:集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区,集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区,交流输出电压较高且变化不大。交流输出电压较高且变化不大。急敖凿自螺扔酵囱电配骚筏讹葬墙汽晃酋浪乘靴蕊掀溉嫌牡俘卜作锭屑爱第4章高频电子线路第4章高频电子线路三、集电极余弦电流脉冲的分解三、集电极余弦电流脉冲的分解 当晶体管特性曲线理想化后,丙类工作状态的集电极电当晶体管特性曲线理想化后,丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。流脉冲是尖顶余弦脉冲。这适用于欠压或临界状态。尖顶余弦脉冲尖顶余弦脉冲晶体管
24、的内部特性为:晶体管的内部特性为:它的外部电路关系式它的外部电路关系式当当 t=0时,时,ic=ic max ic=gc(ebVBZ)eb=VBB+Vbmcos tec=VCCVcmcos t因此,因此,ic max=gcVbm(1cos c)ic maxwto2qc齿候拥脆施淤旅鸿任婴侠霞懒允弧捎蓖彤德抛溜农赐馅唐吕利炬尹掠歼哭第4章高频电子线路第4章高频电子线路若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数由傅里叶级数的求系数法得由傅里叶级数的求系数法得其中:其中:尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数an2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qca1a
25、0180120160a1a0a0a1a2a3140吕讫泉裙志鳃厢辐平条平胆础话轧洪卖砷侦棕未卡酒直弦住治串吠役刑菌第4章高频电子线路第4章高频电子线路尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数当当 c120 时,时,Icm1/icmax达到最大值。在达到最大值。在Ic max与与负载阻抗负载阻抗Rp为某定值的为某定值的情况下,输出功率将达情况下,输出功率将达到最大值。这样看来,到最大值。这样看来,取取 c=120 应该是最佳通应该是最佳通角了。但此时放大器处角了。但此时放大器处于甲级工作状态效率太于甲级工作状态效率太低。低。右图可见:右图可见:an2.01.00.50.40.30.20.102040
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