通信電路課件諧振功率放大器

1、通信工程學(xué)院1諧振功率放大器通信工程學(xué)院2功率放大器定義：在輸入信號作用下，將直流電源供給的功率，部分的轉(zhuǎn)換為按輸入信號規(guī)律變化的輸出信號功率的電子線路。任務(wù)：功率管在安全工作的條件下，非線性失真在允許的范圍內(nèi)，高效率地輸出大的功率。CCMCCMCE(BR)CEO,PPIIVVooCDoCPPPPPDoCPPP：集電極最大允許管耗CMP集電極最大允許電流放大器集電極效率CMI(BR)CEOV集電極擊穿電壓直流電源提供的直流功率輸出信號功率功率管耗散功率通信工程學(xué)院3分析功放時，應(yīng)注意：輸出功率是指交流功率，即交變電流與交變電壓的乘積；交流功率是在輸入為正弦波、輸出波形不失真時定義的；大信號工作

2、，采用圖解法分析；功率管極限運用，要滿足極限參數(shù)的要求。通信工程學(xué)院4功率放大器分類按負載性質(zhì)劃分： 非諧振功放：純電阻性負載； 諧振功放：電抗性負載。按工作狀態(tài)劃分： 甲 類一個周期內(nèi)導(dǎo)通 乙 類半個周期內(nèi)導(dǎo)通 甲乙類大于半個周期而小于一個周期 丙 類小于半個周期 丁 類開關(guān)工作通信工程學(xué)院5功率管運用狀態(tài)通常靠選擇靜態(tài)工作點來實現(xiàn)。不同運用狀態(tài)下的 C不同通信工程學(xué)院62CC CE01d2Pi vt 思考：若減少 PC，則要減少 iC vCE 方法 1：由甲類 甲乙類 乙類 丙類方法 2：管子運用于開關(guān)狀態(tài)(又稱丁類)結(jié)論：導(dǎo)通時間越短，效率越高，失真也會越嚴重，需采取特定的措施來實現(xiàn)不失

3、真的放大。通信工程學(xué)院7諧振功率放大器定義：用諧振系統(tǒng)作為匹配網(wǎng)絡(luò)的功率放大器。用途：對載波或已調(diào)波進行功率放大。應(yīng)用狀態(tài)：丙類(或丁類、乙類)。特點：效率高，頻帶較窄。通信工程學(xué)院8諧振功率放大器原理電路電路組成ZL 外接負載，呈阻抗性;Lr 和 Cr 匹配網(wǎng)絡(luò)，與 ZL 組成并聯(lián)諧振回路。調(diào)節(jié) Cr 使回路諧振在輸入信號頻率；VBB 基極偏置電壓，使功率管 Q 點設(shè)在截止區(qū)，以實現(xiàn)丙類工作。通信工程學(xué)院9集電極電流 iC輸入：vb(t) = Vbmcos st vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st集電極電流 iC 傅里葉級數(shù)展開：為平均分量、基波分量和各次

4、諧波分量之和。CC0c1msc2mscoscos2iIItIt通信工程學(xué)院10輸出電壓 vo(1)對基波分量阻抗最大，為諧振電阻 Re，在高 Q 回路中， Re 近似為220rreLtLLLRRC R其中rLtrLC CCCC回路總電容0srt1/LC回路諧振頻率回路有載品質(zhì)因數(shù)0reLLQR怎么來的？通信工程學(xué)院11(2)對非基波分量阻抗很小，產(chǎn)生的電壓均可忽略。丙類諧振功率放大器諧振回路的功能： 選頻：利用諧振回路的選頻作用，可將失真的集電極電流脈沖變換為不失真的輸出電壓。 阻抗匹配：調(diào)節(jié) Lr 和 Cr ，諧振回路將含有電抗分量的外接負載變換為諧振電阻 Re，并阻抗匹配。 通信工程學(xué)院1

5、2功率特性分析(1)丙類功放的問題效率與功率的矛盾，即導(dǎo)通時間與iC基波分量幅度Ic1m大小的矛盾。(2)解決方法 采用開關(guān)工作的諧振功放，即丁類諧振功率放大器。通信工程學(xué)院13PSPICE仿真00VCC12VdcR1100V3FREQ = 1e6VAMPL = 1.2VOFF = 00Q1MPSH10L11.59uHVBB-0.1VdcC115.9n通信工程學(xué)院14丁類和戊類諧振功率放大器（要求了解）(1)丁類諧振功率放大器通信工程學(xué)院15 VCE(sat)小，管耗小，放大器的效率高 (90% 以上) ； 因結(jié)電容、分布電容等影響，實際波形不理想，使管耗增大，丁類功放效率受限。結(jié)論：(2)戊

6、類放大器通信工程學(xué)院16倍頻器（要求了解）原理：在丙類諧振功率放大器中，若將輸出諧振回路調(diào)諧在輸入信號頻率的n次諧波上。結(jié)論：倍頻次數(shù)不能太高，23倍；高次數(shù)的倍頻（如40倍）一般采用變?nèi)荻O管、階躍二極管等構(gòu)成的參量倍頻器。（第四章將會說明）。通信工程學(xué)院17諧振功率放大器的性能特點精確分析非線性微分方程/可用電路仿真軟件近似分析方法準(zhǔn)靜態(tài)分析法準(zhǔn)靜態(tài)分析法（兩個假設(shè)）假設(shè)一：諧振回路具有理想的濾波特性，其上只能產(chǎn)生基波電壓，而其它分量的電壓均可忽略；因而雖然基極和集電極的電流是脈沖電流，但它們的電壓均是余弦的。BEBBbmCECCcmcoscosvVVtvVVt假設(shè)二：功率管的特性可用輸入

7、和輸出靜態(tài)特性曲線表示，其高頻效應(yīng)可忽略。但分析時，采用的輸出特性曲線的參量是vBE，而不是iB（可根據(jù)輸入特性曲線上iB與vBE的關(guān)系轉(zhuǎn)換）通信工程學(xué)院18分析步驟（1）求動態(tài)點，即對應(yīng)不同的t ，求求vBE 和 vCE設(shè)定 VBB、Vbm、VCC、Vcm ，將 t 按等間隔(t = 0， 15， 30， ) 給定數(shù)值，由：BEBBbmCECCcmcoscosvVVtvVVt便可確定 vBE 和 vCE通信工程學(xué)院19（2）連動態(tài)線，畫 iC 波形：不到不到 VCC，因為，因為導(dǎo)通角小于導(dǎo)通角小于 根據(jù) vBE 和vCE 值，在輸出特性曲線上(以 vBE 為參變量)找對應(yīng)的動態(tài)點，畫動態(tài)線(

8、動態(tài)點的連線，并標(biāo)有角度)。根據(jù)動態(tài)線的角度及對應(yīng)的iC值，便可畫出iC 的波形。注意：iC是 周期波形，導(dǎo)通角小于半個周期。動態(tài)點動態(tài)點通信工程學(xué)院20000V12VdcV212VdcQ6Q2N2222IPspice中用直流掃描分析中用直流掃描分析可得到三極管輸出特性曲可得到三極管輸出特性曲線！線！通信工程學(xué)院21000V1-0.1VdcV212VdcQ6Q2N2222C115.9nL11.59uHR1100V3FREQ = 1megVAMPL = 1.05VVOFF = 0IVV通信工程學(xué)院22（3）利用傅里葉級數(shù)分解求得iC中的 IC0 和 Ic1m分量諧振電阻ecmc1m/RVI（4）

9、計算功率性能DCCC0ocmC1mCDoCoD/2/PVIPV IPPPPP思考：VBB、Vbm、VCC 、Vcm以及Re這些參數(shù)如何影響放大器性能？通信工程學(xué)院23欠壓、臨界和過壓狀態(tài)（1）VBB、Vbm、VCC 不變， Vcm 由小變大0t觀察 時，BEBEmaxBBbmCECEminCCcmvvVVvvVV當(dāng)VBB、Vbm（vBEmax）為定值時，隨著Vcm由小增大，vCEmin將由大減小，對應(yīng)的動態(tài)點A將沿vBEvBEmax的那條特性曲線向左移動通信工程學(xué)院24 欠壓狀態(tài)Vcm 的取值，使所對應(yīng)的動態(tài)點均處在放大區(qū)。iC電流脈沖單峰，接近余弦變化的脈沖波 ，隨Vcm增大， iC峰值略有

10、減小。 臨界狀態(tài)Vcm 增大，使 t = 0 所對應(yīng)的動態(tài)點 A處在臨界點（放大區(qū)和飽和區(qū)臨界點），iCmax 略微減小。 過壓狀態(tài)Vcm 繼續(xù)增大，使 A(t = 0)動態(tài)點處在飽和區(qū)，iC 迅速減小，電流脈沖出現(xiàn)凹陷，Vcm 增大，凹陷加深。通信工程學(xué)院25iC 的平均分量 IC0 與基波分量 Ic1mC0C1d2Iit c1mC1cosdIitt 結(jié)論：iC 脈沖越寬，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大。如果出現(xiàn)凹陷，則凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小。通信工程學(xué)院26欠壓？欠壓？臨界？臨界？過壓？過壓？通信工程學(xué)院27四個電壓量對性能影響的定性討論(1)負載特性定義：指 VB

11、B、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能隨 Re 的變化特性。特性：Re 的增加勢必將引起 Vcm 增大(Vcm = ReIcm)，即Re Vcm 功放欠壓 臨界 過壓 iC 波形出現(xiàn)凹陷 通信工程學(xué)院28Vcm、Po、PD、PC、C 隨 Re 變化的曲線 Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPo C = Po/ PD通信工程學(xué)院29匹配負載：使放大器工作在臨界狀態(tài)下的Re取值。特點：Po最大，c較大，Pc較小，放大器接近最佳性能。22CCCE(sat)omeoo()R22optVVVPP通信工程學(xué)院30(2)調(diào)制特性兩種調(diào)制特

12、性：集電極調(diào)制和基極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性含義： VBB、Vbm 和 Re一定，放大器性能隨 VCC 變化的特性。特性：欠壓狀態(tài)：隨 VCC 減小， vCEmin也減小，集電極電流脈沖高度略有減小，因而 IC0 和 Ic1m 也將略有減小，Vcm(= ReIc1m)也略有減小。 過壓狀態(tài)：隨 VCC 進一步減小，集電極電流脈沖的高度降低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 將迅速減小。通信工程學(xué)院31欠壓？欠壓？臨界？臨界？過壓？過壓？通信工程學(xué)院32通信工程學(xué)院33集電極調(diào)幅原理電路集電極調(diào)幅原理電路 bbmccosvVtmcosvVtocmc( )( )cosv tVt

13、t 載波 調(diào)制信號 輸出的已調(diào)信號通信工程學(xué)院34000V1-0.1VdcV28VdcQ6Q2N2222C115.9nL11.59uHR1100V3FREQ = 1megVAMPL = 1.3VVOFF = 0V4FREQ = 50kVAMPL = 3VOFF = 0C210pR22k0VIVV通信工程學(xué)院35結(jié)論：與諧振功放區(qū)別：集電極回路接入調(diào)制信號電壓；欲想改變VCC能有效控制Vcm實現(xiàn)集電極調(diào)制，則放大器應(yīng)工作在過壓狀態(tài)；集電極調(diào)制特性是實現(xiàn)集電極調(diào)幅的原理依據(jù)。通信工程學(xué)院36基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性含義：Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能隨 VBB 變化的特性。特性：當(dāng) Vbm

14、 一定，VBB ，iC寬度、高度 ， IC0 Ic1m 、Vcm ，VCEmin ，放大器欠壓 過壓。過壓后，隨 VBB，iC 寬度、高度 ，凹陷加深，IC0 和 Ic1m、Vcm 均增加緩慢，可認為近似不變。通信工程學(xué)院37欠壓？欠壓？臨界？臨界？過壓？過壓？通信工程學(xué)院38通信工程學(xué)院39基極調(diào)幅原理電路基極調(diào)幅原理電路BBBB0( )( )VtVVt 基極偏置電壓通信工程學(xué)院40000V1-0.5VdcV218VdcQ6Q2N2222C115.9nL11.59uHR1100V3FREQ = 1megVAMPL = 1.3VVOFF = 0C2100pR22k0V4FREQ = 50kVA

15、MPL = 0.12VOFF = 0IVV通信工程學(xué)院41結(jié)論：改變 VBB欲想有效控制Vbm 實現(xiàn)基極調(diào)制，則放大器應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)；基極調(diào)制特性是實現(xiàn)基極調(diào)幅的原理依據(jù)。通信工程學(xué)院42放大特性放大特性含義：當(dāng) VBB、VCC 和 Re 一定，放大器性能隨 Vbm 變化的特性。特性：固定 VBB，增大 Vbm 與上述固定 Vbm 增大 VBB 的情況類似，它們都使 iC 的寬度和高度增大，放大器由欠壓進入過壓。通信工程學(xué)院43諧振功放作為線性功放諧振功放作為線性功放為了使輸出信號振幅 Vcm 反映輸入信號 Vbm 的變化，放大器必須在 Vbm 變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。通信工程學(xué)院44諧振

16、功放作為振幅限幅器諧振功放作為振幅限幅器(Amplitude Limiter)(Amplitude Limiter)作用：將 Vbm 在較大范圍內(nèi)的變化轉(zhuǎn)換為振幅恒定的輸出信號。 特點：根據(jù)放大特性，放大器必須在 Vbm 的變化范圍內(nèi)工作在過壓狀態(tài)，或 Vbm 的最小值應(yīng)大于臨界狀態(tài)對應(yīng)的 Vbm 限幅門限電壓。 通信工程學(xué)院45V1-0.1VdcV312VdcC115.9nFL11.59uHR1Rval00Q1Q2N2222PARAMETERS:Rval = 100Vbm = 1IN1IN2OUTV2FREQ = 1e6VAMPL = VbmVOFF = 0V4FREQ = 20kVAMPL

17、 = 1.5VOFF = 0OUT1.500IN1OUTIN2通信工程學(xué)院46四個特性在調(diào)試中的應(yīng)用四個特性在調(diào)試中的應(yīng)用例如，設(shè)一個丙類諧振功率放大器，設(shè)計在臨界狀態(tài)，若制作出后，Po 和 C 均不能達到要求，則應(yīng)如何進行調(diào)整？Po 達不到要求，表明放大器沒在臨界。若增大 Re 能使 Po 增大，則根據(jù)負載特性，斷定放大器工作在欠壓狀態(tài)，此時分別增大 Re、Vbm 和 VBB 或同時或兩兩增大均可使放大器由欠壓進入臨界；通信工程學(xué)院47若增大 Re，Po 減小，放大器實際工作在過壓狀態(tài)，可增大 VCC(同時，適當(dāng)增大 Re 或 Vbm 或 VBB)，需注意管子安全。 實際上放大器的工作狀態(tài)除

18、了改變 Re 外還可以根據(jù)實際情況通過改變 VCC、Vbm、VBB 來判斷，不過改變 Re 較普遍，但不論改變哪個量都必須保證回路諧振在工作頻率上。 通信工程學(xué)院48諧振功率放大器電路諧振功率放大器電路直流饋電電路 ( Power Supply Circuit )濾波器匹配網(wǎng)路 (Filter-Match Network)通信工程學(xué)院49直流饋電電路直流饋電電路定義：直流電源加到功放管各極上去的線路叫直流饋電線路。饋電原則：對直流呈短路；對基波分量呈現(xiàn)最大阻抗 ；對其他諧波分量基本呈現(xiàn)短路。按電流流通路徑劃分饋電電路形式集電極饋電線路和基極饋電線路。通信工程學(xué)院50集電極饋電電路集電極饋電電路

19、由于集電極電流是脈沖電流，因此集電極饋電線路須滿足：直流能量能有效地加到功放管的集電極和發(fā)射極之間，而不能再有其他耗損；高頻基波分量應(yīng)有效地流過負載回路，除了回路應(yīng)盡可能小地消耗基波分量能量；除倍頻器外，應(yīng)有效的消除高頻諧波分量，輸送到負載上的諧波分量應(yīng)盡可能小；直流電源及饋電元件的接入應(yīng)盡可能減小分布參數(shù)的影響。集電極饋電線路的兩種連接方式: 串聯(lián)饋電電路 (Series Supply)和并聯(lián)饋電電路 (Parallel Supply)。通信工程學(xué)院51串聯(lián)饋電電路串聯(lián)饋電電路三者(直流電源 VCC、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管)在電路形式上為串接的饋電方式。CECCcvVvLC 高頻扼流圈（感抗很

20、大 開路），與 CC 旁路電容（容抗很小 短路）構(gòu)成電源濾波電路。作用：阻止高次諧波流過直流電源并為其提供短路通道, 以免高次諧波影響直流電源的穩(wěn)壓性能。反之通過直流 Ico，阻止Vcc中的雜波。 通信工程學(xué)院52并聯(lián)饋電電路并聯(lián)饋電電路三者(直流電源 VCC、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管)在電路形式上為并接的饋電方式。LC 高頻扼流圈，感抗很大 開路；CC1 隔直電容，容抗很小 短路；CC2 電源濾波電容，容抗很小 短路。vCE = VCC + vc，與串饋電路相同。通信工程學(xué)院53串饋與并饋的比較串饋與并饋的比較相同點：兩種饋電方式，VCC 都能全部加到集電極上，且VCC均是接在高頻電位的地電位端

21、。不同點：濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的接入方式。串饋優(yōu)點：LC和CC處于高頻地電位, 它們對地的分布電容不會影響回路的諧振頻率； 缺點：網(wǎng)絡(luò)元件不能直接接地, 安裝調(diào)整不方便;電源直流供電電流流過諧振回路。并饋優(yōu)點：回路處于直流地電位, L、C元件可接地, 故安裝調(diào)整方便；電源直流供電電流不流過諧振回路。 缺點：由于LC和CC1不處于高頻地電位, 它們對地的分布參數(shù)直接影響回路的諧振頻率。通信工程學(xué)院54基極饋電線路基極饋電線路作用：為放大電路提供合適的偏置電壓，使功率管工作在丙類。通信工程學(xué)院55圖(a)基極偏置電壓由 VCC 通過 RB1 和 RB2 分壓提供，為保證丙類工作，其值應(yīng)小于功率管的導(dǎo)通電壓

22、。圖(b)(c)自給偏置電路，偏置電路為：LB、RB、CB1。RB ：產(chǎn)生壓降，提供自偏電壓；LB ：避免 RB、CB1 對輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的旁路影響。通信工程學(xué)院56自給偏置電路自給偏置電路自給偏壓的產(chǎn)生圖 (b)，vb 0 ib 0，為脈沖電流，可分解為 IB0、Ib1m、Ib2m 、自給偏置v(t) = 0， VBE = 0；vb(t) 由小至大 IB0 隨之增大 VBE = IB0RB 負向增大。自給偏置效應(yīng)：這種偏置電壓隨輸入信號電壓振幅而變化的效應(yīng)。通信工程學(xué)院57自給偏置電路的作用：放大器中引入自給反偏壓是穩(wěn)定工作點；丙類諧振功放引入基極自給反偏壓是穩(wěn)定工作狀態(tài)，克服非線性失真；

23、振蕩器中自給偏壓的作用是穩(wěn)定輸出電壓的振幅；若用于線性功率放大器，會使放大器偏離乙類工作，造成輸出信號失真，應(yīng)當(dāng)避免。通信工程學(xué)院58濾波匹配網(wǎng)絡(luò)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)位置（輸出濾波匹配網(wǎng)絡(luò)）對交流通路而言，濾波匹配網(wǎng)絡(luò)介于功率管 T 和外接負載 RL 之間。通信工程學(xué)院59對濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的要求將外接負載 RL 變換為放大管所要求的負載 Re，以保證放大器高效率地輸出所需功率。充分濾除不需要的高次諧波分量，以保證在外接負載上輸出所需基波功率(在倍頻器中為所需的倍頻功率)。諧波抑制度 Hn：工程上表示濾波性能好壞的參數(shù)。LnLnmnLL1m10lg20lgPIHPIIL1m 和 ILnm 分別為通過外接負載電流中基波和 n 次諧波分量的振幅，相應(yīng)的基波和 n 次諧波功率分別為 PL 和 PLnHn 越小，網(wǎng)絡(luò)對 n 次諧波的抑制能力越強。通常n 選 2，即對二次諧波的抑制度。通信工程學(xué)院60高效將功率管給出的信號功率 Po 高效地傳送到外接負載上，即要求