《通信電子線路》

1、通信電子線路典型教案三、第三章第二次課一、主要教學(xué)內(nèi)容 本次課主要學(xué)習(xí)調(diào)諧功放的功率和效率的計算方法及討論調(diào)諧功放的工作狀態(tài)：3.4 功率和效率3.5 調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性和外部特性3.5.1 調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性3.5.2 調(diào)諧功率放大器的外部特性1、負(fù)載特性重點小結(jié)思考題二、教學(xué)重點1、調(diào)諧功率放大器的功率和效率2、調(diào)諧功率放大器的負(fù)載特性。三、教學(xué)難點五種功率和二種效率的區(qū)分及計算，調(diào)諧功率放大器的負(fù)載特性。四、教學(xué)內(nèi)容3.4 功率和效率 圖3-7從能量轉(zhuǎn)換方面看，放大器是通過晶體管把直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率，通過槽路把脈沖功率轉(zhuǎn)換為正弦功率，然后傳輸給負(fù)載。在能量的轉(zhuǎn)換和傳輸過程

2、中，不可避免地產(chǎn)生損耗，所以放大器的效率不能達(dá)到100。功率放大器功率大，電源供給、管子發(fā)熱等問題也大。為了盡量減小損耗，合理地利用晶體管和電源，必須了解功率放大器的功率和效率問題。調(diào)諧功率放大器有如下五種功率需要考慮。 1電源供給的直流功率PS； 2通過晶體管轉(zhuǎn)換的交流功率，即晶體管集電極輸出的交流功率Po； 3通過槽路送給負(fù)載的交流功率，即RL上得到的功率PL； 4晶體管在能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗功率，即晶體管損耗功率PC； 5槽路損耗功率PT。 以上五項功率的相互關(guān)系可用圖3-7表示。電源供給的功率PS，一部分（PC）損耗在管子使管子發(fā)熱；另一部分（Po）轉(zhuǎn)換為交流功率輸出給槽路。通過槽路一

3、部分（PT）損耗在槽路線圈和電容中，另一部分（PL）輸出給負(fù)載RL。晶體管轉(zhuǎn)換能量的效率叫集電極效率，以hC表示，其計算式為 (3-28)槽路將交流功率Po傳送給負(fù)載的效率，叫槽路效率以hT表示，其計算式為 (3-29) 槽路效率也就是小信號調(diào)諧放大器的諧振回路效率，只是兩種習(xí)慣叫法不同而已。 下面分析hC、hT與哪些因素有關(guān)，以便設(shè)計出高效率的放大器。 1、集電極效率hC 電源供給功率PS和交流輸出功率Po可分別表示為 圖3-7 (3-30) (3-31) 集電極效率hC為 (3-32) 上式說明hC與、成正比，是余弦脈沖基波分量和直流分量分解系數(shù)之比，代表著集電極電流基波幅值與直流電流之比

4、，所以這個比值叫集電極電流利用系數(shù)。因為、都是q的函數(shù)，也是q的函數(shù)，表示在圖3-5中。 圖示曲線表明，q愈小，愈大。極限情況下，q=0，即基波電流為直流電流的兩倍。在實際工作中q也不易太小，因為q小，雖然大，但太小，則也小，則輸出功率小。為了兼顧輸出功率和效率兩個方面，通常取為宜。這時，極限值比較下降不多。是集電極基波電壓幅值與直流電源電壓之比，叫集電極電壓利用系數(shù)。基波電壓幅值為 圖3-4 (3-33) 它與負(fù)載、激勵大小及導(dǎo)通角有關(guān)。不論由于上述什么原因使增大時，則也增大，從而使hC提高。不過也不能任意提高，因為在管子導(dǎo)通的某一瞬間，集電極電壓uce下降的最小值（見圖3-4）為 (3-3

5、4) 增大則減小，當(dāng)減小到一定程度（約為12V），晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。此后，雖然仍可增大，進(jìn)一步減小，電壓利用系數(shù)也有所提高，但其變化緩慢極限為1。一般管子飽和電壓可按1V計算，高頻時可適當(dāng)增大，例如，某放大區(qū)電源電壓，管子飽和壓降1V，電壓利用系數(shù)為。 根據(jù)以上分析可知，在調(diào)整較好的調(diào)諧放大器中，約為 作為對比，甲類放大器為，查曲線可知，。由此可見丙類放大器的比甲類約高一倍，這正是丙類優(yōu)于甲類的地方。2、槽路效率 (3-35)圖3-8圖3-8是負(fù)載折算到槽路的等效回路，為回路兩端的電壓幅值。由圖可以看出，負(fù)載功率PL是RL所吸收的功率，槽路損耗功率PT是槽路空載電阻R0所吸收的功率；而集電極給

6、出的基波功率Po相當(dāng)于總電阻R所吸收的功率。這些功率都可用槽路電壓和各有關(guān)電阻表示。即 將上兩式代入式（3-35）可得 上式表明，決定于槽路的空載與有載品質(zhì)因數(shù)。愈大，愈小，則愈高。實際上，由于受到槽路元件質(zhì)量的限制，不可能很大，一般只有幾十到幾百。也不能太小，否則槽路濾波效果太差，輸出波形不好，一般至少要，若，則。如果選用較好的L、C元件，可再大些，也可再高些，故在電路設(shè)計中可按0.80.9估計。知道了和，就可以根據(jù)負(fù)載要求的輸出功率PL計算晶體管損耗。 (3-37) 是選用晶體管容量的依據(jù)。例如，則。 若，則晶體管損耗，所選用晶體管功率容量必須大于此值。為留有余地，可選用的管子。在甲類放大

7、器中，同樣容量的管子，理論上最高輸出功率也只有 0.25W，同丙類放大器相比要差4倍之多。 綜上所述，為了盡可能利用小容量的管子和電源，輸出較大的功率，應(yīng)力求和高，高要適當(dāng)選取，電壓利用系數(shù)盡可能大；高，要求槽路空載大，即應(yīng)選用低損耗的電感和電容元件。3.5 調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性和外部特性 根據(jù)調(diào)諧功率放大器在工作時是否進(jìn)入飽和區(qū)，可將放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、過壓和臨界三種。若晶體管在任何時刻都工作在放大狀態(tài)，稱放大器工作在欠壓狀態(tài)；若晶體管工作時有部分時間進(jìn)入飽和區(qū)，則稱放大器工作在過壓狀態(tài)。若剛剛進(jìn)入飽和區(qū)的邊緣，稱放大器工作在臨界狀態(tài)。放大器的這三種工作狀態(tài)取決于電源電壓、偏置電壓

8、，激勵電壓幅值以及負(fù)載阻抗。為了討論不同工作狀態(tài)對電壓、電流、功率和效率的影響，需要對調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性和外部特性進(jìn)行分析。一、調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性 圖3-3 調(diào)諧功率放大器的動態(tài)特性是晶體管內(nèi)部特性和外部特性結(jié)合起來的特性（即實際放大器的工作特性）。晶體管內(nèi)部特性是在無載情況下，晶體管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性（見圖3-3）。晶體管外部特性是在有載情況下，晶體管輸入、輸出電壓（，）同時變化時，特性。 放大區(qū)動態(tài)特性由下列三個方程求得，即 內(nèi)部特性方程 (3-38) 外部特性方程 (3-39) 將代入式（3-38），得 (3-40) 由于，則有，代入式（3-40）得 (3-41) 在回路參

9、數(shù)、偏置、激勵、電源電壓確定后，。它表明放大器的動態(tài)特性是一條直線，只需找出兩個特殊點，就可把動態(tài)線繪出。例如，要確定靜態(tài)工作點Q和起始導(dǎo)通點B。圖3-9對于靜態(tài)工作點Q，其特征是，代入式（3-41）得 由于丙類放大器總是位于的左方，所以恒為正，為負(fù)值。Q點的坐標(biāo)（見圖3-9）為，Q點位于橫坐標(biāo)的下方，即對應(yīng)于靜態(tài)工作點的電流為負(fù)，這實際上是不可能的，它說明Q點是個假想點，反映了丙類放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極無電流。起始導(dǎo)通點B的特征是，代入式（3-41）得，解方程得 。 此時，晶體管剛好處于截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點，B點的坐標(biāo)為 。連Q、B點的直線與在垂線的交點C，BC段就是晶體管處于放大區(qū)的動態(tài)

10、線。C點的位置決定于放大器的工作狀態(tài)。當(dāng)放大器工作在臨界狀態(tài)時，C點剛好在飽和線與動態(tài)線的交點；當(dāng)放大器工作在欠壓狀態(tài)時，C點在放大區(qū)內(nèi)；當(dāng)放大器工作在過壓狀態(tài)，C點沿著飽和線下滑到D點，即垂線與飽和線的交點。的范圍是晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的動態(tài)線，即圖中AB段。丙類放大器的整個動態(tài)特性是AB、BC、CD三段直線構(gòu)成。由圖3-9可見，放大區(qū)的動態(tài)特性，類似于低頻放大器的負(fù)載特性，但是與它有著嚴(yán)格的區(qū)別。動態(tài)特性不僅是負(fù)載的函數(shù)，而且是導(dǎo)通角的函數(shù)。丙類放大器的動態(tài)電阻是 (3-42) 二 、調(diào)諧功率放大器的外部特性 調(diào)諧功率放大器的外部特性是指放大器的性能隨放大器的外部參數(shù)變化的規(guī)律。外部參數(shù)主要

11、包括放大器的負(fù)載、電源電壓、偏置電壓和激勵電壓。為正確使用和調(diào)整調(diào)諧功放，需要了解它的外部特性，而且外部特性中的調(diào)制特性也是晶體三極管調(diào)幅電路的基本特性。 1、調(diào)諧功放的負(fù)載特性圖3-10 當(dāng)調(diào)諧功率放大器的電源電壓、偏置電壓和激勵電壓幅值一定后，放大器的集電極電流，槽路電壓、輸出功率、效率隨晶體管等效負(fù)載電阻的變化特性被稱做調(diào)諧功率放大器的負(fù)載特性。 圖3-10表示三種不同負(fù)載電阻時做出的三條不同動態(tài)特性，QA1、QA2、QA3A3。其中QA1對應(yīng)于欠壓狀態(tài)，QA2對應(yīng)于臨界狀態(tài)，QA3A3對應(yīng)于過壓狀態(tài)。QA1相對應(yīng)的負(fù)載電阻較小，也較小，集電極電流波形是余弦脈沖。隨著增加，動態(tài)負(fù)載線的斜

12、率逐漸減小，逐漸增大，放大器工作狀態(tài)由欠壓到臨界，此時電流波形仍為余弦脈沖，只是幅值略小。當(dāng)繼續(xù)增大。進(jìn)一步增大，放大器即進(jìn)入過壓狀態(tài)工作。此時動態(tài)負(fù)載線QA3與飽和線相交，此后電流隨沿飽和線下降到A3點。電流波形頂端下凹，呈馬鞍形。通過以上分析知道，負(fù)載變化引起電流波形和、的變化，從而引起、的變化。 圖3-11(a)、(b)是放大器的負(fù)載特性曲線。 前述已知，在欠壓區(qū)增大、略有減小，相應(yīng)地在圖3-11（a）中、也隨增大而減小。在臨界點后再增大，波形下凹下降較快，相應(yīng)地、也很快下降，且增大愈多，下降愈迅速。 電壓，在欠壓狀態(tài)，因略有減小，接近常量，幾乎隨成正比增加；在過壓狀態(tài)，隨增大而減小，但

13、由于增大，總的結(jié)果是隨增大仍有緩慢上升的趨勢。 輸出功率。在欠壓狀態(tài)，隨增大略有減小，隨增大而增大，所以隨增大而減小。在臨界狀態(tài)最大。 電源供給功率。由于電源電壓不隨變化，和的變化規(guī)律一樣，即在欠壓狀態(tài)隨增大而減小；在過壓狀態(tài)隨增大而迅速減小。 晶體管的集電極損耗功率是和之差，隨負(fù)載的變化如圖3-11(b)所示。 集電極效率。在欠壓狀態(tài)、隨增大而減小，比值接近常數(shù)，為常數(shù)，只有隨增大而增加，所以隨增大而提高；在過壓狀態(tài)，接近為1，隨增大過壓加深而下降，也相應(yīng)地有所下降。如圖3-11(b)所示。 綜合以上討論，可得出如下結(jié)論： 欠壓狀態(tài)時電流基本不隨變化，放大器可視為恒流源。輸出功率隨增大而增加

14、，耗損功率隨增加而減小。當(dāng)很小時，易使超過晶體管最大允許耗損功率。因此在實用中應(yīng)注意保證不太小，使。 臨界狀態(tài)時放大器輸出功率最大，效率也較高。一般調(diào)諧功率放大器工作在臨界狀態(tài)比較好。 過壓狀態(tài)時，在弱過壓狀態(tài)，輸出電壓基本不隨變化，放大器可視為恒壓源，用它做功率放大器的激勵級較為適宜。但深度過壓波形下凹嚴(yán)重，諧波增多，一般應(yīng)用較少。 在實際調(diào)整中，調(diào)諧功放可能會經(jīng)歷上述三種狀態(tài)，利用負(fù)載特性就可以正確判斷各種狀態(tài)，以進(jìn)行正確的調(diào)整。思考題調(diào)諧功率放大器工作在臨界狀態(tài)。若集電極電路稍有失諧，晶體管Ic0 ，Ic1m怎么變化？集電極損耗功率Pc如何變化？有何危險？調(diào)諧時應(yīng)注意什么？本次課小結(jié) 丙