通信电子线路 第二章.ppt

第 2 章 谐振功率放大器,2.1 谐振功率放大器的工作原理,2.2 谐振功率放大器的性能特点,2.3 谐振功率放大器电路,1.1 功率电子线路概述,作用：高效地实现能量变换和控制种类：根据应用领域和处理对象不同,(1) 功率放大电路：放大器的一类用于通信、音像等电子设备2) 电源变换电路：对电源能量进行特定变换用于电源设备、电子系统、工业控制1.1.1 功率放大器,与其它放大器相比,相同点：均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率不同点：性能要求和运用特性不同一、功率放大器的性能要求,1. 安全输出功率大，管子大信号极限条件下运用2. 高效率用ηc 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效率：,Po —— 输出信号功率 (Output Signal Power)； PD —— 电源提供的功率； PC —— 管耗 (Power Dissipation),式中：,Po 一定，ηc 高→PD 小→PC 小,→ 可选 PCM 小的管子，以降低成本；同时减少能源消耗3. 失真小输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。

除采用反馈技术外，还必须限制输出功率作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补二、功率管的运用特点,1. 功率管的运用状态,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现甲类：功率管在一个周期内导通 (如小信号放大)乙类：功率管仅在半个周期内导通甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通丙类：功率管小于半个周期内导通2. 不同运用状态下的ηC,管子的运用状态不同，相应的ηCmax 也不同减小 PC 可提高ηC假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为,,讨论：若减少 PC，则要减少 iC × vCE,途径 1：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间途径 2：使管子运用在开关状态 (又称丁类)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止饱和导通时，vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗 iC × vCE 处在很小的值上。

截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC × vCE 也处在零值附近结果 PC 很小，ηC 显著增大1. 电路,(1) 输入端：,RB——偏置电阻 CB——旁路电容 Tr1——耦合变压器,(2) 输出端：,Tr2——耦合变压器，对交流，Tr2起阻抗变换作用，,,1.2.2 甲类、乙类功放的电路组成及功率性能,一、甲类变压器耦合功放,二、乙类推挽功率放大器,乙类工作时，为了在负载上合成完整的正弦波，必须采用两管轮流导通的推挽 (Push-Pull) 电路可有多种实现方案：,(1) 变压器耦合乙类推挽功放 (2) 互补推挽功放,第 2 章 谐振功率放大器,谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般工作在丙类（或丁类、乙类），主要用在无线电发射机中，用来对载波或已调波进行功率放大用途：对载波或已调波进行功率放大,构成：匹配网络为谐振系统,应用状态：丙类（或丁类、乙类）,,,2.1 谐振功率放大器的工作原理,在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两部分组成2.1.1 丙类谐振功率放大器,1. 电路组成,ZL —— 外接负载，呈阻抗性，用 CL 与 RL 串联等效电路表示。

Lr 和 Cr ——匹配网络，与 ZL 组成并联谐振回路调节 Cr 使回路谐振在输入信号频率VBB——基极偏置电压，设置在功率管的截止区，以实现丙类工作2. 集电极电流 ic,若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则在输入信号电压,的作用下，根据 ，,在静态转移特性曲线 (ic～vBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半周,用付里叶级数可将电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和，即,,3. 输出电压 vo,(1) 对基波分量,由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，在高 Q 回路中，其值 Re 近似为,其中：,,—— 回路谐振角频率,,—— 回路有载品质因数,(2) 对非基波分量,谐振回路对 iC 中的其它分量呈现的阻抗均很小，平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略结论：回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而在负载上可得到所需的不失真信号功率小结：丙类谐振功率放大器的功能,(1) 选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。

2) 阻抗匹配：谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻 Re，而且调节 Lr 和 Cr 还能保持回路谐振时使 Re 等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹配负载的双重作用4. 丙类功放的功率特性分析,(1) 丙类功放的问题,若提高集电极效率，管子导通时间减小；但引起 iC 中基波分量幅度 Icm 减小，从而导致输出功率减小2) 解决方法,① 将基极偏置电压 VBB 向负值方向增大，减少管子导通时间② 增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅度 Vbm，使减小导通时间的同时维持输出功率不变③ 后果：加到基极上的最大反向电压(VBB－Vbm)可能使功率管发射结反向击穿在维持输出功率的条件下，一味地减管子导通时间来提高,集电极效率的做法往往是不现实的为进一步提高效率，可采用开关工作的谐振功率放大器——丁类2.1.2 丁类和戊类谐振功率放大器,1. 丁类简介,(1) 电路,Tr 次级两绕组相同，极性相反T1 和 T2 特性配对，为同型管2) 原理,若 vi 足够大，则,vi ＞ 0时，T1 饱和导通，T2 截止，,,vi ＜ 0，T2 饱和导通，T1 截止，,A 点幅值：,该电压加到 L、C、R 串联谐振回路上，若谐振回路工作在输入信号角频率上，,且其 Q 值足够高，则可近似认为通过回路的电流 iL 是角频率为  的余弦波，RL 上获得不失真输出功率。

3) 性能特点,① T1、T2 尽管导通电流很大，但相应的管压降很小( ),，管耗小，放大器的效率高90% 以上),② 考虑结电容、分布电容等影响，实际波形如 vA 虚线所示，管子动态管耗增大，丁类功放效率受限2. 戊类放大器,为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计的集电极，保证 vCE 为最小值的一段期间内，才有集电极电流流通，这是正在发展的戊类放大器2. 实现原理,在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入信号频率的 n 次谐波上，则输出谐振回路上仅有 iC 中的 n次谐波分量产生的高频电压，而其它分量产生的电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号频率 n 倍的输出信号功率2.1.3 倍频器,1. 概念,倍频器 (Frequency Multiplier)：将输入信号的频率倍增 n 倍的电路② 滤波谐振回路需滤除高于 n 和低于n 的各次分量低于 n 的分量幅度较大，滤除较难倍频次数越高，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现2) 变容二极管、阶跃二极管构成参量倍频器，适用于倍频次数较高时1) 三极管倍频器,倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频原因：,① 效率。

集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度随着 n 的增加而迅速减小倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低作业：,2.2 谐振功率放大器的性能特点,2.2.1 近似分析方法,1. 概述,丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，使得集电极电压，电流波形不同但二者又互为确定(vCE 由 iC 产生，而 vCE 通过基极宽度调制效应影响 iC)要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐2. 谐振功放的近似分析方法——准静态分析法,(1) 方法基于下面的两个假设,假设一：谐振回路具有理想的滤波特性，只能产生基波电压（在倍频器中，只能产生特定次数的谐波电压），其它分量的电压均可忽略所以，尽管集电极电流为脉冲波，但集电极电压却是余弦的同理，放大器输入端也有谐振回路，尽管基极电流为脉冲波，但基极电压是余弦的，可表示为：,(2-2-1),,假设二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲线表示，其高频效应可忽略分析时的输出特性曲线，其参变量采用 vBE，而不是通常的 iB2) 分析步骤,① 由式 2-2-1 确定 vBE 和 vCE： 先设定VBB、Vbm、VCC、Vcm 四个电量数值，并将ωt 按等间隔 (ωt = 0º，±15º，±30 º，……) 给定不同的数值，则 vBE 和 vCE 便确定(图 a)。

2-2-1),②由输出特性画 iC：根据不同间隔上的 vBE 和vCE 值，在输出特性曲线上（以 vBE 为参变量）找到对应的动态点，由此可以确定 iC 值的波形，其中动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线a) (b),不到VCC，因为导通角小于 ,.,(3) 功率性能分析,① 谐振电阻,用付里叶变换对 iC 脉冲波进行分解，求出其中的平均分量 IC0 和基波分量 Ic1m由此可以确定所需的集电极谐振回路谐振电阻 Re② 功率性能,,(4) 讨论,四变量VBB、Vbm、VCC、Vcm 不同，iC 的波形和数值就不同，由此求得的 Re 及相应的功率性能就不同应了解四变量的影响2.2.2 欠压、临界和过压状态,1. VBB、Vbm、VCC 不变，iC 随 Vcm 的变化规律,(1) iC 的宽度：由图所示，主要取决于 VBB、Vbm，VBB、Vbm 一定，iC 脉宽近似确定，与 Vcm 关系不大2) iC 的值：,由,,当  t = 0 时，,,当 VBB、Vbm 即 vBEmax 为定值时，Vcm↑→vCEmin↓,动态点A左移,,,情况 ① ——A：Vcm 的取值，使所对应的动态点处在放大区。

情况 ② ——A：Vcm 增大，使  t = 0 所对应的动态点处在临界点，iCmax 略微减小情况 ③——A：Vcm 继续增大，使  t = 0 所对应的动态点处在饱和区，iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，且随 Vcm 增大，凹陷加深2. 欠压、临界、过压,欠压 (Undervoltage)：vCEmin 对应的动态点处于放大区临界 (Critical)：vCEmin 对应的动态点处于放大区和饱和区之间的临界点过压(Overvoltage)：vCEmin 对应的动态点处于饱和区3. iC平均分量IC0 与基波分量Ic1m,,由此可求功率性能由于丙类工作，在管子导通期间，iC 和 cosωt 均为正值，因此，iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大如果出现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小作业 2-5，2-8,2.2.3 四个电量对性能影响的定性讨论,一、负载特性,1. 含义：谐振功放的负载特性是指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性2. 特性,Re 的增加势必将引起 Vcm 增大( ),Re↑→Vcm↑→vCEmin↓→放大器欠压→过压→ iC 由接近余弦变化的电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波。

据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性Vcm = 。