通信电子线路第3章高频调谐功率放大器.ppt

第3章 高频调谐功率放大器,3.1 概述 3.2 调谐功率放大器的工作原理 3.3 功率和效率 3.4 调谐功率放大器的动态特性 3.5 调谐功率放大器的实用电路 3.6 输入、输出匹配网络 3.7 高频调谐功率放大器实用电路举例,3.1 概述,高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。,目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输 特点：高频、大信号、非线性工作 要求：输出功率大（PE=PO+PC）、转换效率高,窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称 谐振功率放大器 宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线 变压器或其他宽带匹配电路,分析方法：折线法近似分析,3.2 调谐功率放大器的工作原理,特点： 1、NPN高频大功率晶体管，高fT；改变UBB可以改变放大器的工作类型； 2、大信号激励：12V； 3、发射结在一个周期内只有部分时间导通，iB、iC均为一系列高频脉冲； 4、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流iC中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。,组成：BJT、LC谐振回路、馈电电源,3.2.1 基本电路构成,3.2.2 晶体管特性的折线化分析,静特性曲线的折线近似,一、特性曲线的折线化：,二、各极电流、电压波形：,图解可见，iB和iC的都是余弦脉冲，定义为导通角，三极管只在（ ，）内导通，当90o时，功率放大器工作于丙类状态。,当iC流过LC谐振回路时，在回路两端产生电压uC。由于谐振回路的选频特性， uC中只有基波分量幅度最大，其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。 设Re并联回路谐振时的等效负载电阻，包括BJT的输出电导和等效的RL。,从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使iC是不连续的脉冲电流，在谐振回路两端也会得到余弦电压。 还可以利用选频特性得到倍频器。,如果振荡回路的0=n，则在回路两端可得到频率为n的电压:u0=Umcosnt;相当于实现了对输入信号的n倍频,ic余弦脉冲的分解,其中0()、1() 、n ()为谐波分解系数；另定义1=Ic1m/Ic0= 1() / 0()为波形系数，随减小而增大。,槽路电压,1.波形基本正弦 条件：1）槽路调谐于波 2）QL 足够高 2.大小 Rc 抽头部分谐振电阻 R 并联回路谐振电阻,3.3功率和效率,功率放大器输出功率大，电源供给、管子发热等问题也 大。为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了解功率放大器的功率和效率问题。 调谐功率放大器有如下几种功率需要考虑： 1.电源供给的直流功率PS ； 2.通过晶体管转换的交流功率，即晶体管集电极输出的交流功率Po ； 3.通过槽路送给负载的交流功率,即RL 上得到的功率PL; 4.晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗功率PC ； 5.槽路损耗功率 PT；,电源供给的功率PS ，一部分（PC）损耗在管子，使管 子发热；另一部分（Po）转换为交流功率，输出给槽路。通过槽路一部分（PT）损耗在槽路线圈和电容中，另一部分（PL）输出给负载RL。,3.3.1.集电极效率,直流电源供给功率 集电极交流输出功率 放大器的能量转换效率（集电极效率） 讨论： （1） 集电极电压利用系数 （2） 集电极电流利用系数 ， ，但 ，Po，为了兼顾功率和效率， 通常取 。,3.3.2.槽路效率,PL 负载功率，RL 所吸收的功率； PT 槽路损耗功率，槽路空载电阻R0所吸收的功率。 取决于槽路的空载和有载品质因数。由于受到槽路元件质量的限制，Q0一般几十到几百。QL也不能太小，否则槽路滤波效果太差，输出波形不好，一般QL =510。,高频功放中的能量关系与效率：,2）集电极电源提供功率：,1）集电极输出功率：,3）集电极损耗功率：,4）集电极效率：,5）对效率的影响,电压利用系数c=Uc1m/UCC1， c1， 1 随而变化；,6）放大器的激励功率：,7）功率放大倍数：,例3-2 有一个高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，已知Ec=24V，P0=2W，工作频率f0=10MHz，导通角=70。试验证该管是否满足要求。3DA1的有关参数为fT 70MHz，功率增益AP 13dB，集电极饱和压降Uces 1.5V，PCM=1W，ICM=750mA，BVceo 50V。,由于Icmax=405mA 50MHz；所以，3DA1满足要求。,三点法作图：,t=0，uBE=UBB+Uim； uCE=UCC-Uc1m 得到C点,t=/2，uBE=UBB； uCE=UCC 得到 B点,t= ， uBE=UBB-Uim 0-iC=0； uCE=UCC+Uc1m 得到D点,直线BC与横轴交于A点,3.4.1调谐功率放大器动态特性分析： iC、uBE和uCE的关系曲线，称动特性曲线 即交流负载线,UBE=UBB+Uim,UBE=UBB,UCC,3.4 调谐功率放大器的动态特性,折线CAD即为谐振功率放大器的动态特性曲线,动态负载RC：动态特性曲线斜率的倒数,3.4.2调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法,工作状态根据uBE=uBEmax， uCE=uCEmin 时，动特性上瞬时工作点C的位置确定。,C点在输出特性放大区-欠压状态,C点在输出特性放大区和饱和区的临界点-临界状态,C点在输出特性饱和区-过压状态,iC,uBEmax,欠压和临界状态： iC是相同的余弦脉冲；但临界状态UC1m大；,过压状态：iC中间凹陷；UC1m较临界略有增大。,t,uce,UC1,0,RL=RLcr,RL增大,RL减小,t,比较三种工作状态：,（1）临界状态：P1最大；较高；最佳工作状态 (对应最佳负载RLcr)；主要用于发射机末级。,（2）过压状态： 较高（弱过压状态最高)；负载阻抗变化时，UC1基本不变；用于发射机中间级,（3）欠压状态： P1较小； 较低；PC大；输出电压不够稳定；很少采用，基极调幅电路工作于此状态。,临界饱和线斜率记为：SC,如图，对应于临界状态的动特性曲线CAD，则有,根据转移特性，又有,这样，利用三极管的特性参数SC和gm就可以求解功率放大器的相应指标。,3.4.2 和 变化对放大器工作状态的影响,当激励源（Uim)、负载(RL)或直流电源(UBB、 UCC)发生变化时，都会影响到功放的工作状态，改变输出功率与效率；另一方面可以通过调整这些外部参量来改变功率放大器的性能。将外部参量变化时对功率放大器工作状态及性能指标的影响称为外部特性，包括,一、负载特性,UCC 、UBB 及Uim 固定时，ic(IC0 IC1)都确定； RL直接影响输出电压振幅 :RL增大， UC1增大。,二、调制特性,（1）集电极调制特性：UCC的影响,uce,0,ic,UCC,减小UCC：,UBB 、Uim 不变：则ubemax 、不变,RL 不变：则动特性斜率不变,UCC改变：引起动特性平移,UC1m,uce,0,在过压区，输出电压振幅UC1m与UCC近似呈线性关系：用一输入信号（调制信号）代替UCC ，可完成振幅调制-集电极调幅。,（2）基极调制特性：UBB的影响,增大UBB：,UBB增大,如左图所示,在欠压区，输出电压振幅UC1m与UBB近似呈线性关系：用一输入信号（调制信号）代替UBB ，可完成振幅调制-基极调幅。,三、放大特性,ube,以为例,Uim增大：,在欠压区，输出电压振幅UC1m与输入电压振幅Uim近似呈线性关系：可以实现对振幅变化信号的线性放大。,在过压区，输出电压振幅UC1m近似呈现恒压特性，可以实现对振幅变化信号的限幅。,四、外部特性在电路调试过程中的应用,例：一丙类谐振功放，设计工作在临界状态，若发现实际电路的P0和C均未达到要求，应如何进行调整？,分析： P0未达要求，说明工作于欠压或过压状态；若增大Re能使P0增大，由负载特性知-欠压状态；,注意：减小UCC，Uc1m也减小，输出功率减小。,另：判断工作状态也可以通过改变UCC UBB Uim来完成。,3.5谐振功率放大器的实用电路,基本原则：使交、直流信号有各自正常的通路，相互间的影响尽可能的小，且要减小不必要的功率损耗。,组成：高频功放的实际馈电线路和各种不通用途的高频功放的输入、输出端的匹配电路。,3.5.1 直流馈电电路 一、集电极馈电 uCE=UCC-Uc1mcost,分布电容影响小；但LC处于直流高电位上，网络元件安装不方便。,LC处于直流地电位上，网络元件安装方便；但分布参数直接影响网络的调协。,二、基极馈电 uBE=UBB+Uimcost,丙类功放的基极偏置电压UBB为负偏压，实际电路中常采用自给偏压的方法来产生UBB从而省去一个直流源。 优点：能自动维持放大器的稳定性。有利于稳定输出电压，但对于要求具有线性放大特性的放大器来说则不利。,3.6 输入、输出匹配网络 一、匹配网络概述,匹配网络的作用：（1）在输入端：实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗的匹配，以获得最大的激励功率；（2）在输出端：将外界的负载电阻RL变换为放大器所需的最佳负载电阻Re，以保证输出功率最大；还应具有较好的滤波能力；（3）传输效率尽可能高，损耗尽可能小。,实现方法：LC变换网络实现调谐和阻抗匹配,连接方式：型、型和型三种,二、串、并联阻抗变换,转换前后电抗值Xs和Xp相差很小，但转换前后并联电阻Rp串联电阻Rs。,图（a）中,求得：,（只适于ReRL的情况）,图（b）中,求得:,（只适于ReRL的情况）,三、三种不同形式的匹配网络,1、L型网络,例3-3 将下图（a）所示电感与电阻串联电路变换成下图（b）所示并联电路。已知工作频率为100MHz， =100nH， =10 ，求出 和 。,由上述计算结果可见，当 时， 与 的值相差不大，这就是说，将电抗与电阻串联电路变换成并联电路时，其中电抗元件参数可近似不变，即 ，但电阻值却发生了较大的变化，与电抗串联的小电阻 可变换成与电抗并联的一大电阻 。反之亦然。,2、型和型网络,3.7 高频谐振功率放大器实用电路举例,上图画出了一个典型的谐振功率放大器应用电路,图为工作频率为160MHz的高频谐振功率放大器，它向50外接负载提供13W功率，功率增益达9db,图中，基极采用自给偏置电路，由高频扼流圈L2中的直流电阻产生很小的负偏压UBE，集电极通过高频扼流圈ZL2接到+28V的直流电源上，构成并馈电路。放大器的输入端采用T型滤波匹配网络，调节电容c1和c2，使得功率管输入阻抗在工作频率上变换为高频放大器所要求的50匹配电阻。放大器的输出端采用L型滤波匹配网络，调节电容c3和c4，将50外接负载在工作频率上与放大器所要求的最佳负载阻抗Res相匹配。,举例2（综合设计题），高频调谐功率放大器实用电路举例,1.确定电路组成方案 鉴于谐波抑制要求没有相应提出，功率放大器通常按二次谐波抑制度小于-30dB考虑。则功率放大器的输出滤波匹配网络必须采用多级组合网络，这样会影响网络的传输效率。 现取 ,则功放的输出功率为 已知输入功率是 ，放大器的功率增益为 通常，单级丙类功率放大器的功率增益小于12dB，效率大于60%。因此，根据设计要求选定如下图所示组成的方案：,第一级功放的前置功率放大器将小功率Pi=5mW放大到约50mW左右，由于器件的离散性及高频性能的影响及级间耦合的匹配损耗等，功率增益取得较低09dB；第二级功放的末级功率驱动，它的功率增益取89dB，最后末级功率放大器为驱动负载末级，末级功率增益取89dB左右。 2.选定元器件和电路 根据工作频率，输出功率，功率增益，价格要求，电源电压，以及实际安装条件，选用三种型号的功率管，第一级选用小功率管2SC2026,第二级选用2SC2538，第三级选用2SC1971。 3.选定电路应满足如下指标要求： 已知供电电压Vcc=12V ,负载功率P0负载阻抗50，要求集电极效率 导通角=70。根据以上要求可以计算出如下指标：,4.集电极（末级功放）到负载级间的匹配滤波计算：,电路采用多级组合网络其等效输出滤波匹配网络如下图所示：,（1）第一级滤波匹配网络的计算,取Qe1=3 则:功率管的输出阻抗Ro1m=40.3,所以，在LT,C7,C8,C9组成的串联谐振回路中,其谐振阻抗为 。M谐振点看到功率管的总阻抗 ,回路谐振时 , 谐振时感抗与容抗相等，则谐振电容 电路参数如下图3-26所示,设定该级输出阻抗Ro2与后级匹配滤波器的阻抗是50则第I级滤波器（谐振回路）总输出阻抗是161.3，和要求的50不匹配。为了达到与后级阻抗50相匹配，则采用电容分压匹配方法。根据电容分压阻抗变换原理。其阻抗变换比,。,电路参数如下图所示,（2）、第II级滤波匹配网络计算,设取Qe2=2，该网络的输出阻抗与输入阻抗均为纯电阻50，L9、C11、C12组成谐振回路，其谐振阻抗为 则： L9=0.2uH,该II级组合网络的参数如下图所示:,根据图3-27可求得该级网络的损耗及效率： 损耗分并联谐振回路损耗1和串联谐振回路损耗2两部分设线圈空载Q0=180，则C10，L8组成的并联回路的损耗1为,串联谐振回路的损耗,该回路的点效率=（1-1）（1-2）=0.989,.该回路的总损耗为=0.022,（3）第III级滤波网络计算,该级采用型网络，设Qe=3，则根据型网络匹配计算时可以拆分成二个L型网络的计算方法得:如下图所示,（a）,（a） 型网络,（b）二个L型网络,(4)集电极输出到负载点效率级输出功率计算,5.集电极供电电路的选择,集电极供电主要通过L6完成，L6既是集电极的供电直流通路，同时又是和集电极的负载相并联的支路，对该回路的要求是对直流要供出足够大的直流电流，对交流要呈现极大的阻抗。因此结合前面计算可知，功率级集电极最大电流iCM=626mA，集电极基波阻抗Rom1=40.3,则工程应用上，一般取交流阻抗 20倍的裕量作并联阻抗时，认为对负载阻抗的影响可以忽略。则选择该电感的依据如下：电感的感抗（f=80MHz） XL6 20Rom=806,则L6 16uH，流过电感的最大电流ICM 3iCM， , 取ICM=2A。,6.功率驱动级的设计,(1).根据末级功率放大器的选择要求，该级选用的是晶体管2SC1971该管在Vcc=13.5V时,功率增益 10dB,则对应于本例中集电极输出功 率是1.5W，对应要求的输入功率 。这就是功率 驱动级应该驱动功放的最低功率要求。由于级间耦合回路有一定的损耗，再加上电路其他部分产生的损耗，所以功率驱动级的实际功率要比功放级的最低输入功率要求150mW要大。对于驱动级另一个要求是提供稳定的功率。所以工程上通常取功放最低输入功率要求的3倍左右作功率驱动级的功率。即功率驱动级的驱动功率 ，取Poc=500mW。 (2).功率驱动级与功放输入之间的滤波匹配电路。 功率驱动级的输出功率要匹配传输给功放输入级，其相互之间的匹配传输是关键。先求出功放级的输入阻抗Ri。根据功放管2SC1971的特性曲线及工作状态要求，可求得输入阻抗约是6.7左右，输入电容（包含电路的分布电容等）计约10pF。输入阻抗的工程估算可以按下式进行 ，其中Pim末级功率管的输入功率（瓦）,(3).计算功率驱动级的集电极负载及其他参数,6.集电极输出与功放输入之间的匹配滤波网络设计,已知：集电极输出基波阻抗Rom1=100，输出功率Pom1=500mW，功放输入基波阻抗Rim1=6.7，输入功率Pim1=150mW。 设计的匹配滤波网络采用L型匹配网络，电路结构如下图所示:,级间匹配网络等效如下图所示,（a）L型网络 (b)等效电路 (1) 设：L型网络的Q值为3，则：电感L4谐振时的感抗为XL4, XL4=3, Rim1=36.7=20.1，L4=0.04uH，谐振时的容抗与感抗相等，容抗Xc=20.1，则谐振电容C0=98.97pF 谐振时的总Ro1=XL3+Rim1=20.1+6.7=26.8 (2)由于集电极的基波输出阻抗Rom1=100,L型匹配网络的总阻抗Ro1=26.8,采用电容分压匹配连接方法使得输出阻抗与网络阻抗相匹配 ，其接入系数 ,分压电容的取值为 : 取200pF，C6=196pF，取200pF,(3)功放的输入偏压设置,功放的输入偏压设置,涉及功放的工作状态及导通角，可以采用基极自给偏压方案，调整电阻大小可以改变导通角的大小。电感L5是高频扼流圈，对高频信号呈开路状态，对低频直流信号呈短路状态。工程上电感量取值保证其阻抗 2050倍输入阻抗即可。如L5 0.6uH。同样，L3的取值为XL3 （2050）Rom1.取 L3 3.9uH IpL3 1A。 (4)中间匹配网络参数结构如下图所示：,第级匹配网络电路,其他参数设计估算如下： 输入功率: 输入阻抗: Rim1=23.8,7.前级放大电路设计,第I级放大电路采用电容耦合双调谐回路，根据输入功率的大小及输出功率的要求，设计双调谐匹配回路。 第I级放大电路采用电容耦合双调谐回路电路,设双调谐回路具有相同的参数结构，取电容C1的容抗XC1=-100, 则:C1=20pF, L1=0.2uH, C2=20pF, L2=0.2uH 设谐振回路的Q值Qe=15，则谐振阻抗Ze=QeZx=15100=1500 双调谐回路之间的耦合系数K=0.2 则耦合电容C3为： 其中： 综上所述,高频调谐功率放大器的实用电路设计举例已基本完成，整体电路结构组成如下图所示。,本章小结,高频功率放大器的主要作用是放大高频信