通信电子电路谐振功率放大器学习教案

1、会计学1通信电子电路谐振通信电子电路谐振(xizhn)功率放大器功率放大器第一页，共44页。第2页/共44页第二页，共44页。讨论：若要提高(t go)C ，就应减少 PC，则要减少 iC vCE 途径 1：减小管子在信号周期内的导通时间，即 增大 iC 0 的时间。（由甲类甲乙类乙类丙类）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，C 显著增大

2、。 返回概述为提高效率，管子的运用状态从甲类乙类丙类开关工作的丁类转变。但随效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。（乙类可采用互补对称电路，丙类则可采用具有谐振性质的负载等）第3页/共44页第三页，共44页。VCC vCE iCO常量CEvBECvfi常量BEvCECvfiBVQQBEvCi甲类：Q点在放大(fngd)区，功率管在整个周期内都导通=1800 （如小信号放大(fngd)器）乙类：Q点在放大区和截止区交界处，VBEQ=VBE(on)，功率管仅在半个周期内导通。 =900 （如乙类互补对称功放）丙类：Q点在截止区，功率管小于半个周期内导通。90

3、0 甲乙类：Q点在放大区和截止区之间，但靠近截止区的位置，管子在大于半个周期小于一个周期内导通。 900 1800 返回概述第4页/共44页第四页，共44页。一、丙类谐振(xizhn)功率放大器的原理电路 VB为基极偏置电压，其值应小于VBE(on)即静态工作点应设置在截止区，以实现丙类工作。原理分析性能分析设输入信号电压设输入信号电压: : tVtvsmscos)(tVVvVvsmBsBEQBEcosoCCCEvVvRFC为高频扼流圈（通直流阻交流）;Co为耦合电容（通交流阻直流） iL中无直流分量（即Ico = Idc）第5页/共44页第五页，共44页。常数CEvBECcvigvBEiCV

4、BVBE(on)vBEiCVsm当当)(onBEBEVv，0Ci 当当)(onBEBEVv，)(onBEBEcCVvgi 式中式中cg为：为： 有有)(cosonBEsmBcCVtVVgi 由于当由于当t时，时，ic=0 smBonBEsmBEQonBEVVVVVV)()(costtnItItIIiCcos2coscoscmncm2cm1cosmBEQonBEVVV)(arccostVVvVvsmBsBEQBEcos若将该三极管的输出直接接在一个纯阻负载上可以吗？Icmax又又当当0t 时，时，cos1)(maxsmconBEBsmccVgVVVgI cos1coscoscmaxctIi第6页

5、/共44页第六页，共44页。返回(fnhu)smBonBEVVV)(arccos可通过改变 输入信号幅度Vsm和偏置电压VB来调整导通角的大小当 Vsm一定,可改变VBVB2vBEicvBEmax1vBEmax2VB3vBEVB1vBEmax3VBE(on)ict饱和区放大区截止区123左移,导通角减小右移,导通角增大当VB 一定,可改变VsmvBEicvBEmax1vBEmax2vBEVBvBEmax3VBE(on)ict饱和区放大区截止区123Vsm减小,导通角变小;Vsm增大,导通角变大第7页/共44页第七页，共44页。平均(pngjn)分量 tItIIiCcosncoscmncm10C

6、基波分量n次谐波分量ictic1ic2ic3IcoIcmax 0cmaxcmaxc)cos1 (cossin)(21IItdiIco 1cmaxcmax1)cos1 (cossin)(cos21IIttdiIccm ncccmnInnnnIttdniIcmax2maxcos11)sincoscos(sin2)(cos21 coI，cm1I，cm2I，cmnI为直流及基波和各次谐波的振幅。为直流及基波和各次谐波的振幅。 .)(有关只与导通角为电流分解系数,)2(21nIIIcmncmcm返回原理分析续tVtvsmscos)(与输入信号的频率相同第8页/共44页第八页，共44页。 因为LC谐振回路

7、，因而电路谐振电阻R上流的是电流，即输出电压为：tVtRIRivcmcmcocoscos11RIRIVccmcm)(1max1：其中vCEvctVCCvBEtvsVsmVcmictibtIcmaxVB丙类功放各级电压、电流的波形图VBE(on)tVVvcmCCCEcos性能分析第9页/共44页第九页，共44页。1、输出功率:cmcmcmcmoVIRVRIP1221212212、转换(zhunhun)效率:)(0max0CCCcCCDIVIVP DocPP:集电极效率)()(21210max1max01CCCCcmcCCcmcmIIVVIVIV)()(21013、管子消耗(xioho)的功率:o

8、DcPPP:电源提供的功率008060 一般为了兼顾两者的要求，是一对矛盾，和越大，即越小但cOcP为电压利用系数=Vcm/Vcc最大。时最大。即时，大，当大，就要求要)(120)(32)(101nOnP)(211g CCCmCCcmVRIVV1，cR 第10页/共44页第十页，共44页。：求 )(108 .62cos3)(6Vttvs各为多少？及问若电压利用系数的基波分量振幅集电极电流occmcPIi，、12;11详细(xingx)解答例2例3第11页/共44页第十一页，共44页。tV1BEv根据(gnj)题意得：msvigBEC2005 . 020300)(300)5 . 013(200)

9、()(maxmAVVVgIonBEBsmc曲线(qxin)的斜率为:管子的导通电压为:)(5 . 0)(VVonBE又因为基极偏置电压:1BBEQVV所以有:0)(603) 1(5 . 0arccosarccossmBonBEVVV)(120)60(01max1mAIIccm)(66)60(00max0mAIIcc)(72. 02121111WIVIVPcmCCcmcmO%90)()(2101返回例1第12页/共44页第十二页，共44页。返回(fnhu)解:56.250.86.2551.25OODCOODCDOPPPPPPPWPPPW第13页/共44页第十三页，共44页。解：电路基本(jbn)

10、结构跟三极管构成的丙类功放类似，电路初步设计为：忽略饱和压降VDS(S)，则认为1，即Vom=VCC要工作于状态，要求VGS VGS(th) 25 根据eomORVP22)(88. 225212222OomPVR 8 又因为0105 .73521）（）（：)(884. 7)(max1max1AiiRIRVDDmDom：又因为选fT 、 f尽量大的管子；设RLC并联谐振回路的品质因素Qe为10，则有：L=R/O Qe =9 10-4 (H) ；C=1/O2 L=12(PF) 返回例1第14页/共44页第十四页，共44页。)()(onBEcmCECCsmBcCVVvVVVgi3.3.1、谐振功率放

11、大器的动态分析方法(用静态特性曲线表示，其高频效应(xioyng) 可忽略。且谐振回路具有理想滤波特性）若设输入电压： 当放大器工作在谐振状态时，其外部电路输入端电压方程为:由上两式消除由上两式消除tcos 可得：可得： 又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程）：可得可得Ci与与CEu之间关系的动态特性方程之间关系的动态特性方程： 动态特性曲线在vCE轴上的截距 vBEiCgCVBE(on)tVVvsmBBEcoscmCECCsmBBEVvVVVv)()()(oCEdsmBonBEcmCCCEcmsmcVvgVVVVVvVVg动态特性曲线的斜率 tVVvcmCCCEcostVvsmscos)(

12、)(onBEBEcCVvgi第15页/共44页第十五页，共44页。V0gdcmsmcdVVgg当R增大(zn d)Vcm=Icm1R增大(zn d)|gd|减小，曲线向左移动。tVVvsmBBEcostVVvcmCCCEcosIQ= gc(VB-VBE(on) A (vcemin，vbemax)Q (VCC，IQ)vcemin= VCC-Vcm BAB (VO，0)QVO= VCC-VcmcosB、Q的确定第16页/共44页第十六页，共44页。B点的确定(qudng)： (VCC -Vcm cos ，0)，时当tcoscos1cmCCcmCCCEVVRIVv0CiQ点的确定(qudng)：(V

13、CC，gc(VB-VBE(on)，时2即当snttv20)(CCcmCCCEVtVVvcos）为负值)()(onBEBcCVVgi返回第17页/共44页第十七页，共44页。 在放大技术中，人们根据器件是否进入截止和进入截止区的时间长短，将放大器分为甲类、乙类和丙类等，而在丙类放大器中，有时需要(xyo)晶体管进入饱和区，以获得人们期望的某种结果，根据晶体管的输出动态点是否进入饱和区将放大器的工作状态分为欠压、临界、过压三种状态。 A1： vCEmin 对应的动态点处于(chy)放大区，Vcm VCC VCES 欠压状态， iC 迅速减小，电流脉冲出现凹陷，随 Vcm 增大, 凹陷加深cmCCC

14、EVVvminCESV第18页/共44页第十八页，共44页。一、负载(fzi)特性：VB、Vsm 、VCC 一定，改变 Re 对应特性。 vBEiCVBVBE(on)vBEiCCCgCVsmvBEmaxIcmaxvCEiCVCCQvCEminVCESgdvBEmax过压区临界区欠压区A1A5A3A4A2V0当Re增大Vcm=Icm1Re增大|gd|减小，曲线向左移动。ReRe 的增加势必将引起 Vcm 增大( )cm1ecmIRVReVcmvCEmin；工作状态由欠压临界过压， 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。继续第19页/共44页第十九页，共44页。icvCEPoRe

15、欠压区过压区临界区Re欠压区过压区临界区Ic1Icoc PDPcvbemaxUcm Vcm = ReIcm1 Po =VcmIcm1/2 PD = VCCIC0 PC = PDPo C = Po/ PD（1）临界:Po最大，效率也较高，可以(ky)说是最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态。（2）过压:Rp变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，Po有所下降。常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。集电极调幅也工作于这种状态。Reopt _最佳负载阻抗（匹配阻抗） o2CESCCo2cmeopt)(2121PVVPVR（3）欠压:Po与都比较低且PC大，输出

16、电压又不够稳定，因此一般较少采用。但在某些场合，例如基极调幅，则需采用这种工作状态。调制特性第20页/共44页第二十页，共44页。1. 集电极调制(tiozh)特性 (1)含义：指VB、Vsm 和 Re一定(ydng)，放大器性能随 VCC变化的特性。 (2) 调制特性：VCCVcmvCEmin，工作状态由：过压 临界欠压，iC 由中间有凹陷的脉冲波。转变为接近余弦变化的电流脉冲波且脉冲高度增加。（包括集电极调制和基极调制两种特性）vCEicvBEmaxQVCCQVCCQVCCt iC结论:若要VCC能有效控制Vcm实现集电极调制，则放大器应工作在过压状态； 集电极调制特性是实现集电极调幅的原

17、理依据。第21页/共44页第二十一页，共44页。调制特性是晶体三极管调幅电路(dinl)的基本特性。 图中： tVtvcbmbcos)( 载波tVv cosm 调制信号ttVtvccmo)cos()( 为谐振回路上的输出电压。与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压。返回令 VCC(t) = VCC0 + v(t) 作为放大器的等效集电极电源电压。若要求 Vcm(t) 按 VCC(t) 的规律变换，根据集电极调制特性，放大器必须在 VCC(t) 的变化范围内工作在过压状态。 第22页/共44页第二十二页，共44页。(1) 含义：Vsm、VCC、Re一定(ydng)，放大器性能随 VB 变化的

18、特性。 VcmIcoIcml临界VB过压欠压OVB2vBEiCvBEmax1vBEmax2VB3vBEVB1vBEmax3VBE(on)iCt饱和区放大区截止区123 (2) 调制特性：当 Vsm 一定，VB 时，iC宽度、高度，IC0 Icm1Vcm ，使 vCEmin ，工作状态：欠压临界过压状态。过压状态：随VB 正值方向增大，集电极电流的宽度和高度均增加，使凹陷加深，结果使 IC0 和 Ic1m、Vcm 均将增大，但增大得十分缓慢，可认为近似不变。 若要VB 有效控制VCC 实现基极调制，应工作在欠压状态；基极调制特性是实现基极调幅的原理依据。（因基极调幅非线性失真大；需激励信号功率大

19、；所以一般不采用）第23页/共44页第二十三页，共44页。)()(BB0BBtvVtV 基极偏置电压 使 Vcm 按 VBB(t) 的规律(gul)变化，放大器工作在欠压状态。 返回第24页/共44页第二十四页，共44页。1. 含义：当 VB、VCC 和 Re一定(ydng)，放大器性能随Vsm 变化的特性。vBEiCvBEmax1uBEmax2vBEVBvBEmax3VBE(on)iCt饱和区放大区截止区123 即 VB 一定，Vsm 时，iC宽度、高度，IC0 Icm1Vcm ，使 vCEmin ，工作状态：欠压临界过压状态。放大特性的应用第25页/共44页第二十五页，共44页。(1) 谐

20、振(xizhn)功放作为线性功放时 为了使输出信号振幅 Vcm 反映输入信号 Vsm 的变化，放大器必须在 Vsm 变化范围内工作(gngzu)在欠压状态。(2) 谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter) 作用：将 Vsm 在较大范围内的变化转换为振幅恒定的输出信号。 特点：根据放大特性，放大器必须在 Vsm 的变化范围内工作在过压状态，或 Vsm 的最小值应大于临界状态对应的 Vsm 限幅门限电压。 第26页/共44页第二十六页，共44页。 在调试谐振功放时，上述四个特性十分(shfn)有用。 例如，一丙类谐振功放，设计在临界状态，若制作出后，Po 和 C 均不能达到要求

21、，则应如何进行调整。 Po 达不到要求，表明放大器没在临界。若增大 Re 能使 Po 增大，则根据负载特性，断定放大器工作在欠压状态，此时分别增大 Re、Vsm 和 VB 或同时或两两增大均可使放大器由欠压进入临界。 第27页/共44页第二十七页，共44页。 VB、Vsm 、Re由小到大增加(zngji)时，功放的工作状态都由欠压过压。VCC由小到大增加时，功放的工作(gngzu)状态都由过压欠压VB、Vsm 和 VCC 、 Re变化对电路性能及工作状态的影响:要实现集电极调制，应该调整VCC让电路工作于过压状态要实现基极调制，应该调整VB让电路工作于欠压状态要作为功率放大器用，应该调整Re

22、Reopt让电路工作于临界状态。要作限幅器用，应该调整Vsm让电路工作于过压状态例题3.2.4例题第28页/共44页第二十八页，共44页。返回(fnhu)(279 . 0309 . 0VVVCCom解)(32730VVVVomCCCES)(23. 1341. 0maxAVgiCEScrC21)90(900101)90(00)(615. 0)(1max1AiICmc)(23. 1)(0max0AiICC)(9 .431mcomIVR)( 1 . 821WIVPmcomO)(23. 1300WIVPcCCD第29页/共44页第二十九页，共44页。v解：由于VGG=2V，所以无论Vim为何值，管子的

23、导通角均为90 o。又由已知的转移特性(txng)可知：Vim减半后， iD的最大值也应减半。由式（323）和式（325）， Id1m和Id0也会减半。这样，利用式（329）可得到Vim减半后，值也应减半。返回第30页/共44页第三十页，共44页。 功放管的集电极经外电路(dinl)到发射极这条路叫集电极电路(dinl)； 功放管的基极经外电路到发射极这条路叫基极电路； 丙类谐振功放由5部分构成：信号源、有源器件T、负载RL、匹配网络、直流馈电电路（VCC、VB) 集电极电流、基极电流中都含有平均分量、基波分量及高次谐波分量，外电路必须对这些分量有正确的通路，放大器才能正常工作。集电极电路各电

24、流分量的通路应满足下面三点要求：对：EC应全部加到C、E两端对：应全部通过负载，外电路对基波电流呈一等效谐振电阻Re对：外电路应近似短路基极电路各电流分量的通路应满足下面两点要求：外电路对直流应短路外电路对信号频率分量能通过，其谐波应短路第31页/共44页第三十一页，共44页。谐振功放管外电路由：直流馈电(ku din)电路和匹配网络组成。通过匹配网络将交流输出功率有效地传输到负载。保证晶体管各电极获得相应的馈电电源;直流馈电电路包括集电极馈电电路和基极馈电电路；它们分别又有串馈和并馈两种。直流馈电电路分为并馈串馈 直流电源 、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为串接的一种馈电方式。直流电源 、

25、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为并接的一种馈电方式。 考虑因素：滤波匹配网络安装方便及对滤波匹配网络的影响。第32页/共44页第三十二页，共44页。LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTcL: : 高频扼流圈：通直流阻交流高频扼流圈：通直流阻交流 cC: : 高频旁路电容：通交流隔直流高频旁路电容：通交流隔直流 c1C: : 隔直电容：通交流隔直流隔直电容：通交流隔直流 ICO直流通(litng)路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC频谱

26、2 30LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT串馈并馈 串馈：滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。安装不方便。由于 CC1 隔断直流，匹配网络处于直流地电位上，网络元件可直接接地，安装比串馈方便。但 LC 和 CC1 与匹配网络相并联，它们的分布参数影响网络调谐。第33页/共44页第三十三页，共44页。CBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB在实际应用中， 由于基极馈电电路中采用单独电源在实际应用中， 由于基极馈电电路中采用单独电源BBU不不方便，通常采用自给偏压的方式提供基极偏置。方便，通常采用自给偏压的方式提供基极偏置。 CBLBLBL

27、BCERBReVTVTVTIBOVBIBOIeo +VB -串馈并馈为放大电路提供合适的偏置电压(diny)，使功率管工作在丙类。(1)(1) 利用基极回路直流利用基极回路直流BOI 产生偏压产生偏压bBOBRIV； (2)(2)利用利用BOI在在bbr上产生偏压上产生偏压 bbBOBrIV， 注意：一般注意：一般bbr 很小，所以很小，所以 BV很小且不稳定。很小且不稳定。 (3)(3)利用射极电流利用射极电流eoI在在eR上产生上产生 偏压偏压eeoBRIV，而且这种电路，而且这种电路 能自动维持放大器的工作稳定。能自动维持放大器的工作稳定。 第34页/共44页第三十四页，共44页。 匹配

28、网络是为解决电信号能否有效地进行传输提出来的。谐振功放电路的匹配电路分输入、输出和级间匹配三种(sn zhn)。用在不同的地方其要求不一样。 (1) 实现阻抗变换将外接负载 RL 变换为放大管所要求的最佳负载Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。 (2) 选频滤波（用谐波抑制度Hn来衡量）充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证在外接负载上输出所需基波功率(在倍频器中为所需的倍频功率)。 (3) 高效将功率管给出的信号功率 Po 高效地传送到外接负载上，即要求网络的传输效率oLK/ PP 接近 1。 在几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个

29、电子器件彼此隔离，互不影响。 第35页/共44页第三十五页，共44页。谐振功放的滤波匹配网络的基本形式(xngsh)有两种：LC串联和LC并联谐振电路。作用是实现阻抗匹配、选频滤波，满足此要求的匹配网络的形式(xngsh)很多（常见的匹配网络）不论形式(xngsh)有何不同，均可由下述串-并联阻抗变换公式将其等效为上述两种基本网络的组合。第36页/共44页第三十六页，共44页。 若将一个(y )由电抗和电阻相串接的电路与相并接的电路等效转换，根据等效原理，令两者的端导纳相等，即 ssppj1j11XRXR 串并由此得: )1(2ess2s2spQRRXRR ssps2e2ss2s2sp)1(X

30、RRXQRXXRX 并串 2eps1QRR ppssXRRX ppsseXRRXQ 电容： XC1 电感： XLL 上述各式表明，Qe 取定后，Rp 和 Rs，Xp 和 Xs 之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变( Xs 和 Xp 有相同的正负号)。 返回第37页/共44页第三十七页，共44页。设计(shj)的一般步骤： 1、选择(xunz)工作状态并计算效率和满足输出功率要求所需的最佳负载电阻值。2、选择功率晶体管3、选择匹配网络4、偏置电路的考虑5、调整与调谐第38页/共44页第三十八页，共44页。a、放大器所需的最佳(zu ji)负载电阻Re:oCESCCoomePVVPVR2)(2

31、22b、电源提供(tgng)的功率PD:)(0max0cCCcCCDiVIVPc、集电极耗散功率PC:oDCPPPd、集电极效率C:)()(2101DoCPP为了兼顾Po和C的要求，谐振功放的通角为：oo7060第39页/共44页第三十九页，共44页。 根据工作频率及电源电压、管耗等要求选择合适(hsh)的功率晶体管 a、为了减小工作频率的变化对管子放大倍数的影响（当ff时，UCES 等要增加）也为了使管子的引线电感(din n)，结电容等电抗分量的影响最小，应使所选管子的fT越大越好。但限于成本和实际管子的制造水平，管子的fT与工作中心频率fs应满足下式：sffT2b、管耗为Pcmax=Po/Po 且PCM 应满足下式： PCM2.5Pcmaxd、 对三极管ICM 的要求。如考虑到输入信号的频率范围，以及电路的基