谐振功率放大器案例PPT学习教案

会计学1第第 2 章章 谐振功率放大器谐振功率放大器 谐振功放谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般工作在放大器，一般工作在丙类（或丁类）丙类（或丁类），主要用在无线，主要用在无线电发射机中，用来对电发射机中，用来对载波或已调波载波或已调波进行功率放大。进行功率放大。用途：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构成：匹配网络为谐振系统应用状态：丙类（或丁类）应用状态：丙类（或丁类）第1页/共91页 2.1 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理 在谐振功率放大器中，它的管外电路由在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电直流馈电电路电路和和滤波匹配网络滤波匹配网络两部分组成。两部分组成。2.1.1 丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器 第2页/共91页1.电路组成电路组成 ZL 外接负载外接负载，呈阻抗性，用，呈阻抗性，用 CL 与与 RL 串联等串联等效电路表示。效电路表示。Lr 和和 Cr 匹配网络匹配网络，与，与 ZL 组成并联谐振回路组成并联谐振回路。调节。调节 Cr 使回路谐振在输入信号频率。使回路谐振在输入信号频率。VBB基极偏置电压基极偏置电压，设置在功率管的截止区，设置在功率管的截止区，以实现丙类工作。以实现丙类工作。第3页/共91页2.集电极电流集电极电流 ic 若忽略基区宽度调制效应及管子结若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则电容的影响，则 tVtvsbmbcos)(tVVtvVvsbmBBbBBBEcos)(在静态转移特性曲线在静态转移特性曲线(icvBE)上画出的上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。序列，脉冲宽度小于半个周期。第4页/共91页 用用付里叶级数付里叶级数可将电流脉冲序列分解为可将电流脉冲序列分解为平均分量平均分量、基波分量、基波分量和和各次谐波分量各次谐波分量之和之和，即，即 tItIIiiIisc2msc1m0Cc2c1C0Ccos2cos 第5页/共91页第6页/共91页3.输出电压输出电压 vc(1)对基波分量对基波分量 由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对它对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻,基基波电流分量产生的相应基波电压的幅度将很大波电流分量产生的相应基波电压的幅度将很大(2)对非基波分量对非基波分量 谐振回路对谐振回路对 iC 中的其它分量呈现的阻抗均很小，中的其它分量呈现的阻抗均很小，平平均分量和各次谐波分量均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。产生的电压均可忽略。第7页/共91页 结论：结论：回路上仅有由基波分量产生的电压回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而，因而在负载上可得到所需的基本不失真的信号功率。在负载上可得到所需的基本不失真的信号功率。第8页/共91页LtrL2r20eRCLRLR 式中，式中，LrLrtCCCCC 回路总电容回路总电容 trs0/1CL 回路谐振角频率回路谐振角频率 Lr0e/RLQ 回路有载品质因数回路有载品质因数 第9页/共91页小结：小结：丙类谐振功率放大器的功能丙类谐振功率放大器的功能 (1)选频：选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的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。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：阻抗匹配：谐振回路将含有电抗分量的外接负谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻载变换为谐振电阻 Re，而且调节，而且调节 Lr 和和 Cr 还能保持回还能保持回路谐振时使路谐振时使 Re 等于放大管所需的集电极负载值，实现等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配。阻抗匹配。所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频选频和和匹匹配负载配负载的双重作用。的双重作用。第10页/共91页4.丙类功放的功率特性分析丙类功放的功率特性分析(1)丙类功放效率提升问题丙类功放效率提升问题 若提高集电极效率，可使若提高集电极效率，可使管子导通时间减小；但引起管子导通时间减小；但引起 iC 中基波分量幅度中基波分量幅度 Icm 减小，从减小，从而导致输出功率减小。而导致输出功率减小。(2)解决方法解决方法 将基极偏置电压将基极偏置电压 VBB 向负值方向增大，减少管向负值方向增大，减少管子导通时间。子导通时间。增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅度度 Vbm，使减小导通时间的同时维持输出功率不变。使减小导通时间的同时维持输出功率不变。第11页/共91页 后果：后果：加到基极加到基极上的最大反向电压上的最大反向电压(VBBVbm)可能使功率管发可能使功率管发射结反向击穿。射结反向击穿。在维持输出功率在维持输出功率的条件下，一味地减的条件下，一味地减管子导通时间来提高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，可采用开关工作的谐振功率放大器谐振功率放大器丁类。丁类。第12页/共91页2.1.2 丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器 1.丁类简介丁类简介(1)电路电路 Tr 次级两绕组相同，极性相反次级两绕组相同，极性相反。T1 和和 T2 特性配对，为特性配对，为同型管同型管。(2)原理原理 若若 vi 足够大，则足够大，则vi 0时时，T1 饱和导通，饱和导通，T2 截止，截止，CE(sat)CCA1vVv vi 0，T2 饱和导通，饱和导通，T1 截止，截止，第13页/共91页CE(sat)A2vv A 点幅值：点幅值：vA=vA1 vA2=CE(sat)CC2vV 该电压加到该电压加到 L、C、R 串联谐振串联谐振回路上，若谐振回路工作在输入信回路上，若谐振回路工作在输入信号角频率上，号角频率上，且其且其 Q 值足够高，值足够高，则可近似认为通过回路的电流则可近似认为通过回路的电流 iL 是角频率为是角频率为 的余弦波，的余弦波，RL 上获上获得基本不失真输出功率。得基本不失真输出功率。第14页/共91页第15页/共91页(3)性能特点性能特点 T1、T2 尽管导通电流很大，但相应的管压降很尽管导通电流很大，但相应的管压降很小小()CE(sat)v ，管耗小，放大器的效率高。，管耗小，放大器的效率高。考虑结电容、分布电容等影响，实际波形如考虑结电容、分布电容等影响，实际波形如 vA 虚线虚线所示，管子动态管耗增大，丁类功放效率受限。所示，管子动态管耗增大，丁类功放效率受限。2.戊类放大器戊类放大器 为了克服这个缺点，在开关为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计工作的基础上采用一个特殊设计的集电极，保证的集电极，保证 vCE 为最小值的为最小值的一段期间内，才有集电极电流流一段期间内，才有集电极电流流通。通。第16页/共91页2.实现原理实现原理 在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输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入信号频率的 n 次谐波上，则输出谐振回路上仅有次谐波上，则输出谐振回路上仅有 iC 中的中的 n次谐波分量产生的高频电压，而其它分量产生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，因而的电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号上得到了频率为输入信号频率频率 n 倍的输出信号功率。倍的输出信号功率。2.1.3 倍频器倍频器 1.概念概念 倍频器倍频器(Frequency Multiplier)：将输入信号的频将输入信号的频率倍增率倍增 n 倍的电路。倍的电路。3.倍频电路倍频电路 第17页/共91页 滤波。滤波。谐振回路需滤除高于谐振回路需滤除高于 n 和低于和低于n 的各次分的各次分量。低于量。低于 n 的分量幅度较大，滤除较难。倍频次数越高的分量幅度较大，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。，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。(2)变容二极管等变容二极管等构成构成参量倍频器参量倍频器，适用于倍频次，适用于倍频次数较高时。数较高时。(1)三极管倍频器三极管倍频器 倍频次数不能太高，一般为倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频二倍或三倍频。原因原因：效率。效率。集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度随着随着 n 的增加而迅速减小。倍频次数过高，倍频器的输的增加而迅速减小。倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低。出功率和效率就会过低。第18页/共91页2.2 谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点2.2.1 近似分析方法近似分析方法 1.概述概述 非谐振功率放大器：非谐振功率放大器：集电极负载集电极负载为为纯电阻，在特性纯电阻，在特性曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压求出功率性能求出功率性能 丙类谐振功率放大器：丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件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。又互为确定。第19页/共91页要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐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谐振功放的近似分析方法准静态分析法准静态分析法(1)方法基于下面的两个假设方法基于下面的两个假设 假设一：假设一：谐振回路具有谐振回路具有理想的滤波特性理想的滤波特性，只能产，只能产生基波电压（在倍频器中，只能产生特定次数的谐波生基波电压（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。电压），其它分量的电压均可忽略。所以，尽管集电所以，尽管集电极电流为脉冲波，但极电流为脉冲波，但集电极电压集电极电压却是却是余弦余弦的。同理，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放大器输入端也有谐振回路，尽管基极电流为脉冲波，但，但基极电压基极电压是是余弦余弦的，的，可表示为：可表示为：tVVvtVVv coscoscmCCCEbmBBBE (2-2-1)第20页/共91页 假设二：假设二：功率管的特性用功率管的特性用输入输入和和输出静态特性曲输出静态特性曲线线表示，其表示，其高频效应高频效应可忽略。分析时的输出特性曲线可忽略。分析时的输出特性曲线，其参变量采用，其参变量采用 vBE，而不是通常的，而不是通常的 iB。(2)分析步骤分析步骤 由式由式 2-2-1 确定确定 vBE 和和 vCE：先设定先设定VBB、Vbm、VCC、Vcm 四个电量数值四个电量数值，并将，并将t 按等间隔按等间隔(t=0，15，30 ，)给定不同给定不同的数值，则的数值，则 vBE 和和 vCE 便确定便确定(图图 a)。tVVvtVVv coscoscmCCCEbmBBBE (2-2-1)第21页/共91页 由输出特性画由输出特性画 iC：根据不同间隔上的根据不同间隔上的 vBE 和和vCE 值值，在输出特性曲线上，在输出特性曲线上（以（以 vBE 为参变量）为参变量）找到对应的动找到对应的动态点，由此可以确定态点，由此可以确定 iC 值的波形，其中动态点的连线称值的波形，其中动态点的连线称为为谐振功率放大器谐振功率放大器的的动态线动态线。(a)(b)不到不到VCC，因，因为导通角小于为导通角小于 .第22页/共91页第23页/共91页(3)功率性能分析功率性能分析 谐振电阻谐振电阻 用付里叶变换对用付里叶变换对 iC 脉冲波进行分解，求出其中的脉冲波进行分解，求出其中的平均分量平均分量 IC0 和基波分量和基波分量 Ic1m。由此可以确定所需的集。由此可以确定所需的集电极谐振回路谐振电阻电极谐振回路谐振电阻 Re。c1mcme/IVR 功率性能功率性能 DoCoDCm1Ccmo0CCCD/2/PPPPPIVPIVP 第24页/共91页2.2.2 欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态 1.VBB、Vbm、VCC 不变，不变，iC 随随 Vcm 的变化规律的变化规律 (1)iC 的宽度：的宽度：由图所示由图所示，主要取决于，主要取决于 VBB、Vbm，VBB、Vbm 一定，一定，iC 脉宽近似确定，与脉宽近似确定，与 Vcm 关系不大。关系不大。第25页/共91页(2)iC 的值：的值：由由 tVVvtVVvcoscoscmCCCEbmBBBE；当当 t=0 时，时，cmCCCEminCEbmBBBEmaxBE,VVVvVVvv 当当 VBB、Vbm 即即 vBEmax 为为定值定值时，时，VcmvCEmin 动态点A左移第26页/共91页 情况情况 A：Vcm 的取值，使所对应的动态点的取值，使所对应的动态点处在放大区。处在放大区。情况情况 A：Vcm 增大，使增大，使 t=0 所对应的动所对应的动态点处在临界点，态点处在临界点，iCmax 略微减小。略微减小。情况情况 A：Vcm 继继续增大，使续增大，使 t=0 所对应的所对应的动态点处在饱和区，动态点处在饱和区，iC 迅速减迅速减小，电流脉冲出现凹陷，且小，电流脉冲出现凹陷，且随随 Vcm 增大，凹陷加深。增大，凹陷加深。第27页/共91页2.欠压、临界、过压欠压、临界、过压 欠压欠压(Undervoltage)：vCEmin 对应的对应的动态点动态点处于处于放放大区大区。临界临界(Critical)：vCEmin 对应的对应的动态点动态点处于放大区和处于放大区和饱和区之间的饱和区之间的临界点临界点。过压过压(Overvoltage)：vCEmin 对应的对应的动态点动态点处于处于饱和饱和区区。3.iC平均分量平均分量IC0 与基波分量与基波分量Ic1m iC 脉冲越宽，高度越高脉冲越宽，高度越高，IC0 和和 Ic1m 就越大就越大。如果。如果出现凹陷，则凹陷越深，出现凹陷，则凹陷越深，IC0 和和 Ic1m 就越小就越小。第28页/共91页2.2.3 四个电量对性能影响的定性讨论四个电量对性能影响的定性讨论 一、负载特性一、负载特性 1.含义：谐振功放的负载特性含义：谐振功放的负载特性是指是指 VBB、Vbm 和和 VCC 一定，放大器性能随一定，放大器性能随 Re 的变化特性。的变化特性。2.特性特性 第29页/共91页Re 的增加势必将引起的增加势必将引起 Vcm 增大增大()c1mecmIRV ReVcmvCEmin放大器欠压放大器欠压过压过压 iC 由由接近接近余弦变化的电流脉冲余弦变化的电流脉冲转变为转变为中间有凹陷的脉冲波中间有凹陷的脉冲波。第30页/共91页据此可以画出据此可以画出 Ic0 和和 Ic1m 随随 Re 变化的特性。变化的特性。Vcm =ReIc1m Po=VcmIc1m/2 PD =VCCIC0 PC =PDPo C=Po/PD由由 IC0 和和 Ic1m 的变化就可以画出的变化就可以画出 Vcm、Po、PD、PC、C 随随 Re 变化的曲线。变化的曲线。第31页/共91页3.讨论讨论 (1)欠压区：欠压区：由由图图(a)，Re 由小增大时，由小增大时，iC 脉冲的高脉冲的高度略有减小，相应的度略有减小，相应的 IC0、Ic1m 也略有减小，因而由也略有减小，因而由图图(b)，Vcm(ReIc1m)和和 Po(e2c1mRI)近似线性增大，而近似线性增大，而第32页/共91页PD(=VCCIC0)略有减小，略有减小，C 增大，增大，PC 减小。减小。(2)过压区：过压区：随随 Re 增大，电流脉冲高度减小，凹陷增大，电流脉冲高度减小，凹陷加深，相应的加深，相应的 IC0、Ic1m 减小，结果使减小，结果使 Vcm 略有增加，略有增加，Po、PD 减小，且减小，且Po比比PD减小的慢，从而减小的慢，从而 C 略有增加，略有增加，PC 略有减小。略有减小。第33页/共91页 (3)匹配负载：匹配负载：如果如果 Re 的取值使管子工作在临界的取值使管子工作在临界状态，则状态，则 Po 最大，且最大，且 C 较大较大，PC 较小，较小，放大器性放大器性能接近最佳性能。能接近最佳性能。将此时的将此时的 Re 称为谐振功放的称为谐振功放的匹配匹配负载负载，用，用 Reopt 表示。表示。o2CE(sat)CCo2cmeopt)(2121PVVPVR 第34页/共91页二、调制特性二、调制特性 包括包括集电极调制集电极调制和和基极调制基极调制两种特性。两种特性。1.集电极调制特性集电极调制特性 (1)含义：含义：VBB、Vbm 和和 Re一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VCC变化的特性。变化的特性。(2)调制特性：调制特性：VBB、Vbm一定一定，则，则 VBEmax 和和 iC脉宽一定脉宽一定。而对应于。而对应于 VCEmin 的动态点必定在的动态点必定在 vBE=VBEmax 的那条输出的那条输出特性曲线上移动。特性曲线上移动。第35页/共91页 欠压状态：欠压状态：随随 VCC 减小减小，集电极电流脉冲高度，集电极电流脉冲高度略有减小，因而略有减小，因而 IC0 和和 Ic1m 也将略有减小，也将略有减小，Vcm(=ReIc1m)也也略有减小略有减小。过压状态：过压状态：随随 VCC减小减小，集电极电流脉冲的，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因高度降低，凹深加深，因而而IC0、Ic1m、Vcm 将将迅速减迅速减小小。第36页/共91页2.基极调制特性基极调制特性 (1)含义：含义：Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。变化的特性。(2)调制特性：调制特性：当当 Vbm 一定，一定，VBB 由负向正增大由负向正增大时，时，iC不仅宽度增加，而不仅宽度增加，而且其高度增加（因且其高度增加（因 VBEmax 增大），因而增大），因而 IC0 和和 Ic1m、Vcm 增大，结果使增大，结果使 VCEmin 减小，放大器由欠压进入减小，放大器由欠压进入过压状态过压状态。第37页/共91页 进入过压状态进入过压状态后，随后，随VBB 向正值向正值方向增大，方向增大，集电极集电极电流电流的的宽度和高度宽度和高度均增加，使凹陷加均增加，使凹陷加深，结果使深，结果使 IC0 和和 Ic1m、Vcm 均将增均将增大，但增大得十分大，但增大得十分缓慢，可认为近似缓慢，可认为近似不变。不变。第38页/共91页3.调幅电路调幅电路 调制特性调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性。是晶体三极管调幅电路的基本特性。(1)集电极调幅原理电路集电极调幅原理电路 图中：图中：tVtvcbmbcos)(输入高频载波电压，输入高频载波电压，c 载波频率载波频率第39页/共91页tVv cosm 调制信号电压，调制信号电压，为调制频率为调制频率 它们与谐振功放电路的它们与谐振功放电路的不同不同仅是仅是集电极回路接入集电极回路接入了调制信号电压了调制信号电压。ttVtvccmo)cos()(为为谐振回路上的输出电压谐振回路上的输出电压。第40页/共91页令令)()(CC0CCtvVtV 作为放大器的作为放大器的等效集电极电等效集电极电源电压源电压。若要求。若要求 Vcm 按调制信号规律变化，即按调制信号规律变化，即 Vcm(t)按按VCC(t)的规律变换，则根据集电极调制特性，放大器必的规律变换，则根据集电极调制特性，放大器必须在须在 VCC(t)的变化范围内工作在的变化范围内工作在过压状态过压状态。第41页/共91页(2)基极调幅原理电路基极调幅原理电路)()(BB0BBtvVtV 基极偏置电压基极偏置电压 使使 Vcm 按按 VBB(t)的规律变化，放大器工作在的规律变化，放大器工作在欠压欠压状态状态。第42页/共91页三、放大特性三、放大特性 1.含义：含义：当当 VBB、VCC 和和 Re 一定一定，放大器性能随，放大器性能随Vbm 变化的特性。变化的特性。2.特性：特性：固定固定 VBB，增，增大大 Vbm 与上述固定与上述固定 Vbm 增增大大 VBB 的情况类似，它们的情况类似，它们都使都使 iC 的宽度和高度增大的宽度和高度增大，放大器由欠压进入过压，放大器由欠压进入过压，图图(a)。第43页/共91页(1)谐振功放作为线性功放时谐振功放作为线性功放时 为了使输出信号振幅为了使输出信号振幅 Vcm 反映输入信号反映输入信号 Vbm 的变化，放的变化，放大器必须在大器必须在 Vbm 变化范围内工变化范围内工作在作在欠压状态欠压状态，图图(b)。第44页/共91页 (2)谐振功放作为振幅限幅器谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter)作用：作用：将将 Vbm 在较大范围内的变化转换为在较大范围内的变化转换为振幅恒振幅恒定的输出信号定的输出信号。特点：特点：根据放大特性，放大器必须在根据放大特性，放大器必须在 Vbm 的变化的变化范围内工作在范围内工作在过压状态过压状态，或，或 Vbm 的最小值应大于临界的最小值应大于临界状态对应的状态对应的 Vbm 限幅门限电压。限幅门限电压。第45页/共91页四、四个特性在调试中的应用四、四个特性在调试中的应用 在调试谐振功放时，上述在调试谐振功放时，上述四个特性四个特性十分有用。十分有用。例如，例如，一丙类谐振功放，设计在临界状态，若制作一丙类谐振功放，设计在临界状态，若制作出后，出后，Po 和和 C 均不能达到要求，则应如何进行调整。均不能达到要求，则应如何进行调整。Po 达不到要求，表明放大达不到要求，表明放大器器没在临界没在临界。若增大。若增大 Re 能使能使 Po 增大，则根据负载特性，断定增大，则根据负载特性，断定放大器工作在放大器工作在欠压状态欠压状态，此时，此时分别增大分别增大 Re、Vbm 和和 VBB 或同或同时或两两增大均可使放大器时或两两增大均可使放大器由由欠压欠压进入进入临界临界。第46页/共91页若若增大增大 Re，Po 减小减小，放大器实际工作在，放大器实际工作在过压状态过压状态，可，可增大增大 VCC（同时，适当（同时，适当增大增大 Re 或或 Vbm 或或 VBB），），需需注意管子安全注意管子安全。实际上放大器的工作状态除了改变实际上放大器的工作状态除了改变 Re 外还可以外还可以根据实际情况通过改变根据实际情况通过改变 VCC、Vbm、VBB 来判断，不过来判断，不过改变改变 Re 较普遍，但不论改变哪个量都必须保证回路较普遍，但不论改变哪个量都必须保证回路谐振在工作频率上。谐振在工作频率上。第47页/共91页2.3 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 在谐振功率放大器中，它的管外电路由在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电直流馈电电路电路和和滤波匹配网络滤波匹配网络两部分组成。两部分组成。2.3.1 直流馈电电路直流馈电电路1.串馈与并馈串馈与并馈 考虑到滤波匹配网络元件的安装方便，考虑到滤波匹配网络元件的安装方便，馈电电路馈电电路(Power Supply Circuit)对滤波匹配网络的影响。对滤波匹配网络的影响。直流馈电电路分为直流馈电电路分为 并馈并馈串馈串馈 第48页/共91页 (1)串馈：串馈：直流电源直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率、滤波匹配网络和功率管管在电路形式上为在电路形式上为串接串接的一种馈电方式。的一种馈电方式。LC高频扼流圈高频扼流圈，与，与 CC 构构成电源滤波电路。成电源滤波电路。在信号频率上在信号频率上 LC 的感抗很大，接近的感抗很大，接近开路；开路；CC 的容抗很小，接近短路，目的的容抗很小，接近短路，目的是避免信号电流通过直流电源而产生级是避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。间反馈，造成工作不稳定。cCCCEvVv 第49页/共91页 (2)并馈：并馈：直流电源直流电源 VCC、滤波匹配网络、滤波匹配网络和和功率功率管管在电路形式上为在电路形式上为并接并接的一种馈电方式。的一种馈电方式。LC 高频扼流圈，高频扼流圈，CC1 隔直电容，隔直电容，CC2 电源滤波电容电源滤波电容 要求在信号频率上，要求在信号频率上，LC 的感抗很的感抗很大，接近开路，大，接近开路，CC1、CC2 的容抗很小的容抗很小，接近短路。，接近短路。此时，虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并此时，虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并联的，但滤波匹配网络两端电压联的，但滤波匹配网络两端电压 vc(t)直接反映在直接反映在 LC 上，上，因而有因而有cCCCEvVv 。与。与串馈电路串馈电路相同。相同。第50页/共91页(3)串馈与并馈的比较：串馈与并馈的比较：相同点：相同点：两种馈电方式，两种馈电方式，VCC都能全部加到集电极都能全部加到集电极上；上；不同点：不同点：滤波匹配网络的接入方式。滤波匹配网络的接入方式。串馈：串馈：滤波匹配网络处于直流高电位上，网络滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。元件不能直接接地。并馈：并馈：由于由于 CC1 隔断直流，匹配网络处于直流隔断直流，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。地电位上，网络元件可直接接地，安装比串馈方便。但但 LC 与与匹配网络匹配网络相并联，分布参数影响网络调谐。相并联，分布参数影响网络调谐。第51页/共91页2.基极偏置电路基极偏置电路 (1)作用：作用：为放大电路提供合适的偏置电压，使为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。功率管工作在丙类。(2)常用类型：常用类型：三种常用的基极偏置电路三种常用的基极偏置电路。图图(a)，基极偏置电压基极偏置电压由由 VCC 通过通过 RB1 和和 RB2 分压分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。第52页/共91页图图(b)、（c），），自给偏置电路。自给偏置电路。图图(b)偏置电路：偏置电路：LB、RB、CB1。RB 产生压产生压降，提供自偏电压；降，提供自偏电压；LB 避免避免 RB、CB1 对输入滤波对输入滤波匹配网络的旁路影响匹配网络的旁路影响图图(c)偏置电路：偏置电路：LB 产生压降，提供自偏电压；产生压降，提供自偏电压；第53页/共91页3.自给偏置电路自给偏置电路(1)自给偏压自给偏压 IB0 的产生的产生 以以图图(b)为为例例，ib 为脉冲电流为脉冲电流，可分解为，可分解为 IB0、Ib1m、Ib2m由基尔霍夫定律得由基尔霍夫定律得21biii 电流电流 i2 通路有高频扼流圈通路有高频扼流圈 LB，只有直流电流可以，只有直流电流可以通过，而通过，而 ib 中的直流分量为中的直流分量为 IB0，故，故 i2 为为 IB0。ibi2i1第54页/共91页 (2)称为自给偏置的原因：称为自给偏置的原因：当未加输入信号时，偏当未加输入信号时，偏置为零；当输入信号由小增大时，由于置为零；当输入信号由小增大时，由于 IB0 相应增大，相应增大，加到加到 B-E 间的偏置电压间的偏置电压 VBE=IB0RB 均将向负值方向均将向负值方向增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应称为称为自给偏置效应自给偏置效应。第55页/共91页(3)自给偏置电路的作用：自给偏置电路的作用：用于放大等幅载波信号的功率放大器，可以在用于放大等幅载波信号的功率放大器，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用。用于正弦振荡器，可以提高振荡幅度的稳定性。用于正弦振荡器，可以提高振荡幅度的稳定性。但在但在线性功率放大器中将造成输出信号失真，线性功率放大器中将造成输出信号失真，应当避免。应当避免。第56页/共91页2.3.2 滤波匹配网络滤波匹配网络 1.位置：位置：对交流通路而言，滤波匹配网络对交流通路而言，滤波匹配网络(Filter-Matched Network)介于功率管介于功率管 T 和外接负载和外接负载 RL 之间。之间。2.对滤波匹配网络的要求（对滤波匹配网络的要求（3条）条）(1)变换阻抗变换阻抗将外接负载将外接负载 RL 变换为放大管所要变换为放大管所要求的负载求的负载 Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。，以保证放大器高效率地输出所需功率。(2)滤波滤波充分滤除不充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证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在外接负载上输出所需基波功率率(在倍频器中为所需的倍频在倍频器中为所需的倍频功率功率)。第57页/共91页工程上用工程上用谐波抑制度谐波抑制度Hn表示滤波性能的好坏。表示滤波性能的好坏。设设 IL1m 和和 ILnm 分别为通过外接负载分别为通过外接负载电流电流中中基波基波和和 n 次谐波次谐波分量的振幅，相应的基波和分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波次谐波功率功率分分别为别为 PL 和和 PLn，则对，则对 n 次谐波的次谐波的谐波抑制度谐波抑制度定义为定义为L1mmLLLlg20lg10IIPPHnnn Hn 越小，网络对越小，网络对 n 次谐次谐波的抑制能力越强。通常波的抑制能力越强。通常n 选选 2，即，即对二次谐波的抑制对二次谐波的抑制度度。第58页/共91页 (3)高效高效将功率管给出的信号功率将功率管给出的信号功率 Po 高效地传高效地传送到外接负载上，即要求网络的送到外接负载上，即要求网络的传输效率传输效率oLK/PP 接近接近 1。3.讨论讨论(1)谐波抑制度谐波抑制度Hn和传输效率和传输效率K间的矛盾间的矛盾 在实际滤波匹配网络中，提高谐在实际滤波匹配网络中，提高谐波抑制度波抑制度 Hn，就会牺牲传输效率，就会牺牲传输效率K，反之亦然。反之亦然。(2)说明说明 通过通过 LC 并联谐振回路来简要说明。并联谐振回路来简要说明。第59页/共91页 图图中中 L 和和 C 为滤波网络为滤波网络(在谐振功放中，简称在谐振功放中，简称 L 型网络型网络)，rL 为为 L 中的中的固有损耗电阻固有损耗电阻，RL 为外接为外接负载负载电阻电阻。令。令L00/)(rLQ 为回路为回路固有品质因数固有品质因数，在高，在高 Q 条件下，它的条件下，它的有载品质因数有载品质因数 Qe 近似为近似为)(LLL0LL0eRrrQRrLQ 显然，当显然，当 Q0 一定时，一定时，Qe 越小，即越小，即 RL 越大于越大于rL，相应的相应的K就越大。但就越大。但 Qe 越小，回路谐振曲线越平坦，越小，回路谐振曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。对谐波的抑制能力就越差。第60页/共91页4.串、并联阻抗转换公式串、并联阻抗转换公式 若将一个由电抗和电阻相串接的电路与相并接的若将一个由电抗和电阻相串接的电路与相并接的电路等效转换，根据电路等效转换，根据等效原理等效原理，令两者的，令两者的端导纳相等端导纳相等，即即 ssppj1j11XRXR (1)串转并公式串转并公式由此得由此得 )1(2ess2s2spQRRXRR ssps2e2ss2s2sp)1(XRRXQRXXRX 第61页/共91页 (2)并转串公式并转串公式 2eps1QRR ppssXRRX (3)说明说明 式中式中，ppsseXRRXQ Xp 和和 Xs 为实数为实数 电容：电容：XC1 电感：电感：XL L 上述各式表明上述各式表明，Qe 取定后，取定后，Rp 和和 Rs，Xp 和和 Xs 之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变(Xs 和和 Xp 有相同的正负号有相同的正负号)。第62页/共91页5.滤波匹配网络的设计滤波匹配网络的设计 在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般在的有载品质因数都较小，一般在 10 以下。考虑到谐以下。考虑到谐波抑制度，常用的滤波匹配网络除了上述最简单的波抑制度，常用的滤波匹配网络除了上述最简单的 L 型型外，更多的是由三个电抗元件组成的外，更多的是由三个电抗元件组成的 、T 型型以及以及由它们组成的多级混合网络。下面就介绍由它们组成的多级混合网络。下面就介绍滤波匹配网滤波匹配网络的阻抗变换特性络的阻抗变换特性。假设滤波匹配网络的固有损假设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零，即耗电阻为零，即回路传输效率回路传输效率趋近于趋近于 1，外接负载电阻外接负载电阻为为 RL，要求与，要求与 Re 和和 C0 的串接或并接的串接或并接阻抗相匹配，阻抗相匹配，C0 为为功率管的功率管的第63页/共91页分布电容分布电容。利用串并联阻抗转换公式，就可以导出各。利用串并联阻抗转换公式，就可以导出各种滤波匹配网络的元件表达式。种滤波匹配网络的元件表达式。例例 1:图图(a)为为 T 型滤波匹配网络型滤波匹配网络，要求与，要求与 Re 和和 C0 串接阻抗匹配，串接阻抗匹配，求各元件表达式求各元件表达式。第64页/共91页第65页/共91页)1(e22Lp2QRR e2p22Lp2p2QRXRRXC (注意注意 XC2 含负号含负号)111LCCX/XX 解：解：将将 T 型网络型网络分割成两个串接的分割成两个串接的 L 型网络型网络，图，图中中 。再对这两个再对这两个 L 型网络型网络进行分析。进行分析。在后一个在后一个 L 型网络型网络中，将中，将 XC2 和和 RL 的串接阻抗转的串接阻抗转换为换为 Xp2 和和 Rp2 的并接阻抗的并接阻抗，分别取值为分别取值为第66页/共91页 其中，其中，L2e2R/XQC0p21 XXL令令，回路并联谐振，则，回路并联谐振，则 L 型网络型网络呈现呈现的的谐振电阻谐振电阻为为)1(e22Lp2eQRRR 且网络元件的表达式为且网络元件的表达式为 Le22RQXC ，e2p2p21/QRXXL 第67页/共91页1e2es11QRR 再来分析前一个再来分析前一个 L型网络型网络，它的负载电阻，它的负载电阻为为。将。将eR1CXeR和和的并接阻抗转换为的并接阻抗转换为 Xs1 和和 Rs1 的串接阻抗，分的串接阻抗，分别为别为 s1e11e1s1s1RQXRRXC 其中其中1ee1/CXRQ。令。令0s110 XXXLC ，回路，回路串联谐振，则串联谐振，则 L 型网络型网络呈现的谐振电阻呈现的谐振电阻e12e22Le12es1e111QQRQRRR 第68页/共91页 或或1)1(1e2Lee2 QRRQ ，由于，由于 Qe2 为正实数，因而为正实数，因而Le12e)1(RQR 根号内的值应大于零，根号内的值应大于零，故有故有相应网络元件的表达式相应网络元件的表达式为为 e1e1/QRXC ee1s1e1s101RQRQXXXCL 若已知若已知 Re、C0 与与 RL，并选定，并选定 Qe1，则，则 T 型网络型网络的各元件值由下列各式确定：的各元件值由下列各式确定：第69页/共91页式中式中，1)1(e12Le QRRA)1(e12eQRB AQBQBABABQBXXXLCC e1e1e1111)/()/()/)(/(/0ee11CLXRQX L2ARXC 第70页/共91页 的匹配要的匹配要求。但由于求。但由于 Re 越接近越接近 RL，A 越趋近越趋近 Qe1，XC1 就越大就越大，相应，相应 C1 就越小，而过就越小，而过讨论：讨论：该网络仅适用于该网络仅适用于)1/(e12LeQRR 小的小的 C1，在实践上是难以实现的，故此处，在实践上是难以实现的，故此处，Re 不易不易接近接近 RL。第71页/共91页 例例 2：图示图示 型滤波匹配网络型滤波匹配网络，要求与，要求与 Re、C0的并接阻抗匹配，求各元件表达式。的并接阻抗匹配，求各元件表达式。解：解：首先取首先取001 CLXX ，L1 和和 C0 并联谐振，网并联谐振，网络得到简化，然后将络得到简化，然后将 XL2 用虚线分成两个串联电感，即用虚线分成两个串联电感，即222LLLXXX 。在由。在由2LX 与与 XC2 组成的组成的 L 型网络型网络中中，它的负载为，它的负载为RL，现将，现将XC2与与 RL 并联阻抗转换为串联并联阻抗转换为串联阻抗阻抗 Xs2 和和 Rs2。并令。并令0s22 XXL，网络串联谐振，网络串联谐振，第72页/共91页结果是网络呈现的结果是网络呈现的谐振电阻谐振电阻为：为：e22LS2e1QRRR 且且e2Ls2Le2/QRXRRXC Le22Le2/RQXRRXCL 第73页/共91页在由在由 XC1 和和2LX 组成的网络中，它的负载为组成的网络中，它的负载为eR ，现令现令 021 LCXX 回路串联谐振，回路串联谐振，因而因而 e22Lee1QRRR 或或 eeLe2RRRQ 由于由于e2Q恒为正实数，故有恒为正实数，故有 RLeR 第74页/共91页设设e1e1/RXQC，则，则ee10RQXC ，ee112RQXXCL 若已知若已知 Re、C0 和和 RL，并选定，并选定e1Q ，则网络元件，则网络元件值下列各式确定值下列各式确定 2Le12eLeL2ee1101/CCLCCCLXRRXXRRRRXRQXXX 该网络适用于该网络适用于 RLeR的匹配要求。的匹配要求。第75页/共91页 1电路电路(P123)2分析分析 直流馈电直流馈电(集电极、基极集电极、基极)电路，元件作用电路，元件作用 滤波、匹配网络滤波、匹配网络(输入、输出输入、输出)第76页/共91页第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗高频功率管及大信号输入和输出阻抗2.4.2高频功率放大器设计举例高频功率放大器设计举例第77页/共91页工作频率在几十兆赫兹至几百兆赫兹范围的谐振功率工作频率在几十兆赫兹至几百兆赫兹范围的谐振功率放大器统称为高频功率放大器。功率管的特性已不能仅用放大器统称为高频功率放大器。功率管的特性已不能仅用静态特性曲线表示。还需要考虑非线性电容，引线电感等静态特性曲线表示。还需要考虑非线性电容，引线电感等分布参数和大注入效应等。工程上广泛采用借助功率管的分布参数和大注入效应等。工程上广泛采用借助功率管的大信号输入和输出阻抗的设计方法。大信号输入和输出阻抗的设计方法。一、高频功率管结构一、高频功率管结构 高频功率管的内部结构如图高频功率管的内部结构如图 2-4-1 所示。所示。第78页/共91页内部结构内部结构外部结构外部结构第79页/共91页(a)和和(b)为四引线结构，其中两条引线为发射极为四引线结构，其中两条引线为发射极(宜接宜接成共发组态成共发组态)或基极或基极(宜接成共基组态宜接成共基组态)，目的是减小输入和，目的是减小输入和输出公共极端点上的引线电感。输出公共极端点上的引线电感。(c)和和(d)为两线结构，金属底座为基极或发射极，宜为两线结构，金属底座为基极或发射极，宜接成共基组态或共发组态。接成共基组态或共发组态。在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率管不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。管不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。第80页/共91页二、大信号输入和输出阻抗二、大信号输入和输出阻抗 大信号输入和输出阻抗可以通过实测得大信号输入和输出阻抗可以通过实测得到。到。1将功率管接入谐振电路将功率管接入谐振电路在指定频率上且特定幅在指定频率上且特定幅值的输入信号电压激励下，值的输入信号电压激励下，调整输入和输出滤波网络，调整输入和输出滤波网络，使其谐振，输出功率最大，使其谐振，输出功率最大，效率较高。效率较高。第81页/共91页2测试输入、输出阻抗测试输入、输出阻抗移去功率管、电压源。用移去功率管、电压源。用 50 电阻代替信号源。用电阻代替信号源。用阻抗测试仪测得得阻抗测试仪测得得 B-E 之间阻抗为输入端要求外接的匹之间阻抗为输入端要求外接的匹配阻抗，配阻抗，C-E 之间阻抗为输出要求外接的匹配阻抗。其阻之间阻抗为输出要求外接的匹配阻抗。其阻抗的共轭值分别称为功率管的输入阻抗和输出阻抗。抗的共轭值分别称为功率管的输入阻抗和输出阻抗。第82页/共91页一、设计步骤一、设计步骤选择晶体管选择晶体管 确定大信号阻抗确定大信号阻抗 确定滤波匹配网确定滤波匹配网络络 确定馈电电路确定馈电电路 安装调试安装调试二、设计举例二、设计举例 例：例：设计一个高频功率放大器，用于调频发射机，设计一个高频功率放大器，用于调频发射机，输入和输出负载均为输入和输出负载均为 50 ，输入信号频率为，输入信号频率为 80 MHz，输，输出信号频率为出信号频率为 160 MHz，要求输入功率为，要求输入功率为 4 mW 时，输出时，输出负载上得功率负载上得功率 700 mW，二次谐波抑制度小于，二次谐波抑制度小于 30 dB，放大器总效率大于放大器总效率大于 50，电源电压为，电源电压为 15 V。第83页/共91页解：一、确定组成方案解：一、确定组成方案。通过计算效率和增益确定组成方案并选择工作状态。通过计算效率和增益确定组成方案并选择工作状态。根据二次谐波抑制度与传输效率的关系取根据二次谐波抑制度与传输效率的关系取 c=0.7。W17.07.0cLo PPdB 24004.01lg10lg10io PPAP通常丙类功率放大器功率增益小于通常丙类功率放大器功率增益小于 12 dB，效率大于，效率大于60，所以分三级来完成，所以分三级来完成。第84页/共91页二、选定器件和电路二、选定器件和电路 fT (2 10)fc PCM PcV(BR)CEO 2Vcc根据工作状态、指标要求确定电路。根据工作状态、指标要求确定电路。第85页/共91页三、滤波匹配网络设计三、滤波匹配网络设计 以末级输出网络为例，分为三个网络的组合进行分析。以末级输出网络为例，分为三个网络的组合进行分析。第86页/共91页网络网络：取：取 Qe1=3，设，设 Re1=150 。网络网络：取：取 Qe2=2，Ce10=10 pF，并设，并设 Re2=35 。网络网络：取：取 Qe3=3，功率管的大信号输出阻抗，功率管的大信号输出阻抗 Re(=98 )和和 C0(=20 pF)。第87页/共91页四、安装调试四、安装调试 1调整输入滤波网络达到谐振与匹配，调整输入滤波网络达到谐振与匹配，IC0 显示最显示最大，功率计显示也由小增大。大，功率计显示也由小增大。2调整输出滤波网络达到谐振与匹配，调整输出滤波网络达到谐振与匹配，IC0 减为最小减为最小，功率计显示达到最大值。，功率计显示达到最大值。第88页/共91页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第89页/共91页第90页/共91页