谐振功率放大器剖析

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1、通信工程学院 谐振功率放大器 1 通信工程学院 功率放大器 定义：在输入信号作用下，将直流电源供给的功率，部分的转 换为按输入信号规律变化的输出信号功率的电子线路。 任务：功率管在安全工作的条件下，非线性失真在允许的范围 内，高效率地输出大的功率。 集电极最大允许管耗 集电极最大允许电流 放大器集电极效率 集电极击穿电压 直流电源提供的直流功率 输出信号功率 功率管耗散功率 2 通信工程学院 分析功放时，应注意： 输出功率是指交流功率，即交变电流与交变电压的乘积； 交流功率是在输入为正弦波、输出波形不失真时定义的； 大信号工作，采用图解法分析； 功率管极限运用，要满足极限参数的要求。 3 通信

2、工程学院 功率放大器分类 按负载性质划分： 非谐振功放：纯电阻性负载； 谐振功放：电抗性负载。 按工作状态划分： 甲 类一个周期内导通 乙 类半个周期内导通 甲乙类大于半个周期而小于一个周期 丙 类小于半个周期 丁 类开关工作 4 通信工程学院 功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。 不同运用状态下的 C不同 5 通信工程学院 思考：若减少 PC，则要减少 iC vCE 方法 1：由甲类 甲乙类 乙类 丙类 方法 2：管子运用于开关状态(又称丁类) 结论：导通时间越短，效率越高，失真也会越严重，需 采取特定的措施来实现不失真的放大。 6 通信工程学院 谐振功率放大器 定义：用谐振系统作为匹

3、配网络的功率放大器。 用途：对载波或已调波进行功率放大。 应用状态：丙类(或丁类、乙类)。 特点：效率高，频带较窄。 7 通信工程学院 谐振功率放大器原理电路 电路组成 ZL 外接负载，呈阻抗性; 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，使功率管 Q 点设在截止区，以实现丙 类工作。 8 通信工程学院 集电极电流 iC 输入： vb(t) = Vbmcos st vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st 集电极电流 iC 傅里叶级数展开： 为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。 9 通

4、信工程学院 输出电压 vo (1)对基波分量 阻抗最大，为谐振电阻 Re，在高 Q 回路中， Re 近似为 其中 回路总电容 回路谐振频率 回路有载品质因数 怎么来的？ 10 通信工程学院 (2)对非基波分量 阻抗很小，产生的电压均可忽略。 丙类谐振功率放大器谐振回路的功能： 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电压。 阻抗匹配：调节 Lr 和 Cr ，谐振回路将含有电抗分量的外 接负载变换为谐振电阻 Re，并阻抗匹配。 11 通信工程学院 功率特性分析 (1)丙类功放的问题 效率与功率的矛盾，即导通时间与iC基波分量幅度Ic1m大小的 矛盾。 (2)解决

5、方法 采用开关工作的谐振功放，即丁类谐振功率放大器。 12 通信工程学院 PSPICE仿真 13 通信工程学院 丁类和戊类谐振功率放大器（要求了解） (1)丁类谐振功率放大器 14 通信工程学院 VCE(sat)小，管耗小，放大器的效率高 (90% 以上) ； 因结电容、分布电容等影响，实际波形不理想，使管耗增 大，丁类功放效率受限。 结论： (2)戊类放大器 15 通信工程学院 倍频器（要求了解） 原理： 在丙类谐振功率放大器中，若将输出谐振回路调谐在 输入信号频率的n次谐波上。 结论： 倍频次数不能太高，23倍； 高次数的倍频（如40倍）一般采用变容二极管、阶跃二极 管等构成的参量倍频器。

6、（第四章将会说明）。 16 通信工程学院 谐振功率放大器的性能特点 精确分析非线性微分方程/可用电路仿真软件 近似分析方法准静态分析法 准静态分析法（两个假设） 假设一：谐振回路具有理想的滤波特性，其上只能产生基波电 压，而其它分量的电压均可忽略；因而虽然基极和集电极的电流 是脉冲电流，但它们的电压均是余弦的。 假设二：功率管的特性可用输入和输出静态特性曲线表示，其高 频效应可忽略。但分析时，采用的输出特性曲线的参量是vBE，而 不是iB（可根据输入特性曲线上iB与vBE的关系转换） 17 通信工程学院 分析步骤 （1）求动态点，即对应不同的t ， 求vBE 和 vCE 设定 VBB、Vbm、

7、VCC、Vcm ，将 t 按 等间隔(t = 0， 15， 30， ) 给定数值，由： 便可确定 vBE 和 vCE 18 通信工程学院 （2）连动态线，画 iC 波形： 不到 VCC，因为 导通角小于 根据 vBE 和vCE 值 ，在输出特性曲线上( 以 vBE 为参变量)找对 应的动态点，画动态 线(动态点的连线，并 标有角度)。根据动态 线的角度及对应的iC 值，便可画出iC 的波 形。注意：iC是 周期 波形，导通角小于半 个周期。 动态点 19 通信工程学院 Pspice中用直流扫描分析 可得到三极管输出特性曲 线！ 20 通信工程学院 21 通信工程学院 （3）利用傅里叶级数分解求

8、得iC中的 IC0 和 Ic1m分量 谐振电阻 （4）计算功率性能 思考：VBB、Vbm、VCC 、Vcm以及Re这些参数如何影响放大器 性能？ 22 通信工程学院 欠压、临界和过压状态 （1）VBB、Vbm、VCC 不变， Vcm 由小变大 观察 时， 当VBB、Vbm（vBEmax）为定 值时，随着Vcm由小增大 ，vCEmin将由大减小，对 应的动态点A将沿vBE vBEmax的那条特性曲线向 左移动 23 通信工程学院 欠压状态 Vcm 的取值，使所对应的动态点均处在放大区。 iC电流脉冲单峰，接近余弦变化的脉冲波 ，随Vcm增大， iC峰 值略有减小。 临界状态 Vcm 增大，使 t

9、 = 0 所对应的动态点 A处在临界点（放大 区和饱和区临界点），iCmax 略微减小。 过压状态 Vcm 继续增大，使 A(t = 0)动态点处在饱和区，iC 迅速减小 ，电流脉冲出现凹陷，Vcm 增大，凹陷加深。 24 通信工程学院 iC 的平均分量 IC0 与基波分量 Ic1m 结论：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。 25 通信工程学院 欠压？ 临界？ 过压？ 26 通信工程学院 四个电压量对性能影响的定性讨论 (1)负载特性 定义：指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性。 特

10、性：Re 的增加势必将引起 Vcm 增大(Vcm = ReIcm)，即Re Vcm 功放欠压 临界 过压 iC 波形出现凹陷 27 通信工程学院 Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线 Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPo C = Po/ PD 28 通信工程学院 匹配负载：使放大器工作在临界状态下的Re取值。 特点：Po最大，c较大，Pc较小，放大器接近最佳性能。 29 通信工程学院 (2)调制特性 两种调制特性：集电极调制和基极调制特性 集电极调制特性 含义： VBB、Vbm 和 Re一定，放大器性能随 VC

11、C 变化的特性。 特性： 欠压状态：随 VCC 减小， vCEmin也减小，集电极电流脉冲高度 略有减小，因而 IC0 和 Ic1m 也将略有减小，Vcm(= ReIc1m)也略 有减小。 过压状态：随 VCC 进一步减小，集电极电流脉冲的高度降低， 凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小。 30 通信工程学院 31 通信工程学院 集电极调幅原理电路 载波 调制信号 输出的已调信号 32 通信工程学院 33 通信工程学院 结论： 与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压； 欲想改变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

12、的原理依据。 34 通信工程学院 基极调制特性 含义：Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。 特性： 当 Vbm 一定，VBB ，iC宽度、高度 ， IC0 Ic1m 、Vcm ，VCEmin ，放大器欠压 过压。 过压后，随 VBB，iC 宽度、高度 ，凹陷加深，IC0 和 Ic1m、Vcm 均增加缓慢，可认为近似不变。 35 通信工程学院 36 通信工程学院 基极调幅原理电路 基极偏置电压 37 通信工程学院 38 通信工程学院 结论： 改变 VBB欲想有效控制Vbm 实现基极调制，则放大器应工作 在欠压状态； 基极调制特性是实现基极调幅的原理依据。 39 通信工程

13、学院 放大特性 含义：当 VBB、VCC 和 Re 一定，放大器性能随 Vbm 变化的特性。 特性：固定 VBB，增大 Vbm 与上述固定 Vbm 增大 VBB 的情况 类似，它们都使 iC 的宽度和高度增大，放大器由欠压进入过 压。 40 通信工程学院 谐振功放作为线性功放 为了使输出信号振幅 Vcm 反映输入信号 Vbm 的变化，放大器必 须在 Vbm 变化范围内工作在欠压状态。 41 通信工程学院 谐振功放作为振幅限幅器(Amplitude Limiter) 作用：将 Vbm 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 Vbm 的变化范围内工作在 过

14、压状态，或 Vbm 的最小值应大于临界状态对应的 Vbm 限幅门 限电压。 42 通信工程学院 43 通信工程学院 四个特性在调试中的应用 例如，设一个丙类谐振功率放大器，设计在临界状态，若制作出 后，Po 和 C 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、Vbm 和 VBB 或同时或两两增大均可使放大器由欠 压进入临界； 44 通信工程学院 若增大 Re，Po 减小，放大器实际工作在过压状态，可增大 VCC(同时，适当增大 Re 或 Vbm 或 VBB)，需注意

15、管子安全。 实际上放大器的工作状态除了改变 Re 外还可以根据实际情况 通过改变 VCC、Vbm、VBB 来判断，不过改变 Re 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。 45 通信工程学院 谐振功率放大器电路 直流馈电电路 ( Power Supply Circuit ) 滤波器匹配网路 (Filter-Match Network) 46 通信工程学院 直流馈电电路 定义：直流电源加到功放管各极上去的线路叫直流馈电线路。 馈电原则： 对直流呈短路； 对基波分量呈现最大阻抗 ； 对其他谐波分量基本呈现短路。 按电流流通路径划分馈电电路形式集电极馈电线路和基极馈电 线路。 47

16、 通信工程学院 集电极馈电电路 由于集电极电流是脉冲电流，因此集电极馈电线路须满足： 直流能量能有效地加到功放管的集电极和发射极之间，而不能 再有其他耗损； 高频基波分量应有效地流过负载回路，除了回路应尽可能小地 消耗基波分量能量； 除倍频器外，应有效的消除高频谐波分量，输送到负载上的谐 波分量应尽可能小； 直流电源及馈电元件的接入应尽可能减小分布参数的影响。 集电极馈电线路的两种连接方式: 串联馈电电路 (Series Supply)和并联馈电电路 (Parallel Supply)。 48 通信工程学院 串联馈电电路 三者(直流电源 VCC、滤波匹配网络和功 率管)在电路形式上为串接的馈电方式 。 LC 高频扼流圈（感抗很大 开路）， 与 CC 旁路电容（