谐振功率放大器动态特性分析2013

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1、第二章 射频电子系统中的放大器设计,2.2 高频谐振功率放大器（2.2.12.2.6）,上节内容回顾与扩展,功能：将直流功率转换为交流信号功率。,主要指标：输出功率与效率,分析方法：折线近似分析法。(大信号),工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）,上节内容回顾与扩展,高效率、大输出功率。谐波、杂散波。,4,甲、 乙、 丙类三种工作状态下的转移特性分析,为了实现丙类工作，基极偏量电压UBB应设置在功率管的截止区。,上节内容回顾与扩展,5,丙类工作状态 导通角 定义为集电极电流在一个周期内导通时间的一半。丙类,上节内容回顾与扩展,6,采用LC谐振回路 滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量

2、 实现阻抗匹配,丙类工作效率高,上节内容回顾与扩展,上节内容回顾与扩展,输入、输出方程？,从原理图可以看出，谐振高频功率放大器的特点是：1、为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为负偏置，由VBB来保证。流过晶体管的电流为失真的脉冲波形；2、负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。,VBZ,上节内容回顾与扩展,VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。gc 正向传输特性的斜率,该斜线称为饱和临界线，其斜率为gcr,9,丙类状态下的转移特性,集电极电流是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。,折线近似分析法：功率放大电

3、路是大信号工作, 而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性, 这样将使分析比较复杂。为简化分析, 可以将晶体管特性曲线理想化, 即用一条或几条直线组成折线来代替。,10,2.5 丙类高频谐振放大器性能分析,iC的傅里叶级数展开:, n次谐波的分解系数,假设LC谐振回路具有理想滤波特性，也即谐振回路调谐于基波，对基波呈现大的阻抗，而对其他分量呈现的阻抗很小。,11,2.5 丙类高频谐振放大器性能分析,假设：谐振回路具有较好滤波特性。各谐波电压相对基波电压很小，可忽略不计。,谐振电阻：,直流功率：,输出功率：,其中,损耗功率：,集电极效率：,集电极电源电压利用系数：,因此导通角 决定了,上节内容

4、回顾与扩展,尖顶余弦电流分解系数图,倍频器：2倍频器，3倍频器。,上节内容回顾与扩展,上节内容回顾与扩展,集电极效率c和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放的电路参数Rp和电压 VBB、Vb 、 VCC 。,分析四个参数Rp和电压VCC 、VBB、Vb的变化 对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性， 从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。,上节内容回顾与扩展,A (Vcemin，Vbemax) Q（Vcc, IQ ）虚拟的静态工作点 IQ= gc(VBB-VBZ),V0,gd,用截距法画动态负载线。用两点（A,Q）确定动态负载线。,A,V0,2.2.3 高频谐振功放的动态特

5、性,1、动态负载线,0,Vbemax,A (Vcemin，Vbemax) Q（Vcc, IQ ）虚拟的静态工作点 IQ= gc(VBB-VBZ),建立由Rp和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（Ic与Uce的关系曲线。）,V0,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,1、动态负载线,B,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,一、负载特性,vbe,过压区,临界区,欠压区,A1,A5,A3,A4,A2,V0,V0,V0,A (Vcemin，Vbemax),RP变化对集电极余弦脉冲的影响,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,一、负载特性,2.2.3 高频谐

6、振功放的动态特性,一、负载特性,欠压、过压、临界三种工作状态的特点：,欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，c低，Pc较大；,过压：恒压，Icm1变化，Po较小，c可达最高；,临界：Po最大，c较高；,最佳工作状态,发射机末级,中间放大级,恒流源,恒压源,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（1） 集电极调制特性（ Vcc的影响）,不变,不变,不变,不变,不变,不变,不变,负载线斜率,不变,或,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（1） 集电极调制特性（ Vcc的影响）,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（1） 集电极调制特性（ Vcc的影响）,2.2.

7、3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（1） 集电极调制特性（ Vcc的影响）,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（2） 基极调制特性（ VBB的影响）,向正向增加,增加,下降,增加,增加,下降,下降,虚拟工作点电流,下降,虚拟工作点向上平移，状态从欠压到临界，甚至到达过压工作状态。,A (Vcemin，Vbemax) Q（Vcc, IQ ） IQ= gc(VBB-VBZ),2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（2） 基极调制特性（ VBB的影响）,过压区,临界区,欠压区,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（2） 基极调制特性（ VBB的影响）

8、,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,二、调制特性,（2） 基极调制特性（ VBB的影响）,2.2.3 高频谐振功放的动态特性,三、放大特性,增加,增加,减小,增加,增加,不变,减小,减小,A (Vcemin，Vbemax) Q（Vcc, IQ ） IQ= gc(VBB-VBZ),2.2.3 高频谐振功放的动态特性,三、放大特性,高频谐振功放的例题,高频谐振功放的例题,高频谐振功放的例题,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路,馈电线路的作用？ 1、保证集电极合适的工作电压 2、保证基极偏置使工作于丙类 交流电路的设计要求？ 1、交流分量需通过谐振回路 2、外电路对直流应近似短路 3、外电路应保证

9、波形不失真，对交流谐波短路。,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路,1、谐振功放的组成 直流馈电和各种不同用途的输入输出端电路 2、管外电路 输入电路（基极经外电路到发射极的电路） 输出电路（从功率三极管集电极经外电路到发射极的电路） 3、组成规律 集电极 基极 4、集电极电路对不同频率信号的等效电路 5、阻隔元件的作用,Ic0,Ic1,Icn,Ib0,Ib1,Ibn,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路 6、集电极馈电线路- 串馈,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路 6、集电极馈电线路- 串馈,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路 6、集电极馈电线路- 并馈,A,B,D,C,+ VC_,+ VC_

10、,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路 7、基极馈电线路,+ Vb_,+ Vb_,+ Vb_,A,B,VBB如何产生？,2.2.4 高频谐振功放的馈电线路 7、基极馈电线路自给偏压,VBB如何产生？,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,工作在所需状态时的,匹配网络,滤波度：,愈大，匹配网络滤波效果愈好。,匹配网络同时又是选频网络。 匹配网络还可起到隔离作用。,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,射频功率放大器中，阻抗匹配网络是为了实现有效的能量传输。,匹配网络也会引起损耗： 中介回路效率为：,实际放大器的效率为：,存在中介回路效率:,匹配网络应

11、保证一定的通频带， 结构要简单，调整要方便。,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,中介回路效率：,Ik为回路电流有效值,见P129图2-38,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,中介回路效率：,1,0,末级功放匹配的概念？,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,型匹配网络,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,T型匹配网络,2.2.5 高频谐振功率放大器的

12、 输出匹配网络与级间匹配网络,2级间匹配网络,中间级,输出级,应保证负载变化，输出电压恒定,恒流源,恒压源,恒压源,2.2.6 高频谐振功率放大器的 实际电路,要求第一级基极零偏，第二级基极负偏。 电路图中有几处错误？,电路图中有4处错误，已改如下图。,第二章 射频电子系统中的放大器设计,2.2 高频谐振功率放大器（2.2.12.2.6）,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,工作在所需状态时的,匹配网络,滤波度：,愈大，匹配网络滤波效果愈好。,匹配网络同时又是选频网络。 匹配网络还可起到隔离作用。,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,射频功率

13、放大器中，阻抗匹配网络是为了实现有效的能量传输。,匹配网络也会引起损耗： 中介回路效率为：,实际放大器的效率为：,存在中介回路效率:,匹配网络应保证一定的通频带， 结构要简单，调整要方便。,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,中介回路效率：,Ik为回路电流有效值,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,中介回路效率：,1,0,末级功放匹配的概念？,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,型匹配网络,2

14、.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,1输出匹配网络,T型匹配网络,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,2级间匹配网络,中间级,输出级,应保证负载变化，输出电压恒定,恒流源,恒压源,恒压源,3.滤波匹配网络（输入与输出）,实 例 分 析,L型：,型：,T型：,2.2.5 高频谐振功率放大器的 输出匹配网络与级间匹配网络,丙类谐振功放电路实例分析：,2.2.6 高频谐振功率放大器的 实际电路,2.2.6 高频谐振功率放大器的 实际电路分析,解： 两级功放的输入馈电方式均为自给负偏压, 输出馈电方式均为并馈。 此电路输入功率Pi=1W, 输出功率Po

15、=12W, 信号源阻抗Rs=50 , 负载RL=50。其中第一级输出功率Po1=4W, 电源电压VCC=13.5 V。 两级功放管分别采用3DA21A和3DA22A, 均工作在临界状态, 饱和压降分别为1V和15V。各项指标满足安全工作条件。 可以计算出各级回路等效总阻抗分别应该为:,2.2.6 高频谐振功率放大器的 实际电路分析,由于3DA21A和3DA22A的输入阻抗分别为R2=7 和R4=5, 故RsR2, R1R4, R2RL, 即不满足匹配条件, 所以在信号源与第一级放大器之间、第一级放大器与第二级放大器之间分别加入T型选频匹配网络(C1、C2、L1和C3、C4、L2), 在第二级放大器与负载之间加入倒L型选频匹配网络(C5、L3、C6)。 三个选频匹配网络的输入阻抗分别是R1、R3和R5。 匹配网络中各电感与电容的值可根据相应的公式计算得出。 由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响, C1C6均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的23倍。通过实验调整, 最后确定匹配网络元件的精确值。,