《《高频电路原理与分析》(第四版) PPT电子课件教案第3章 高频谐振放大器》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《高频电路原理与分析》(第四版) PPT电子课件教案第3章 高频谐振放大器(164页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器第第3章章高频谐振放大器高频谐振放大器3.1高频小信号放大器高频小信号放大器3.2高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性3.3晶体管高频功率放大器的高频效应晶体管高频功率放大器的高频效应3.4高频功率放大器的实际线路高频功率放大器的实际线路3.5丁类(丁类(丁类(丁类(D D类)高频功率放大器类)高频功率放大器类)高频功率放大器类)高频功率放大器3.63.6高频功放、功率合成与射频模块放大器高频功放、功率合成与射频模块放大器高频功放、功率合成与射频模块放大器高频功放、功率合成与射频模块放大器高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3.1高频
2、小信号放大器高频小信号放大器3-1-1高频小信号放大器基础高频小信号放大器基础一、宽、窄带小信号高频放大器综述宽带放大器:相对频带fH/fL1窄带放大器:(fo很大时)相对频带fH/fL1小信号高频放大器是线性放大器,甲类工作。作用:作用:放大信号幅度放大信号幅度要求:要求:不失真、不失真、增益增益尽量大、不自激,选择尽量大、不自激,选择性好性好高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、电路及高频交流等效电路小信号高频放大器电路宽宽带带放放大大窄窄带带放放大大高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器交流通路宽带宽带窄带窄带高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器例:集成中放高频电路原理与分析
3、第3章 高频谐振放大器高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-1-2晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路1.物理模拟等效电路的模型:混合型(晶体管内部情况描述)2.四端网络参量等效电路:h参数、Y参数、z参数、S参数等效电路(用于放大器电路设计)3.高频交流等效电路:电路的交流通路等效(用于电路分析)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器一、晶体管混合型等效电路(1)基极体电阻rbb:5100rbb较小时,高增益和低噪声。(2)发射结等效电阻rbe:5002000rbe=re=VT/Ie发射结等效电阻re=VT/Ie26mV/Ie(3)发射结电容Cbe100500pf(4)集电结电阻rb
4、c25M(可忽略)(5)集电结电容Cbc0.55pf为内部反馈元件,严重影响放大器的性能指标。(6)受控电流源gmvbe:表征晶体管的放大作用。gm称为晶体管的跨导gm=1/re=/rbegmvbe=Ib(7)集-射极电阻rce:10100K(可忽略)(8)集-射极电容Cce:210pf(可忽略)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器混合型等效电路的简化高频高频低频低频高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、晶体管网络参量等效电路共发射极电路1h参数等效电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器h参数等效电路2Y参数等效电路e共发射极放大电路共发射极放大电路Y参数等效电路参数等效电路高
5、频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器三、Y参数与混合型参数的关系(见教材P65)Y参数定义高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器四、晶体管高频特性的几个频率参数f共射截止频率fT特征频率f共基截止频率fmax最高振荡频率fmaxffTff工作f时:|=fT/f工作(f=fT/)fT=of高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器五、场效应晶体管等效电路优点:(1)iD与VGS是平方率关系,频率变换方便;(2)线性区域宽,动态范围大;(3)噪声系数低;(4)输入阻抗高(高频时与f的平方成反比下降,但仍大大高于双极型晶体管)。缺点:功率增益通常低于双极型晶体管。高频电路原理与分析第3章 高频谐振
6、放大器3-1-3小信号宽带放大器小信号宽带放大器调制信号带宽较大时(如:全电视信号为8MHz),窄带调谐放大器不易制作,采用:(1)多级宽放与集中带通滤波方法。(2)多级宽放与调谐放大器组合方法。分析方法:高频交流等效电路、传递函数等。有关参量:增益、幅频特性、相频特性、上限截止频率、输入阻抗、输出阻抗一、共e、共b、共c宽带放大器设:Ai为电流增益,Av为电压增益,Ri为输入电阻,R0为输出电阻,fH为上限截止频率,BAv为增益带宽乘积(B与Av成反比)高频工作时的特点:高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器1.共发(共e)宽带放大器(1)Ai,Av均较大;(2)Ri,R0均适中(容性:f
7、,等效R0);(3)为提高fH射极加电流串联负反馈电阻,虽工作稳定,但Av,且fH仍较低。2.共基(共b)宽带放大器(1)Ai1,Av较大;(2)Ri小,R0容性;(3)fH大,BAv是共e放大器的28倍。3.共集电极(共c)宽带放大器(1)Ai较大,AvreCbe时,Ri0(负阻)。(3)fH与共e放大器同一数量级。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、级联组合放大器利用各种电路的特点,及负反馈等方法,以提高放大器的性能。1.共e-共b级联宽带放大电路通过加大负载强度,以降低增益的代价来提高fH。共e(T1)-共b(T2)放大器电路(1)T2的Ri小T1的负载重,则:Av,fH;(2)
8、RL(UL)与Ri(US)被T2隔离,工作稳定;(3)T1因负载重而Av1,但T2有Av2,所以总Av仍较大;(4)T2的Ai2fp时,LC与C2回路容性。等效电容与L串联谐振,LC与C2回路(容性)上的阻抗最大,Av。且RC,R较大时,Q较小,曲线平坦。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-1-4小信号调谐放大器一、概述1小信号调谐放大器为窄带(选频)放大器,线性(甲类)工作。2种类:*(单级)单调谐、双调谐放大器;*(多级)调谐放大器,每级同频工作,总通频带下降;*(多级)参差调谐放大器,每级工作频率不同,总通频带提高。特点:负载为谐振回路负载为谐振回路高频电路原理与分析第3章 高频
9、谐振放大器二、小信号单调谐放大器1单管共e调谐放大电路及等效电路谐振回谐振回路电阻路电阻高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器最终等效电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2定量分析回路谐振频率回路通频带(即放大器通频带)回路的有载放大器选择性放大器电压增益高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器上式表明:共e放大器的输入、输出相互牵制。Cbc0(Yre0)时:YiYie,YoYoe输入导纳输入导纳输出导纳输出导纳高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器由上述公式可知,电压增益振幅与晶体管参数、负载电导、回路谐振电导和接入系数有关:(1)为了增大
10、Au0,应选取|yfe|大,goe小的晶体管。(2)为了增大Au0,要求负载电导小,如果负载是下一级放大器,则要求其gie小。(3)回路谐振电导g0越小,Au0越大。而g0取决于回路空载值Q0,与Q0成反比。(4)u0与接入系数p1、p2有关,但不是单调递增或单调递减关系。由于p1和p2还会影响回路有载值e,而e又将影响通频带,所以p1与p2的选择应全面考虑,选取最佳值。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器三、小信号双调谐放大器电路和等效电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器优点:1.通频带B0.7大于单调谐放大器;2.选择性K0.1优于单调谐放大器。要求:两回路参数完全对称三种耦合
11、方式:互感耦合互感耦合-工作频率高,调整困难;电容耦合电容耦合-简单、易调整,工作频率低;部分变压器耦合部分变压器耦合-工作稳定、易调整,工作频率低。双调谐与单调谐性能比较:单调谐放大器:通频带:B0.7=fo/Q选择性:K0.1=9.96电容耦合双调谐放大器电容耦合双调谐放大器:临界耦合强耦合(谷点为0.7时)通频带:B0.7=1.414fo/QB0.7=3.1fo/Q选择性:K0.1=3.16K0.1=1.44高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器四、多级小信号高频放大器1多级宽频带放大器总增益Av(N)为N级放大器增益的乘积;总通频带B0.7下降。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大
12、器2多级单调谐放大器(各级同频工作)总增益提高;总通频带B0.7下降;总选择性K0.1变好。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3.多级双调谐放大器(各级同频工作)总增益提高;总通频带B0.7下降总选择性K0.1变好。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器例:广播收音机有三级中放(回路),fo=465kHz,要求通过B0.7为9kHz的调幅信号,求每级中放的B0.7和回路Q值。解:三级放大:B的压缩系数为0.51(1)每级中放的B0.7=9/0.5118kHz(2)回路Q值Q=fo/B0.7=465/1826高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器五、参差调谐放大器1双参差调谐放大器通过
13、f1和f2的不同取值,可形成单峰或双峰的总特性。带宽、增益与双调谐接近,选择性K0.1劣于双调谐回路。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2三参差调谐放大器三参差调谐放大器回路的参量选择:f01=f0f02=f0+0.43f0.7f03=f0-0.43f0.7B1=2f0.7Q1=QB2=0.52f0.7Q2=2QB3=0.52f0.7Q3=2Q式中:fo为放大器的中心频率;2f0.7为放大器的总带宽(总幅频特性);Q为放大器的等效品质因数高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3.组合差调谐放大器例1:单调谐+双调谐例2:集总滤波+宽放+调谐高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-1
14、-5场效应管高频放大器场效应管高频放大器一、结型场效应管高频放大器两管组成共S-共G级联放大器。与共e-共b级联放大器相同,除放大量大、工作稳定、高频特性好等特点外,还有噪声低、动态范围大、线性好等独特性能。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、双栅效应管高频放大器双栅管内部为共S-共G级形式。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-1-6调谐放大器的稳定性调谐放大器的稳定性一、原因一、原因共e放大电路,Y参数等效(1)经Cbc反馈的电流if(YreVL),与输入信号幅度相同、方向相同时,电路产生自激;(2)不满足幅度、相位条件时,虽不产生自激,但破坏输入回路的谐振特性。高频电路原理
15、与分析第3章 高频谐振放大器共e单调谐放大器增益低频工作时:fe0,LC=0放大器倒相,不会自激。高频工作时:fe0,LC0,及re,feLCreUbe(ib)iCUecUceYreUce(if)if:反馈电流,引起不稳定,可能产生自激。在c-b间外加中和电容,引入负反馈(与if相位相反),以破坏自激条件。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、稳定系数S定义:放大器信号源电压:定义:放大器信号源电压:反馈电压:反馈电压:稳定系数S:高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器1、S为正实数时,两者同相,满足自激振荡条件为正实数时,两者同相,满足自激振荡条件2、|S|1时,反馈量小,不会自激时
16、,反馈量小,不会自激3、|S|1时,反馈量大时,反馈量大,放大器不稳定,可能自激,放大器不稳定,可能自激单级放大电路一般取单级放大电路一般取|S|=5-10|S|过大,会导致增益下降。过大,会导致增益下降。4、YreS和YfeS下面从两个角度观察稳定系数下面从两个角度观察稳定系数S高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器(1)反馈观点已知:if=is时,不稳定且可能自激。则:反馈系数=if/is越大越好。(2)导纳参数观点已知:Yi中含有正反馈分量(if),则:Ys+Yi=0时,为临界自激条件。这时,正反馈的能量抵消了回路损耗的能量,即电纳部分相互抵消。带入Yi的公式,化简后为:即:YreS和
17、YfeS高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器讨论:S=1临界自激条件;S1不易自激,但不一定稳定;S1正反馈弱,不自激,工作稳定。一般要求:S=510高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器三、稳定系数S与电压增益Av的关系一般Av,S,易自激。设:fe=0,re-/2即:Yfe=|Yfe|,Yre-jCre则:(1)S,Avo;(2)为提高Avo应选|Yfe|大和|Yre|小的管子。(以上为Yre内部反馈引起的放大器不稳定。另外,有电磁耦合、电源串扰等的影响,可通过电路设计和结构工艺解决。)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器四、提高放大器的稳定性的措施(1)选|Yre|小和|Yfe
18、|大;(|Yfe|不能过大)(2)降低工作频率(提高fT);(3)消除Yre的正反馈作用,成为单向器件。1中和法在输入回路中加入另一个反馈分量YNVL(if),与YreVL(if)大小相等、方向相反,以抵消YreVL的作用,实现中和。即:-YNVL=YreVL或:-if=if,if+if=0调谐放大器中的中和高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器调谐放大器中的中和说明:抽头为电感中间,说明:抽头为电感中间,即电感的中间为零电位,即电感的中间为零电位,则则两端两端a、c的电位相反的电位相反,故内部反馈电容和外部中故内部反馈电容和外部中和电容上的电流方向正好和电容上的电流方向正好相反,对其它电路
19、而言,相反,对其它电路而言,看不到反馈电容的电流反看不到反馈电容的电流反馈了馈了高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2失配法由:可见:通过加大YL(RL),输出失配,使YiYie.。共e-共b放大电路是典型的失配法电路,共e的YL是共b的Yi大(Ri小),产生失配使S,即工作稳定性提高,且fH。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-1-7集成高频小信号放大实例集成高频小信号放大实例一、调频中放集成电路外接谐振回路外接谐振回路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、汽车收音机中频电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器高频电路原理与分析第
20、3章 高频谐振放大器三、100MHz调谐放大电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3.2高频功率放大器的原理和特性高频功率放大器的原理和特性3-2-1概述概述工作频率相对频带负载低频几kHz例:2020kHz电阻、变压器(宽带)几MHzfH/fL=1000高频几百kHz例:fo=1MHz选频网络(窄带)几千MHzB=4kHz(末级)几万MHzfH/fL=1.008高频几MHzfH/fL大高频变压器、(宽带)几十MHz传输线变压器(中间级、次末级)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器共同要求:1.信号输出功率高2.效率高3.不失真不同之处:1.工作频率、相对频带、负载不同。2.电路形式
21、不同(甲类丙类、丁类)。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器1、使用高频功率放大器的目的使用高频功率放大器的目的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、高频功率信号放大器使用中需要解决的三个问题高频功率信号放大器使用中需要解决的三个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。是输出功率大和效率高。联想对比:联想对比:不失真不失真输出输出高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处谐振功
22、率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处:它们放大的信号均为高频信号,而且放大器的负相同之处:它们放大的信号均为高频信号,而且放大器的负载均为载均为谐振回路谐振回路。不同之处:为激励信号幅度大小不同;放大器不同之处:为激励信号幅度大小不同;放大器工作点不同工作点不同;晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器波形图谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图小信号谐振放大器波形图高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器小信号谐振放大器波形图小信号谐振放大器波形图 观测:工作点,观测:工作点,输出不失真输出不失真高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器谐振功率放大器波形图谐振功率放
23、大器波形图观测:工作点,观测:工作点,输出严重失真输出严重失真高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器4 4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处: :都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直流能量转化为交流能量,能量转换的能力即为功率放大直流能量转化为交流能量,能量转换的能力即为功率放大器的效率。器的效率。 谐振功率放大器谐振功率放大器通常用来放大通常用来放大窄带高频信号窄带高频信号( (信号的通信号的通带宽度只有其中心频率的带宽
24、度只有其中心频率的1%1%或更小或更小) ),其工作状态通常选为,其工作状态通常选为丙类工作状态丙类工作状态( ( c c9090 ) ),为了不失真的放大信号,它的为了不失真的放大信号,它的负载必须是负载必须是谐振回路谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载,工作在甲类或大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载,工作在甲类或乙类工作状态;宽带高频功率放大器以乙类工作状态;宽带高频功率放大器以宽带传输线宽带传输线为负载。为负载。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器工作状态工作状态功率放大器
25、一般分为功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方等工作方式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。式,为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态丙类工作状态,属于,属于非线性电路非线性电路功率放大器的主要技术指标是功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率输出功率与效率高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器5.高频功放在发射机中的位置高频功放在发射机中的位置高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-2-2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理1、原理电路原理电路晶体管的作
26、用是在将供电电源的直流能量转变为交晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。流能量的过程中起开关控制作用。 谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式:外部电路关系式:晶体管的内部特性:晶体管的内部特性:高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器故晶体管的转移特性曲线表达式:故晶体管的转移特性曲线表达式:故得:故得:必须强调指出:必须强调指出:集电极电流集电极电流i ic c虽然是脉冲状,但由于谐振回虽然是脉冲状,
27、但由于谐振回路的这种滤波作用,仍然能得到正弦波形的输出。路的这种滤波作用,仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下图所示图所示导通角高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线导通开始点导通开始点放大区放大区截止区截止区高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器高频高频功率功率放大放大器中器中各分各分电压电压与电与电流的流的关系关系高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器高频高频功率功率放大放大器中器中各部各部分电分电压与压与电流电流的关的关系系三极管产生功三极管产生功耗的时
28、段耗的时段输入端情况输入端情况输出端情况输出端情况高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器LC回路能量转换过程回路能量转换过程回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路的这种滤波作用也可从能量的观点来解释。 回路是由回路是由L、C二个储能元件组成。二个储能元件组成。 当晶体管由截止转入导电时,由于当晶体管由截止转入导电时,由于回路中电感回路中电感L L的电流不能突变,因此,输的电流不能突变,因此,输出脉冲电流的大部分流过电容出脉冲电流的大部分流过电容C,即使即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源时直流电源VCC给出的能量储存在电容给出的能量储存
29、在电容C之中。过了一段时间,当电容两端的电之中。过了一段时间,当电容两端的电压增大到一定程度压增大到一定程度( (接近电源电压接近电源电压) ),晶,晶体管截止。体管截止。 由于这种周期性的能量补充,所以振荡回路能维持振由于这种周期性的能量补充,所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时,电路中就建立起荡。当补充的能量与消耗的能量相等时,电路中就建立起动态平衡,因而维持了等幅的正弦波振荡。动态平衡,因而维持了等幅的正弦波振荡。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2、谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率功率放大器原理:利用输入到基极的信号来控制集电功率放大
30、器原理:利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流信号功极的直流电源所供给的直流功率,使之转变为交流信号功率输出去。率输出去。由前述所知:由前述所知:有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上,成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上,成为集电极耗散功率。电极耗散功率。P=直流电源供给的直流功率;直流电源供给的直流功率;Po=交流输出信号功率;交流输出信号功率;Pc=集电极耗散功率;集电极耗散功率;根据能量守衡定理:根据能量守衡定理:故集电极效率:故集电极效率:P=Po+Pc高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器由上式可以得出以下两点结论:由上式可以得出以下两
31、点结论:1)设法尽量设法尽量降低集电极耗散功率降低集电极耗散功率P Pc c,则集电极效率则集电极效率 c c自自 然会提高。这样,在给定然会提高。这样,在给定P P= =时,晶体管的交流输出功时,晶体管的交流输出功 率率P Po o就会增大;就会增大; 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值,那不超过规定值,那么提高集电极效率么提高集电极效率 c c,将使交流输出功率将使交流输出功率P Po o大为增加。大为增加。谐振谐振功率放大器就是从这方面入手,来提高输出功率与效率的。功率放大器就是从这方面入手,来提高输出功率与效率的。2)由式可知高频电路原
32、理与分析第3章 高频谐振放大器如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率Pc 可见使可见使ic在在vc最低的时候才能通过,那么,集电极耗散最低的时候才能通过,那么,集电极耗散功率自然会大为减小。功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率:晶体管集电极平均耗散功率: 故:要想获得高的集电极效率,谐振功率放大器的故:要想获得高的集电极效率,谐振功率放大器的集电极电流应该是集电极电流应该是脉冲状脉冲状。导通角小于。导通角小于180 ,处于丙类,处于丙类工作状态。工作状态。 谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c90 ,集集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数:电极
33、余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数:ic=Ico+Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器直流功率:直流功率:输出交流功率:输出交流功率:Vcm回路两端的基频电压回路两端的基频电压Icm1基波电流基波电流Rp回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗放大器的集电极效率:放大器的集电极效率:P=VCCIc0由于由于LC谐振回谐振回路只对基波谐振,路只对基波谐振,故两端呈现基波故两端呈现基波电压,不存在高电压,不存在高次谐波电压及其次谐波电压及其功率成分功率成分高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器集电极电压利用系数集电极电压利用系数波形系数,通角波形系数
34、,通角 c的函数;的函数; c越小越小g1( c)越越大大 越大越大( (即即Vcm越大或越大或vmin越小越小) ) c越小效率越小效率 c越高。因此,丙越高。因此,丙类谐振功率放大器提高效率类谐振功率放大器提高效率 c的途径即为减小的途径即为减小 c角;使角;使LC回路谐振在信号的基频上,即回路谐振在信号的基频上,即ic的最大值应对应的最大值应对应vc的最小值的最小值。 基极偏置为负值;半导通角基极偏置为负值;半导通角 c90 ,即丙类工作状即丙类工作状态;负载为态;负载为LC谐振回路。谐振回路。故故谐振功率放大器的工作特点谐振功率放大器的工作特点:式中:式中:高频电路原理与分析第3章 高
35、频谐振放大器3-2-3 谐振功率放大器的折线近似分析法谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法一、折线法 对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电对谐振功率放大器进行分析计算,关键在于求出电流的流的直流分量直流分量Ic0和和基频分量基频分量Icm1。工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。种分析法。所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化,用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方组折线
36、代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法法。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器折线化的前提要求:工作在低频区折线化的前提要求:工作在低频区低频区低频区:f:f工作工作0.5f0.5f ( (可忽略内部电抗可忽略内部电抗) )中频区中频区:0.5f:0.5fff工作工作0.2f0.2fT T( (考虑内部电抗考虑内部电抗) )高频区高频区:0.2f:0.2fT Tff工作工作 回路损耗电阻回路损耗电阻r r1 1 衡量回路传输能力优劣的标准,通常以输出至负载的有衡量回路传输能力优劣的标准,通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做效功率与输入到回路的总交流
37、功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率中介回路的传输效率 k,简称简称中介回路效率。中介回路效率。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器 从回路传输效率高的观点来看,应使从回路传输效率高的观点来看,应使Q QL L尽可能地小。尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑,则但从要求回路滤波作用良好来考虑,则Q QL L值又应该足够大。值又应该足够大。从兼顾这两方面出发,从兼顾这两方面出发,Q QL L值一般不应小于值一般不应小于1010。在功率很大。在功率很大的放大器中,的放大器中,Q QL L也有低到也有低到1010以下的。以下的。故有故有: :高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器
38、3.5 丁类(D类)高频功率放大器一、一、概述概述甲、乙、丙类甲、乙、丙类放大器的比较放大器的比较高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器甲到乙到丙类是通过不断减小导通角甲到乙到丙类是通过不断减小导通角,通过减少,通过减少ic的流通时间的流通时间( (P Pc c),使,使。 太小时太小时, ,虽高虽高, ,但但Icm,P Po o反而下降。反而下降。 为提高为提高I Icmcm,必须加,必须加大激励电压大激励电压( (太大会击穿管子太大会击穿管子) )。丁丁(D)(D)类,戊类,戊(E)(E)类采用固定类采用固定=90=90o o(Icm(Icm固定固定) ),而尽量减小,而尽量减小PcPc
39、的方法,提高的方法,提高,即:管子工作于开关状态即:管子工作于开关状态导通时进入饱和区:导通时进入饱和区: v vc c= =V Vcesces, , ic=ices截止时进入截止区:截止时进入截止区: v vc c= =V Vcccc, , ic=0 使使Pc=Pc=V Vc cI Ic c大大减小大大减小, ,使使,理想时理想时接近接近100%100%。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器丁类放大器的丁类放大器的iC与与vcece高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器电压开关型丁类放大器电压开关型丁类放大器二、电压开关型电路二、电压开关型电路 高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器
40、 V VT T1 1和和V VT T2 2轮流导通、截止。轮流导通、截止。L L、C C、R R串联串联( (电流电流) )谐振,谐谐振,谐振于基波频率振于基波频率( (选频选频) )。工作波形工作波形高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器V VT1T1导通:导通:A A点电位点电位= =V Vcc-cc-V VcescesV VT2T2导通:导通:A A点电位点电位= =V Vcescesv vA A(方波)经付氏级数分解,选出基波(方波)经付氏级数分解,选出基波V V1 1基波电压峰值:基波电压峰值:V Vo o=V=V1 1=(2/)(V=(2/)(Vcccc-2V-2Vcesces
41、) )基波电流峰值:基波电流峰值:I I1 1=V=Vo o/R=(2/R)(V/R=(2/R)(Vcccc-2V-2Vcesces ) )平均分量:平均分量:( (直流直流) )I Icoco=I=I1 1/=(2/=(2/2 2R)(VR)(Vcccc-2V-2Vcesces ) )高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器则输出功率:则输出功率:Po=(V1I1)/2=(2/2R)(Vcc-2Vces)2直流供电功率:直流供电功率:Pdc=VccIco=(2Vcc/2R)(Vcc-2Vces)集电极效率:集电极效率:c=Po/Pdc=1-(2Vces/Vcc)当当Vces很小时,很小时,c
42、接近接近100%注意:注意: 选用开关时间短的器件,以提高选用开关时间短的器件,以提高 c c。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器另外:另外:(1)(1)电流开关型电路:电流开关型电路:c c更高更高 c c= =P Po o/ /P Pdcdc=1-(=1-(V Vcesces/ /V Vcccc) )(2)(2)戊戊( (E E) )类:类: 单管开关工作,开关时间下降,只有器件的电流变为零时管单管开关工作,开关时间下降,只有器件的电流变为零时管子才能导通或截止,减少了开关转换期间的器件功耗。子才能导通或截止,减少了开关转换期间的器件功耗。第六节结束高频电路原理与分析第3章 高频谐振
43、放大器3.6 高频功放、功率合成与射频模块放大器高频功放、功率合成与射频模块放大器3-6-1宽频带高频功率放大器宽频带高频功率放大器一、概述窄带:负载为调谐回路或选频网络宽带:负载为高频变压器:fH可达几十MHz负载为传输线变压器:fH可达千MHz,fH/fL可达1000应用情况:1.为易于集成化,中间级、末前级采用宽带高频功放。末级发射时再采用窄带调谐功放。2.要求大功率输出时,单管或推挽双管难以满足,直接晶体管并联使用困难且不稳定。为此,采用功率合成和功率分配技术。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器1)低频变压器的特性与不足)低频变压器的特性与不足高频电路原理与分析第3章 高频谐振放
44、大器为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施:为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施:尽量减小线圈的漏感与分布电容;尽量减小线圈的漏感与分布电容;采取使用铁氧体磁心,匝数少,匝间距大采取使用铁氧体磁心,匝数少,匝间距大减小磁心的功率损耗;减小磁心的功率损耗;采用高频铁氧体磁心采用高频铁氧体磁心为展宽低频相应,初级线圈电感大。为展宽低频相应,初级线圈电感大。采用高导磁率磁心,加大环形磁心截面积采用高导磁率磁心,加大环形磁心截面积高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2)传输线变压器解决普通变压器不能满足工作频率高、频带宽的矛盾。解决普通变压器不能满足工作频率高、频带宽的矛盾。1.1.传输
45、线变压器结构传输线变压器结构 用两根平行线绕在用两根平行线绕在高导磁率的高导磁率的磁环磁环上。上。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2.2.传输线变压器电路表示形式传输线变压器电路表示形式 低频端采用变压器的工作模式,高频端采用传输低频端采用变压器的工作模式,高频端采用传输线模式,利用分布电容传输高频信号。线模式,利用分布电容传输高频信号。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器1:4 1:4 传输线变压器传输线变压器高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器1:4 1:4 传输线变压器电路表示形式传输线变压器电路表示形式高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器二、功率合成与分配技术1.框
46、图高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2.平衡、不平衡转换电路1:1高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3.功率分配网络(1:4传输线变压器组成的功率分配网络)同相功率分配:由C端馈入信号,A,B两端输出信号(功率相等、方向相同);D端为平衡端,网络平衡时无输出。反相功率分配:由D端馈入信号;A,B两端输出信号(功率相等、方向相反);C端为平衡端,网络平衡时无输出。(同相、反相是指电流或电压的相位,功率是无相位的)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器(1)同相功率二分配功率二分配负载电阻Ra=Rb有:Ic=2ItIa=It-IdIb=It+IdIdRd=IaRa+IbRb则:It=
47、1/2(Ia+Ib)Id=1/2(Ia-Ib)当Ra=Rb时,Id=0,Ia=Ib=It=Ic/2Ra、Rb两负载上的功率相等Pa=Pb=I2aRa=(Ic/2)2Ra=(Ic/2)2Rb高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器(2)功率匹配功率匹配Rc=Ra/2=Rb/2当Ra=Rb时:信号源内阻Rc=总负载阻抗RL(RAB)=(RaRb)/(Ra+Rb)=Ra/2=Rb/2则:高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器(3)两负载隔离两负载隔离Rd=2Ra=2Rb=4Rc若:RaRb则:Id0则:VAB=IdRd=2V=IaRa-IbRb0在Vs、Rc、Rb回路中:可见:Ib没有变化,原因是
48、Ia减少的部分转为Id0。即两负载支路完全隔离。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器4.功率合成网络(网络形式和参数取值完全相同)信号由A、B两端输入相同功率(等值同相电流),负载Rc上获得A、B两端输入功率之和。电路对称平衡,即符合Rc=Ra/2=Rb/2=Rd/4条件时,Id=0。且A,B两端相互隔离,即一路损坏时,另一路仍可正常工作。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器5.功率合成小结高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器三、功率合成与分配实例1.二分配器电路高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器2.电视公用天线原理框图高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3.反相功率合成
49、器高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器3-6-2晶体管倍频器晶体管倍频器一、框图一、框图二、电路(丙类工作)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器三、负载回路的滤波作用1.提高输出回路Q值;2.输出并吸收回路;3.提高输出回路选择性;4.采用推挽倍频电路可消除偶次谐波或奇次谐波分量。高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器本章小结:一、谐振功率放大器的特点一、谐振功率放大器的特点二、谐振功率放大器的工作原理二、谐振功率放大器的工作原理1.1.谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2.2.谐振功率放大器的功率关系和效率谐振功率放大器的功率关系和效率高频电路原理与分析第3章 高频谐
50、振放大器三、谐振功率放大器的折线近似分析法三、谐振功率放大器的折线近似分析法1.折线化的适用范围和分析步骤折线化的适用范围和分析步骤2.集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解三种工作状态:欠压、临界、过压状态三种工作状态:欠压、临界、过压状态RP、Vcc、Vbm、VBB变化谐振放大器工作状态的切换变化谐振放大器工作状态的切换临界线方程临界线方程 iC=gcrvCiC=gc(vBVBZ)(vBVBZ)高频电路原理与分析第3章 高频谐振放大器四、晶体管功率放大器的高频效应四、晶体管功率放大器的高频效应基区渡越时间、基区渡越时间、r rbbbb、VcesVces、引线电感影、引线电感影响响五、高频功率放大器的电路组成五、高频功率放大器的电路组成六、六、丁类(丁类(丁类(丁类(D D D D类)高频功率放大器类)高频功率放大器类)高频功率放大器类)高频功率放大器 七、宽带高频功率放大器七、宽带高频功率放大器七、宽带高频功率放大器七、宽带高频功率放大器