通信电子线路侯丽敏版第三章.ppt

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1、第三章,School of Communication and Information Engineering,第3章 高频功率放大器(Power Amplifier),3.1 高频功率放大器的特点3.2 丙类谐振功率放大器3.3 丁类谐振功率放大器3.4 谐振功率放大器的电路组成3.5 宽带高频功率放大器,School of Communication and Information Engineering,3.1 高频功率放大器的特点,本节主要内容：甲、乙、丙类放大器放大器工作效率,School of Communication and Information Engineering,一.

2、功率放大器的性能要求：,在原理上，它与其它放大器一样，都是在输入信号的作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号的功率。但是，它们在性能要求和器件运用特性上都是不同的。安全高功率不失真（或失真在允许范围内）,School of Communication and Information Engineering,功放是能量转换器。在输入信号的作用下，直流电源提供的直流功率PD中，一部分被转换为输出信号功率Po(Output signal power)，其余部分消耗在功率管中，成为功率管的耗散功率Pc(Power Dissipation)，即管耗。,放大器的集电极效率(Collection eff

3、iciency)就是来评价这种转换能力的性能指标：,School of Communication and Information Engineering,可见 hc 越大，给出Po所需的PD就越小。PD变小，可节省能源，延长器件寿命。,若PD一定:Po增大，利用率高。Pc下降，则可选用PCM小的功率管，降低成本。,作为放大器，功率增益是最重要的性能指标，但却是第二位的。,School of Communication and Information Engineering,二.功率管的运用特性,在功放中，往往选择不同的静态工作点，使功放运用在特性不同的区段上，来实现甲，乙，丙，丁等不同运用状

4、态。在输入余弦波激励下,集电极输出电流iC 的波形不同：,School of Communication and Information Engineering,管子的运用状态不同，相应的最大集电极效率也就不同。假定管子集电极电流为iC，电压为vCE,则,丙类效率最高。,为晶体管集电极电流导通角，iC导通时间越小，PC就越低。,School of Communication and Information Engineering,3.2 丙类谐振功率放大器(Resonate Power Amplifier),本节主要内容：丙类放大器工作原理工作状态分析性能分析,School of Commun

5、ication and Information Engineering,一.工作原理：,LC回路为匹配网络，它们与外接电阻共同组成并联谐振回路。,School of Communication and Information Engineering,为了实现丙类工作，基极偏置电压VBB应设置在功率管的截止区。,School of Communication and Information Engineering,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。,时，,iC的傅里叶级数展开:,School of Communication and Information Enginee

6、ring,余弦脉冲的幅值：,余弦脉冲的表达式：,School of Communication and Information Engineering,n次谐波的分解系数,School of Communication and Information Engineering,集电极谐振回路阻抗为：,n 次谐振阻抗：,谐振时，即 时。阻抗最大。谐振阻抗为Re。,School of Communication and Information Engineering,二.性能分析(近似分析),假设：谐振回路具有理想滤波特性。只产生基波电压，其他分量忽略不计。,谐振电阻：,School of Comm

7、unication and Information Engineering,直流功率：,其中,输出功率：,损耗功率：,集电极效率：,School of Communication and Information Engineering,令集电极电源电压利用系数：,因此导通角 决定了,School of Communication and Information Engineering,例题,School of Communication and Information Engineering,查表得知：,School of Communication and Information Engin

8、eering,School of Communication and Information Engineering,工作状态,动态线（Dynimic Line）：根据Vbe和Vce的值在以Vbe为参变量的输出特性曲线上找出对应的动态点和由此确定的ic值并画出ic的波形。其中，动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线。,3_20图,假设一：谐振回路具有理想滤波特性，其上只能产生基波分量；假设二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲线表示，其高频效应可忽略。,School of Communication and Information Engineering,A点：,C点：,B点：,3_20图,S

9、chool of Communication and Information Engineering,直线AB、BC动态特性曲线,当A2点处于临界区称为临界（Critical）状态,当A1点处于放大区称为欠压（Undervoltage）状态,当A3点处于饱和区称为过压（Overvoltage）状态,School of Communication and Information Engineering,在A没有进入饱和区时，动态特性曲线斜率为,利用A，B两点直线计算斜率：,3_20图,School of Communication and Information Engineering,1.A1

10、在欠压区，ic为余弦脉冲，脉冲高度随Vcm增大略有减小。,2.A2临界状态。,3.A3过压区，ic为中间凹陷的脉冲波，随着Vcm增大脉冲波的凹陷加深，高度减小。,当Vbe向Vbemax增大，Vce向着Vcemin减小时，对应的动态点先到达临界点(图中E点)，ic值最大，而后进入饱和区，ic值减小，出现凹陷。直到A3点，ic值达到最小。,思考题：在过压区为什么会出现凹陷？,3-24.exe图,School of Communication and Information Engineering,icmax,School of Communication and Information Engin

11、eering,高频功放临界状态的计算,School of Communication and Information Engineering,所需的激励电压vbm,VBB可从晶体管转移特性曲线上得到,当vbe=VD时，,School of Communication and Information Engineering,为了三极管能安全工作，应要求,School of Communication and Information Engineering,1.负载特性：,四.对性能影响的定性分析,一定，放大器性能随 变化的特性。,改变，相当于改变动态特性的斜率 k,School of Commu

12、nication and Information Engineering,集电极电流由余弦脉冲变化为中间凹陷的脉冲波。,增大,School of Communication and Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,在欠压区,在欠压区与 一样略有减小,School of Communication and Information Engineering,在过压区,略有减小。,School of Communication and Information Engineering,

13、a.集电极调制 b.基极调制,2.调制特性：,School of Communication and Information Engineering,集电极调制：一定。变化对性能的影响,School of Communication and Information Engineering,工作在过压区（近似线性）,School of Communication and Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,基极调制特性：Re，VCC，Vbm一定，VBB的变化,Vbm一定，VBB由负

14、值向正值方向增大时，集电极电流脉冲不仅宽度 增大，而且还因Vbemax增加而使其高度增大，因而Ic1，Ic0增大，结果使Vcemin减小，放大器由欠压进入过压，但在进入过压的过程中，随着iC的凹陷加深。Ic1，Ic0增大十分缓慢，可近似认为不变。,School of Communication and Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,School of Communicat

15、ion and Information Engineering,VBB 一定，Vbm增大时，集电极电流脉冲不仅宽度 增大，而且还因Vbemax增加而使其高度增大，因而Ic1，Ic0增大，结果使Vcemin减小，放大器由欠压进入过压，但在进入过压的过程中，随着iC的凹陷加深。Ic1，Ic0增大十分缓慢，可近似认为不变。,School of Communication and Information Engineering,Vbm增大,School of Communication and Information Engineering,当谐振功率放大器作为线性放大器，用来放大振幅按调制信号规律变

16、化的调幅信号时，为了使输出信号Vcm反映输入信号振幅Vbm变化，放大器必须工作在欠压区,School of Communication and Information Engineering,当谐振功率放大器作振幅限幅器时（Amplitude Limiter）。将振幅Vbm在较大范围变化变换为振幅恒定的输出信号时，放大器必须工作在过压状态,School of Communication and Information Engineering,某谐振频率放大器的动特性如图所示，试回答并计算以下各选项：(1)此时功放工作于何种状态？写出A，B，C三点坐标,画出ic的波形。(2)计算 和。(3)若要

17、求功率放大器的效率最大，应如何调整？,例题,School of Communication and Information Engineering,(1)A，B，C三点坐标：,ABC动特性：由动特性知正好达到临界饱和线，故工作在临界状态，ic的波形如下。,School of Communication and Information Engineering,由 和 可求得,(2)由图可知：,School of Communication and Information Engineering,(3)弱过压状态效率最大（但输出功率下降）,School of Communication and I

18、nformation Engineering,一谐振功放，原来工作在临界状态，后来发现该功放的输出功率下降，效率反而提高，但电源电压VCC，输出电压振幅Vcm及Vbemax不变，问这是什么原因造成的，此时功放工作在什么状态？,效率,由于 所以 不变。,例题,VCC、输出电压振幅Vcm及Vbemax不变，功放工作状态不变。,School of Communication and Information Engineering,与 成反比，是递减曲线。,，因此 减小。,要减小,只能,输出功率,不变，故 增大造成的。,School of Communication and Information E

19、ngineering,某高频谐振功放工作于临界状态，输出功率为15 W，且VCC=24 V，导通角=70，功放管参数 SC=1.5 A/V,试问：（1）直流功率PD,耗损 PC,临界谐振电阻Re（2）若输入信号振幅增加一倍。功放工作状态如何 变化？此时输出功率为多少？（3）若谐振电阻增加一倍，功放的工作状态如何改 变？（4）若回路失谐，会有何危险?,例题,School of Communication and Information Engineering,(1),School of Communication and Information Engineering,School of Com

20、munication and Information Engineering,(2)根据功放振幅特性，放大器 过压状态，此时输出功率基本不变。,(3)根据功放的负载特性，放大器工作到过压状态，输出功率为原来的一半。,School of Communication and Information Engineering,一谐振功放的工作频率为10 MHz，晶体管输出特性如图所示，试画出 时的临界和过压状态下的输出电流波形和电压波形。,例题,School of Communication and Information Engineering,分析：临界状态下功放的动态特性曲线是两个折线段组成的，

21、其中电流是完整的脉冲；而过压状态时，动特性曲线进入到饱和区的部分用临界饱和线代替后，电流为具有凹陷的脉冲。但无论是哪种状态，由于负载为选频网络，故输出电压都是完整的余弦信号。,School of Communication and Information Engineering,输入为时，临界状态下，输出电流为余弦脉冲，由于输入信号频率等于功放的工作频率，故输出电压为余弦信号；过压状态下，输出电流为出现凹陷的余弦脉冲，由于负载的选频作用，输出电压还是余弦信号，如图所示：,3_58图,School of Communication and Information Engineering,3.3

22、丁类谐振功率放大器丁类(class D),School of Communication and Information Engineering,丁类谐振功率放大器的原理,A,School of Communication and Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,输入激励电压vb1，vb2为角频率是 的余弦波，且其幅值足够大，足以使vi 正半周时，T1管饱 和导通，T2管截止；vi 负半周时，T2管饱和导 通，T1管截止。A点对地电压VA，(为T1，T2的饱和压降)，T1管饱

23、和导通时为；T2管饱和导通为。因而VA点的电压为 的矩形方波 电压。,School of Communication and Information Engineering,该电压加到由L，C，RL并联谐振回路上，若谐振回路调谐在输入信号频率上，且其Q值足够高，则可近似以为回路电流iL是角频率为 的余弦波，RL上获得不失真的输出功率。可见，尽管两管的电流很大，但相应的管压降很小，均为。这样，两管的管耗就很小，放大器的效率也就很高。(一般可达到90以上)。,School of Communication and Information Engineering,3.4 谐振功率放大器电路（Reso

24、nate Power Amplifier Circuit）,School of Communication and Information Engineering,串馈（Series Supply）：直流电源，滤波匹配网络和功率管在电路上形式为串接方式。并馈（Parallel Supply):直流电源，滤波匹配网络和功率管在电路上形式为并接方式。,一、直流馈电电路（Power Supply Circuit）,School of Communication and Information Engineering,在信号频率上，LC感抗很大，近似开路。CC很小接近短路。目的是避免信号电路通过直流电

25、源而产生级间反馈，造成工作不稳定。,串馈（Series Supply）：,3_66图,School of Communication and Information Engineering,并馈（Parallel Supply）：,在信号频率上，CC1，CC2容抗很小，接近短路。LC感抗很大。接近开路。,两者结果相同：,3_67图,School of Communication and Information Engineering,(a)基极组合偏压,(b)基极偏置电压（自给偏置）,School of Communication and Information Engineering,(c)

26、零偏压(自给偏压),(d)发射极自给偏压,School of Communication and Information Engineering,二.滤波器型匹配网络(Filter-Matched Network),（1）将RL变换为放大器所要求的负载Re,（2）滤波能力,Hn 越小越好,（3）要求网络传输效率,School of Communication and Information Engineering,1.互感耦合输出回路,L1，C1中介回路,互感耦合输出回路,L2，L3，C2天线回路,School of Communication and Information Engineer

27、ing,反射电阻：,School of Communication and Information Engineering,设无负载时：,有负载时：,则,School of Communication and Information Engineering,例题 设初，次级均调谐于工作频率1 MHz，已知，放大管3DA1的工作条件是()，试求M，L1，C1为多少才能使天线与3DA1相匹配？设QO100，QL10，回路接入系数p0.2。,School of Communication and Information Engineering,由,School of Communication an

28、d Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,由 得,School of Communication and Information Engineering,2.滤波器型匹配网络:,(L型，T型，型),串并联转换,School of Communication and Information Engineering,串转换到并,并转换到串,School of Communication and Information Engineering,L型匹配网络：两个异性电抗支路连接成“L”型

29、结构网络。,由,得,适用,图,School of Communication and Information Engineering,同理：,得,由,适用,图,School of Communication and Information Engineering,L型匹配网络如下图所示：,例题,School of Communication and Information Engineering,School of Communication and Information Engineering,T型网络,T型网络和型网络,3_84图,School of Communication and

30、Information Engineering,几种型网络：,1,2,3,型网络,图,School of Communication and Information Engineering,设谐振功率放大器的输入功率Po=2 W,集电极电源电压VCC=24 V,功放管的饱和压降VCES=1.5 V,工作频率为50 MHz，RL=50，若采用 型匹配网络，试估计网络元件C1，C2，L的数值。(选Qe1=10),例题,School of Communication and Information Engineering,图解,School of Communication and Informat

31、ion Engineering,图解,School of Communication and Information Engineering,实际电路,3_89电路图,School of Communication and Information Engineering,试画出两级谐振功放的实际线路，要求：（1）两级均采用NPN型晶体管，发射极直接 接地。（2）第一级基极采用组合式偏置电路，与前 级互感耦合；第二级基极采用零偏电路。（3）第一级集电极馈电线路采用并联形式，第二级集电极采用集电极馈电线路，采用 串联形式。（4）两极间回路为T型网络，输出回路采用 型匹配网络，负载为天线。,例题,S

32、chool of Communication and Information Engineering,3_91图,School of Communication and Information Engineering,改正下图所示线路中的错误，不得改变馈电形式，重新画出正确的线路。,例题,School of Communication and Information Engineering,分析：这是一个两级功放，分析时可以一级 一级地考虑，且要分别考虑输入回路，输出回路是否满足交流要有交流通路，直流要有直流通路，而且交流不能流 过直流电源的原则。,School of Communicatio

33、n and Information Engineering,第一级放大器的基极回路：输入的交流信 号将流过直流电源，应加扼流圈和滤波电 容CB2；直流电源VBB被输入互感耦合回路 的电感短路，应加隔直电容CB1。,3_94图,第一级放大器的集电极回路：输出的交流将流过直流电源VCC，应加扼流圈LC1；加上扼流圈后，交流没有道路，故还应增加一旁路电容CC1。,School of Communication and Information Engineering,第二级放大器的基极回路：没有直流道路，加 一扼流圈LB2.,第二级放大器的集电极回路：输出的交流将流过直流电源，应加扼流圈LC2 及滤波

34、电容CC2；此时，直流电源将被输出回路的电感短路，加隔直电容CC3.,3_94图,School of Communication and Information Engineering,3.5 宽带高频功率放大器,School of Communication and Information Engineering,宽带高频功率放大器：要求在很宽的波段范围内对载波 或已调波信号尽可能一致的线性放大。用于多频道通信系统及频段通信系统中。,窄带高频功率放大器：适用于固定频率或频率变化较小的高频设备。,传输线变压器：扩大放大器的工作频率；功率合成器。,School of Communication

35、and Information Engineering,一、传输线变压器(Transmission-Line Transformer),变压器：,改变输入输出端：成为传输线变压器,工作频率：几百兆几千兆,School of Communication and Information Engineering,1.工作原理,等效,School of Communication and Information Engineering,在高频时，考虑分布电感，电容的影响。ZC为传输线的特性阻抗：是一个频率无关 的电阻。,假设传输线无损耗(理想情况下)，且终端阻抗匹配(ZC=RL），则沿传输线任一位置上

36、的电压和 电流幅度才会处处相等，而且呈现在1，3端间 的输入阻抗Zi=ZC。因此可以认为无损耗和终 端匹配的传输线具有无限宽的工作频带。,School of Communication and Information Engineering,在实际情况下，为了扩展它的上限频率，首先应 使RL 尽可能接近ZC，其次应尽可能缩短输 出线的长度l，l 在满足上述条件下，可近似认为，传输线各个位置上的电阻均相 等,其值用V表示，同时传输线各个位置上 的电流均相等，用I表示。,School of Communication and Information Engineering,2.传输线变压器的应用,

37、A.实现1:1倒相作用,School of Communication and Information Engineering,B.实现平衡和不平衡的转换,平衡输入转换为不平衡输出,School of Communication and Information Engineering,不平衡输入转换为平衡输出,School of Communication and Information Engineering,C.传输线变压器还可作为阻抗变换器。,由于受到结构限制，它只能实现某些特定阻抗比的转换,School of Communication and Information Engineer

38、ing,例题,求证：,School of Communication and Information Engineering,图,School of Communication and Information Engineering,d.功率合成,School of Communication and Information Engineering,(1)魔T网络：,School of Communication and Information Engineering,(2)功率分配：,同相分配图,School of Communication and Information Engineering,反相分配图,School of Communication and Information Engineering,(3)功率合成：,(a),(b),(c),图(b)：,School of Communication and Information Engineering,反相功率合成典型电路,School of Communication and Information Engineering,射频功率放大器实用电路,