谐振功放.pptx

谐振功放：用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。谐振功放：用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。特点：负载特点：负载匹配网络匹配网络为谐振系统为谐振系统应用状态：丙类应用状态：丙类(或丁类、乙类或丁类、乙类)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 种类：丙类谐振功放种类：丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放丁类、戊类谐振功放 倍频器倍频器 了解高频功率放大器的特点，理解谐振功率放大器了解高频功率放大器的特点，理解谐振功率放大器的工作原理以及实际谐振功放电路的组成，掌握谐振功的工作原理以及实际谐振功放电路的组成，掌握谐振功率放大器的负载特性。率放大器的负载特性。本章的基本要求与基本知识点：本章的基本要求与基本知识点：预备知识预备知识选频网络选频网络 选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出选出有用有用信号，信号，滤除滤除或或抑制抑制无用信号；无用信号；常用滤波器：常用滤波器：LCLC串、并联谐振回路；集中参数滤波器。串、并联谐振回路；集中参数滤波器。1 1、性能指标、性能指标：v中心频率中心频率 0 0：此点传输系数最大此点传输系数最大v通频带通频带BWBW3 3dBdBv选择性与矩形系数：描述滤波器对带外信号的衰减程度；选择性与矩形系数：描述滤波器对带外信号的衰减程度；v相频特性：要求接近线性。相频特性：要求接近线性。v选频特性选频特性品质因数品质因数Q Q：2 2、谐振回路的基本特性、谐振回路的基本特性v谐振频率谐振频率0 0：v阻抗特性阻抗特性v选择性：选择性：最大，最大，偏离偏离0 0越大，越大，V Vo o下降越多；下降越多；Q Q 值越大选择性越好值越大选择性越好通频带：通频带：预备知识预备知识选频网络选频网络 选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出选出有用有用信号，信号，滤除滤除或或抑制抑制无用信号；无用信号；常用滤波器：常用滤波器：LCLC串、并联谐振回路；集中参数滤波器。串、并联谐振回路；集中参数滤波器。性能指标性能指标：v中心频率中心频率 0 0：此点传输系数最大此点传输系数最大v选择性：选择性：最大，最大，偏离偏离0 0越大，越大，V Vo o下降越多；下降越多；Q 值越大选择性越好。值越大选择性越好。2.12.1谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理v谐振频率谐振频率0 0：2.1.1丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器1电路组成电路组成 ZL 外外接接负负载载，呈呈阻阻抗性抗性;Lr 和和 Cr 匹匹配配网网络络，与与 ZL 组组成成并并联联谐谐振振回回路路。调调节节 Cr 使使回回路路谐谐振在输入信号频率。振在输入信号频率。VBB 基基极极偏偏置置电电压压，使使功功率率管管 Q 点点设设在在截截止止区区，以实现丙类工作。以实现丙类工作。图图 211谐振功率放大器原理电路谐振功率放大器原理电路2集电极电流集电极电流 iC 图图 212输入：输入：vb(t)=Vbmcos st vBE=VBB+vb(t)=VBB+vbmcos st集电极电流集电极电流 iC 傅里叶级数展开：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。为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。3输出电压输出电压 vo(1)对基波分量对基波分量阻抗最大，为谐振电阻阻抗最大，为谐振电阻 Re在高在高 Q 回路中，回路中，Re 近似为近似为式中，式中，回路总电容回路总电容 回路谐振角频率回路谐振角频率 回路有载品质因数回路有载品质因数(2)对非基波分量对非基波分量阻抗很小，产生的电压均可忽略。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：丙类谐振功率放大器谐振回路的功能：选选频频：利利用用谐谐振振回回路路的的选选频频作作用用，可可将将失失真真的的集集电电极电流脉冲变换为不失真的输出电压。极电流脉冲变换为不失真的输出电压。阻阻抗抗匹匹配配：调调节节 Lr 和和 Cr，谐谐振振回回路路将将含含有有电电抗抗分分量的外接负载变换为谐振电阻量的外接负载变换为谐振电阻 Re，并阻抗匹配。，并阻抗匹配。4功率特性分析功率特性分析(1)丙类功放的问题丙类功放的问题 图图 213脉冲宽度变化的示意图脉冲宽度变化的示意图(2)解决方法解决方法 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丁类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器(1)电路电路 Tr 二次侧两绕组相同，极性相反。二次侧两绕组相同，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，T2 饱和导通，饱和导通，T1 截止，截止，vA2=VCE(sat)A 点最大振幅值：点最大振幅值：vA=vA1 vA2=VCC 2VCE(sat)(3)讨论讨论 VCE(sat)小，小，管耗小，放大器的效率高管耗小，放大器的效率高(90%以上以上)；因因结结电电容容、分分布布电电容容等等影影响响，实实际际波波形形不不理理想想，使使管耗增大，丁类功放效率受限。管耗增大，丁类功放效率受限。2戊类放大器戊类放大器 2.22.2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使用条件使用条件两假设两假设 谐振回路滤波特性理想，即谐振回路滤波特性理想，即:功功率率管管特特性性用用输输入入和和输输出出静静态态特特性性曲曲线线表表示示，其其参参变量采用变量采用 vBE(而不是通常的而不是通常的 iB)。2分析步骤分析步骤 图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法(b)求动态点，画波形；求动态点，画波形；连动态线，画连动态线，画 iC 波形；波形；图解积分求分量；图解积分求分量；计算功率性能。计算功率性能。(1)求动态点，画波形求动态点，画波形图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法(a)设设定定 VBB、Vbm、VCC、Vcm，将将 t 按按等等间间隔隔(t=0，15，30，)给定数值，给定数值，由：由：便可确定便可确定 vBE 和和 vCE(图图 a)。(2)连动态线，连动态线，画画 iC 波形波形：图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法(b)根根据据 vBE 和和vCE 值值，在在输输出出特特性性曲曲线线上上(以以 vBE 为为参参变变量量)找找对对应应的的动动态态点点，画画动动态态线线(动动态态点点的的连连线线)，由由此此可可确确定定 iC 的波形。的波形。不不到到 VCC，因因为为导通角小于导通角小于 (3)图解积分求得分量图解积分求得分量 IC0 和和 Ic1m谐振电阻谐振电阻(4)计算功率性能计算功率性能2.2.2欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态1VBB、Vbm、VCC 不变，不变，Vcm 由小变大，由小变大，动态动态点点左移左移 欠压欠压状态状态Vcm 的取值，使所对应的的取值，使所对应的动态点均处在放大区。动态点均处在放大区。过压过压状态状态Vcm 继继续续增增大大，使使 A(t=0)动动态态点点处处在在饱饱和和区区，iC 迅迅速速减减小小，电电流流脉脉冲冲出出现现凹凹陷陷，Vcm 增大，凹陷加深。增大，凹陷加深。临界临界状态状态Vcm 增增大大，使使 t=0 所所对对应应的的动动态态点点 A 处处在在临临界界点点，iCmax 略微减小。略微减小。临界状态临界状态：动态点：动态点A A处于放大区和饱和区临界点的状态；处于放大区和饱和区临界点的状态；欠压状态欠压状态：动态点：动态点A A处于放大区的状态；处于放大区的状态；为高度和为高度和宽度基本不变的余弦冲波宽度基本不变的余弦冲波 过压状态过压状态：动态点：动态点A A处于饱和区的状态；处于饱和区的状态；的高度减小，凹陷加深。的高度减小，凹陷加深。2 iC 的平均分量的平均分量 IC0 与基波分量与基波分量 Ic1m iC 脉脉冲冲越越宽宽，高高度度越越高高，IC0 和和 Ic1m 就就越越大大。如如果果出出现现凹陷，则凹陷越深，凹陷，则凹陷越深，IC0 和和 Ic1m 就越小就越小。由此可求功率性能由此可求功率性能2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论四个电压量对性能影响的定性讨论一、负载特性一、负载特性 1定义定义指指 VBB、Vbm 和和 VCC 一一定定，放放大大器器性性能能随随 Re 的的变变化化特特性。性。2特性特性 Re 的增加势必将引起的增加势必将引起 Vcm 增大增大(Vcm=ReIcm)功功放欠压放欠压 临界临界 过压过压iC 波形出现凹陷。波形出现凹陷。Re Vcm 3 Vcm、Po、PD、PC、C 随随 Re 变化的曲线变化的曲线图图 2-2-4负载特性负载特性 Vcm =ReIc1m，Po=VcmIc1m/2 PD =VCCIC0，PC =PDPo C=Po/PD二、调制特性二、调制特性 图图 225集电极调制特性集电极调制特性两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。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 欠欠压压状状态态：随随 VCC 减减小小，集集电电极极电电流流脉脉冲冲高高度度略略有有减减小小，因因而而 IC0 和和 Ic1m 也也将将略略有有减减小小，Vcm(=ReIc1m)也也略略有有减小减小。过过压压状状态态：随随 VCC 减减小小，集集电电极极电电流流脉脉冲冲的的高高度度降降低，凹深加深，因而低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将将迅速减小迅速减小。(3)集电极调幅原理电路集电极调幅原理电路 图中：图中：载波载波 调制信号调制信号为为谐振回路上的输出电压谐振回路上的输出电压。与谐振功放区别：与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压集电极回路接入调制信号电压。图图 227集电极调幅电路集电极调幅电路2基极调制特性基极调制特性 图图 226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 一一定定，VBB ，iC宽宽度度、高高度度 ，IC0 Ic1m 、Vcm ，VCEmin ，放放大大器器欠欠压压 过过压压。过过压压后后，随随 VBB，iC 宽宽度度、高高度度 ，凹凹陷陷加加深深，IC0 和和 Ic1m、Vcm 均均增增加加缓缓慢慢，可可认认为为近近似不变。似不变。(3)基极调幅原理电路基极调幅原理电路 图图 228基极调幅电路基极调幅电路 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，放大器工作在欠压状态欠压状态。三、放大特性三、放大特性图图 229放大特性放大特性1含义含义当当 VBB、VCC 和和 Re 一一定定，放大器性能随放大器性能随 Vbm 变化的特性。变化的特性。2特性特性固固定定 VBB，增增大大 Vbm 与与上上述述固固定定 Vbm 增增大大 VBB 的的情情况况类类似似，它它们们都都使使 iC 的的宽宽度度和和高高度度增增大大，放放大大器器由由欠欠压压进进入入过过压压，图图 229(a)。(1)谐振功放作为线性功放谐振功放作为线性功放图图 2210(a)线性线性功率放大器的功率放大器的作用作用为为了了使使输输出出信信号号振振幅幅 Vcm 反反映映输输入入信信号号 Vbm 的的变变化化，放放大大器器必必须须在在 Vbm 变变化化范范围围内内工工作作在在欠欠压状态压状态。(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)图图 2210(b)振幅限幅器的振幅限幅器的作用作用作作用用：将将 Vbm 在在较较大大范范围围内内的的变变化化转转换换为为振振幅幅恒恒定定的的输出信号输出信号。特特点点：根根据据放放大大特特性性，放放大大器器必必须须在在 Vbm 的的变变化化范范围围内内工工作作在在过过压压状状态态，或或 Vbm 的的最最小小值值应应大大于于临临界界状状态态对对应应的的 Vbm 限幅门限电压。限幅门限电压。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。例例如如，设设一一个个丙丙类类谐谐振振功功率率放放大大器器，设设计计在在临临界界状状态态，若制作出后，若制作出后，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 达达不不到到要要求求，表表明明放放大大器器没没在在临临界界。若若增增大大 Re 能能使使 Po 增增大大，则则根根据据负负载载特特性性，断断定定放放大大器器工工作作在在欠欠压压状状态态，此此时时分分别别增增大大 Re、Vbm 和和 VBB 或或同同时时或或两两两两增增大大均均可可使放大器使放大器由欠压由欠压进入进入临界临界；若若增增大大 Re，Po 减减小小，放放大大器器实实际际工工作作在在过过压压状状态态，可可增增大大 VCC(同同时时，适适当当增增大大 Re 或或 Vbm 或或 VBB)，需需注注意意管管子安全子安全。实实际际上上放放大大器器的的工工作作状状态态除除了了改改变变 Re 外外还还可可以以根根据据实实际际情情况况通通过过改改变变 VCC、Vbm、VBB 来来判判断断，不不过过改改变变 Re 较较普普遍遍，但但不不论论改改变变哪哪个个量量都都必必须须保保证证回回路路谐谐振振在在工工作作频频率上。率上。图图 225集电极调制特性集电极调制特性 例 设两个谐振功放具有相同的回路元件参数，它们的设两个谐振功放具有相同的回路元件参数，它们的输出功率输出功率Po分别为分别为 1W 和和 0.6W。若增大两放大器的若增大两放大器的VCC，发发现其中现其中Po=1W 的放大器输出功率增加不明显的放大器输出功率增加不明显，Po=0.6W的放的放大器输出功率增加明显，试分析其原因。大器输出功率增加明显，试分析其原因。若要增大若要增大Po=1W 放大放大器的输出功率，试问还应同时采取什么措施（不考虑功率管的器的输出功率，试问还应同时采取什么措施（不考虑功率管的安全工作问题）？安全工作问题）？2.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路谐振功放管外电路：谐振功放管外电路：直流馈电电路直流馈电电路 滤波匹配网络滤波匹配网络2.3.1直流馈电电路直流馈电电路考考虑虑因因素素：滤滤波波匹匹配配网网络络安安装装方方便便；馈馈电电电电路路(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串串馈馈并并馈馈要求：要求：1 1、除晶体管的内阻外，没有其它电阻消耗直流能量；、除晶体管的内阻外，没有其它电阻消耗直流能量；2 2、只有高频基波分量通过负载回路；、只有高频基波分量通过负载回路；3 3、管外电路对高频谐波分量短路。、管外电路对高频谐波分量短路。1 1集电极馈电电路集电极馈电电路图图 2 23 31(a)1(a)集电极集电极直流馈电电路直流馈电电路L LC C高高频频扼扼流流圈圈，与与 C CC C 构构成成电源滤波电路。电源滤波电路。(2)(2)并馈并馈三三者者(直直流流电电源源 V VCCCC、滤滤波波匹匹配配网网络络和和功功率率管管)在在电电路路形式上为形式上为并接并接的馈电方式。的馈电方式。三者三者(直流电源直流电源 V VCCCC、滤波匹配、滤波匹配网络和功率管网络和功率管)在电路形式上为在电路形式上为串接串接的馈电方式。的馈电方式。（1 1）串馈串馈 (b)图图 231集电极直流馈电电路集电极直流馈电电路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。在在信信号号频频率率上上，LC 感感抗抗很很大大，接接近近开开路路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。的容抗很小，接近短路。vCE=VCC+vc。与。与串馈电路串馈电路相同。相同。(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上。都能全部加到集电极上。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。2基极偏置电路基极偏置电路(1)作用作用为为放放大大电电路路提提供供合合适适的的偏偏置置电电压压，使使功功率率管管工工作作在在丙丙类。类。(2)常用类型常用类型图图 232基极偏置电路基极偏置电路 图图 232(a)，基基极极偏偏置置电电压压由由 VCC 通通过过 RB1 和和 RB2 分分压压提提供供，为为保保证证丙丙类类工工作作，其其值值应应小小于于功功率率管管的的导导通通电电压。压。图图 232(b)、(c)，自给偏置电路。自给偏置电路。图图 232(b)偏置电路：偏置电路：LB、RB、CB1。RB：产产生生压压降降，提提供供自自偏偏电电压压；LB：避避免免 RB、CB1 对对输入滤波匹配网络的旁路影响。输入滤波匹配网络的旁路影响。3自给偏置电路自给偏置电路(1)自给偏压的产生自给偏压的产生图图 232(b)，vb 0 ib 0，为为脉脉冲冲电电流流，可可分分解解为为 IB0、Ib1m、Ib2m、(2)自给偏置自给偏置v(t)=0，VBE=0；vb(t)由由小小至至大大 IB0 随随之之增增大大 VBE=IB0RB 负向增大。负向增大。自自给给偏偏置置效效应应：这这种种偏偏置置电电压压随随输输入入信信号号电电压压振振幅幅而而变化的效应。变化的效应。(3)自给偏置电路的作用自给偏置电路的作用 用用于于载载波波功功放放，可可以以在在输输入入信信号号振振幅幅变变化化时时起起到到自自动稳定输出电压振幅的作用。动稳定输出电压振幅的作用。用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。若若用用于于线线性性功功率率放放大大器器，会会使使放放大大器器偏偏离离乙乙类类工工作，造成输出信号失真，应当避免。作，造成输出信号失真，应当避免。2.3.2滤波匹配网络滤波匹配网络1位置（输出滤波匹配网络）位置（输出滤波匹配网络）对对交交流流通通路路而而言言，滤滤波波匹匹配配网网络络(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(2+1 条条)(1)变换变换将将外外接接负负载载 RL 变变换换为为放放大大管管所所要要求求的的负负载载 Re，以以保保证证放放大大器器高高效效率率地地输输出所需功率。出所需功率。图图 233基极偏置电路基极偏置电路谐波抑制度谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。：工程上表示滤波性能好坏的参数。设设 IL1m 和和 ILnm 分分别别为为通通过过外外接接负负载载电电流流中中基基波波和和 n 次次谐谐波波分分量量的的振振幅幅，相相应应的的基基波波和和 n 次次谐谐波波功功率率分分别别为为 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(2)滤波滤波充充分分滤滤除除不不需需要要的的高高次次谐谐波波分分量量，以以保保证证在在外外接接负负载载上上输输出出所所需需基基波波功功率率(在在倍倍频频器器中中为为所所需需的的倍倍频频功功率率)。Hn 越越小小，网网络络对对 n 次次谐谐波波的的抑抑制制能能力力越越强强。通通常常n 选选 2，即，即对二次谐波的抑制度对二次谐波的抑制度。(3)高效高效将将功功率率管管给给出出的的信信号号功功率率 Po 高高效效地地传传送送到到外外接接负负载载上上，即要求网络的即要求网络的传输效率传输效率 K=PL/Po 接近接近 1。3讨论讨论(1)谐波抑制度谐波抑制度 Hn 和和 K 间的矛盾间的矛盾(2)说明说明 图图 234LC 谐振回路谐振回路如如图图 234 所所示示，L 和和 C 为为滤滤波波网网络络(简简称称 L 型型网网络络)，rL 为为 L 中的中的固有损耗电阻固有损耗电阻，RL 为外接为外接负载电阻负载电阻。令。令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 (3)谐振功放匹配滤波网络的基本形式谐振功放匹配滤波网络的基本形式组成原则：由异性质电抗元件构成组成原则：由异性质电抗元件构成2.3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 1电路电路(p102 103)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)三、滤波匹配网络参数的计算三、滤波匹配网络参数的计算分析思路分析思路 根据滤波匹配网络完成的功能：根据滤波匹配网络完成的功能：1 1、选频（滤波）、选频（滤波）容抗容抗=感抗感抗 ；2 2、阻抗匹配、阻抗匹配 RL Re。4 4 高频功率放大器高频功率放大器2.4.12.4.1 高频功率管及其大信号输入和输出阻抗高频功率管及其大信号输入和输出阻抗一一 高频功率管结构高频功率管结构二二 大信号输入和输出阻抗大信号输入和输出阻抗n高频功放的设计步骤：高频功放的设计步骤：1、确定组成方案；、确定组成方案；2、选定器件和电路；、选定器件和电路；3、滤波匹配网络设计；、滤波匹配网络设计；4、安装调试、安装调试例 设计一高频功，放用于调频发射机，输入、输出负载均为50，输入信号频率为80MHz，输出信号频率为160MHz，要求输入功率为4mW时，输出负载上的功率PL700mW，二次谐波抑制度小于-30dB，放大器总效率大于50%，电源电压为15V。末级功放的输出滤波匹配网络末级功放的输出滤波匹配网络功率电子线路总结功率电子线路总结低频功放整流与稳压电路：整流电路组成、原理、三种电整流电路组成、原理、三种电路的异同；串联路的异同；串联、并联稳压电路的稳压原理稳压电路的稳压原理甲类变压器甲类变压器耦合功放耦合功放已类互补已类互补推挽功放推挽功放高频谐振功放：性能计算、安全工作原理电路、工作原理、性原理电路、工作原理、性能计算、实用电路（交越能计算、实用电路（交越失真、单电源供电）失真、单电源供电）功率合成技术：理想传输线变压器的性质、魔T混合网络的功能、端口隔离条件端口隔离条件原理电路、工作原理、外特性、原理电路、工作原理、外特性、性能计算、实用电路（直流馈性能计算、实用电路（直流馈电电路、滤波匹配网络）电电路、滤波匹配网络）功率电子线路功率电子线路1-17、两级功放原理电路如图所示，试简述工作原理2-8 高频功放工作在欠压区，要求输出功率Po=5W。已知VCC=24V，VBB=VBE(on),Re=53，设集电极电流为余弦脉冲，即：试求电源供给功率PD、集电极效率。2-15 如图所示为（132-140）MHZ的3W调频发射机的末级、末前级原理电路，两级均为共发放大器，图中有多处错误，试改正。