1、1,谐振功率放大器,2,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,3,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。,4,功率放大器分类,按负载性质划分：非谐振功放：纯电
2、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,5,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,6,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。,7,谐振功率放大器,定义：用谐振系统作为匹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
3、。,8,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。,9,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。,10,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
4、,怎么来的？,11,(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。,12,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)解决方法 , 采用开关工作的谐振功放，即丁类谐振功率放大器。,13,实际电路,14,PSPICE仿真,15,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,16, VCE(
5、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,17,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。（第四章将会说明）。,18,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
6、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）,19,分析步骤 （1）求动态点，即对应不同的t ， 求vBE 和 vCE,设定 VBB、Vbm、VCC、Vcm ，将 t 按等间隔(t = 0， 15， 30， ) 给定数值，由：,便可确定 vBE 和 vCE,20,（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
7、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,21,Pspice中用直流扫描分析 可得到三极管输出特性曲线！,22,23,（3）利用傅里叶级数分解求得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？,24,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
8、沿vBEvBEmax的那条特性曲线向左移动,25, 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 = 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。,26,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
9、就越小。,27,欠压？ 临界？ 过压？,28,四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,29,Vcm、Po、PD、PC、C 随 Re 变化的曲线,Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPoC = Po/ PD,30,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。,31
10、,(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 VCC 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。,32,33,集电极调幅原理电路, 载波, 调制信号, 输出的已调信号,34,35,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
11、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的原理依据。,36,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。,37,38,基极调幅原理电路, 基极偏置电压,39,40,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。,41,放大特性,
12、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。,42,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。,43,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压状态，或 Vbm 的最小值应大于临界状态对应的 Vb
13、m 限幅门限电压。,44,45,四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；,46,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
14、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。,47,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),48,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。,49,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
15、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)。,50,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（容抗很小 短路）构成电源滤波电路。 作用：阻止高次谐波流过直流电源并为其提供短路通道, 以免高次谐波影响直流电源的稳
16、压性能。反之通过直流 Ico，阻止Vcc中的杂波。 ,51,并联馈电电路,三者(直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管)在电路形式上为并接的馈电方式。,LC 高频扼流圈，感抗很大 开路； CC1 隔直电容，容抗很小 短路； CC2 电源滤波电容，容抗很小 短路。,vCE = VCC + vc，与串馈电路相同。,52,串馈与并馈的比较,相同点：两种馈电方式，VCC 都能全部加到集电极上，且VCC均是接在高频电位的地电位端。,不同点：滤波匹配网络的接入方式。,串馈优点：LC和CC处于高频地电位, 它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率；缺点：网络元件不能直接接地, 安装调整不方便;电源直流供电电
17、流流过谐振回路。,并馈优点：回路处于直流地电位, L、C元件可接地, 故安装调整方便；电源直流供电电流不流过谐振回路。缺点：由于LC和CC1不处于高频地电位, 它们对地的分布参数直接影响回路的谐振频率。,53,基极馈电线路,作用：为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。,54,图(a)基极偏置电压由 VCC 通过 RB1 和 RB2 分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。,图(b)(c)自给偏置电路，偏置电路为：LB、RB、CB1。RB ：产生压降，提供自偏电压；LB ：避免 RB、CB1 对输入滤波匹配网络的旁路影响。,55,自给偏置电路,自给偏压的产生,图 (b)
18、，vb 0 ib 0，为脉冲电流，可分解为 IB0、Ib1m、Ib2m 、,自给偏置,v(t) = 0， VBE = 0；vb(t) 由小至大 IB0 随之增大 VBE = IB0RB 负向增大。,自给偏置效应：这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应。,56,自给偏置电路的作用： 放大器中引入自给反偏压是稳定工作点； 丙类谐振功放引入基极自给反偏压是稳定工作状态，克服非线性失真； 振荡器中自给偏压的作用是稳定输出电压的振幅； 若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，造成输出信号失真，应当避免。,57,滤波匹配网络,位置（输出滤波匹配网络）,对交流通路而言，滤波匹配网络介于功率管 T
19、和外接负载 RL 之间。,58,对滤波匹配网络的要求,将外接负载 RL 变换为放大管所要求的负载 Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。 充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证在外接负载上输出所需基波功率(在倍频器中为所需的倍频功率)。,谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。,IL1m 和 ILnm 分别为通过外接负载电流中基波和 n 次谐波分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波功率分别为 PL 和 PLn,Hn 越小，网络对 n 次谐波的抑制能力越强。通常n 选 2，即对二次谐波的抑制度。,59,高效,将功率管给出的信号功率 Po 高效地传送到外接负载上，即要求网络的传输效率 K =
20、 PL/ Po 接近 1。,讨论,谐波抑制度 Hn 和 K 间的矛盾,例：在高 Q 条件下，回路的有载品质因数,60,谐振功放匹配滤波网络的基本形式(前面已讲）,61,谐振功率放大电路,62,63,64,一般来说, 在400MHz以下的甚高频(VHF)段, 匹配网络通常采用集总参数LC元件组成, 而在400 MHz以上的超高频(UHF)段, 则需使用分布参数的微带线组成匹配网络, 或使用微带线和LC元件混合组成。,65,设计一谐振功率放大器，主要指标： 工作频率10MHz 放大器输入、输出阻抗50欧 三极管采用Q2N2222.集电极采用串馈供电，电源电压15V，基极采用自给偏置方式供电；注意三极管极限参数：Icm=800mA,Pcm=1.2W,Vcemax=30V. 设计合理的输出匹配网络及输入匹配网络 在满足IcIcm(800mA)下的最大输出功率 在最大输出功率时信号的输入功率 分析最大输出功率时的电源功耗、集电极功耗、效率、功率增益及二次谐波失真。,66,
