3-1丙类谐振功放的工作原理及特性分析.课件.ppt
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- 谐振 功放 工作 原理 特性 分析 课件
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1、1第3章 高频功率放大器23.1 丙类丙类(C类)谐振功率放的工作原理类)谐振功率放的工作原理3.2 谐振功放的性能分析谐振功放的性能分析3.3 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路3.4 丁(丁(D)类和戊()类和戊(E)类谐振功率放大器)类谐振功率放大器3.5 集成高频功率放大器及其应用简介集成高频功率放大器及其应用简介3.6 宽带高频功率放大器电路宽带高频功率放大器电路3学习目的:学习目的:1 1、高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成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3 3、高频功率放大器的外部特性高频功率放大器的外部特性4 高频(谐振)功率放大器高频(
2、谐振)功率放大器在发射机中的位置在发射机中的位置从图中可见,高频功放是无线发射机的重要组成部分从图中可见,高频功放是无线发射机的重要组成部分5 在无线电广播和通信发射机中,为了获得大功率的高在无线电广播和通信发射机中,为了获得大功率的高频信号,必须采用高频功率放大器。频信号,必须采用高频功率放大器。窄带高频功率放大器:窄带高频功率放大器:宽带高频功率放大器:宽带高频功率放大器:通常以通常以LC并联谐振回路作负载,又称为并联谐振回路作负载,又称为谐振功率放大器。谐振功率放大器。以传输线变压器为负载,因此又称为以传输线变压器为负载,因此又称为非谐振功率放大器。非谐振功率放大器。高频功率放大器按工作
3、频带的宽窄可分:高频功率放大器按工作频带的宽窄可分:61 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、放大的实质:、放大的实质: 实质是一种能量转换。将电源提供的直流功率转变成实质是一种能量转换。将电源提供的直流功率转变成交流信号功率输出。交流信号功率输出。3 3、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出74.工作状态工作状态 1、:工作点设置在放大区工作点设置在放大区; 输入信号输入信号ui在整个周
4、期都有集电极电流在整个周期都有集电极电流ic产生,如图。产生,如图。ICUCEOQiCtO优点:无失真,波形好优点:无失真,波形好,;缺点:静态缺点:静态I IC较大,管耗大,效率低。转换效率约为较大,管耗大,效率低。转换效率约为50%。8 2、:工作点设置在截止点上工作点设置在截止点上; 晶体管只在输入信号的半个周期内导通,有集电极电流晶体管只在输入信号的半个周期内导通,有集电极电流ic产生,如图。产生,如图。优点:优点: 静态静态I IC=0,管耗小效率高。效率约为,管耗小效率高。效率约为78.5%。缺点:输出脉冲电流,波形严重失真。缺点:输出脉冲电流,波形严重失真。ICUCEOQiCtO
5、9ICUCEOQiCtO 3、:工作点设置在放大区靠近截止点的位置;工作点设置在放大区靠近截止点的位置; 晶体管导通的时间大于半个周期,在输入信号的大半个晶体管导通的时间大于半个周期,在输入信号的大半个周期内导通,有集电极电流周期内导通,有集电极电流ic产生,如图。产生,如图。优点:静态优点:静态I IC 0,管耗小,效率高。效率约为,管耗小,效率高。效率约为50%78.5%。缺点:严重失真。缺点:严重失真。10 4、:工作点设置在截止区以内工作点设置在截止区以内; 晶体管导通的时间小于半个周期,在输入信号的小半个晶体管导通的时间小于半个周期,在输入信号的小半个周期内导通,有集电极电流周期内导
6、通,有集电极电流ic产生,如图。产生,如图。78.5%。缺点:输出电流波形严重失真。缺点:输出电流波形严重失真。11 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式,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丙类状态,属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类状态,属于非线性电路123.1 丙类(C类)谐振功放的工作原理13 一、一、基本电路原理基本电路原理1、电路组成、电路组成晶体管晶体管谐振回路谐振回路输入回路输入回路偏置电路偏置电路 VCC、VBB为集
7、电极和基极的直流电源电压。为集电极和基极的直流电源电压。为使晶体为使晶体管工作在丙类状态,管工作在丙类状态,VBB应小于晶体管的导通电压应小于晶体管的导通电压uBE(on),在没有输入信号时,晶体管处于截止状态,在没有输入信号时,晶体管处于截止状态,ic=0。iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC图3.1.3丙类谐振功放原理电路14 由于由于RL比较大,所以,谐振回路的品质因数比较小;比较大,所以,谐振回路的品质因数比较小;但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。但不影响谐振回路对谐波成分的抑制作用。L、C为滤波匹配网络,与为滤波匹配网络,与RL构成并联谐振回路,作为
8、晶体构成并联谐振回路,作为晶体管集电极负载。管集电极负载。选频滤波选频滤波阻抗匹配阻抗匹配完成以下功能:完成以下功能:仿真1仿真215uBE(on)VBBtVCCtttuBEiBiCucUcmUcmuim高频高频功率放大器功率放大器中各分电压与电流的关系中各分电压与电流的关系162、电流、电压波形、电流、电压波形设输入一高频余弦信号为设输入一高频余弦信号为则则 当当uBE的瞬时值大于基射间导通的瞬时值大于基射间导通电压电压UBE(on) 时,晶体管导通,产生时,晶体管导通,产生基极脉冲电流基极脉冲电流iB,相应产生集电极,相应产生集电极脉冲电流脉冲电流ic,如图所示。,如图所示。基极电流和基极
9、电流和集电极电流为周期性非正弦函数。集电极电流为周期性非正弦函数。17用傅里叶级数展开得用傅里叶级数展开得cnccccciiiiIi3210式中:式中:Ico为直流电流分量为直流电流分量iC1为基波分量;为基波分量; iC1=Icm1COSCOSct iC2为二次谐波分量;为二次谐波分量;iC2=Icm2COSCOS2ct iCn为为n次谐波分量;次谐波分量; iCn=IcmnCOSCOSnct 18当集电极回路调谐在输入信号频率当集电极回路调谐在输入信号频率上时(即与高频输入信号上时(即与高频输入信号的基波谐振时):的基波谐振时):谐振回路对基波电流而言等效为一纯电阻谐振回路对基波电流而言等
10、效为一纯电阻Re ;对其他各次谐波,回路因失谐呈现很小的电抗,可看成短路;对其他各次谐波,回路因失谐呈现很小的电抗,可看成短路;直流分量只能通过回路电感线圈,直流电阻较小,可看成短路。直流分量只能通过回路电感线圈,直流电阻较小,可看成短路。 这样,脉冲电流这样,脉冲电流ic流经谐振回路流经谐振回路时只有基波电流才产生压降。时只有基波电流才产生压降。19 可见,利用谐振回路的选频作用,可以将失真的集可见,利用谐振回路的选频作用,可以将失真的集电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。电极脉冲电流变换为不失真的余弦电压输出。晶体管集射间的电压为晶体管集射间的电压为:)cos()2cos()cos(2
11、10nwtIwtIwtIIicnmmcmccc其中,其中,Ucm为基波电压振幅。为基波电压振幅。若回路谐振电阻为若回路谐振电阻为Re,则,则20谐振功放工作原理小结:谐振功放工作原理小结: 设置设置VBB UBE(on) ,使晶体管工作于丙类。当输入信号,使晶体管工作于丙类。当输入信号较大时,可得集电极余弦电流脉冲。将较大时,可得集电极余弦电流脉冲。将LC回路调谐在信号频回路调谐在信号频率上,就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。率上,就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC谐振功放原理电路21二、二、 输出功率与
12、效率输出功率与效率1.放大器的输出功率放大器的输出功率PO2.集电极直流电源供给功率集电极直流电源供给功率PD3.集电极耗散功率集电极耗散功率PC4.放大器效率放大器效率c其中其中 集电极电流利用系数,又称波形系数。集电极电流利用系数,又称波形系数。为集电极电压利用系数。为集电极电压利用系数。mCmCIIg011)( 三、三、 余弦电流脉冲的分解余弦电流脉冲的分解略去略去uCE对对iC的影响,的影响,将转移特性折线化将转移特性折线化BE(on)BEUu 0C iBE(on)BEUu )(BE(on)BEcCUugi ) cos(imBBBEtUVu ) cos(BE(on)imBBcCUtUV
13、gi )cos(cosimcCtUgi当当 t = 0 时,时,iC=iCmax )cos1 (imcCmaxUgiiC 表示为表示为 cos1coscosCmaxC tii利用傅里叶级数,将脉冲序列利用傅里叶级数,将脉冲序列iC展开展开:tnIIinn cos1mcC0C 当当 t = 时,时,iC=0 cosimBBBE(on)UVU ) cos(BE(on)imBBcCUtUVgitdiI CC021ttdiI cos21Cc1m )(0Cmax i )(1Cmax i )(Cmaxni00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140 160 180
14、 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( )的函数是称为余弦电流分解系数,)(n)(0)(1)(0)(1I)(1maxmax01cccmcmiiIgttdniIcos21Ccnm波形系数波形系数tnIIinn cos1mcC0C 25值越小,值越小,g1()值越大,效值越大,效率越高。率越高。效率效率:DoCPPCCcmC0c1m21VUII )(211g CCcm01)()(21VU 若若=1时,时,)(211gc00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140 160 180 n()g1() 3() 2() 0 ()1 ()g1
15、()2.01.0甲类工作状态:甲类工作状态:180 1)(1 g%505 . 0C 乙类工作状态:乙类工作状态:90 2/)(1 g%5 .784/C 丙类工作状态:丙类工作状态:设设60 8 . 1)(1 g%90C 00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140 160 180 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( ) 可见,丙类工作状态的效率最高,当可见,丙类工作状态的效率最高,当=60时,效率可时,效率可达达90,随着,随着的减小,效率还会进一步提高。但当的减小,效率还会进一步提高。但当40后后,波形系数的增加很缓慢,也就
16、是说波形系数的增加很缓慢,也就是说 过小后,放大器效过小后,放大器效率的提高就不显著了率的提高就不显著了,此时的,此时的 下降迅速,为了达到一定下降迅速,为了达到一定的输出功率,所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大,的输出功率,所要求的输入激励信号电压的幅值将会过大,从而对前级提出过高的要求。从而对前级提出过高的要求。 )(1a00.10.20.30.40.50.6 20 40 60 80 100 120 140160180 n( ) 3( ) 2( ) 0 ( ) 1 ( )g1 ( ) 谐振功率放大器一般取谐振功率放大器一般取为为70左右。左右。显然不行但输出功率为最大0,)(, 01g
17、效率太低但接近甲类放大器输出功率最大最大时,)(1201O成倍频器就可把功率放大器改装调到若将谐振回路中心频率利用这一特点振幅取到最大值即)最大(时从图中还可以看出2,6022cmOI 例图例图3.1.1所示电路中,所示电路中,VCC = 24 V,Po = 5W, = 70 , = 0.9, 求该功放的求该功放的 C、 PD、PC、iCmax 和回路谐振阻抗和回路谐振阻抗Re。解:CCcm01C)()(21VU %799 . 075. 121)(211 gCoD PP )W( 3 . 679. 05 )W( 3 . 153 . 6oDC PPPcmc1m21oUIP 因因为为CC1Cmax2
18、1)(Vi )A( 05. 1)(2 CC1oCmax VPi 故故)( 5 .46)(Cmax1CCc1mcmeiVIUR29 3.2 谐振功率放大器的特性分析6/7/2022 9:14 PM30放大器工作状态的分类:放大器工作状态的分类:丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区饱和区分:欠压(不进入饱和区)过压(进入饱和区)临界(达到临界饱和)6/7/2022 9:14 PM31当当放放大大器器工工作作在在谐谐振振状状态态时时,其其外外部部电电路路电电压压方方程程为为:若设:若设:tUuimicos输入端:输入端:tUuimBBBEcosV输出端:输出端:tUucmCcosVCCE其中:其中:t
19、UuCmccos 一、高频功率放大器的工作状态一、高频功率放大器的工作状态 iC+uiRL+uCE+ uBE VCCVBBiB+uc+ +LC 1.高频功放的动态特性高频功放的动态特性 即当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶体管集电极电流即当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶体管集电极电流iC与与uBE、uCE的关系曲线。的关系曲线。6/7/2022 9:14 PM32uceicAOVCCQ)V(VV:EC)(,onBBBcQcCceBBBEUgIiuuQ令令o0t CmCCceceimBBbebeUVuuUuuAminmaxV:连连接接Q、A两两点点即即得得动动态态特特性性曲曲线线。Ucmc u
20、ceminubemaxui=06/7/2022 9:14 PM33 A A1 1点处于放大区称为点处于放大区称为欠压(欠压(UndervoltageUndervoltage)状)状态态 A A2 2点处于临界区称为点处于临界区称为临界(临界(CriticalCritical)状态)状态 A A3 3点处于饱和区称为点处于饱和区称为过压(过压(OvervoltageOvervoltage)状态)状态功率放大器三种工作状态和状态波形功率放大器三种工作状态和状态波形6/7/2022 9:14 PM342.欠压、临界和过压工作状态欠压、临界和过压工作状态 (1)欠压:欠压:uCEmin 对应的对应的动
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