Upload
quinn-johns
View
138
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
第 7 章 高频谐振放大器. 高频谐振功率放大器有三个主要任务: ① 输出足够的功率; ② 具有高效率的功率转换; ③ 减小非线性失真。. 7.2 高频谐振功率放大器. 7.2.1 谐振功率放大器的基本工作原理 1. 工作原理 谐振功率放大器的原理电路如图 7.1 所示。. 图 7.1 谐振功率放大器的原理电路. θ=180° ,为甲类工作状态 θ=90° ,为乙类工作状态 θ < 90° ,为丙类工作状态 - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
第 7 章 高频谐振放大器
高频谐振功率放大器有三个主要任务:
① 输出足够的功率;
② 具有高效率的功率转换;
③ 减小非线性失真。
7.2 高频谐振功率放大器
7.2.1 谐振功率放大器的基本工作原理
1. 工作原理
谐振功率放大器的原理电路如图 7.1 所示。
图 7.1 谐振功率放大器的原理电路
iB
iC
R L
C cC
b
ub
U BB U CC
uBE+
--
+
u CE
V
LC
-
+
uo
θ=180° ,为甲类工作状态
θ=90° ,为乙类工作状态
θ < 90° ,为丙类工作状态
图 7.2 所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态。在丙类工作状态下, uBE=UBB+Ubmcosωt 较小,且 uBE >Uon 时才有集电极电流流过,故集电极耗散功率小、效率高。
图 7.1 中,输出回路中用LC谐振电路作选频网络。这时,谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压,如图 7.2(e) 所示。由于晶体管工作在丙类状态,晶体管的集电极电流 iC 是一个周期性的余弦脉冲,用傅氏级数展开 iC ,则得
iC =Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt
(7―1)
图 7.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形
(a )
(b )
(c )
(d )
t
iC
Uon
转移特性
0
iC
t
t
t
t
t
U bm
£
uBE
ub
£
iCmax
U on
UBB
u BE
i B
iC
u CE
U CC
U CEmin
£
£
U bm
U BB
(e )
2. 电路的性能分析 准线性折线分析法的条件如下: (1) 忽略晶体管的高频效应。 (2) 输入和输出回路具有理想滤波特性。 uBE=UBB+Ubmcosωt (7―2)
uCE=UCC-Ucmcosωt (7―3)
(3) 晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。
图 7.3 晶体管折线化后的转移特性曲线及 ic 电流
t
iC
£
i
Cmax
U BBu
BE
uB
E
iC
0
0
U on
t
0
Ubm
1) 余弦脉冲分解 图 7.3 所示是用晶体管折线化后的转移特
性曲线绘出的丙类工作状态下的集电极电流脉冲波形,折线的斜率用 G 表示。
设输入信号为 ub=Ubmcosωt ,发射结电压为 uBE=UBB+Ubmcosωt, 晶体管折线化后的转移特性为
BE on
BE on
0 u U
( ) u >U{
BE onC
G u Ui
(7―4)
将 uBE=UBB+Ubmcosωt 代入上式,可得
iC=G(UBB+Ubmcosωt-Uon) (7―5)
由图 7.3 可得,当 ωt=θ 时, iC=0, 代入式 (7―5) ,可求得
0=G(UBB+Ubmcosθ-Uon ) (7―6)
cos
arccos
on BB
bm
on BB
bm
U U
U
U U
U
(7―7)
(7―8)
式 (7―5) 减式 (7―6) ,得
iC=GUbm(cosωt-cosθ) (7―9)
当 ωt=0 时 , 将 iC=iCmax 代入式 (7―9) ,可得
iCmax=GUbm(1-cosθ) (7―10)
式 (7―9) 与式 (7―10) 相比,可得 max
cos cos
1 cosC C
ti i
(7―11)
式 (7―11) 是集电极余弦脉冲电流的解析表达式,
它取决于脉冲高度 iCmax 和导通角 θ 。利用傅里叶级数
将 iC 展开
1 2
1
cos cos2 cos
cos
C co c m c m cnm
co cmn
i I I t I t I n t
I I n t
(7―12)
求得上式中各次谐波分量
max
0 max
max1
1 max
max2
max
1 1 sin cos( ) ( )
2 1 cos( )
1 sin coscos ( )
1 cos( )
1 2 sin cos sin coscos ( )
( 1)(1 cos )
( )
co C C
C
Cc C
C
Ccn C
n C
I i d t i
a i
iI i td t
a i
i nI i n td t
n n
a i
(7―13)
(7―14)
(7―15)
图 7.4 余弦脉冲分解系数
1
0
2
3
20 40 60 80 100 120 140 160 180
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
n,
1/
0
/ (°)
g1(θ)
放大器的输出功率 Po 等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻 RP 上的功率,即
22
1 1
1 1 1
2 2 2cm
o c cm c PP
UP I U I R
R (7―16)
集电极直流电源供给功率 PDC 等于集电极电流直流
分量与 UCC 的乘积
0DC CC cP U I (7―17)
放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给
功率之比,即
1 11
0
1 1 ( ) 1( )
2 2 ( ) 2o cm c
cDC CC co
P U I ag
P U I a
(7―18)
由式 (7―18) 可求得不同工作状态下放大器效率分别为:
甲类工作状态, θ=180° , g1(θ)=1 , ηc=50% ;
乙类工作状态, θ=90° , g1(θ)=1.57 , ηc=78.5% ;
丙类工作状态, θ=60° , g1(θ)=1.8 , ηc=90%
7.2.2 谐振功率放大器的调制特性 1. 谐振功率放大器的动态线 当放大器工作在谐振状态时,由图 7.5 可得,电路的外部关系 uBE=UBB+Ubmcosωt
uCE=UCC-Ucmcosωt
由上两式可得
CC CE
BE BB bmcm
U uu U U
U
(7―19)
将式 (7―19) 代入式 (7―4) ,得动态线方程式
( )CC CEC c BB bm on
cm
U ui G U U U
U
(7―20)
令 uCE=UCC 时, iC=Gc(UBB-Uon) 为图 7.6 中的 Q 点;再令 iC=0 时, 为图 7.6 中的 B 点。
BB onCE CC cm
bn
U Uu U U
U
图 7.5 谐振功率放大器
u b
£«
£
UBB
UCC
CV L
uCE
£«
£«
£
u o
£
iC
iB
uBE
图 7.6 谐振动率放大器的动态线和集电极 iC 电流波形
Uon
iC
uBE
£
i Cmax
U BB
iC i C
Gc
uB
E
0
0
Ubm
t
UC
Emin
Ucm
O
0
uCE
uC
E
u BE £½U BEmaxA
C B D
Qt
t
Ucm (1£ cos
)
谐振功率放大器的动态负载电阻 Rc 可用动态线斜率的倒数求得:
11( ) (1 cos )c pcm
c pc bm c bm
I RUR R
G U G U (7―21)
2. 谐振功率放大器的三种工作状态
1) 欠压状态
2) 临界状态
3) 过压状态
图 7.7 三种工作状态
t
i C i C i C i C
0 0 0 0
0
u CE
uCE
R P 增大
A 1A2
A 4
A 3
A 5U
cm3
Ucm
2
Ucm
1
3. RP 、 UCC 、 Ubm 、 UBB 变化对工
作状态的影响
1) RP 变化对工作状态的影响
图 7.8 RP 变化时的 iC 波形
i C
t0
i C
tt
iC
t
iC
0 0 o
RP增大
图 7.9 谐振功率放大器的负载特性
U , I
Ucm
Ic1m
I c0
R P临界 过压欠压
P , P
DC
P o
R P临界 过压欠压
c
P c
由图 7.9 可以得到以下结论:( 1 )在欠压工作状态下 ( 2 )在临界工作状态下
(3) 在过压工作状态下
22(min)( )1 1
2 2CC CEcm
Po o
U UUR
P P
(7―22)
2) UCC 变化对工作状态的影响
3) Ubm 变化对工作状态的影响
4) UBB 变化对工作状态的影响
图 7.10 UCC 变化对工作状态的影响
图 7.11 Ubm 变化对工作状态的影响
图 7.12 UBB 变化对工作状态的影响
7.2.3 谐振功率放大器电路 谐振功率放大器的管外电路由两部分组成:直流
馈电电路部分和滤波匹配网络部分。 1. 直流馈电电路
图 7.13 集电极馈电电路
C c
LC
-
+
uo
(a )
Lc
V
LC
-
+
uo
V
C c
UCC
U CC
(b )
L c
C c¡ä
图 7.14 基极馈电电路
LC
V
C1U
BB
L ¡ä
(a )
LC V
C 2U
BB
C1
(b )
图 7.15 自给偏置电路
V
Cb2
L b
(a )
C b1
Rb
VC b
Re
Ce
L b
(b )
2. 滤波匹配网络 功率放大器通过耦合电路与前后级连接。这种耦
合电路叫匹配网络,如图 7.16 所示,对它提出如下要求:
(1) 匹配:使外接负载阻抗与放大器所需的最佳负载电阻相匹配,以保证放大器输出功率最大。
(2) 滤波:滤除不需要的各次谐波分量,选出所需的基波成分。
(3) 效率:要求匹配网络本身的损耗尽可能小,即匹配网络的传输效率要高。
图 7.16 滤波匹配网络在电路中的位置
V 滤波匹配网络
R P
P oP L R L
I L1m
根据等效原理,由于图 7.17(a) 、 (b) 的端导纳相等,即
1 1 1
P P s sR jX R jR
由上式可以得到从串联转换为并联阻抗的公式,即2 2
2
2 2
2
(1 )
1(1 )
s sp s T
s
s sp s
s T
R XR R Q
R
R XX X
X Q
(7―23)
式中 ,QT 为两个网络的品质因数,其值为
psT
s p
RXQ
R X (7―24)
图 7.17 串并联阻抗变换
(a )
R PX P
X s
R s
(b )
1) L型匹配网络
图 7.18 (a)是L型匹配网络,其串臂为感抗 Xs ,并臂为容抗 XP , RL 是负载电阻。 Xs 和 RL 是串联支路,根据串并联阻抗变换原理,可以将 Xs 和 RL 变为并联元件 X′P 和 RP ,如图 7.18 ( b )所示。
图 7.18 L型网络的阻抗变换
(a )
V
Ro
R LX P
X s
(b )
V
Ro
R PX PX P¡ä
令 XP+X ′P=0 ,即电抗部分抵消,回路两端呈现2(1 )o p TR R Q (7―25)
由式 (7―25) 求出 QT ,再代入式 (7―23) ,便可求出L型网络各元件参数的计算公式(图 7.18 中的 RL 相当于式 (7―23) 中的 Rs ):
2 )T型匹配网络 图 7.19 (a)是T型匹配网络,其中两个串臂为
同性电抗元件,并臂为异性电抗元件。为了求出T型匹配网络的元件参数,可以将它分成两个L型网络,如图 7.19 ( b )所示。然后利用L型网络的计算公式,经整理便可最终得到计算公式。
RP=RL(1+Q2T2) (7―27)
2 2
22
( )a T L L P L
P Lp P
T P L
X Q R R R R
R RX R
Q R R
(7―28)
图 7.19 T型网络的阻抗变换
(a )
V
R o
RLX P
X s1 X s2
(b )
V
R o
X P 1
X s1
R P
RL
X s2
X P 2
图( b )中的第一个L型网络与图 7.18(a) 的网络是相反的,因此,可以将R o视为R L ,即
2P L T1
1 1
11
R =R (1+Q )
( )a T o o P o
P op P
T P o
X Q R R R R
R RX R
Q R R
(7―30)
(7―29)
3 )Π型匹配网络
Π型匹配网络如图 7.20 所示,分析过程也是将Π
型网络分成两个基本的L型网络,如图 7.20(b) 所示,
然后按L型网络进行求解。
图 7.20 Π型网络的阻抗变换
(a )
V
Ro
R LX P 1
X s
(b )
V
Ro
X P 1
X s1
R L
X s2
X P 2X P 2
11
222
1
21 1
1 2 21
11
1
22 1
2
(1 ) 1
(1 ) 1
1
(1 ) 1
op
T
L Lp
T LT
o
LT T
os s s
T
soT
pp
L LT T
op
RX
Q
R RX
Q RQ
R
RQ Q
RX X X
Q
XRQ
RX
R RQ Q
RX
式中
(7―31)
(7―32)
R s 是并联转换成串联的等效电阻。由式 (7―23) 求得
221
Ls
T
RR
Q
3. 谐振功率放大器的调谐与调配 谐振功率放大器在设计组装之后,还需要进行调
整,以达到预期的输出功率和效率。谐振功率放大器的调整包括调谐与调配,下面分别进行讨论。
1) 调谐 2) 调配 3) 调谐与调配的方法
图 7.21 谐振功率放大器在不同负载状态下的电压电流波形
u BE
t
ub
i C
u CE u c
u CEmin
U CC
(a )
u BE uBE
i C
u CE
(b )
U BB
u BE
t
i C
t
u CE
t
(c )
t
t
t
tt
图 7.22 调谐放大器调整电路
LC 1
Cc
天线
C2
I AACb
ub
V
- +
UCC
Rb
Lc
Cc¡ä
A
图 7.23 谐振功率放大器的调谐与调配特性
Ic0
(a ) (b )
谐振点 谐振点0 0
C 1 C 2
Ib0 I
AI
c0
I
Ib0
I A
I c0
4. 谐振功率放大电路 (1) 图 7.24 所示是一个工作频率为 160MHz 的谐振
功率放大电路。
图 7.24 工作频率为 160MHz 的谐振功率放大电路
17 pF
50
C 45 pF
L
16 nHL28 nH
£ 28 V
C c
V L280 nH
L
97 nH
C
16 pF
10 pF
50
C
(2) 图 7.25 所示是一个工作频率为 150MHz 的谐振功率放大电路。其 50Ω 外接负载提供3W功率,功率增益达 10dB 。
图 7.25 工作频率为 150MHz 的谐振功率放大电路
£ 39 pF
50
C 220 pF
V L2
47 nH - 47 pFC 1
C 2
39 pF C b
L1
Lb
Rb
20
0.01 F
Cc1
R c 100 C
c2
C4
40 pF L3
100 F
Cc3
C 5C
6
10 pF
C7
22 pF
10.8 V
C8
22 pF
L4
L5
2匝
3匝 2匝 2匝
0.01 F 0.01 F
L c4.7