通信電路與系統(tǒng)：第二章 諧振功率放大

1、1第二章 諧振功率放大2主要內(nèi)容2-1 概述2-2 非線性電路及其分析方法2-3 并聯(lián)諧振回路2-4諧振功率放大器的基本工作原理2-5諧振功率放大器的動態(tài)特性3信號發(fā)生與高頻信號的功率放大問題主要概念：丙類(C類)工作狀態(tài)（由放大效率問題引出）本章要點4諧振功率放大器與LC正弦波振蕩器的共同特點：1、工作于丙類工作狀態(tài)2、負載都是并聯(lián) LC諧振回路非線性器件帶通濾波器正反饋網(wǎng)絡(luò) 3、都是非線性電路5高頻諧振功率放大器和正弦波振蕩器在AM通信系統(tǒng)中的應(yīng)用2-1 概述諧振功率放大器和正弦波振蕩器在通信系統(tǒng)中的作用 6諧振功率放大器原理電路及其等效LC回路7LC正弦波振蕩器原理電路并聯(lián)LC回路反饋網(wǎng)

2、絡(luò)UoUf電源提供直流能量直流/交流換能裝置82-2非線性電路及其分析方法簡述 常用電路元件包括：（1）線性元件；（2）非線性元件；（3）時變參量元件。uioquo線性電阻u-i曲線非線性電容q-u曲線9線性電路：僅由線性元件組成的電路。輸入/輸出之間同時滿足“疊加性”和“均勻性”。該電路可用線性代數(shù)方程或者線性微分方程描述。10同時滿足“疊加性”和“均勻性”： 均勻性： 疊加性：11非線性電路：至少包含一個非線性元件的電路。該電路可用非線性代數(shù)方程或者非線性微分方程描述。非線性電路的分析法：1數(shù)值迭代法2工程近似法：折線法；冪級數(shù)法；開關(guān)函數(shù)法。12折線分析法 輸入信號幅度較大，常跨越器件的

3、不同特性工作區(qū)，用分段折線近似代替器件的非線性特性曲線。 分段折線函數(shù)實際上就是分段線性方程，數(shù)學分析非常簡單，利于手工計算。 13冪級數(shù)法 輸入信號幅度較小時，如非線性元件的轉(zhuǎn)移V-A特性已知，并滿足在工作點級數(shù)展開的條件，即 若此時輸入的交流信號幅度瞬時值-偏置很小，故級數(shù)中的高階量可視為“無窮小量”被忽略，便于進行手工計算。 14非線性電路與線性電路分析方法的異同點：（1）相同點：基爾霍夫電流、電壓定律對兩類電路均適用，可利用該定律列寫節(jié)點方程和回路方程。 15（2）相異點：a因線性電路具有疊加性和均勻性，故多個信號激勵電路時，可分別計算每個激勵的響應(yīng)并疊加為總的輸出響應(yīng)。非線性電路不可

4、以。 b線性系統(tǒng)的傳輸特性僅由其本身參數(shù)決定，并可以由沖擊響應(yīng)或頻域傳函表示，與外激勵無關(guān)；非線性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)不僅與本身有關(guān)，還與外激勵有關(guān)。 c.非線性電路可產(chǎn)生新的頻率分量.線性電路在正常工作情況下,且不產(chǎn)生失真條件下,輸出頻率和輸入頻率相同(如小信號放大器).而非線性電路的輸出頻率中產(chǎn)生很多和輸入頻率不同的分量(如振蕩,混頻,調(diào)制和解調(diào)).162-3 并聯(lián)諧振回路實際電感（包含損耗電阻r）等效為（1）（2）Is一、并聯(lián)LC回路的電路分析L17回路（1）與回路（2）之間，以導納等效為原則，可進行“串聯(lián)支路”到“并聯(lián)支路”的變換。實際電感（包含損耗電阻r）等效為（1）（2）Is18則 為“

5、空載回路”的空載品質(zhì)因數(shù)實際電感（包含損耗電阻r）等效為（1）（2）Is令：19為“空載回路”的空載品質(zhì)因數(shù)當電感的Q1時,有式中，為“空載回路”的空載諧振電阻20對于回路（2），總導納為：實際電感（包含損耗電阻r）等效為（1）（2）Is21諧振頻率為： (Hz) (rad/s)諧振角頻率為：稱為回路諧振22式中，稱為廣義失諧其阻抗特性為:232425Uo0.707UmBR/2-/2回路阻抗幅頻和相頻特性26回路呈電容特性。 回路呈電感特性； ，回路發(fā)生諧振 回路呈電阻特性； ，諧振電阻BR/2回路阻抗幅頻和相頻特性27二、回路的頻率響應(yīng)采用恒流源Is激勵時，回路的端電壓的模及其與輸入電流之間

6、的相角分別為：分別為LC回路的幅頻特性和相頻特性，它們共同構(gòu)成回路的頻率響應(yīng)。28Uo0.707UmB29通頻帶Uo0.707UmB30三、并聯(lián)LC諧振回路的三個主要用途1、帶通選頻（諧振負載，帶通濾波器）線性掃頻恒流源輸入 回路輸出電壓 回路對不同頻率信號的響應(yīng)不同，其中對諧振頻率的響應(yīng)最強烈，因為此刻發(fā)生回路共振。 LC回路可作為帶通濾波器(BPF: Band pass Filter)。31調(diào)整回路的Q值可以改變通頻帶。Q0 Q0 Q0 R0 R0 R0322、頻率/相位變換（相位鑒頻器使用）333、可變電抗（泛音晶體振蕩器使用）LC回路輸出電壓相對于輸入電流的相移為 輸出電壓相位滯后于輸

7、入電流，回路呈電容特性。 輸出電壓相位超前于輸入電流相位，回路呈電感特性； ，回路發(fā)生諧振 輸出電壓相位等于輸入電流相位，回路呈電阻特性； ，34 可以利用LC回路的這一性質(zhì)，合理設(shè)計L、C參數(shù)值，使回路在某一輸入信號頻率上呈現(xiàn)所需要的電抗特性。 35四、參數(shù)分析1空載諧振電阻與品質(zhì)因數(shù) 當=0時，有2有載諧振電阻與品質(zhì)因數(shù)當回路并聯(lián)上一個外部負載電阻RL，則此時的諧振電阻為有載諧振電阻，即： 36空載回路的通頻帶為 (rad/s) 或 (Hz) 3通頻帶 37有載回路的通頻帶為 (rad/s) 或 (Hz) 38源電阻和負載阻抗對回路的影響和減小次影響的方法-部分接入2-10 回路接入源電阻

8、和負載阻抗39Rs,RL時其影響就不存在.為了減小其影響,可采用部分接入使其接入回路兩端的阻值加大.圖2-11 部分接入X1,X2為同性電抗40411 電容部分接入422 電感部分接入若同名端相反時,互感M前為負號432-4諧振功率放大器的基本工作原理功率放大器的分類1)按導通角（）分44放大器的工作狀態(tài)晶體管放大器按照晶體管集電極電流導通角大小分為：不同狀態(tài)的放大器集電極電流導通角放大效率甲類放大器(Class A amplifier)最低乙類放大器 (Class B amplifier)丙類放大器 (Class C amplifier)丁類放大器 (Class D amplifier)更小

9、最高集電極電流導通角定義：正弦信號激勵下，放大器的集電極電流通角的1/2稱為導通角。452）按晶體管等效電路分A、B、C類：晶體管等效為受控電流源；D、E、F類：晶體管等效為開關(guān)3）按線性、非線性分線性： A、AB、B類（AB、B類放大器一般作成推挽式，所以視為線性）非線性： C、D、E、F類46甲類功率放大器icticICQQuCE幾種功率放大器分析uBE1uBE2uBE3uBE4uBE5放大器的工作狀態(tài) 47甲類（Class-A）放大器 晶體管的工作點在其線性部分中點，不論信號電平如何變化，它從電源取出的電流總是恒室不變，它是低效率的，用作聲頻放大時由于信號幅度不斷變化，其實際效率不可能超

10、過25%，可由單管或推挽工作。甲類放大器的優(yōu)點是無交越失真和開關(guān)失真，而且諧波分量中主要是偶次諧波，在聽感上低音厚實、中音柔順溫暖、高音清晰利落、層次感好，十分討人喜歡。實際的應(yīng)用中也不一定象大家想象那樣美好的音質(zhì)，由于一直因為耗電多，效率低，容易發(fā)熱和對散熱要求高而未能在大功率的放大器中得到廣泛使用。由于器件長期工作于大電流高溫下，容易引起可靠和壽命方面的問題，而且整機成本高. 48乙類功率放大器icticICQQuCEuBE1uBE2uBE3uBE4uBE549乙類（Class-B）放大器的偏置使推挽工作的晶體管（或電子管）在無驅(qū)動信號時，處于低電流狀態(tài)，當加上驅(qū)動信號時，一對管子中的一只

11、半周期內(nèi)電流上升，而另一只管子則趨向截止，到另一個半周期，情況相反，由于兩管輪流工作，必須采用推挽電路才能大完整的信號波形。乙類放大器的優(yōu)點是效率較高，理論上可達78%，缺點是失真較大。 50甲乙類功率放大器ticICQQuCEicuBE1uBE2uBE3uBE4uBE551甲乙類（Cass-AB）放大器在低電平驅(qū)動時，放大器為甲類工作，當提高驅(qū)動電平時，轉(zhuǎn)為乙類工作。甲乙類放大器的長處在于它比甲類提高了小信號輸入時的效率，雖然失真比甲類大，然而至今仍是應(yīng)用最廣泛的晶體管功率放大器程式趨向是越來越多的采用高偏流的甲乙類，以減少低電平信號的失真。 52tuBEicictuBEVBBO VD00+

12、ubm+-uCEicuBE4 =uBE maxuBE1uBE3uBE2uCEt0諧振功率放大器OABDVCCABQCuBEmaxND53為什么集電極電流導通角越小，集電極效率越高？集電極管耗=直流供電功率-交流輸出功率 集電極效率： 54甲類乙類丙類集電極電流波形集電極電流波形集電極電流波形輸出電壓uEC波形輸入電壓uBE波形VBEQ 0VBEQ =0VBEQ 0552-4-1 電路特點和工作原理RLCL+uo-CbCcVBB+VCC+ub-諧振功率放大器原理電路電路特點:(1)發(fā)射結(jié)為零偏置甚至是負偏置;(2) 輸出回路具有頻率選擇性56（與模擬電路中學習的甲類、乙類放大器偏置不同）1、發(fā)射

13、結(jié)負偏置 (VBBVDic=Gc(VBB+ Ubmcost-VD)當t=時, ic =070集電極電流導通角：71導通時的集電極電流：為周期性函數(shù)，可求出一系列電流分解系數(shù)7273P34 圖2-16給出余弦脈沖電流分解系數(shù)各個分量的電流幅度分別為:74其中：基波分解系數(shù)為75小 結(jié)由VD、VBB、Ubm的值確定后，利用曲線或數(shù)據(jù)表，求出頻率分量的大小，計算出功率和效率輸出功率：Rp：輸出回路的有載諧振電阻集電極電源供給的直流功率；Pdc=VccIc0集電極效率：76最佳導通角的選擇通常選=6070，當=1時，85%，丙類工作狀態(tài)1 等幅波功率放大772 調(diào)幅波功率放大在丙類諧振功率放大器中，輸

14、出電壓正比于集電極余弦脈沖電流中的基頻分量大小。如果要求輸出電壓的振幅包絡(luò)線性地反映輸入AM電壓的振幅包絡(luò)規(guī)律，則要求則要求：必須恒定，也就是導通角恒定！ 78 假定輸入調(diào)幅波為：注意到，此時的集電極電流導通角將因為AM的振幅起伏，成為時變量：那么，就不是恒定的，出現(xiàn)包絡(luò)失真！79為了在效率盡可能高的情況下對AM波進行諧振功率放大，應(yīng)該是諧振功率放大器工作在乙類狀態(tài)！此時80二倍頻: 2=60三倍頻: 3=40 n=120/nn一般不大于53 n次諧波倍頻812-5 諧振功率放大器的工作狀態(tài)2-5-1 動態(tài)特性當晶體管與外電路連接時,uBE和uCE同時產(chǎn)生變化,而集電極電流通常是uBE和uCE

15、的二元函數(shù). iC=f(uBE,uCE). 因此在作放大器分析時要考慮其動態(tài)特性.做動態(tài)線,在此不同的是丙類諧振功率放大器負載是諧振回路.82作動態(tài)分析時,作兩點假設(shè):1)將晶體管轉(zhuǎn)移特性和輸出特性折線化折線化后,轉(zhuǎn)移特性iC=f(uBE,uCE)在工作區(qū)可以近似看成與uCE無關(guān),同時輸出特性中的飽和線A與uBE無關(guān).2)認為負載的諧振回路具有理想的選頻特性,即僅僅對所需頻率有壓降,對其他頻率壓降為0.831 集電極電流的動態(tài)特性84輸出特性轉(zhuǎn)移特性2VccuceuBE=VBB+UbmcostuCE=VCC-Ucmcost85uBE =VBB+UbmcostuCE =VCC-Ucmcost轉(zhuǎn)移

16、特性工作區(qū)的動態(tài)線:輸出特性動態(tài)線:86消除cost后,得輸出特性工作區(qū)的動態(tài)線:87集電極電流動態(tài)變化特性由OA、AB、BD三線組成AB線稱為諧振功率放大器的交流負載線，其斜率為：88飽和區(qū) 欠壓狀態(tài)下的集電極電流波形、動態(tài)線、輸出電壓 臨界狀態(tài)下的集電極電流波形、動態(tài)線、輸出電壓 過壓狀態(tài)下的集電極電流波形、動態(tài)線、輸出電壓 RpuBEUcm3Ucm2Ucm1三種工作狀態(tài)892-5-2 負載和激勵電壓變化對工作狀態(tài)的影響諧振功率放大器的負載特性是指由Vcc、VBB、Ubm一定,放大器性能隨Rp變化的特性90結(jié)論(1)欠壓工作狀態(tài)下，輸出功率和效率都較低，集電極耗散功率大，當負載改變時，輸出

17、幅度不平穩(wěn)，因此一般不采用這種工作狀態(tài)；91(2)臨界工作狀態(tài)下，可保證有較大的輸出功率和較高的效率，是兼顧兩項性能要求的最佳工作狀態(tài)，發(fā)射機的末端多采用臨界工作狀態(tài)；92(3)過壓工作狀態(tài)下，當負載變化時，輸出信號電壓幅度Ucm變化不大，因此，在需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場合（例如中間級）可采用過壓狀態(tài)。93欠壓臨界過壓OO改變激勵電壓幅度在Rp,VBB,VCC均不變化,僅改變UbmUbm對工作狀態(tài)的影響94FM Power AmplifierFrequency Rang: 88108MHzInput Power: 1WattOutput Power: 150 Watt 95FM Power

18、 AmplifierFrequency Rang: 88108MHzInput Power: 1WattOutput Power: 300 Watt 962-6 諧振功率放大器的設(shè)計原則2-6-1 工程設(shè)計原則（本小節(jié)自學）重點：（1）臨界狀態(tài)的諧振功放的最佳負載電阻功率晶體管的飽和壓降最小管壓降uCEmin=Uces(功率晶體管的飽和壓降)97（2）對功率晶體管的要求最大允許集電極擊穿電壓晶體管特征頻率工作頻率最大允許集電極耗散功率98（3）在功率管輸出與負載之間必須加入“耦合網(wǎng)絡(luò)”或“耦合電路”。992-6-2 諧振功放中耦合電路的作用（簡述）一、耦合電路的作用（1）匹配：將輸出負載通過“電路等效”，變成管子端口的“最佳負載”，即達到負載匹配，或功率匹配，只有這樣，功放管才可能在“臨界狀態(tài)”下輸出最大功率，同時減小管耗。（2）諧振：在電路等效的同時，保證諧振于工作頻率，起到很好的濾波作用，實現(xiàn)“準線性放大”。100耦合電路負載天線等效負載應(yīng)調(diào)諧于