通信電路演示文稿

通信電路演示文稿當前第1頁\共有43頁\編于星期日\16點4.3非線性電路的應(yīng)用及高頻功率放大器在通信電路中，非線性電路的應(yīng)用：（1）實現(xiàn)信號頻譜的線性變換－－第四、六章將信號頻譜無失真地在頻率軸上搬移如混頻和調(diào)幅、檢波過程，稱為頻譜的線性變換。（2）實現(xiàn)信號頻譜的非線性變換－－第四、六章

輸出和輸入信號頻譜間具有非線性關(guān)系。如倍頻器的輸入信號頻率，而輸出信號頻率，為正整數(shù)。又如，角度調(diào)制過程也屬于頻譜的非線性變換。（3）實現(xiàn)時變參量電路這是非線性電路的一種特殊應(yīng)用。（4）實現(xiàn)高效率功放2當前第2頁\共有43頁\編于星期日\16點高頻功率放大器高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，將已調(diào)信號放大到所需要的功率值，送到天線發(fā)射。高頻功率放大器與小信號放大器的區(qū)別要求輸出大的功率－－在給定的電源電壓下，會有相當大的工作電流。集電極饋電：一般是電源通過高頻扼流圈或變壓器線圈加至集電極。共射接法（有電流增益），而且發(fā)射極引線盡可能短（減小引線電感）。必須有阻抗（變換）匹配網(wǎng)絡(luò)。功率放大器要求高的效率A、B、C、D、E、F類功率放大器的設(shè)計均圍繞著提高效率展開的3當前第3頁\共有43頁\編于星期日\16點高頻功率放大器分類按晶體管導(dǎo)通情況分按晶體管等效電路分按線性與非線性分A類：B類C類（一般60-70

）A、B、C類：輸入正弦波，晶體管等效為受輸入信號控制電流源。D、E、F類：輸入為方波，晶體管等效為受輸入信號控制開關(guān)，導(dǎo)通角為A、Ｂ類：線性功放，（B類電路接成推挽形式）C、D、E、F類：非線性功放，負載是諧振電路為半導(dǎo)通角功率放大器一般分：A、B、C、D、E靜態(tài)工作點選擇示意圖4當前第4頁\共有43頁\編于星期日\16點功率放大器的主要性能指標輸出功率、效率、線性、功率增益、帶外的寄生輸出衡量線性度：三階互調(diào)截點IP3，1dB壓縮點、諧波、鄰道功率比（非線性引起的頻譜再生對鄰道的干擾程度）。保證高的效率和大的功率是高頻功放設(shè)計的核心。對于線性要求高的功率放大器，非線性失真系數(shù)則成為重要的指標。－－犧牲效率保證線性。功率放大器中的非線性有諸多危害（頻域）產(chǎn)生新的頻率分量，干擾有用信號，改變信號頻譜，展寬頻帶；（時域）放大器增益和輸入幅度有關(guān)，使輸出信號的包絡(luò)發(fā)生變化，引起波形失真；非線性電抗部件可將幅度變化轉(zhuǎn)移到相位變化中，干擾已調(diào)波的相位。5當前第5頁\共有43頁\編于星期日\16點A類功率放大器必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，它們分別是管子所能承受的最大漏源電壓和漏極電流。電路中盡量減小不必要的直流損耗，用高頻扼流圈代替集電極直流負載電阻。最大輸出功率電源供給功率最大集電極效率（為保證良好的線性，應(yīng)遠離非線性區(qū)，避免管子接近飽和與截止，只能減小輸出信號功率，實際上）

A類功放是以效率為代價來提供線性度的。6當前第6頁\共有43頁\編于星期日\16點B類功率放大器工作原理有兩個反相工作的單管B類放大器構(gòu)成?？梢圆灰惺д妫ń辉绞д妫?-采用AB類理論上7當前第7頁\共有43頁\編于星期日\16點4.3.1C類功放－諧振功率放大器電路的特點：電路的靜態(tài)工作點是選在接近截止點，或選擇在小于截止點的負偏置區(qū)。消除由靜態(tài)工作點帶來的無用功耗，提高效率。輸入、輸出端通過變壓器線圈饋電。本電路都采用串饋（直流、交流與管子三者是串聯(lián)連接的）以諧振回路為負載，考慮了選頻與匹配（滿足輸出所要求的功率時的最佳電阻。）下圖所示是諧振功率放大器的電原理圖。8當前第8頁\共有43頁\編于星期日\16點C類功放的等效電路以電壓控制電流源等效晶體管的作用圖（b）為控制特性LC、等效晶體管的負載，為包括、晶體管的輸出電阻和回路損耗的總折合值。圖（c）負載阻抗的模隨頻率變化的關(guān)系9當前第9頁\共有43頁\編于星期日\16點C類功放工作原理其中，為閾電壓，g為時直線段的斜率，為偏置電壓。折線分析法示意圖返回10當前第10頁\共有43頁\編于星期日\16點利用關(guān)于折線分析法的結(jié)果，可得出集電極電流的表示式為：當輸入信號為足夠大時，集電極電流出現(xiàn)尖頂余弦脈沖，如折線圖所示。偏置電壓為，確定靜態(tài)工作點。工作點處在截止區(qū)，靜態(tài)時無集電極電流。C類功放工作原理（續(xù)）

電路的工作過程：集電極電流余弦脈沖可以展開成傅立葉級數(shù)：11當前第11頁\共有43頁\編于星期日\16點C類功放輸出電壓與集電極電流波形不同放大器的負載阻抗是頻率的函數(shù)，只有角頻率為的電流分量可以在負載上建立余弦電壓。因為最大。將余弦脈沖基波分量分解系數(shù)的表示式，即代入上式，則可得諧振功率放大器輸出電壓的表示式諧振功率放大器激勵電壓是余弦電壓，但基極電流和集電極電流只是余弦信號的一部分，稱為余弦電流脈沖，而輸出電壓又是與激勵電壓同頻的余弦電壓。這是諧振功率放大器不同于一般線性功率放大器的特點。諧振功放集電極電壓波形與集電極電流波形不同。包括、晶體管的輸出電阻和回路損耗的總折合值。12當前第12頁\共有43頁\編于星期日\16點C類功放工作波形P204輸入電壓基極發(fā)射極間電壓基極電流余弦脈沖集電極電流余弦脈沖輸出電壓集電極發(fā)射極間電壓與最大點相反。13當前第13頁\共有43頁\編于星期日\16點C類功放的輸出功率與效率在諧振功率放大器中，其靜態(tài)工作點選擇在集電極電流為零的情況，消除了靜態(tài)功耗，提高了工作效率。如何進一步提高C類功放效率？諧振功放的效率定義為：輸出信號功率(基波功率）為：集電極電流中的基波分量幅度為：輸出電壓的幅度是輸出功率又可表示為電源提供的功率14當前第14頁\共有43頁\編于星期日\16點電源提供的功率是。它等于電源電壓和集電極電流中直流分量的乘積（C類功放的靜態(tài)工作點電流為0）

C類功放的與及關(guān)系在集電極電流為余弦脈沖時，該直流分量可以表示為：電源供給功率：諧振功率放大器的效率表示式為：

電壓利用系數(shù)：15當前第15頁\共有43頁\編于星期日\16點提高C類功放的效率，可以采取兩方面的措施：（1）提高電壓利用系數(shù)，這要求提高負載電阻的阻值－－回路諧振。（2）選擇合適的

值，使最大。從圖可看出，

愈小，則值愈大，效率愈高，諧波分解圖但

愈小，基波幅值下降太多值的選擇需綜合考慮。一般左右。討論：如何提高C類功放的效率16當前第16頁\共有43頁\編于星期日\16點電路舉例：題圖4.15圖示為一實用共發(fā)射極C類放大器的電路圖。由和組成自給偏置電路，利用基極電流中的直流分量產(chǎn)生偏置電壓，代替外加偏置電源的作用。為輸入信號電壓與偏置電壓的疊加。

L、組成諧振回路，它的諧振頻率等于輸入信號頻率，在本例中為27MHz。電阻在實際電路中是沒有的，加入它是為測量集電極電流的波形，它的阻值很小，僅為0.1。輸出信號電壓從回路兩端取出，為該放大器的負載電阻。17當前第17頁\共有43頁\編于星期日\16點提高功率放大器效率的途經(jīng)根據(jù)效率的定義：為晶體管集電極耗散功率。晶體管集電極耗散功率：減小耗散功率的有效方法是：減小的積分區(qū)間即減小電流的流通角（注意不能太?。p小與的乘積。C類放大器為什么效率高？要提高放大器效率，減小晶體管集電極耗散功率18當前第18頁\共有43頁\編于星期日\16點提高功率放大器效率的途經(jīng)（續(xù)）A類、B類和C類放大器比較，其效率的提高主要是減小了電流流通角，還有icmax與VCEmax不同時出現(xiàn)。電流流通角的減小是有一定限度的。太小，效率高，但基波幅值下降太多，輸出功率反而下降。若維持功率不變，必須加大激勵電壓并將基極偏壓向負值增大，使基極反向電壓增大，可能使功率管發(fā)射結(jié)反向擊穿。D類和E類放大器是固定為90，主要采用盡量減小 的乘積降低放大器件耗散功率的方法來提高功率放大器的效率。高效率的D類和E類功放設(shè)計思路？19當前第19頁\共有43頁\編于星期日\16點4.3.2D類和E類功率放大器減小與的乘積。工作于開關(guān)狀態(tài)，固定為90晶體管導(dǎo)通（為最大）時，其管壓降為最小管子截止（）時，管壓降為最大。在理想情況下，可使的乘積趨于零，即趨于零，而趨于。電壓開關(guān)型D類放大器返回（b）20當前第20頁\共有43頁\編于星期日\16點D類功率放大器（續(xù)2）激勵信號是頻率為的方波，或是幅度足夠大的正弦波。通過變壓器，在兩次級線圈產(chǎn)生極性相反的推動電壓和，分別使晶體管和依次處于飽和或截止。正半周，飽和，截止，相當于圖（b）所示等效電路的開關(guān)置于位置1，于是電源電壓通過開關(guān)向、、組成的串聯(lián)回路充電，并使點的電壓提到。在激勵信號的負半周，將為飽和，截止，開關(guān)置于2，儲存在的能量通過放電，并使點的電壓下降為：

效率可表示為：上圖*推導(dǎo)見P208管子飽和壓降21當前第21頁\共有43頁\編于星期日\16點D類功放波形D類功放波形回路電流為合成當回路Q足夠高，在諧振頻率點上為余弦波。22當前第22頁\共有43頁\編于星期日\16點D類功率放大器（續(xù)3）在高頻工作時，由于晶體管勢壘電容、擴散電容以及電路的分布電容的影響，晶體管、的開關(guān)轉(zhuǎn)換不可能在瞬間完成。隨著輸入信號頻率的提高而更趨嚴重。不滿足，為最大和為最大，的條件。結(jié)果，晶體管的耗散功率增大，放大器的實際效率將下降。D類功放效率不是100％：23當前第23頁\共有43頁\編于星期日\16點

E類功率放大器(指導(dǎo)書P141～142)E類功率放大器是單管工作于開關(guān)狀態(tài)。設(shè)計高階的電抗網(wǎng)絡(luò)為負載回路，選取適當?shù)呢撦d網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以使它的瞬態(tài)響應(yīng)最佳。只有當器件的電壓（或電流）降為零后，開關(guān)才能導(dǎo)通（或斷開）。即使開關(guān)轉(zhuǎn)換時間與工作周期相比較已相當長，也能避免在開關(guān)器件內(nèi)產(chǎn)生大的電壓或電流。避免了在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間內(nèi)的器件功耗，克服了D類功率放大器的缺點。當輸出調(diào)諧回路設(shè)計達到上述要求，E類功率放大器可以獲得很高的效率。*用于D、E類功放輸出信號幅度與輸入信號幅度無線性關(guān)系，不能用于放大非恒包絡(luò)的已調(diào)信號。24當前第24頁\共有43頁\編于星期日\16點功率放大器的應(yīng)用選擇選擇功放種類是和應(yīng)用相關(guān)的A類和B類用于線性放大，可以有寬帶要求（寬帶功率放大器見第三章，以傳輸線為變壓器）.C類功放的負載是諧振網(wǎng)絡(luò)，適用于固定頻率或窄帶等幅信號的放大.D、E和F類放大器輸出信號幅度與輸入信號幅度沒有線性關(guān)系，不能放大非恒定包絡(luò)的已調(diào)制信號為什么？25當前第25頁\共有43頁\編于星期日\16點4.3.3用C類放大器作倍頻器倍頻器是一種使輸出信號頻率等于輸入信號頻率整數(shù)倍的變換電路。倍頻器主要應(yīng)用于以下幾方面：發(fā)射機。－降低發(fā)射機主控振蕩頻率，提高頻率穩(wěn)定性。頻率合成器。－應(yīng)用各種倍數(shù)的倍頻器以產(chǎn)生等于主頻率各次諧波的頻率源。調(diào)頻和調(diào)相系統(tǒng)。－用以擴大頻偏。倍頻器的工作原理類似諧振功率放大器，用選頻電路選出所需倍數(shù)的諧波成分，濾除所有不需要的頻率成分，就可完成倍頻過程。三極管倍頻器一般為二或三倍頻器。對一個n次倍頻器，為使倍頻器有效地工作，總是要使集電極電流中含有的n次諧波分量足夠大，這就要按下式確定流通角。26當前第26頁\共有43頁\編于星期日\16點4.3.4模擬乘法器模擬乘法器是實現(xiàn)兩個模擬信號瞬時值相乘功能的電路或器件。有兩個輸入端，一個輸出端。電路符號：K為相乘系數(shù)實現(xiàn)理想相乘的關(guān)鍵是保證兩輸入端平衡。即任一個輸入端信號為0時，輸出為027當前第27頁\共有43頁\編于星期日\16點理想模擬乘法器的特性理想模擬乘法器：其輸出電壓的瞬時值僅與兩個輸入電壓在同一時刻的瞬時值和的乘積成正比，若則輸出電壓中只含有和分量，而不含任何其它分量。當任一輸入電壓為零，即或或時，輸出電壓為零，即當任一輸入電壓為恒值，或時，輸出電壓與另一輸入電壓之間呈線性關(guān)系，或此時模擬乘法器類似于線性放大器，其增益為，受控制，構(gòu)成了可控增益放大器。*模擬乘法器本質(zhì)上是一個非線性電路，調(diào)幅、檢波、混頻等非線性電路中就是應(yīng)用了這種非線性的頻率變換關(guān)系28當前第28頁\共有43頁\編于星期日\16點基本差分對電路差分對電流關(guān)系29當前第29頁\共有43頁\編于星期日\16點差分對相乘電路單差分對相乘電路當受控制時30當前第30頁\共有43頁\編于星期日\16點輸入為小信號當輸入為小信號時，輸出中出現(xiàn)了兩輸入電壓的相乘項同時，也存在著非相乘項—-不希望31當前第31頁\共有43頁\編于星期日\16點輸入大信號當輸入為大信號時，雙曲正切被余弦信號激勵后，成為雙向開關(guān)信號有相乘項（指兩輸入電壓的相乘）同時也有其他組合頻率分量--設(shè)法消除32當前第32頁\共有43頁\編于星期日\16點雙差分對模擬乘法器（吉爾伯特）四象限模擬乘法器電路（能適應(yīng)兩個輸入電壓四種組合）模擬相乘器電路有用BJT構(gòu)成的或CMOS構(gòu)成的四象限模擬相乘器，還有四個二極管構(gòu)成的環(huán)形相乘器如習題4-9,4-10。吉爾伯特乘法器33當前第33頁\共有43頁\編于星期日\16點四象限模擬乘法器原理34當前第34頁\共有43頁\編于星期日\16點輸入均為小信號兩個輸入均為小信號實現(xiàn)了兩個輸入電壓的線性相乘輸出電壓中僅含有和頻率分量動態(tài)范圍太小增益系數(shù)和溫度T有關(guān)35當前第35頁\共有43頁\編于星期日\16點輸入信號一大一小一個大信號（），一個小信號大信號使得晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)（雙向開關(guān)）其輸出電壓大小與大信號的幅度無關(guān)，與小信號成正比－－用作混頻器小信號的線性范圍很小36當前第36頁\共有43頁\編于星期日\16點輸入均為大信號兩個輸入均為大信號兩個輸入的差分對管均處于開關(guān)狀態(tài)輸出電壓與兩個輸入信號的幅度均無關(guān)，輸出電流中含有X和Y的各奇次諧波組合頻率分量(2m-1)X(2n-1)Y，其中，XY為所需要的vX和vY相乘的頻率分量37當前第37頁\共有43頁\編于星期日\16點需擴大線性范圍為了克服上述缺點，需要在電路上采取措施擴大的線性范圍，采用反雙曲正切變換電路。擴大的線性范圍，采用負反饋電路。(增加)。即線性電