通信電子線路第三章第5～8節(jié).ppt

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1,3.5調(diào)諧功率放大器的實(shí)用電路,高頻功率放大器電路包括直流饋電電路，偏置電路、輸出和輸入匹配電路（或網(wǎng)絡(luò)）。一、直流饋電電路直流饋電電路分為串饋和并饋兩種。所謂串饋是指電源、晶體管和負(fù)載是串聯(lián)連接；而并饋是把三者并聯(lián)在一起。,2,雖然串饋和并饋電路形式不同，但輸出電壓都是直流電壓和交流電壓的疊加，關(guān)系式均為,3,并饋電路中由于有C2隔斷直流，諧振回路處于直流地電位上，因而濾波元件可以直接接地。,1.優(yōu)缺點(diǎn),4,但高頻扼流圈ZL、隔直電容C2又都處在高頻電壓下，對(duì)調(diào)諧回路又有不利影響。特別是饋電支路與諧振回路并聯(lián)，饋電支路的分布電容，將使放大器c-e端總電容增大，限制了放大器在更高頻段工作。,5,串饋電路中，由于諧振回路通過(guò)旁路電容直接接地，所以饋電支路的分布參數(shù)不會(huì)影響諧振回路的工作頻率。串饋電路適于工作在頻率較高的情況。缺點(diǎn)是諧振回路處于直流高電位上，諧振回路元件不能直接接地，調(diào)諧時(shí)外部參數(shù)影響較大，調(diào)整不便。,6,由于丙類放大器電流脈沖中的各次諧波分量，當(dāng)它們通過(guò)具有一定內(nèi)阻的電源時(shí)，會(huì)在電源兩端疊加高頻電壓，對(duì)其他線路造成影響。所以，串、并饋電路中都有高頻扼流圈和旁路電容。高頻扼流圈對(duì)高頻有“扼制”作用，而旁路電容對(duì)高頻有短路作用。,2.扼流圈和旁路電容的選取原則,7,扼流圈和旁路電容的選取原則：扼流圈阻抗應(yīng)比相應(yīng)支路的阻抗大一個(gè)數(shù)量級(jí)（即大10倍），而旁路電容應(yīng)比相應(yīng)支路阻抗小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，就算有扼制和短路作用了。,8,例如，串饋電路集電極電路旁路電容C1的電抗可按下式計(jì)算，即（3-36）式中Rc是輸出回路的有載等效阻抗。,9,扼流圈ZL的電抗應(yīng)比Rc大，即（3-37）對(duì)于并饋電路，隔直電容C2的容抗對(duì)工作頻率應(yīng)近似短路，即（3-38）而扼流圈，則應(yīng)為（3-39）,10,以上各經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)主要為不同使用條件而設(shè)的。高扼圈的電感量，原則上是大一些好，但太大線圈圈數(shù)過(guò)多，分布電容增大，影響扼流作用。因此當(dāng)工作頻率較高時(shí)，系數(shù)應(yīng)取下限，即5~10為宜，當(dāng)工作頻率較低時(shí)系數(shù)應(yīng)取上限或更大一些如20~100。,11,二、自給偏壓環(huán)節(jié),丙類放大器電路的電源Eb，很少使用獨(dú)立電源，而多采用射極或基極電流的直流成分，通過(guò)一定數(shù)值的電阻而造成的壓降作為放大器的自給偏壓。這種方法叫自給偏壓法。自給偏壓可分為射極電流自給偏壓和基極電流自給偏壓。,,12,射極電流自給偏壓環(huán)節(jié)和基極電流自給偏壓環(huán)節(jié)均可從以下5個(gè)方面進(jìn)行分析,1)電路2）工作原理3）參數(shù)選取4）信號(hào)源有無(wú)直流通路——高頻扼流圈？高頻扼流圈的作用是將射極偏壓引向基極，同時(shí)也為基極直流提供通路。5）使用,13,⒈射極電流自給偏壓環(huán)節(jié),1）電路,14,2）工作原理射極電流的直流成分Ie0通過(guò)偏置電阻Re形成Ie0Re，其極性對(duì)晶體管是一個(gè)反偏壓，偏壓的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)Re來(lái)達(dá)到。如所需的偏壓為Eb，則Eb由下式確定，即,,,,,,,,,,15,3）參數(shù)選取Ce對(duì)交流旁路，為了保證偏壓不隨交流波動(dòng)，其放電時(shí)間常數(shù)應(yīng)足夠大，要求f是放大器的工作頻率。,,,,,,,,,,16,4）信號(hào)源有無(wú)直流通路,如果信號(hào)源無(wú)直流通路，則應(yīng)加一個(gè)高頻扼流圈ZL，ZL的作用是將射極偏壓引向基極，同時(shí)也為基極直流提供通路。,,,17,5）使用——欠壓,射流偏壓環(huán)節(jié)對(duì)Ieo的變化起負(fù)反饋?zhàn)饔?。（相?dāng)于有效激勵(lì)增大）,,,,18,⒉基極電流自給偏壓環(huán)節(jié),1）電路,19,2)工作原理基極直流成分Ib0通過(guò)Rb造成的電壓Ib0Rb，對(duì)基極是個(gè)反偏壓。調(diào)整Rb可以改變偏壓的大小，故Eb應(yīng)根據(jù)所需的偏壓來(lái)選取，即,,,,,,,,,,,20,3）參數(shù)選取為了減小電壓Eb隨交流電流波動(dòng)，CbRb的時(shí)間常數(shù)應(yīng)滿足,,,,,,,,,,,21,4）信號(hào)源有無(wú)直流通路如果信號(hào)源無(wú)直流通路，則應(yīng)加一個(gè)高頻扼流圈ZL。,22,5）使用——過(guò)壓基流偏壓環(huán)節(jié)對(duì)Ib0的變化起負(fù)反饋?zhàn)饔谩?（相當(dāng)于有效激勵(lì)減?。?23,為了使功率放大器具有最大的輸出功率，除了正確設(shè)計(jì)晶體管的工作狀態(tài)外，還必須具有良好的輸入、輸出匹配電路。輸入匹配電路的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)源輸出阻抗與放大器輸入阻抗之間的匹配，以期獲得最大的激勵(lì)功率。輸出匹配電路的作用是將負(fù)載RL變換為放大器所需的最佳負(fù)載電阻，以保證放大器輸出功率最大。,三、輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò),24,可以完成這兩種作用的匹配電路形式有多種，但歸納起來(lái)有兩種類型，即具有并聯(lián)諧振回路形式的匹配電路和具有濾波器形式的匹配電路。前者多用于前級(jí)、中間級(jí)放大器以及某些需要可調(diào)電路的輸出級(jí)，后者多用于大功率、低阻抗寬帶輸出級(jí)，如無(wú)線電發(fā)射機(jī)多用此種電路。,25,圖3-17是一個(gè)具有單諧振的變壓器耦合匹配電路，其中（a）為電路原理圖。（b）是晶體管輸出端的等效回路圖。由于調(diào)諧功率放大器的晶體管工作在非線性狀態(tài)，匹配的概念與線性電路完全不相同。由于調(diào)諧功率放大器工作在臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高。因此，放大器工作在臨界狀態(tài)的等效電阻，就是放大器阻抗匹配所需的最佳負(fù)載電阻，以Rcp表示。,⒈并聯(lián)諧振回路匹配電路,26,圖3-17單諧振變壓器耦合匹配回路,27,,,（3-45）,在實(shí)際電路中，如何達(dá)到集電極等效負(fù)載,,,（3-46）,（3-47）,式中，,是槽路效率。,由,得,28,在甚高頻或大功率輸出級(jí)，廣泛利用L，C變換網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和阻抗匹配。這種電路形式很多，就其結(jié)構(gòu)來(lái)看，可概括為L(zhǎng)型、T型、П型三種類型。,,⒉濾波器型匹配網(wǎng)絡(luò)（了解）,29,RL是負(fù)載電阻，RS是信號(hào)源輸出電阻。當(dāng)電路用作級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，RL是下一級(jí)放大器的輸入電阻，RS是前一級(jí)放大器的輸出電阻。當(dāng)電路用在輸入級(jí)或輸出級(jí)時(shí)，RS、RL的具體含義視工作情況確定。,,30,圖3-19T型電路及其變換,下面以T型匹配網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行講解。,31,,、,、,以RS和RL以及QC2表示的T型網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù),32,從xc1的計(jì)算式中知道，當(dāng)時(shí)，xc1的解是一虛數(shù)，即無(wú)法選擇合理的電容，使負(fù)載和信號(hào)源阻抗匹配。因此，T型網(wǎng)絡(luò)的工作條件為,,（3-65）,,由式可知，只要滿足上式要求，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匹配的條件。,33,3.6功率晶體管的高頻效應(yīng),晶體管工作在高頻時(shí)，性能變得非常復(fù)雜。（一）晶體管的高頻效應(yīng)定性介紹1．在低頻情況下，認(rèn)為共發(fā)射極晶體管電流放大倍數(shù)是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)工作頻率升高時(shí)，將隨f升高而減??；,,,,,,,34,2．晶體管在低頻工作時(shí)，總認(rèn)為ic、ib是同時(shí)發(fā)生的，ic僅僅在數(shù)值上比ib大倍。但實(shí)際上，由于基區(qū)載流子渡越時(shí)間的影響，ic比ib、ie滯后一個(gè)相角，幅值也比低頻小的多。,,,,35,圖3-23高頻工作時(shí)晶體管電壓、電流波形,36,圖片版,37,3．當(dāng)工作頻率增加時(shí)，由于晶體管集電區(qū)集膚效應(yīng)的影響，使電流趨向半導(dǎo)體材料的表面，減小了半導(dǎo)體材料的有效導(dǎo)電面積，使集電區(qū)歐姆體電阻大為增加，從而使飽和壓降顯著增加。,38,（二）結(jié)論,⑴由于、ic、ie隨頻率增高而減小。因此，為了獲得同樣的輸出功率，就需要加大高頻激勵(lì)電壓Ubm、激勵(lì)功率Pbm的數(shù)值。⑵由于ic脈沖展寬，導(dǎo)致了Ic1m/Ic0比值的下降，集電極效率降低。,,,,,,,39,⑶由于飽和壓降增大，電壓利用系數(shù)降低，使輸出功率減小，集電極效率降低，管子損耗增大。⑷由于激勵(lì)電壓Ubm和輸出電壓Ucm有相移，設(shè)計(jì)放大器時(shí)必須考慮它的影響。⑸基極電流的直流分量減小，甚至可能出現(xiàn)反向電流。,,,,,,,40,3.7倍頻器,倍頻器是一種將輸入信號(hào)頻率成整數(shù)倍（2倍、3倍??n倍）增加的電路。它主要用于甚高頻無(wú)線電發(fā)射機(jī)或其它電子設(shè)備。一、為什么采用倍頻器二、倍頻器的種類三、丙類倍頻器的工作原理四、使用時(shí)注意問題,41,一、為什么采用倍頻器,(1)降低設(shè)備的主振頻率。由于振蕩器頻率愈高穩(wěn)定性愈差，一般采用頻率較低而穩(wěn)定度較高的晶體振蕩器，以后加若干級(jí)倍頻器達(dá)到所需頻率。一般基音體體頻率不高于20MHz，具有高穩(wěn)定性的晶體頻率通常不超過(guò)5MHz。所以工作頻率高，要求穩(wěn)定性又嚴(yán)格的通信設(shè)備和電子儀器就需要倍頻。(2)對(duì)于調(diào)相或調(diào)頻發(fā)射機(jī)，利用倍頻器可以加大相移或頻移，即可增加調(diào)制度。(3)可以提高發(fā)射機(jī)的工作頻率穩(wěn)定性。,42,二、倍頻器的種類,丙類倍頻器參變量倍頻器本節(jié)主要介紹用丙類放大器構(gòu)成的倍頻器，即所謂“丙類倍頻器”。,43,三、丙類倍頻器的工作原理,丙類放大器晶體管集電級(jí)電流脈沖中含有豐富的諧波分量。如果集電極調(diào)諧回路諧振在二次或三次諧波頻率上，放大器就主要有二次或三次諧波電壓輸出。這樣丙類放大器就成了二倍頻器或三倍頻器。,,44,從電路形式看，它與丙類高頻放大器基本相同。不同之處在于丙類倍頻器的集電極諧振回路是對(duì)輸入頻率fi的n倍頻諧振，而對(duì)基波和其它諧波失諧，因而ic中的n次諧振通過(guò)諧振回路獲得最大電壓，而基波和其他諧波被濾除。,,,,,,圖3-24丙類倍頻器的原理電路,45,圖3-25二倍頻器的主要波形,例如，二倍頻器的負(fù)載諧振回路的fo為2fi，所以，回路可以選出二次諧波、輸出頻率為2fi的電壓信號(hào)，并濾除基波和其他諧波信號(hào)。二倍頻器的主要波形如圖3-25所示。,46,圖3-25二倍頻器的主要波形,例如，二倍頻器的負(fù)載諧振回路的fo為2fi，所以，回路可以選出二次諧波、輸出頻率為2fi的電壓信號(hào)，并濾除基波和其他諧波信號(hào)。二倍頻器的主要波形如圖3-25所示。,圖片版,47,借助丙類高頻放大器的分析方法，分析丙類倍頻器的工作原理。設(shè)倍頻器的輸入電壓為輸出電壓為式中是諧振回路兩端n次諧波電壓幅值，利用前面分析的結(jié)果知道n次倍頻器輸出的功率和效率為,,,,,,（3-69）,（3-70）,48,由余弦脈沖分解系數(shù)可知，無(wú)論導(dǎo)通角?為何值，均小于，即在其他情況相同條件下，丙類倍頻器的輸出功率和效率將遠(yuǎn)低于丙類放大器，且隨著次數(shù)的增大而迅速降低。為了提高倍頻器的輸出功率和效率，要選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通角?。,,,,49,由圖可見，導(dǎo)通角?為60或40時(shí)，二次或三次諧波系數(shù)最大，即此時(shí)輸出的功率和效率也最大。最佳導(dǎo)通角?與倍頻次數(shù)的關(guān)系為,,,,（3-71）,50,因此，單級(jí)丙類倍頻器一般只作二倍頻器或三倍頻器使用，最多也不超過(guò)4~5次，若要提高倍頻次數(shù)，可采用多級(jí)倍頻器。,51,四、使用時(shí)注意問題,1.選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通角?導(dǎo)通角?為60或40時(shí)，二次或三次諧波系數(shù)最大，即此時(shí)輸出的功率和效率也最大。最佳導(dǎo)通角?與倍頻次數(shù)的關(guān)系為諧波次數(shù)2.諧波次數(shù)越高，越小3.波形差,,,,52,作業(yè)3-143-163-17,