[計算機硬件及網絡]第3章高頻諧振放大器(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 信號諧振放大器 波形圖 諧振功率放大器 波形圖 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 （ 2） 與低頻功率放大器的異同點 相同點： 輸出功率大、效率高 不同點： 1） 頻帶寬度不同 低頻功放：工作頻率 20Hz～ 20kHz，相對頻帶寬。 高 頻 功放：工作頻率幾百 kHz～幾百 MHz，相對頻帶窄。 2） 負載不同 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 二、工作原理 圖 312是一個采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路 , 除電源和偏置電路外 , 它是由 晶體管 、 諧振回路 和 輸入回路三部分組成的。其中： 晶體管 ：常采用 NPN高頻大功率晶體管。 靜態工作狀態 ：為了保證在 C類工作 ,基極偏置電壓 UBB應使晶體管靜態工作是工作在截止區 ,其值一般為負； 輸入信號 ：輸入信號為大信號，可達 1～ 2V，甚至更大。 工作狀態 ：晶體管工作在截止和導通 (線性放大 )兩種狀態，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖電流。 放大器的負載 ：用帶抽頭的 LC并聯諧振回路作負載，可以起到選頻和阻抗變換兩方面的作用。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 ucCRLuce＋－ube＋－ubEbEcu ( ? )ibic－＋V圖 312 晶體管高頻功率放大器的原理線路 BBU CCU第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 電流、 電壓波形 設輸入信號為 則由圖 3 － 12得基極回路電壓為 周期性脈沖可以分解成直流、 基波 (信號頻率分量 ) 和各次諧波分量 , 即 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 ? 對 ic進行傅里葉級數展開 式中 α0(θ)、 α1(θ)、 αn(θ)分別稱為余弦脈沖的直流、 基波、 n次諧波的分解系數 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 由圖 312可以看出 ， 放大器的負載為并聯諧振回路 ， 當諧振頻率 ω0等于激勵信號頻率 ω時 ， 回路對 ω頻率呈現一大諧振電阻 RL， 因此式 (318)中基波分量在回路上產生電壓， 而對遠離 ω的直流和諧波分量 2ω、 3ω等呈現很小的阻抗， 因而這些頻率成分的輸出很小 ， 幾乎為零 ， 可以忽略 。 故回路輸出電壓為 ： 1 c os c oso c c L cu u I R t U t??? ? ?c o sCE c c o c c cu U u U U t?? ? ? ?(320) (321) 晶體管的 集電極電壓 為： 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 必須強調指出，集電極電流 ic雖然是脈沖狀，但由于諧振回路的這種濾波作用，仍然能得到正弦波形的輸出。 同時：由左圖可以看出 ， 當 集電極回路調諧時 ， Ubemax、 ICmax、 UCEmin是同一時刻出現的 ， 導通角 θ越小 ， iC越集中在 UCEmin附近 ， 故耗損越小 ， 效率越高 。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 2．高頻功放的能量關系與效率 在集電極電路中 , 諧振回路得到的高頻功率 (高頻一周的平均功率 )即 輸出功率 P1為： LcLcc RURIUIPc2211 2121211 ??? 集電極電源供給的直流 輸入功率 P0為 00c C CP I U? 直流輸入功率與集電極輸出高頻功率之差就是集電極 損耗功率 Pc, 即： 10 PPPc ?? (3 24) (3 23) (3 22) 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 Pc變為耗散在晶體管集電結中的熱能。 定義集電極效率 η為： 11001122ccc C CIUPP I U? ? ?? ? ?式中 稱為波形系數 ， 稱為集電極電壓利用系數 。 1 100()()ccII???????cCCUU? ? 由上式可知， 要提高效率，有兩種途徑 ： (1) 提高電壓利用系數 ξ ，即提高 Uc，這通常是靠提高回路諧振阻抗 RL來實現； (2) 提高波形系數 γ ，由于 γ與 θ 有關。圖 (315)畫出了 它們間的關系。 (3 25) 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 θ越小 γ越大，效率越高。但通角 θ很小時 α1(θ)降低，輸出功率比較小 ，為了兼顧功率和效率， θ通常在 65～ 75度左右。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 bbd UIP 121?高頻功放的 功率放大倍數 為 ： dp PPK 1?用 dB表示為 )(10 1 dBPPLgKdp ? 功率放大倍數 信號源供給的功率，稱為高頻功放的 激勵功率 ，因為信號電壓為正弦信號，因此激勵功率大小決定于基極電流中基波分量的大小。設其基波電流振幅為 I b1, 且與 ub同相 (忽略實際存在的容性電流 ), 則激勵功率為 (327) (328) (329) 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 例 31 某高頻諧振功率放大器工作于臨界狀態，輸出功率 P1=6W,集電極電源 UCC=24V，集電極電流直流分量 IC0=300mA，電壓利用系數 ξ=。 試計算： 直流電源提供的功率 P0，功放管的集電極損耗功率 Pc及效率 η，臨界負載電阻 RLcr。 提示： 直接利用功率放大器的電流、電壓、能量關系即可求解。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 1. 當諧振功率放大器的輸入激勵信號為余弦波時，為什么集電極電流為余弦脈沖波形？但放大器為什么又能輸出不失真的余弦波電壓？ 答：因為諧振功率放大器工作在丙類狀態（導通時間小于半個周期），所以集電極電流為周期性余弦脈沖波形；但其負載為調諧回路諧振在基波頻率，可選出 ic的基波，故在負載兩端得到的電壓仍與信號同頻的完整余弦波。 思考討論題 2. 小信號諧振放大器與諧振功率放大器的主要區別是什么？ 1）輸入信號大小不同 2）分析方法不同 3）任務不同 4）工作狀態不同 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 三、 高頻諧振功率放大器的工作狀態 放大器工作狀態的分類： 按晶體管導通時間長短分 甲類 （始終導通） 乙類 （半周導通） 甲乙類 （大半周導通） 丙類 （小半周導通） 丙類諧振功放按晶體管是否進入飽和區分 欠壓 （不進入飽和區） 過壓 （進入飽和區） 臨界 （達到臨界飽和） 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 1．高頻功放的動特性 (1) 高頻功放的動特性的概念 動特性是指當加上激勵信號及接上負載阻抗時 , 晶體管集電極電流ic與電極電壓 (uBE或 uCE)的關系曲線 , 它在 ic～ uCE或 ic～ uBE坐標系統中是一條曲線。反映的是功放的工作點在激勵作用下的變化曲線。 (2) 動特性的作法 在小信號放大器中，若已知負載電阻，通過靜態工作點作一斜率為負的交流負載電阻值的倒數的直線，即為交流負載線，動特性為負載線的一部分。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 動特性的具體作法 ： 根據 c osB E B B b B B bu U u U U t?? ? ? ?c osCE CC o CC cu U u U U t?? ? ? ?逐點 (以 ωt為變量 )由 uBE、 uCE從晶體管輸出特性上找出 iC，并連成線即為動特性。 當晶體管的特性用折線近似時的作法 為： 特別注意 :輸出特性曲線上橫軸對應的 uBE=U’BB 。，Qt 這是一個假想的點點時：得到當 2?? ?；At 點時：得到當 0??；Ct 點時：得到當 ?? ?。，t，BA 、晶體管剛剛導通它對應點點交橫軸于連接 ?? ?連接 ABC三點，就是功放動態特性曲線 。 U’BB 如果 A點進入到飽和區，飽和區中的線用臨界飽和線代替。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 2． 高頻功放的工作狀態 為了提高放大器的效率，可以提高電壓利用系數 ξ來實現，也就是加大 UC,這是靠增大負載 RL來實現。 下面討論當 由小到大變化時，即當調解 RL 增大時動特性曲線的變化。 cU 高頻諧振功率放大器根據 集電極電流是否進入飽和區或 用 UCEmin與晶體管飽和壓降 UCES相比較 分為 欠壓 、 臨界和 過壓三種狀態 。下面根據其動特性分析這三種的特點。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 (1) 欠壓狀態 cU 00 ccIEP ?當 ， 基本不變， 基本不變， ， ci 0cI 1cI 11 21 ccIUP ?基 本不變， η 欠壓狀態功放的特點 ：功放的工作點只在截止區和線性放大區內變化；功放的集電極電流為余弦脈沖；功放的效率將隨著 Uc的增大而增加，在這種狀態下，集電極電壓利用不充分；有UCEmin uCES 。 是指功放的最高工作狀態還未進入飽和區的狀態，即動特性的 A點未進入飽和區 的工作狀態。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 (2) 臨界狀態 ： 功放的最高工作狀態剛好進入飽和區的邊緣狀態 ， 即動特性的 A點剛好進入飽和區和放大區的邊緣 ， 我們將這種工作狀態稱為臨界狀態 。 保證功放工作在這一狀態所需的集電極負載電阻 RL稱為 臨界電阻 或 最佳負載電阻 ， 一般用 RLcr表示 。 臨界狀態功放的特點： 功放的工作點只在截止區和線性放大區內變化；功放的集電極電流為余弦脈沖；功放的輸出功率最大，高頻功放一般工作在此狀態；有 UCEmin ＝ uCES 。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 (3) 過壓狀態： 當功放的最高工作狀態將進入飽和區 ， 即動特性的 A點在飽和區的工作狀態 ， 稱為過壓狀態 。 過壓狀態功放的特點 ：功放的工作點將在截止區、線性放大區和飽和區三個區內變化；功放的集電極電流為頂部凹陷的余弦脈沖； P1和 P0都下降，在弱過壓狀態， η有所增加，但到達強過壓狀態，因 IC波形強烈畸變， γ要下降， η減小。 這種狀態下，有 UCEmin uCES 。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 3. 諧振功率放大器的計算 諧振功率放大器的 主要指標是功率和效率 。 以臨界狀態為例： 1) 首先要求得集電極電流脈沖的兩個主要參量 ic max和 bBBBBUUU 39。c os 1?? ??導通角 ? 集電極電流脈沖幅值 Icm i c m a x =g c U b (1 – cos ? ) 或從輸出特性曲線上直接得出。 第 3章 高頻諧振放大器 《 高頻電子線路 》 2) 電流余弦脈沖的各諧波分量系數 ?0(?)、 ?1(?)、 …、 ?n(?)可查表求得，并求得個分量的實際值。 3) 諧振功率放大器的功率和效率 直流功率： P0=Ic0? UCC 交流輸出功率： m a x111 )(2121cCCcmc UIUP i??? ?????集電極效率： 01PP??4) 根據 L c rCCL c rcRURUP 221)(2121 ???可求得最佳負載電阻：