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,由于諧振回路通過旁路電容直接接地,所以饋電支路的分布參數(shù)不會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)它們通過具有一定內(nèi)阻的電源時,會在電源兩端疊加高頻電壓,對其他線路造成影響。所以,串、并饋電路中都有高頻扼流圈和旁路電容。高頻扼流圈對高頻有“扼制”作用,而旁路電容對高頻有短路作用。,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)支路的阻抗大一個數(shù)量級(即大10倍),而旁路電容應(yīng)比相應(yīng)支路阻抗小一個數(shù)量級。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)對于并饋電路,隔直電容C2的容抗對工作頻率應(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)過多,分布電容增大,影響扼流作用。因此當(dāng)工作頻率較高時,系數(shù)應(yīng)取下限,即5~10為宜,當(dāng)工作頻率較低時系數(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個方面進(jìn)行分析,1)電路2)工作原理3)參數(shù)選取4)信號源有無直流通路——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通過偏置電阻Re形成Ie0Re,其極性對晶體管是一個反偏壓,偏壓的大小可通過調(diào)節(jié)Re來達(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對交流旁路,為了保證偏壓不隨交流波動,其放電時間常數(shù)應(yīng)足夠大,要求f是放大器的工作頻率。,,,,,,,,,,16,4)信號源有無直流通路,如果信號源無直流通路,則應(yīng)加一個高頻扼流圈ZL,ZL的作用是將射極偏壓引向基極,同時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Ieo的變化起負(fù)反饋?zhàn)饔谩#ㄏ喈?dāng)于有效激勵增大),,,,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Rb造成的電壓Ib0Rb,對基極是個反偏壓。調(diào)整Rb可以改變偏壓的大小,故Eb應(yīng)根據(jù)所需的偏壓來選取,即,,,,,,,,,,,20,3)參數(shù)選取為了減小電壓Eb隨交流電流波動,CbRb的時間常數(shù)應(yīng)滿足,,,,,,,,,,,21,4)信號源有無直流通路如果信號源無直流通路,則應(yīng)加一個高頻扼流圈ZL。,22,5)使用——過壓基流偏壓環(huán)節(jié)對Ib0的變化起負(fù)反饋?zhàn)饔谩?(相當(dāng)于有效激勵減?。?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、中間級放大器以及某些需要可調(diào)電路的輸出級,后者多用于大功率、低阻抗寬帶輸出級,如無線電發(fā)射機(jī)多用此種電路。,25,圖3-17是一個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,廣泛利用L,C變換網(wǎng)絡(luò)來實(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)來看,可概括為L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是信號源輸出電阻。當(dāng)電路用作級間匹配網(wǎng)絡(luò)時,RL是下一級放大器的輸入電阻,RS是前一級放大器的輸出電阻。當(dāng)電路用在輸入級或輸出級時,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的計算式中知道,當(dāng)時,xc1的解是一虛數(shù),即無法選擇合理的電容,使負(fù)載和信號源阻抗匹配。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,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)是一個常數(shù)。當(dāng)工作頻率升高時,將隨f升高而減??;,,,,,,,34,2.晶體管在低頻工作時,總認(rèn)為ic、ib是同時發(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)載流子渡越時間的影響,ic比ib、ie滯后一個相角,幅值也比低頻小的多。,,,,35,圖3-23高頻工作時晶體管電壓、電流波形,36,圖片版,37,3.當(dāng)工作頻率增加時,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電壓Ubm、激勵功率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由于激勵電壓Ubm和輸出電壓Ucm有相移,設(shè)計放大器時必須考慮它的影響。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輸入頻率fi的n倍頻諧振,而對基波和其它諧波失諧,因而ic中的n次諧振通過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,并濾除基波和其他諧波信號。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,并濾除基波和其他諧波信號。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,二次或三次諧波系數(shù)最大,即此時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4~5次,若要提高倍頻次數(shù),可采用多級倍頻器。,51,四、使用時注意問題,1.選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通角?導(dǎo)通角?為60或40時,二次或三次諧波系數(shù)最大,即此時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,- 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