第二章 谐振功率放大器第一节 概述高频信号在发射之前,要经过高增益放大,由不到1V的信号放大到7~8KV。这需要高频功率放大器。
高功放与低功放相比较,各有以下特点:
类型
工作频率
中心频率
带宽
相对带宽
输出功率
效率
负载
工作状态
用途
低功放
20~20KHz
10KHz
20KHz
2
大
高
非谐振
乙类
接收机
高功放
535~1605K
1000KHz
9KHz
1%
大
高
谐振
丙类
发射机
说明:这里高功放以调幅广播功放为例。
由比较可以看出:低功放属于宽带放大器,高功放属于窄带放大器。
高功放采用丙类工作状态的目的是:提高集电极效率。同时出现了波形失真,需要加谐振负载。
第二章 谐振功放的工作原理
一、原理电路 (模拟P163 图8-5、高频P82图2-1)
图中:给晶体管的基极提供负偏压,保证放大器工作于丙类状态。
对照电路,说明图中各元件的作用。
二、工作原理当输入信号为正弦波电压时,集电极电流ic为余弦脉冲,经LC的选频作用。RL两端的电压仍为正弦波电压。
集电极效率:
谐振功率放大器也是一个能量转换器,在控制信号vbe的作用下将直流能量转换成交流能量并送给下一级电路或负载。能量的转换率就是集电极效率,用ηc表示。
表达式
ηc=P0/ Pd = P0/ (P0+Pc) (甲类:20% ;丙类:75%)
式中,P0 放大器输出的交流信号功率
Pd 电源提供的直流功率
Pc 晶体管集电极耗散的功率输入信号一定,要加大放大器输出的交流信号功率P0,必须提高集电极效率ηc。
集电极效率的提高:
通过降低集电极耗散功率Pc,可以提高集电极效率。
怎样降低晶体管的耗散功率Pc以提高集电极效率ηc?(为什么丙类放大器的集电极效率较高?)
耗散功率Pc为集电极电流与集电极电压乘积在一个周期内的平均值。这里,集电极电流为余弦脉冲,且在一个周期内只出现一次,且都是在集电极电压最低时出现,则集电极耗的功率最小。(如模拟P164图8-7、高频P86图2-3所示)
实质上是通过减小晶体管的导通角2θc来提高效率的。为兼顾放大器的输出功率和效率θc取70o左右。(θc为通角、2θc为通导角)
θc增大,P0增大,ηc减小。
三、常见的高效率的谐振功率放大器丙类谐振功放 ηc:75~85%
丁类谐振功放 ηc:90%
戊类谐振功放 ηc:95%
说明:
甲类放大器2θc=3600 ;乙类放大器2θc=1800 ; 丙类放大器2θc<1800。而丙、丁、戊类功率放大器的导通角相同。
1.丙类功放:
集电极电流脉冲在集电极电压最小时出现,但集电极电压为正弦波电压,瞬时最小值的范围较小。若想提高输出功率,必须加大脉冲电流的宽度,从而使集电极效率降低。
2.丁类功放:
用一个方波来代替集电极电压的余弦波,使脉冲电流确保在电压最小时出现,进一步提高了效率。
方波是由基波和三次谐波在具有一定条件下迭加而来的。
电路:在丙类放大器的交流负载的串臂上串联一个并联谐振回路。
缺点:调整困难。
3.戊类功放:未推广使用
第三节 谐振功放电路的特性分析
一、谐振功放的功率:
1.集电极电流的分解集电极电流为余弦脉冲,经傅氏分解后得到一系列的正弦分量:
ic=Ic0+ Ic1mcosωt+ Ic2mcos2ωt+…+ Icnmcosnωt
Ic0= icmax,
Ic1m= icmaxα1(θc),α为谐波分解系数。
2.直流电源Vcc所提供的直流功率
Pd=Vcc·Ic0
3.放大器输出的交流功率:
回路对基波谐振,只有基波电流才能在回路上建立起电压,从而产生交流功率输出。
P0=0.5Ucm Ic1m=Uc Ic1=0.5 Ic1m2Re
4.集电极耗散功率:
Pc= Pd-P0
5.集电极效率:
ηc= P0/ Pd=0.5Ucm / (Vcc·Ic0)= 0.5ξg1(θc)
其中:ξ= Ucm/ Vcc 集电极电压利用系数
g1(θc)= Ic1m / Ic0=α1(θc)/ α0(θc) 基波波形系数余弦脉冲谐波分解系数及基波波形系数曲线(如模拟P169图8-9、高频P92图2-6所示)
由图中可以看出:
结论:①P0随θc的增大而增大
P0= 0.5 Ic1m2Re θc增大,α1(θc)增大,Ic1m增大,P0增大。
②ηc随θc的增大而减小
ηc=0.5ξg1(θc) θc增大,ξ增大,g1(θc)减小,ηc减小。
增大输出功率P0与提高集电极效率ηc在θc的选取上是矛盾的,兼顾二者,θc=60o~80o之间。
θc大小的改变是通过调整VBB与Vbm的大小来实现的。
(其中VBB为基极偏压,Vbm为基极激励电压振幅。)
调整规律如下:
VBB增大、Vbm减小,θc增大,P0增大,ηc增大。
VBB减小、Vbm增大,θc减小,P0减小,ηc减小。
二、谐振功放的工作状态分析工作状态(三种):欠压、临界、过压。
三种状态的主要区别在于放大管导通期间所经历的工作区域不同:
①欠压:导通期间均处于放大区;
②临界:导通期间可进入临界饱和线;
③过压:导通期间可进入饱和区(不是“全进入” )。
放大器特性(三种):负载特性,调制特性,放大特性。
丙类谐振功放,工作状态不同,其输出功率P0、工作效率ηc及集电极耗散功率Pc亦不相同。放大器所处的工作状态又与集电极直流供电电压Vcc、基极偏置电压VBB、输入激励电压振幅Vbm及负载电阻Re等因素有关,即放大器有三种特性:负载特性,调制特性,放大特性。
为了对放大器工作状态进行分析,首先研究一下放大器的动态线,即交流负载线。
1.谐振功放的动态线定义:所谓动态线是指放大管在输入信号的激励下,集电极电流ic与vce的移动轨迹。
(见模拟P171图8-11、高频P89图2-4所示)
动态线如图中红线所示,是在ic~vce曲线的基础上描点得到的。
说明:①集电极调谐负载的端电压vc并非与集电极电流ic成正比,而与ic的基波成分ic1成正比。
vc=Re·ic1=Vcmcosωt
②改变Re的大小,可以改变Vcm的大小,从而改变放大器的工作状态。
2.负载特性:
①定义:谐振功放的负载特性是指在基极偏压VBB、输入激励电压振幅Vbm及集电极直流供电电压Vcc维持不变的情况下,放大器的性能随负载电阻Re变化的特性。
②Re对ic的影响负载谐振回路端电压:Vcm=Re·Ic1m
若Ic1m不变,则Vcm随Re的增大而增大。
当VBB、Vbm、Vcc不变时,Re由小变大,则Vcm也会增大,放大器工作状态变化如下:
欠压 临界 过压。
同时,集电极电流也发生变化,如下图所示(见高频P96图2-9所示)
过程分析:
a.在欠压临界状态时,icmax随Re的增大而略有减小。
原因:vCEmin=Vcc-Vcm=Vcc- Re·Ic1m
Re增大,vCEmin减小,icmax略有减小,这是由输出特性决定的。
(见模拟P173图8-2、高频P91图2-5所示)
b.在过压状态时,ic随Re增大而出现凹陷,Re越大,凹陷越深。
原因:由于Ic0=icmaxα0(θc)、Ic1m= icmaxα1(θc)。 在θc不变时,Ic0、Ic1m只与icmax有关,都随Re增大而减小。
(见高频P97图2-10所示)
结论:在欠压区有恒流特性;在过压区有恒压特性原因:Ic1m,Ic0:在欠压区内,随Re的增大而略有减小;在过压区内,随Re的增大而迅速减小。
③Re对P0、Pd、Pc、ηc的影响(见高频P98图2-11所示)
P0=0.5 Vcm Ic1m=0.5 Ic1m2 Re
Pd= Vcc Ic0
Pc= Pd- P0
ηc= P0/ Pd
调节Re使放大器工作于临界状态时:P0最大,ηc较高。
故临界状态是谐振功放的最佳工作状态,电阻称为最佳负载电阻,记为Reopt。
在功放的实际调试过程中,要尽量使放大器处于临界状态,宁可偏过压,也不要偏欠压。因为在欠压区ηc较低,Pc会因Re的减小而迅速增大,易损坏管子。
例题:在谐振功放的负载特性中,临界状态所对应的P0与ηc分别 B 。
A.P0最大、ηc最高 B.P0最大、ηc较高
C.P0较大、ηc最高 D.P0较大、ηc较高
3.调制特性定义:调制特性是指在Vbm及Re不变的情况下,放大器的性能随Vcc或VBB而变化的特性。
分类:
①集电极调制特性:VBB、Vbm及Re不变,放大器性能随Vcc变化的特性。
②基极调制特性:Vcc、Vbm及Re不变,放大器性能随VBB变化的特性。
⑴集电极调制特性当VBB及Vbm确定后,VBEmax= VBB+Vbm不变。
VCEmin= Vcc-Vcm 所对应的动态点应在VBEmax的那条输出特性曲线上。
(见高频P99图2-12所示)其中,Vcc、Vcc’及Vcc”分别代表三种不同的集电极电源电压,(Vcc>Vcc’>Vcc”),分别对应着三条不同的曲线:
①欠压 ②临界 ③过压可见:VBB、Vbm及Re不变,减小Vcc,工作状态变化趋势为:
欠压 临界 过压
ic的变化:icmax由大到小,并逐渐出现凹陷,如图所示(见高频P100图2-13(a)所示)。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化:如图所示(见高频P100图2-13(b)所示)
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m= icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
当θc不变(VBB、Vbm不变)时,Ic0、Ic1m只随icmax变化。
结论:谐振功放工作在过压状态,Ic1m~Vcc、Vcm~Vcc特性是集电极调幅电路的基本工作依据。
⑵基极调制特性由VBEmax=VBB+Vbm可知,随VBB的变化对应着多条输出特性曲线。
又因Vcc、Re不变,故动态线只有一条,但动态点不同,如图所示(见高频P101图2-14所示),三个不同的动态点代表三种不同的工作状态:
A 欠压 A’ 临界 A” 过压可见Vcc、Vbm及Re不变,增大VBB,工作状态变化趋势:
欠压 临界 过压
ic的变化:ic由小到大,并逐渐出现凹陷,如图所示(见高频P102图2-15(a)所示)。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化:如图所示(见高频P102图2-15(b)所示)。
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m=icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
VBB增大,θc增大,在欠压区,α0(θc)、α1(θc)增大,icmax增大。Ic0、Ic1m随VBB的增大而增大,Vcm增大。
在过压区,icmax亦由小变大,但中间出现凹陷,故Ic0、Ic1m增大不明显。
(见高频P102图2-15所示)
结论:放大器工作在欠压状态,Ic1m~VBB、Vcm~VBB特性是基极调幅电路的基本工作依据。
4.放大特性定义:放大特性是指VBB、Vcc及Re一定时,放大器性能随Vbm的变化,对应着多条输出特性曲线。
类似于基极调制特性,VBEmax= VBB+Vbm,随Vbm的变化,对应着多条输出特性曲线。
Vcc及Re不变,只有一条动态线,但有不同的动态点。(参见上节图:三个不同的动态点代表三种不同的工作状态。)
ic、Ic0、Ic1m及Vcm随Vbm的变化规律如图所示(见高频P102图2-15所示)。
由图可见,激励电压Vbm由小变大时,工作状态变化趋势:欠压 临界 过压在欠压区:Vbm对Vcm、Ic1m的影响较大。
在过压区:Vbm对Vcm、Ic1m的影响极微。
高功放与低功放相比较,各有以下特点:
类型
工作频率
中心频率
带宽
相对带宽
输出功率
效率
负载
工作状态
用途
低功放
20~20KHz
10KHz
20KHz
2
大
高
非谐振
乙类
接收机
高功放
535~1605K
1000KHz
9KHz
1%
大
高
谐振
丙类
发射机
说明:这里高功放以调幅广播功放为例。
由比较可以看出:低功放属于宽带放大器,高功放属于窄带放大器。
高功放采用丙类工作状态的目的是:提高集电极效率。同时出现了波形失真,需要加谐振负载。
第二章 谐振功放的工作原理
一、原理电路 (模拟P163 图8-5、高频P82图2-1)
图中:给晶体管的基极提供负偏压,保证放大器工作于丙类状态。
对照电路,说明图中各元件的作用。
二、工作原理当输入信号为正弦波电压时,集电极电流ic为余弦脉冲,经LC的选频作用。RL两端的电压仍为正弦波电压。
集电极效率:
谐振功率放大器也是一个能量转换器,在控制信号vbe的作用下将直流能量转换成交流能量并送给下一级电路或负载。能量的转换率就是集电极效率,用ηc表示。
表达式
ηc=P0/ Pd = P0/ (P0+Pc) (甲类:20% ;丙类:75%)
式中,P0 放大器输出的交流信号功率
Pd 电源提供的直流功率
Pc 晶体管集电极耗散的功率输入信号一定,要加大放大器输出的交流信号功率P0,必须提高集电极效率ηc。
集电极效率的提高:
通过降低集电极耗散功率Pc,可以提高集电极效率。
怎样降低晶体管的耗散功率Pc以提高集电极效率ηc?(为什么丙类放大器的集电极效率较高?)
耗散功率Pc为集电极电流与集电极电压乘积在一个周期内的平均值。这里,集电极电流为余弦脉冲,且在一个周期内只出现一次,且都是在集电极电压最低时出现,则集电极耗的功率最小。(如模拟P164图8-7、高频P86图2-3所示)
实质上是通过减小晶体管的导通角2θc来提高效率的。为兼顾放大器的输出功率和效率θc取70o左右。(θc为通角、2θc为通导角)
θc增大,P0增大,ηc减小。
三、常见的高效率的谐振功率放大器丙类谐振功放 ηc:75~85%
丁类谐振功放 ηc:90%
戊类谐振功放 ηc:95%
说明:
甲类放大器2θc=3600 ;乙类放大器2θc=1800 ; 丙类放大器2θc<1800。而丙、丁、戊类功率放大器的导通角相同。
1.丙类功放:
集电极电流脉冲在集电极电压最小时出现,但集电极电压为正弦波电压,瞬时最小值的范围较小。若想提高输出功率,必须加大脉冲电流的宽度,从而使集电极效率降低。
2.丁类功放:
用一个方波来代替集电极电压的余弦波,使脉冲电流确保在电压最小时出现,进一步提高了效率。
方波是由基波和三次谐波在具有一定条件下迭加而来的。
电路:在丙类放大器的交流负载的串臂上串联一个并联谐振回路。
缺点:调整困难。
3.戊类功放:未推广使用
第三节 谐振功放电路的特性分析
一、谐振功放的功率:
1.集电极电流的分解集电极电流为余弦脉冲,经傅氏分解后得到一系列的正弦分量:
ic=Ic0+ Ic1mcosωt+ Ic2mcos2ωt+…+ Icnmcosnωt
Ic0= icmax,
Ic1m= icmaxα1(θc),α为谐波分解系数。
2.直流电源Vcc所提供的直流功率
Pd=Vcc·Ic0
3.放大器输出的交流功率:
回路对基波谐振,只有基波电流才能在回路上建立起电压,从而产生交流功率输出。
P0=0.5Ucm Ic1m=Uc Ic1=0.5 Ic1m2Re
4.集电极耗散功率:
Pc= Pd-P0
5.集电极效率:
ηc= P0/ Pd=0.5Ucm / (Vcc·Ic0)= 0.5ξg1(θc)
其中:ξ= Ucm/ Vcc 集电极电压利用系数
g1(θc)= Ic1m / Ic0=α1(θc)/ α0(θc) 基波波形系数余弦脉冲谐波分解系数及基波波形系数曲线(如模拟P169图8-9、高频P92图2-6所示)
由图中可以看出:
结论:①P0随θc的增大而增大
P0= 0.5 Ic1m2Re θc增大,α1(θc)增大,Ic1m增大,P0增大。
②ηc随θc的增大而减小
ηc=0.5ξg1(θc) θc增大,ξ增大,g1(θc)减小,ηc减小。
增大输出功率P0与提高集电极效率ηc在θc的选取上是矛盾的,兼顾二者,θc=60o~80o之间。
θc大小的改变是通过调整VBB与Vbm的大小来实现的。
(其中VBB为基极偏压,Vbm为基极激励电压振幅。)
调整规律如下:
VBB增大、Vbm减小,θc增大,P0增大,ηc增大。
VBB减小、Vbm增大,θc减小,P0减小,ηc减小。
二、谐振功放的工作状态分析工作状态(三种):欠压、临界、过压。
三种状态的主要区别在于放大管导通期间所经历的工作区域不同:
①欠压:导通期间均处于放大区;
②临界:导通期间可进入临界饱和线;
③过压:导通期间可进入饱和区(不是“全进入” )。
放大器特性(三种):负载特性,调制特性,放大特性。
丙类谐振功放,工作状态不同,其输出功率P0、工作效率ηc及集电极耗散功率Pc亦不相同。放大器所处的工作状态又与集电极直流供电电压Vcc、基极偏置电压VBB、输入激励电压振幅Vbm及负载电阻Re等因素有关,即放大器有三种特性:负载特性,调制特性,放大特性。
为了对放大器工作状态进行分析,首先研究一下放大器的动态线,即交流负载线。
1.谐振功放的动态线定义:所谓动态线是指放大管在输入信号的激励下,集电极电流ic与vce的移动轨迹。
(见模拟P171图8-11、高频P89图2-4所示)
动态线如图中红线所示,是在ic~vce曲线的基础上描点得到的。
说明:①集电极调谐负载的端电压vc并非与集电极电流ic成正比,而与ic的基波成分ic1成正比。
vc=Re·ic1=Vcmcosωt
②改变Re的大小,可以改变Vcm的大小,从而改变放大器的工作状态。
2.负载特性:
①定义:谐振功放的负载特性是指在基极偏压VBB、输入激励电压振幅Vbm及集电极直流供电电压Vcc维持不变的情况下,放大器的性能随负载电阻Re变化的特性。
②Re对ic的影响负载谐振回路端电压:Vcm=Re·Ic1m
若Ic1m不变,则Vcm随Re的增大而增大。
当VBB、Vbm、Vcc不变时,Re由小变大,则Vcm也会增大,放大器工作状态变化如下:
欠压 临界 过压。
同时,集电极电流也发生变化,如下图所示(见高频P96图2-9所示)
过程分析:
a.在欠压临界状态时,icmax随Re的增大而略有减小。
原因:vCEmin=Vcc-Vcm=Vcc- Re·Ic1m
Re增大,vCEmin减小,icmax略有减小,这是由输出特性决定的。
(见模拟P173图8-2、高频P91图2-5所示)
b.在过压状态时,ic随Re增大而出现凹陷,Re越大,凹陷越深。
原因:由于Ic0=icmaxα0(θc)、Ic1m= icmaxα1(θc)。 在θc不变时,Ic0、Ic1m只与icmax有关,都随Re增大而减小。
(见高频P97图2-10所示)
结论:在欠压区有恒流特性;在过压区有恒压特性原因:Ic1m,Ic0:在欠压区内,随Re的增大而略有减小;在过压区内,随Re的增大而迅速减小。
③Re对P0、Pd、Pc、ηc的影响(见高频P98图2-11所示)
P0=0.5 Vcm Ic1m=0.5 Ic1m2 Re
Pd= Vcc Ic0
Pc= Pd- P0
ηc= P0/ Pd
调节Re使放大器工作于临界状态时:P0最大,ηc较高。
故临界状态是谐振功放的最佳工作状态,电阻称为最佳负载电阻,记为Reopt。
在功放的实际调试过程中,要尽量使放大器处于临界状态,宁可偏过压,也不要偏欠压。因为在欠压区ηc较低,Pc会因Re的减小而迅速增大,易损坏管子。
例题:在谐振功放的负载特性中,临界状态所对应的P0与ηc分别 B 。
A.P0最大、ηc最高 B.P0最大、ηc较高
C.P0较大、ηc最高 D.P0较大、ηc较高
3.调制特性定义:调制特性是指在Vbm及Re不变的情况下,放大器的性能随Vcc或VBB而变化的特性。
分类:
①集电极调制特性:VBB、Vbm及Re不变,放大器性能随Vcc变化的特性。
②基极调制特性:Vcc、Vbm及Re不变,放大器性能随VBB变化的特性。
⑴集电极调制特性当VBB及Vbm确定后,VBEmax= VBB+Vbm不变。
VCEmin= Vcc-Vcm 所对应的动态点应在VBEmax的那条输出特性曲线上。
(见高频P99图2-12所示)其中,Vcc、Vcc’及Vcc”分别代表三种不同的集电极电源电压,(Vcc>Vcc’>Vcc”),分别对应着三条不同的曲线:
①欠压 ②临界 ③过压可见:VBB、Vbm及Re不变,减小Vcc,工作状态变化趋势为:
欠压 临界 过压
ic的变化:icmax由大到小,并逐渐出现凹陷,如图所示(见高频P100图2-13(a)所示)。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化:如图所示(见高频P100图2-13(b)所示)
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m= icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
当θc不变(VBB、Vbm不变)时,Ic0、Ic1m只随icmax变化。
结论:谐振功放工作在过压状态,Ic1m~Vcc、Vcm~Vcc特性是集电极调幅电路的基本工作依据。
⑵基极调制特性由VBEmax=VBB+Vbm可知,随VBB的变化对应着多条输出特性曲线。
又因Vcc、Re不变,故动态线只有一条,但动态点不同,如图所示(见高频P101图2-14所示),三个不同的动态点代表三种不同的工作状态:
A 欠压 A’ 临界 A” 过压可见Vcc、Vbm及Re不变,增大VBB,工作状态变化趋势:
欠压 临界 过压
ic的变化:ic由小到大,并逐渐出现凹陷,如图所示(见高频P102图2-15(a)所示)。
Ic0、Ic1m、Vcm的变化:如图所示(见高频P102图2-15(b)所示)。
由 Ic0=icmax·α0(θc)
Ic1m=icmax·α1(θc)
Vcm= Ic1m·Re
VBB增大,θc增大,在欠压区,α0(θc)、α1(θc)增大,icmax增大。Ic0、Ic1m随VBB的增大而增大,Vcm增大。
在过压区,icmax亦由小变大,但中间出现凹陷,故Ic0、Ic1m增大不明显。
(见高频P102图2-15所示)
结论:放大器工作在欠压状态,Ic1m~VBB、Vcm~VBB特性是基极调幅电路的基本工作依据。
4.放大特性定义:放大特性是指VBB、Vcc及Re一定时,放大器性能随Vbm的变化,对应着多条输出特性曲线。
类似于基极调制特性,VBEmax= VBB+Vbm,随Vbm的变化,对应着多条输出特性曲线。
Vcc及Re不变,只有一条动态线,但有不同的动态点。(参见上节图:三个不同的动态点代表三种不同的工作状态。)
ic、Ic0、Ic1m及Vcm随Vbm的变化规律如图所示(见高频P102图2-15所示)。
由图可见,激励电压Vbm由小变大时,工作状态变化趋势:欠压 临界 过压在欠压区:Vbm对Vcm、Ic1m的影响较大。
在过压区:Vbm对Vcm、Ic1m的影响极微。