无线通信技术课件--ppt4.ppt
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单元四高频功率放大器,4.2丙类谐振高频功率放大器的工作原理,4.1高频功率放大器概述,4.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析,4.5宽带高频功率放大器,4.4丙类谐振高频功率放大器的电路,本讲导航,教学内容,4.1功率放大器的概述,4.2谐振功率放大器的工作原理,教学目的,3.掌握高频谐振功率放大器的工作原理,单元四高频功率放大器,1.了解双调谐耦合回路的特性,了解双调谐放大器及其性能指标,2.掌握高频谐振功率放大器的特点,教学重点,教学难点,1.高频功率放大器的基本概念和类型,高频谐振功率放大器的工作原理,单元四高频功率放大器,2.高频谐振功率放大器的特点,高频功率放大器又称为射频功率放大器(RadioFrequencyPowerAmplifier);用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率。
它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。
单元四高频功率放大器,4.1高频功率放大器概述,窄带型,宽带型,通常采用谐振网络作负载,又称为谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态,采用传输线变压器作负载。
传输线变压器的工作频带很宽,可以实现功率合成。
单元四高频功率放大器,一、高频功率放大器的分类,采用谐振网络作负载。
一般工作在丙类或乙类状态。
工作频率和相对通频带相差很大。
技术指标要求输出功率大、效率高。
二、高频谐振功率放大器的特点,单元四高频功率放大器,功率增益:
Ap,效率:
输出功率:
PO,非线性失真,单元四高频功率放大器,三、高频功率放大器的主要性能指标,如下图所示,1.丙类谐振高频功率放大器电路,单元四高频功率放大器,四、丙类谐振高频功率放大器电路及元件的作用,LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。
谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。
作用:
滤波、匹配。
VCC:
集电极直流电压作用:
给放大管合理的静态偏置,提供直流能量。
VBB:
基极直流电压作用:
保证三极管工作在丙类状态。
VBB的值应小于放大管的导通电压Uon;通常取VBB0。
单元四高频功率放大器,2.电路各元件的作用,ui为余弦电压可表示为ui=UimCOSct,uBE=VBB+ui=VBB+UimCOSct,根据三极管的转移特性可得到集电极电流iC,iC为余弦脉冲波;如下图所示,单元四高频功率放大器,4.2丙类谐振高频功率放大器的工作原理,一、电路的工作原理,单元四高频功率放大器,放大管的转移特性及波形,ic=Ico+iC1+iC2+iC3+iCn+,式中:
单元四高频功率放大器,根据傅立叶级数的理论,iC可分解为:
iCmax是ic波形的脉冲幅度,n()的大小可根据余弦脉冲分解系数表查,单元四高频功率放大器,它们的大小分别为:
各信号的波形如下图所示:
ic的导电角用下面的公式进行计算,单元四高频功率放大器,单元四高频功率放大器,放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻R上的功率,即,集电极直流电源供给功率PV等于集电极电流直流分量与VCC的乘积,即,单元四高频功率放大器,二、功率关系,放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给功率之比,即,直流输入功率PV与集电极输出高频功率Po之差为集电极耗散功率PC,即,它是耗散在晶体管集电结上的损耗功率。
g1()为集电极的电流利用系数,即,为集电极电压利用系数,即,单元四高频功率放大器,本讲小结,1.高频放大器的分类r,2.谐振功率放大器的特点,单元四高频功率放大器,4.丙类谐振功率放大器电路,5.丙类谐振功率放大器的工作原理,6.功率关系,3.高频功率放大器的技术指标,本讲作业,1.为什么低频功率放大器不能工作于丙类?
而高频功率放大器可以工作于丙类?
2.为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态?
为什么采用谐振回路作负载?
谐振回路为什么要调谐在工作频率?
3.简述丙类谐振功率放大器电路中各部分的作用。
单元四高频功率放大器,4.一谐振功放的输出功率Po=5W,Vcc=24V。
(1)当集电极效率=60%时,求其集电极功耗Pc和集电极电流直流分量Ico;
(2)若保持Po不变,将提高到80%,问此时Pc为多少?
本讲导航,教学内容,4.3丙类谐振功率放大器的性能分析,教学目的,1.了解丙类谐振功率放大器的工作状态,2.掌握丙类谐振功率放大器的动态线,3.掌握集电极余弦电流脉冲的分解,单元四高频功率放大器,教学重点,教学难点,丙类谐振功率放大器的工作状态,1.丙类谐振功率放大器的动态线,2.集电极余弦电流脉冲的分解,单元四高频功率放大器,谐振功率放大器的工作状态是根据uBE=uBEmax、uCE=uCEmin时瞬时工作点在特性曲线上所处位置确定的。
欠压状态:
管子导通时瞬时工作点均处于放大区;,临界状态:
管子导通时瞬时工作点已达到临界饱和线;,过压状态:
管子导通时瞬时工作点将进入饱和区;,单元四高频功率放大器,4.3丙类谐振高频功率放大器的性能分析,一、丙类谐振功率放大器的工作状态,在丙类谐振功放中,工作状态不同,放大器的输出功率和管耗就大不相同,因此必须分析各种工作状态的特点,以及Ubm、VCC、VBB和R的变化对工作状态的影响,即对丙类谐振功放的特性进行分析。
单元四高频功率放大器,在实际工作中,丙类放大器的工作状态不但与Ubm有关,还与VCC、VBB和R有关。
1.基本概念:
大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析,为此就要在输出特性曲线上作出交流负载线。
由于谐振功放的集电极负载是谐振回路,且共集电极电压与集电极电流的波形截然不同,因此其交流负载线已不是直线了,是一条曲线,又称为动态线。
单元四高频功率放大器,二、丙类谐振功率放大器的动态线,三极管的输出特性曲线转上的参变量iB换成uBE,在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不变的情况下,假设ct取不同的值,根据式uBE=VBB+UbmCOSct和uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSct可得以相对应的uBE和uCE值,从而确定输出特性曲线上的各个“动态点”,然后依次连接各个“动态点”就可以得到动态线。
其图形如下图所示,单元四高频功率放大器,2.动态线的作法:
单元四高频功率放大器,动态线,如右图所示,单元四高频功率放大器,3.不同工作状态的动态线,
(1)放大器工作在过压状态时,ic波形会出现下凹。
(2)动态线、放大器的工作状态与VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有关系。
4.根据动态线分析放大器的特性,由于Ubm、VCC、VBB和R的变化对放大器的工作状态有影响,故特性包含以下几种:
单元四高频功率放大器,三、丙类谐振功率放大器的特性,负载特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不变时,放大器随R变化的特性,随着R从小大,放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化,工作状态的变化,ic波形的变化,单元四高频功率放大器,1.负载特性:
Ucm、Ico、Icm1的变化特性,PO、PV、Pc、的变化特性,单元四高频功率放大器,基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时,随VBB变化的特性,随着VBB从小大,放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化,工作状态的变化,ic波形的变化,单元四高频功率放大器,2.基极调制特性,Ucm、Ico、Icm1的变化特性,单元四高频功率放大器,集电极调制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不变时,随VCC变化的特性,工作状态的变化,随着VCC从小大,放大器将由过压状态临界状态欠压状态变化,ic波形的变化,单元四高频功率放大器,3.集电极调制特性,Ucm、Ico、Icm1的变化特性,单元四高频功率放大器,集电极调制特性的演示动画请点击,单元四高频功率放大器,放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不变时,随Ubm变化的特性,随着Ubm从小大,放大器将由欠压状态临界状态过压状态变化,工作状态的变化,ic波形的变化,单元四高频功率放大器,4.放大特性,Ucm、Ico、Icm1的变化特性,单元四高频功率放大器,本讲小结,3.丙类谐振功率放大器的特性,1.丙类谐振功率放大器的工作状态,2.丙类谐振功率放大器的动态线,单元四高频功率放大器,本讲作业,1.丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲类功率放大器的负载线有什么区别?
为什么会产生这些区别?
动态特性的含意是什么?
2.谐振功率放大器工作于欠压状态。
为了提高输出功率,将放大器调整到临界状态。
可分别改变哪些参量来实现?
当改变不同的量时,放大器输出功率是否一样大?
单元四高频功率放大器,本讲导航,教学内容,4.4丙类谐振功率放大器的电路,教学目的,2.了解丙类谐振功率放大器的匹配网络,单元四高频功率放大器,1.掌握丙类谐振功率放大器的直流馈电电路,教学重点,教学难点,丙类谐振功率放大器的匹配网络,单元四高频功率放大器,掌握丙类谐振功率放大器的直流馈电电路,谐振功放的集电极馈电电路,应保证集电极电流ic中的直流分量Ic0只流过集电极直流电源VCC(即:
对直流而言,VCC应直接加至晶体管c、e两端),以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管;还应保证谐振回路两端仅有基波分量压降(即:
对基波而言,回路应直接接到晶体c,e两端),以便把变换后的交流功率传送给回路负载;另外也应保证外电路对高次谐波分量icn呈现短路,以免产生附加损耗。
以下图示意说明,谐振功放的集电极电路组成原则,单元四高频功率放大器,一、丙类谐振功率放大器电路的构成原则,4.4丙类谐振高频功率放大器的电路,单元四高频功率放大器,谐振功放的基极馈电电路的组成原则与集电极馈电电路相仿。
第一,基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源(即VBB直接加到晶体管b,e两端)。
第二,基极电流中的基波分量ib1只流过输入端的激励信号源,以便使输入信号控制晶体管的工作,实现放大。
以下图示意说明,单元四高频功率放大器,谐振功放的基极电路的组成原则,单元四高频功率放大器,单元四高频功率放大器,二、集电极馈电电路,单元四高频功率放大器,三、基极馈电电路,单元四高频功率放大器,基极自给偏置电路,在谐振功率放大器中,为满足结它的输出功率和效率的要求,并有较高的功率增益,除正选择放大器的工作状态外,还必须正确设计输入和输出匹配网络。
输入和输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图所示。
单元四高频功率放大器,四、丙类谐振功率放大器的匹配网络,无论是输入匹配网络还是输出匹配网络,它们都具有传输有用信号的作用,故又称为耦合电路。
对于输出匹配网络,在求它具有滤波和阻抗变换功能,即滤除各次分量,使负载上只有基波电压;将外接负载RL变换成谐振功放所要求的负载电阻R,以保证放大器输出所需的功率。
因此,匹配网络也称滤波匹配网络。
对于输入匹配网络,要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗,使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。
单元四高频功率放大器,几种常见的LC匹配网络,单元四高频功率放大器,本讲小结,3.丙类谐振功率放大器的直流馈电电路,1.丙类谐振功率放大器电路的构成原则,2.丙类谐振功率放大器电路的类型:
单元四高频功率放大器,4.丙类谐振功率放大器的匹配网络,本讲作业,单元四高频功率放大器,图题4-1是用于谐振功放输出回路的L型网络,已知天线电阻rA=8,线圈L的品质因数Qo=100,工作频率f=2MHz若放大器要求的Re=40,求L、C。
图题4-1,本讲导航,教学内容,单元四高频功率放大器,4.5宽带高频功率放大器,教学目的,1.掌握传输线变压器的工作原理,2.了解宽带功率合成与分配网络,3.了解宽带高频功率放大器的电路实例,教学重点,教学难点,单元四高频功率放大器,传输线变压器的工作原理,宽带功率合成与分配网络,传输线变压器是由绕在高导磁环上的传输线构成的,其中,传输线可以用同轴电费,也可以用双绞电线或带状线,它们都可看成两根等长的、相距很近的平行线,而且匝数很少,而磁环一般由镍锌铁氧体制成,,下图画出了最简单的传输线变压器1:
1倒传输线变压器结构,其中1、3为始端,2、4为终端,而12端和34端分别构成了变压器的两个线圈。
单元四高频功率放大器,一、传输线变压器的工作原理,4.5宽带高频功率放大器,单元四高频功率放大器,传输线变压器既具有传输特点,又具有变压器的特点,2.传输线变压器的功能,传输线圈变压器确实具有极高的上限截止频率和极宽的工作频带,作为阻抗变换器,实现平衡和不平衡的转换,极性变换,单元四高频功率放大器,1.传输线变压器的特点,当工作在低频段时,由于信号波长远大于传输线长度,分布参数很小,可以忽略,故变压器方式起主要作用。
由于磁芯的导磁率高,所以虽传输线较短也能获得足够大的初级电感量,保证了传输线变压器的低频特性较好。
当工作在高频段时,传输线方式起主要作用,在无耗匹配的情况下,上限频率将不受漏感、分布电容、高导磁率磁芯的限制。
而在实际情况下,虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的,但上限频率仍可以达到很高。
单元四高频功率放大器,利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率,这就是功率合成技术。
利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。
理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能,还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离,即当其中某一个功率放大器损坏时,相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响,仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。
单元四高频功率放大器,二.宽带功率合成与分配网络,利用传输线变压器组成的反相功率合成原理电路如下图所示。
单元四高频功率放大器,单元四高频功率放大器,三、宽带高频功率放大器的电路实例,本讲小结,3.宽带功率合成与分配网络,单元四高频功率放大器,1.传输线变压器的工作原理,2.传输线变压器的应用,4.宽带高频功率放大器的电路实例,本讲作业,单元四高频功率放大器,图题4-2所示电路的负载为RL,则输入阻抗应为多大?
图题4-2,
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