丙類諧振功率放大器的原理分析.doc

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學(xué)號：20095044008 學(xué)年論文 學(xué) 院 物理電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 年 級 2009級 姓 名 楊 進(jìn) 設(shè)計題目 丙類諧振功率放大器的原理分析 指導(dǎo)教師 倉玉萍 職稱 講師 2012 年 5 月 22 日 目 錄 摘要………………………………………………………………………………………1 Abstract……………………………………………………………………………………1 引言………………………………………………………………………………………1 1.諧振功率放大器的特點(diǎn)……………………………………………………………2 2.丙類功率諧振放大器的理論分析………………………………………………2 2.1電路原理………………………………………………………………………2 2.2電路的參數(shù)值的估計…………………………………………………………4 3.丙類功率放大器性能分析和工作狀態(tài)的確定………………………………6 3.1對功放進(jìn)行理論分析……………………………………………………………7 3.2對功放性能進(jìn)行分析和工作狀態(tài)的確定…………………………………………7 結(jié) 論………………………………………………………………………………………9 參考文獻(xiàn)……………………………… ………………………………………………10 丙類諧振功率放大器的原理分析 姓 名：楊 進(jìn) 學(xué)號：20095044008 單 位：物理電子工程學(xué)院 專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)老師：倉玉萍 職稱：講師 摘 要：本文分析了丙類功率放大器的電路原理，估計了下電路的相關(guān)參數(shù)值。對丙類功率放大器的性能進(jìn)行了分析討論并對其工作狀態(tài)做出了基本的確定。 關(guān)鍵詞：丙類諧振功率放大器. Class C of the principle of resonant power amplifier Abstract： This paper analyzes the c class power amplifier circuit principle, estimated the circuit under related parameters of the value. In this kind of power amplifier performance are discussed and the work of the state made a basic sure. Key Words: Class C power amplifier for the resonant. 引言 高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。 高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào)諧功率放大器; 窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器。 功率放大器的任務(wù)是供給負(fù)載足夠大的信號功率，其主要性能指標(biāo)是輸出功率和效率。丙類諧振功率放大器可獲得高效率的功率放大。 放大器按晶體管集電極電流流通時間的不同，可分為甲類，乙類，丙類等工作狀態(tài)，其中丙類工作狀態(tài)（導(dǎo)通角小于90度的狀態(tài)）效率最高，但這時晶體管集電極電流波形失真嚴(yán)重。采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作為放大器的負(fù)載，可克服工作在丙類狀態(tài)所產(chǎn)生的失真，但諧振網(wǎng)絡(luò)通頻帶較窄，所以丙類諧振功率放大器適用于窄帶高頻信號的功率放大。本文主要討論丙類諧振功率放大器的基本原理。 1. 諧振功率放大器的特點(diǎn) 諧振功率放大器主要有四個特點(diǎn)：①放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流；②輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實(shí)現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配；③基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)；④輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。 2. 丙類功率諧振放大器的理論分析 2.1電路原理 2.1.1工作原理 如圖1所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓是利用發(fā)射極電流的直流分量在發(fā)射極直流負(fù)反饋電阻上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏置電路。當(dāng)放大器的輸入信號為正弦波時，集電極電流為余弦脈沖波。利用諧振回路L5C5的選頻作用可輸出基波諧振電壓、電流。 圖1 功率放大器電路（丙類）原理圖 2.1.2主要的技術(shù)指標(biāo) (1)直流電源提供的直流功率 式中，為集電極電流的直流分量。電流經(jīng)傅立葉級數(shù)分解，可得峰值與分解系數(shù)的關(guān)系式 故有 分解系數(shù)與的關(guān)系如圖2所示。 q / a1 /a0 = g1 a0 a1 a2 a3 a0 , a1 , a2 , a3 2.0 1.0 1.0 10 30 50 70 90 110 130 150 170 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.05 圖2 分解系數(shù)與的關(guān)系圖 (2)集電極輸出的基波功率 式中，為集電極基波電壓的振幅，為集電極基波電流的振幅；為集電極負(fù)載電阻，最佳匹配狀態(tài)下有，三者間的關(guān)系為 式中，，即集電極基波電流振幅等于集電極電流振幅與基波電流分解系數(shù)之積。 (3)功率增益 式中，為功放的基極基波輸入功率，它與基波輸入電流振幅、基波輸入電壓振幅及輸入電阻的關(guān)系為 實(shí)驗(yàn)電流中，可表示為。 可得 (4)放大器的效率 式中，稱為電壓利用系數(shù)。 功率放大器的設(shè)計原則是在高效率下獲得較大的輸出功率。在實(shí)際運(yùn)用中，為兼顧高輸出功率和高效率原則，通常取。 2.2電路的參數(shù)值的估計 2.2.1確定放大器的工作狀態(tài) 諧振功放的三種工作狀態(tài) 在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種： ①欠壓工作狀態(tài)： 集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方 ②過壓工作狀態(tài)： 集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū) ③臨界工作狀態(tài)： 是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。 如圖3為電壓、電流隨負(fù)載變化的波形圖。 i c i c 3 2 1 I m 0 180 ＜ 90 半導(dǎo)通角 w t B A C D 3 2 1 負(fù)載增大 e b =e bmax max V CC Q e c min V c 1. 欠壓狀態(tài) 2. 臨界狀態(tài) 3. 過壓狀態(tài) R p V c V c 圖3 電壓、電流隨負(fù)載變化波形 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗Rp、激勵電壓Vb、供電電壓VCC、VBB等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。 2.2.2諧振回路及耦合回路的設(shè)計 輸入耦合回路的作用是自前級取得最大的激勵功率，而輸出耦合回路則是保證放大器的輸出功率能有效地加到負(fù)載上。 如圖1所示，丙類諧振功放的輸出回路采用變壓器耦合方式，其作用可以歸納為： ①實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使負(fù)載電阻能與放大器的最佳負(fù)載匹配，以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大。 ②與諧振回路配合，抑制工作頻帶范圍以外的頻率分量，使負(fù)載上只有基波分量及頻帶內(nèi)頻譜分量存在。 耦合電路形式很多，本實(shí)驗(yàn)采用變壓器耦合方式， 其等效電路如圖所示。為了減小晶體管輸出阻抗對耦合回路的影響，變壓器初級采用部分接入方式耦合。 回路的諧振頻率為 或 諧振阻抗與變壓器線圈匝數(shù)比為 2.2.3基極偏置電路的設(shè)計 丙類諧振功率放大器常用的三種偏置電路如圖8所示。圖8(a)是利用基極電流在基區(qū)體電阻上的降壓作為偏置電壓。其電路簡單，但偏壓小，且易隨晶體管而變，不能保持穩(wěn)定的電壓，因此一般用于大功率丙類諧振功放。圖(b)是利用基極電流的直流分量在上的降壓得到偏置電壓，為高頻旁路電容。其優(yōu)點(diǎn)是偏置電壓隨輸入信號的大小自動調(diào)節(jié)。圖(c)是利用發(fā)射極電流的直流分量在上建立偏壓，為高頻旁路電容。為了避免上產(chǎn)生交流負(fù)反饋，需設(shè)置時間常數(shù)。它可以自動維持放大器穩(wěn)定工作，當(dāng)激勵信號加大時，負(fù)偏壓加大，似的相對增加量減小。這實(shí)質(zhì)上就是直流負(fù)反饋的作用，可以是放大器工作狀態(tài)變化不大。缺點(diǎn)是由于上建立了一定大小的直流偏壓，減小了電源電壓利用率。因此不宜取得過大，以免影響放大器的輸出功率。而且在高頻工作時，發(fā)射極很難完全接地，故在頻率很高的丙類功放中使用較少。 3. 丙類功率放大器性能分析和工作狀態(tài)的確定 3.1對功放進(jìn)行理論分析 3.1.1輸出特性上的動態(tài)線近似作法 高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法——折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。這種分析方法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計算準(zhǔn)確度較低。 所謂折線法是將電子器件的特性曲線理想化，用一組折線代替晶體管靜態(tài)特性曲線后進(jìn)行分析和計算的方法。 對諧振功率放大器進(jìn)行分析計算，關(guān)鍵在于求出電流的直流分量IC0和基頻分量Icm1。 根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示(VBZ為截止偏壓)。如圖4為晶體管實(shí)際特性和理想折線。 理想化折線 （虛線） ic gc eb 0 VBZ Ic gcr 欠壓區(qū) 臨界線 過壓區(qū) 0 Ec 圖4 晶體管實(shí)際特性和理想折線 3.2對功放性能進(jìn)行分析和工作狀態(tài)的確定 3.2.1負(fù)載特性 如果VCC、VBB、Vb 這幾個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻R 決定。此時，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨Rp而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。如圖5為諧振放大器的負(fù)載特性。 ①欠壓狀態(tài)：B點(diǎn)以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)Vc=R* Ic1，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻R的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。 ②臨界狀態(tài)：負(fù)載線和Eb max正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時，輸出功率大，管子損 耗小，放大器的效率也就較大。所以，高頻諧振功率放大器一般工作于這個狀態(tài)。 ③過壓狀態(tài)：放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載Rp的加大，Ic1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。 R Recr IC1m VC1m IC0 欠壓 過壓 RL Recr 欠壓 過壓 P1 P0 PC h 圖5 諧振放大器的負(fù)載特性 3.2.2放大特性 放大特性是指VBB、VCC和R一定，放大器性能隨Vbm變化的特性，如圖6所示。固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情況類似，它們都使集電極電流脈沖的寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)有欠壓進(jìn)入過壓；進(jìn)入過壓后，隨著Vbm的增大，集電極的電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且高度和寬度增加，凹陷加深。 VC1M IC1M IC0 h P0 P1 欠壓 臨界 過壓 欠壓 臨界 過壓 Vbm Vbm 圖6 諧振放大器的放大特性 3.2.3調(diào)制特性 （1）集電極調(diào)制特性 當(dāng)VBB、Vbm和R一定，放大器性能隨VCC變化的特性。如圖7所示。由于VBB和Vbm一定，也就是VBEmax和IC脈沖寬度一定，因而對應(yīng)于VCEmin的動態(tài)點(diǎn)必定在VBE＝VBEmax的那條特性曲線上移動；當(dāng)VCC由大減小時，相應(yīng)的VCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過壓，IC波形也將由接近余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波。 VC1m Ic1m Ic0 過壓 臨界 欠壓 過壓 臨界 欠壓 VCC VCC h P1 P0 圖7 諧振放大器的集電極調(diào)制特性 (2)基極調(diào)制特性 基極調(diào)制特性是指VCC、Vbm和R一定，放大器性能隨VBB變化的特性。如圖8所示。當(dāng)Vbm一定， VBB自負(fù)值向正方向增大，集電極電流脈沖不僅寬度增大，而且還因VBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和IC1m（相應(yīng)的Vcm）增大，結(jié)果使VCEmin減小，放大器由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。 VC1m IC1m IC0 欠壓 0 臨界 過壓 VBB h P0 P1 欠壓 0 臨界 過壓 VBB 圖8 諧振放大器的基極調(diào)制特性 結(jié)論 本文通過對丙類諧振功率放大器的特性分析研究，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了丙類諧振功率放大器的設(shè)計方法。比較細(xì)致的觀測和分析了丙類諧振功率放大器的負(fù)載特性、放大特性和調(diào)制特性等特性，從而達(dá)到優(yōu)化電路參數(shù)的目的，使得電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足預(yù)期的要求。 參考文獻(xiàn)： [1] 胡宴如，耿蘇燕．高頻電子線路[M]．北京：高等教育出版社，2008：56～61． [2] 陳大欽，羅杰．電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M]．北京：高等教育出版社，2008：57～64． [3] 楊翠娥．高頻電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008：25～29． [4] 陳松，金鴻．電子設(shè)計自動化技術(shù)Multisim2001&Protel99se[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2001. 78～83． [5] 曾興雯．高頻電路原理與分析（第三版）[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001. 152～158． [6] 劉泉．通信電子線路[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2007. 182～198．