通信電子線路電子CH4PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1通信電子線路電子通信電子線路電子CH44.1 概述 高頻諧振功率放大器用于各種無線電發(fā)送設(shè)備中，對(duì)高頻載波或高頻已調(diào)波進(jìn)行功率放大。工作狀態(tài)： A，B，AB，C；（甲、乙、甲乙、丙）D，E，S； （開關(guān)型）F，G，H ；（特殊技術(shù)型） 目的：能夠使電信號(hào)能夠有效地進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)：高頻、大信號(hào)、非線性工作要求：輸出功率大（PE=PO+PC）、轉(zhuǎn)換效率高窄帶高頻功率放大器：以諧振回路為負(fù)載，所以又稱 諧振功率放大器寬帶高頻功率放大器：采用非選頻性負(fù)載，如傳輸線 變壓器或其他寬帶匹配電路分析方法：折線法近似分析第1頁/共52頁4.2 高頻諧振功率放大器的工作原理特點(diǎn)：1、NPN高頻大功率

2、晶體管，高fT；改變UBB可以改變放大器的工作類型；2、大信號(hào)激勵(lì)：12V；3、發(fā)射結(jié)在一個(gè)周期內(nèi)只有部分時(shí)間導(dǎo)通，iB、iC均為一系列高頻脈沖；4、諧振回路作負(fù)載可以濾除高頻脈沖電流iC中的諧波分量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 組成：BJT、LC諧振回路、饋電電源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT4.2.1 基本電路構(gòu)成第2頁/共52頁4.2.2 工作原理及性能指標(biāo)忽略高頻效應(yīng)-按照低頻特性分析；忽略基區(qū)寬變效應(yīng)-輸出特性水平、 平行、等間隔；忽略管子結(jié)電容、載流子基區(qū)渡躍時(shí)間；忽略穿透電流-截止區(qū)ICEO=0；分析與計(jì)算大大簡(jiǎn)化，但誤差也大； 理論分析與計(jì)算只是為電路參數(shù)的選擇與調(diào)整

3、提供依據(jù)與指導(dǎo)，實(shí)際電路工作時(shí)需要調(diào)整。uCE0ic輸出特性u(píng)BE0ibUD輸入特性靜特性曲線的折線近似轉(zhuǎn)移特性u(píng)BE0icUDgm一、特性曲線的折線化：第3頁/共52頁二、各極電流、電壓波形：tUUutUuimBBBEimi cos,cos 發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)電電壓壓為為：uBEibtUimUBBUD-uBEibt- t- icuBEict- 圖解可見，iB和iC的都是余弦脈沖，定義為導(dǎo)通角，三極管只在（ ，）內(nèi)導(dǎo)通，當(dāng)90o時(shí)，功率放大器工作于丙類狀態(tài)。越越小小越越負(fù)負(fù)越越小小或或且且，決決定定和和、 BBimDBBimimBBDimBBDUUUUUUUUUUU coscos第4頁/共52頁iC

4、t- 0ic1Ic 1mt0ucUc1mt0tuCE1UCC0Uc1m.2coscos210tItIIiiccccc余弦脈沖展開為傅立葉級(jí)數(shù)：將 當(dāng)iC流過LC諧振回路時(shí)，在回路兩端產(chǎn)生電壓uC。由于諧振回路的選頻特性， uC中只有基波分量幅度最大，其它頻率的信號(hào)電壓幅度較小可以忽略。 設(shè)Re并聯(lián)回路諧振時(shí)的等效負(fù)載電阻，包括BJT的輸出電導(dǎo)和等效的RL。tUUuUuRtItUumcCCcCCceemcmcc coscoscos111 集集電電極極輸輸出出電電壓壓為為： 從圖中可以看出，丙類高頻諧振功放由于選頻作用，即使iC是不連續(xù)的脈沖電流，在諧振回路兩端也會(huì)得到余弦電壓。 還可以利用選頻特

5、性得到倍頻器。 如果振蕩回路的0=n，則在回路兩端可得到頻率為n的電壓:u0=Umcosnt;相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的n倍頻第5頁/共52頁ic余弦脈沖的分解icicmax-/2-/2tIMIMcos)0(cos1coscoscoscoscosmaxmax cccMMcMMcitiiIIiItIi )(cos21)(cos21)(21:.2coscosmax1max10max0210 nCCcnmCCmcCCccccccittdniIittdiIitdiItItIIii ），（區(qū)區(qū)間間幅幅為為其其中中各各次次諧諧波波分分量量的的振振級(jí)級(jí)數(shù)數(shù)：余余弦弦脈脈沖沖展展開開為為傅傅立立葉葉將將第6頁/

6、共52頁其中0()、1() 、n ()為諧波分解系數(shù)；另定義1=Ic1m/Ic0= 1() / 0()為波形系數(shù)，隨減小而增大。 / 1 /0 = 101230 , 1 , 2 , 32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170第7頁/共52頁三、高頻功放中的能量關(guān)系與效率：2）集電極電源提供功率：CCcEUIP0 1）集電極輸出功率：emcemcmcmcORURIUIp212111212121 3）集電極損耗功率：OEcPPP 4）集電極效率：。為為集集電電極極電電壓壓利利用用系系數(shù)數(shù)式式中中CCmcCCCCmccmcEO

7、CUUUUIIPP111012121 第8頁/共52頁5）對(duì)效率的影響電壓利用系數(shù)c=Uc1m/UCC1， c1， 1 隨而變化；乙類功放：= /2 ，1 = /2 ，max=/4=78.5%；丙類功放： /2 ，減小 ，1 提高， c提高；但是很小時(shí)， 1提高不多，輸出功率卻降低很多。故 通常選在60o90o之間。immbiUIP 1216）放大器的激勵(lì)功率：7）功率放大倍數(shù)：iOPPPA 第9頁/共52頁tUUutUUumcCCCEimBBBE coscos1 三點(diǎn)法作圖：t=0，uBE=UBB+Uim； uCE=UCC-Uc1m 得到C點(diǎn)t=/2，uBE=UBB； uCE=UCC 得到

8、B點(diǎn)t= ， uBE=UBB-Uim 串聯(lián)電阻Rs。第29頁/共52頁 21QRRLe 1 LeRRQLsepRQXQRX , 21QRRLe 1 eLRRQQRXRQXLPes ,圖（a）中求得：（只適于ReRL的情況）圖（b）中求得:（只適于ReRL的情況）三、三種不同形式的匹配網(wǎng)絡(luò)RLReCL (Xs)ReCL(Xp)(a)RLReC (Xp)L ReC(Xs)L (b)1、L型網(wǎng)絡(luò)第30頁/共52頁(a) 型網(wǎng)絡(luò)XsXs1Xs2RLRLXpXp1Xp2(b) T型網(wǎng)絡(luò)2、型和型網(wǎng)絡(luò)第31頁/共52頁C1C245pFCcC3C410pFLb280HL1L2VT505017pF16H0.0

9、1F97H16pFUCC (28V)Lc280H4.3.3 高頻功率放大器的實(shí)際電路第32頁/共52頁4.4 丁類高頻功率放大器簡(jiǎn)介 在丙類高頻功放中，提高集電極效率是靠減小集電極電流的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)的，但這樣同時(shí)會(huì)減小輸出功率。丁類功率放大器的晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，管子導(dǎo)通時(shí)進(jìn)入飽和區(qū)，器件內(nèi)阻接近于0，截止時(shí)電流為0，這樣可以使集電極功耗大為減小，效率大大提高。丁類功放分為電流開關(guān)型和電壓開關(guān)型兩種電路。 下面以電壓開關(guān)型電路為例，簡(jiǎn)要說明丁類功率放大器的工作原理第33頁/共52頁UCC VT1 VT2 A L0 C0 RL uL iC1 iL (a) uA iC2 Cc tiC1 uA uL

10、 iC2 (b) ttt 兩個(gè)同型的三極管VT1 、VT2相串聯(lián)，輸入變壓器為VT1 、VT2提供相位相反的驅(qū)動(dòng)電壓，使兩管交替飽和導(dǎo)通，A點(diǎn)處的電壓為方波，振幅為 cesCCLmUUU2 相應(yīng)的電流電壓波形如圖（b）所示。負(fù)載電阻RL與L0、C0構(gòu)成高Q串聯(lián)諧振回路，當(dāng)它調(diào)諧于輸入信號(hào)頻率時(shí)，在負(fù)載上得到電壓uA的基波分量，實(shí)現(xiàn)高頻放大的目的。 第34頁/共52頁RL上基波電壓振幅： )2(2cesCCLmUUU 基波電流振幅： LLmLmRUI 輸出功率： LLmRUP2021 通過電源的平均電流分量： LmLmcIII )90(00電源供給功率： coCCEIUP 效率： CCcesCC

11、EcUUUPP20 理想情況下，兩管集電極損耗均為零，效率可達(dá)100%。若考慮飽和壓降不為0，例如，時(shí)，求得。實(shí)際工作中，三極管在飽和、截止之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，uA不是理想方波，而是存在著上升沿和下降沿，轉(zhuǎn)換期間存在一定的電壓和電流，使管耗增加，效率降低，所以應(yīng)選擇開關(guān)時(shí)間短的高頻開關(guān)三極管或無電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的VMOS場(chǎng)效應(yīng)管，并減小電路中的分布電容。第35頁/共52頁4.5 寬帶功率放大器概述 在多通道通信系統(tǒng)及頻段通信系統(tǒng)中，需要采用寬帶高頻功率放大器，它以非調(diào)諧的寬帶網(wǎng)絡(luò)作輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，要求在很寬的波段范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行盡可能一致的線性放大， 由于寬帶放大器沒有選頻作用，一般只工作于非

12、線性失真較小的甲類或甲乙類，所以寬帶放大器的效率一般不高（20%左右）。 對(duì)寬帶放大器的主要要求是：通頻帶要寬，失真要小，放大倍數(shù)要大。 常用的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)是傳輸線變壓器。 第36頁/共52頁第37頁/共52頁4.5.1 傳輸線變壓器 一、傳輸線變壓器簡(jiǎn)介 傳輸線主要是指用來傳輸高頻信號(hào)的雙導(dǎo)線、同軸線，將傳輸線繞制在高磁導(dǎo)率、低損耗的磁環(huán)上就構(gòu)成傳輸線變壓器。因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點(diǎn)，相應(yīng)的有兩種工作方式，傳輸線方式和變壓器方式。1 2 3 4 U2 Us I1 I2 I4 I3 U1 Rs 傳輸線方式Us 1 3 2 U1 Rs RL 4 U2 變壓器方式 傳輸線等效電路如下

13、圖，低頻工作時(shí)，傳輸線就是兩根普通連接線。高頻工作時(shí)，由于分布電感和線間分布電容的影響，能量是通過分布電容中的電場(chǎng)能量和分布電感中的磁場(chǎng)能量不斷相互轉(zhuǎn)換而傳送到負(fù)載的。以L0、C0表示單位長度傳輸線的電感和電容，傳輸線的特性阻抗是一個(gè)與頻率無關(guān)的電阻 00CLZc 第38頁/共52頁1 2 3 4 l ZiZCI1 I1 I2 I2 普通連接線 示意圖Us U1 Rs RL U2 1 2 3 4 U1 I1 I1 I2 I2 傳輸線等效圖 RL U2 Us Rs 1 2 3 4 U1 高頻倒相器Us Rs RL U2 UL 二、傳輸線變壓器的應(yīng)用 1、高頻倒相器 端點(diǎn)2、3相連并接地，1、3端

14、加高頻電壓U1，負(fù)載上得到的電壓UL與U1反相。 2、不平衡、平衡變換器 1 2 3 4 Us Rs RL/2 RL/2 平衡、不平衡變換器U1 U2/2 U2/2 U2 信號(hào)源一端接地，稱為“不平衡”，轉(zhuǎn)換后的負(fù)載上兩電壓大小相等、方向相反，稱為平衡輸出。 第39頁/共52頁1 2 3 4 (a) I RL/4RL U2 U1 Us Rs UL 2I (b) 1 2 3 4 2I RL U2 U1 Us Rs UL 4RLI 3、阻抗變換器 圖（a）構(gòu)成的是1：4阻抗變換器，1、4端相聯(lián)，線圈兩端電壓相等U2=U1，則負(fù)載電壓UL=2U1，負(fù)載電流為I，則輸入端阻抗 LLiRIUIUR412

15、2121 若將2、3端相聯(lián)，4端接地，則可構(gòu)成4：1的阻抗變換，如圖（b）所示 利用上述原理還可構(gòu)成1：9、1：16、1：（n+1）2的傳輸線變壓器。若將上述電路的輸入端、輸出端互換（即信號(hào)源與負(fù)載互換），相應(yīng)變?yōu)?：1、9：1的傳輸線變壓器，工作原理是相同的。 第40頁/共52頁+28VLbT3T2T12747047272 . 7 k0.010.010.010.011800120027180120.015 0.011000p0.01 5330Lb0.01輸入輸出VT1VT2三、寬帶功率放大電路實(shí)例 寬頻帶變壓器耦合放大電路，工作頻率在150kHz30MHz。圖中T1、T2、T3都是寬帶傳輸線

16、變壓器，T1與T2串接是為了實(shí)現(xiàn)阻抗變換，將VT1的低輸入阻抗變換為VT2所需要的高負(fù)載阻抗。為改善放大器性能，每級(jí)都加了電壓負(fù)反饋支路；為避免寄生耦合，每級(jí)的集電極電源都加有電容濾波。未采用調(diào)諧回路，放大器應(yīng)工作于甲類狀態(tài)。 第41頁/共52頁1W 4W 11W 5W 11W 10W 5W 11W 5W 5W 11W 11W 11W 5W 19W 40W 35W 19W 10W 10W 10W 10W 5W 11W 4.5.2 寬帶功率合成技術(shù)一、功率合成器的組成 在高頻功率放大器中，當(dāng)需要的輸出功率超過單個(gè)電子器件所能輸出的功率時(shí)，可以將多個(gè)電子器件的輸出功率疊加起來，這就是功率合成技術(shù)。

17、 下圖是一個(gè)輸出功率為35W的功率合成器的組成框圖，三角形代表功率放大器，菱形代表功率分配或合成網(wǎng)絡(luò)。第42頁/共52頁A DCBRA RB RC RD (a) A DCBRA RB RD RC ( b) 利用1：4傳輸線變壓器組成的魔T混合網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)功率合成與分配的功能，其基本電路如圖（a）所示?；旌暇W(wǎng)絡(luò)有A、B、C、D四個(gè)端點(diǎn)，為了滿足網(wǎng)絡(luò)匹配的條件，取RA = RB = ZC = R，RC = ZC / 2 =R / 2，RD = 2ZC = 2R，其中ZC是傳輸線變壓器的特性阻抗。在此基礎(chǔ)上，利用A、B、C、D四個(gè)端點(diǎn)適當(dāng)連接，可以實(shí)現(xiàn)功率合成與功率分配，圖（b）為變壓器形式的等效

18、電路。二、功率合成與分配單元 如下圖所示，將A、B兩端點(diǎn)分別接入兩個(gè)功率放大器的輸出端，若兩個(gè)輸出電壓為： SSSUUU 21第43頁/共52頁兩電壓大小相等、極性相反。在A點(diǎn)，有： 21III 在B點(diǎn)，有： III 12故 01 III 2所以C端無輸出，而D點(diǎn)的輸出功率為： ABADPPPUIP22 實(shí)現(xiàn)了功率合成，稱為反相合成。RA RB RC RD A DCBII2I2I1I1I2I1US1US22U U U 若兩個(gè)輸出電壓為 SSSUUU 21經(jīng)過類似分析可以得到：ABACPPPUIP22 稱為同相合成。 第44頁/共52頁RA RB RC IaIdIbIdIcADDBCUd/2 I

19、IId(a) Ud/2 Ud IaIdADIIIcRA RB BDCIbIdRD( b) 將功率合成器輸入輸出位置交換，即可得到功率分配器。如下圖所示：第45頁/共52頁DABCT2T3T4T5T6T12512.512.561 01 0LL1H1 H61500pF1500pFDBAC12.512.51000pF8 F+24V輸出25VT1VT2三、功率合成電路實(shí)例 左圖是一個(gè)反相功率合成器的典型電路，它是一個(gè)輸出功率為75W、帶寬為3075MHz的放大電路的一部分。圖中，T2為反相功率分配網(wǎng)絡(luò)，T5反相功率合成網(wǎng)絡(luò)， T1 與T6 是1：1傳輸線變壓器，實(shí)現(xiàn)平衡不平衡轉(zhuǎn)換；T3與T4是4：1阻

20、抗變換器。 第46頁/共52頁1 0 0T2T3T4T5T6T1CDABDABC5 01 . 11 . 12 22 22002000.0330.0331001002 52 5400200UCCV T1V T2 下圖是一個(gè)典型的同相功率合成器電路。圖中，T1為同相功率分配網(wǎng)絡(luò)，T6為同相功率合成網(wǎng)絡(luò)，T2、T3與T4、T5 分別是4：1與1：4阻抗變換器，各處的特性阻抗均已在圖中注明。晶體管發(fā)射極接入的電阻以產(chǎn)生負(fù)反饋，提高輸入阻抗。各基極串聯(lián)的電阻，可提高輸入電阻，并防止寄生振蕩。D端所接的、電阻是T1 與T6的假負(fù)載電阻。第47頁/共52頁 反相功率合成器的優(yōu)點(diǎn)是：輸出沒有偶次諧波，輸入電阻

21、比單邊時(shí)高，因而引線電感的影響減小。在同相功率合成器中，由于偶次諧波在輸出端是相加的，因此輸出中有偶次諧波存在。 本章小結(jié) 高頻功率放大器的主要作用是放大高頻信號(hào)，以高效率輸出大功率。為了提高效率，高頻諧振功放多工作在丙類狀態(tài)，而且一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載，完成阻抗匹配和濾波的功能，不同于純電阻負(fù)載的情況。 丙類高頻諧振功率放大器中功放管的導(dǎo)通角小于90，所以輸出電流為脈沖電流，但是利用了選頻網(wǎng)絡(luò)的濾波作用，可以得到正弦電壓輸出。 本章要點(diǎn)： 1、丙類諧振功放的三種工作狀態(tài)： （1）欠壓狀態(tài)，動(dòng)特性線在截止區(qū)和放大區(qū)，輸出電壓幅度小，輸出功率和效率低，集電極功耗大。 （2）過壓狀態(tài)，動(dòng)特性線進(jìn)入

22、飽和區(qū)，集電極電流脈沖出現(xiàn)凹陷，輸出電壓幅度大，且呈現(xiàn)恒壓特性，輸出功率低，效率高。 第48頁/共52頁 （3）臨界狀態(tài)，動(dòng)特性線達(dá)到臨界飽和線，輸出電壓幅度大，輸出功率和效率高，集電極功耗小，是諧振功率放大器理想的工作狀態(tài)。 2、丙類諧振功放的外部特性：指外部參數(shù)對(duì)諧振功率放大器的工作狀態(tài)和性能所造成的影響： （1）負(fù)載特性：僅負(fù)載Re變化對(duì)功放工作狀態(tài)和性能的影響，Re增大，工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界向過壓變化。 （2）放大特性：僅激勵(lì)電壓幅度Uim變化對(duì)功放工作狀態(tài)和性能的影響， Uim增大，工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界向過壓變化。工作在欠壓區(qū)，對(duì)輸入信號(hào)可實(shí)現(xiàn)線性放大。 （3）基極調(diào)制特性：僅基極偏置電壓UBB變化對(duì)功放工作狀態(tài)和性能的影響，UBB增大，工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界向過壓變化。工作在欠壓區(qū)，可實(shí)現(xiàn)基極調(diào)幅。 （4）集電極調(diào)制特性：僅集電極偏置電壓U