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通信信号的发送

归档日期:06-29       文本归类:简单信号通信      文章编辑:爱尚语录

  高频电子线路 第三章 通信信号的发送 3.1 概述(通信信号的功率放大、 功率放大器基本工作原理) 一、高频功率放大器的任务及应用 ? 1.任务:输出足够大的功率、高效率的功 率转换、减小非线.应用 振荡器 缓冲级 高放 末前级放大 末级功放 及调制 话音信号 话筒 低频放大 二、高频功率放大器的特点 1. 与高频小信号调谐放大器的异同点 ? 相同点:工作在高频段、调谐回路作负载 ? 不同点:(1)输入信号大小不同 (2)分析方法不同 (3)任务不同 (4)工作状态不同 2.与低频功率放大器的异同点 ? 相同点:输出功率大、效率高 ? 不同点:(1)频带宽度不同 低功放:工作频率20Hz~20kHz,相对频 带宽。 高功放:工作频率几百kHz~几百MHz, 相对频带窄。 (2)负载不同 高频功率放大器的特点 ? 高功放功率大、效率高、相对频带很 窄,所以负载为调谐回路,采用折线 分析,工作在丙类工作状态。 三、高频功率放大器的工作原理 (一)放大器工作状态的分类 1.通角?的概念:在信号的整个周期中,电 流导通角度的一半称通角? 2.分类 甲类 ?=180? 乙类 ?=90? 上图中横坐标uBE、纵坐标iC 丙类 ?90? ? 可见,甲类工作状态整个周期导通,即iC永远 不为0,所以甲类管功耗大、效率低;乙类工 作状态iC仅在半个周期导通,且iC正好是uCe负 半周,管耗小、效率高(小于等于78%);丙 类工作状态?90? ,iC仅在uCe较小的期间半个 周期导通,故比乙类效率高,可达80%以上。 ? 所以,高功放一般工作在丙类,且负载要用调 谐回路,滤出谐波,保证完整基波。 器)的分析方法--折线分析法 ? 丙类放大器在负载上的输出功率,不是由 本身,而是由其基波分量所引起,要精确 (二)高频功率放大器(丙类放大 分析较困难。只能用近似估算的方法。 ? 所谓折线法,是指用几条直线段来代替 晶体管的实际特性曲线,然后用简单的 数学解析式写出电压、电流关系的方法。 ? 其中,Uj为 晶体管截止电压。 ? 要放大器工作在丙类,要求晶体管发射 结为小于Uj的正偏置或负偏置。 高频功率放大器原理电路 (三)高频功率放大器工作原理图 各元件作用 1. 晶体管:能量转换作用。 2. 输出调谐回路 ? 作用:传输基波功率、滤除各次谐波、阻 抗匹配 3. 电源 UCC--功放能源 UBB--基极电源,决定功放工作状态 4. Cb、CC高频短路电容 高频功率放大器电压电流波形 (四)高功放工作原理 ? 晶体管截止电压Uj(硅管0.5~0.7v,锗管 0.2~0.3v) ? 当UBB ? Uj时,放大器无外加激励时,晶 体管截止。即当UBB为负值或为小于Uj的 正电压,放大器工作在丙类。 (四)高功放工作原理 ? 设ub=Ubm coswt uBE=UBB+Ubm coswt ? 当uBE Uj时,晶体管才导通,才有电流通过。电 流iC为周期性的余弦脉冲,用傅里叶级数展开得 iC=IC0+IC1m coswt+IC2m cos2wt +…+ICnm cosnwt ? 当输出回路的选频网络谐振于基波频率时,iC只有 基波电流才产生压降,因此输出电压uCE近似为余 弦波形,且与输入电压ub同频、反相。 ? 谐振电阻RP=w0LQ L= QL/ w0C UCm=IC1m RP (四)高功放工作原理 工作原理: ? 高功放输入完整正弦波,由于放大器工作 在丙类状态,产生的iC为周期性余弦脉冲 波,但负载为调谐回路,谐振于基波频率, 可选出iC的基波。故在负载两端得到的电 压仍为与输入信号同频的完整正弦波。 四、主要计算指标 1. 输出功率P0 P0=IC1m UCm/2 ? 其中 IC1m为iC中基波振幅 UCm为负载两端电压振幅 2. 效率?C ?C=P0 / PD ? 其中PD为集电极直流电源提供的直流功率 (利用基极激励控制,使其转换为交流功 率) PD=UCC IC0 PC为集电极耗散功率 PC=PD-P0 3. 谐波辐射 ? 功率放大器不论工作在哪一状态,不 论输出功率多大,在距离发射机1km 处的谐波辐射功率不得大于25mW。 4.功率增益GP GP=P0 / Pb =(0.5 UCm IC1m)/(0.5Ubm Ib1m) =(UCm IC1m)/(Ubm Ib1m) ? Pb为基极激励功率(最后变为发射结、基 区的热损耗) 小结 ? 高频功率放大器的特点 ? 通角?的概念、丙类状态偏置的选择 ? 高频功率放大器工作原理(图、元件作用、 原理) ? 输出功率、效率的计算 高频电子线路 第三章 通信信号的发送 3.2 谐振功率放大器 3.2 谐振功率放大器 3.2.1 功率放大器的性能分析 3.2.2 功率放大器的工作状态分析 3.2.1 功率放大器的性能分析 一、集电极电流和通角? 二、输出功率Po 三、两个利用系数 四、效率?C 一、集电极电流和通角? 转移特性曲线折线的斜率用G表示 则uBE ? Uj时 uBE Uj时 所以 则 iC = 0 iC=G (uBE - Uj ) 而uBE=UBB+Ubm coswt iC=G (UBB+Ubm coswt - Uj ) iC=G Ubm ( coswt - cos? ) 当wt=?时 iC=0 得cos?=(Uj-UBB)/ Ubm 一、集电极电流和通角? ⒈ cos ? =(Uj- UBB )/Ubm 当wt=?时 Icmax =GUbm(1 - cos ? ) ⒉ ic=Icmax(coswt - cos ? )/(1-cos ? ) 将其傅里叶级数展开即: ic=Ic0+Ic1mcoswt+Ic2mcos2wt+Ic3mcos3wt+· · · · · · 、 其中 Ic0=Icmaxa0( ? )、 Ic1m= Icmaxa1 集电极电流和通角? ? a0为直流分量分解系数,a1为基波分量分 解系数……,an为n次谐波分量分解系数。 ? 由此可见Ic0、 Ic1m、· · · · · · 、Icnm 以及 Icmax 均与通角?有关,与甲类、乙类功放相比, 为保证同样的Icmax值,丙类功放所需要的 输入激励信号的幅度Ubm要大的多。这可 从下图中看出。 甲、乙、丙类工作状态下的激励信号 二、输出功率Po Po =UcmIc1m / 2 =I2c1m RP / 2 看余弦脉冲分解系数曲线, 输出功率Po最大应选择通角?为120°, 但此时效率?C并不是最高。 三、两个利用系数 ⒈ 集电极电压利用系数? ? = Ucm /Ucc= RPIc1m /Ucc 表示集电极输出电压的动态范围。Ucm一 般不超过Ucc,因此常取0.9< ? <1。 为?↑,应RP ↑ ,并Ubm ↑ ,使Icmax ↑,在?一 定时,基波电流振幅Ic1m较大。 ⒉ 电流利用系数(波形系数) g1 ( ? )= a1( ? )/ a0( ? ) 四、效率?C ?C = Po / PD =(Ucm Ic1m )/(2 Ucc Ic0 ) =1/2 ? g1 ( ? ) 为提高效率?C应考虑两点: ⒈选择合适的通角? ,为兼顾Po能够较大, 最佳通角?取65°~75°(条件是Icmax为 定值、RP为定值)。 ⒉ 提高电压利用系数?,即应RP↑,并 Ubm↑。就是说RP对?C 、 Po有最佳取值。 ? 从前面的的讨论知道,丙类功率放大器在大 信号激励下可获得大功率、高效率。实际调 整电路时,晶体管选定后〔即G ( gc )、 Uj 一定〕,还要注意Ucc ( Ec )、 UBB ( EB )、 Ubm 、 RP ( Rc)等参数对功率放大器工作 状态的影响。 3.2.2 功率放大器的工作状态分析 一、动态特性 二、负载特性 三、丙类放大器的电压特性(调制特性和放 大特性) ? 动态特性是在有负载的情况下,晶体管的 集电极电流ic随输入电压uBE、输出电压 uCE同时变化的轨迹,也称为交流负载线 或动态特性曲线。 ? 负载特性是指LC回路的谐振电阻对工作 状态的影响。 一、动态特性(交流负载线) uBE=UBB+Ubmcoswt ——① uCE=Ucc-Ucmcoswt——② 由②式得 coswt =(Ucc- uCE )/Ucm代入①式得: uBE=UBB+Ubm (Ucc- uCE )/Ucm ∴ ic=Gc( uBE - Uj ) =-Gc(Ubm/Ucm)[uCE-(UbmUcc+UcmUBB-UcmVj)/ Ubm] 即动态特性曲线是一条斜率为-Gc(Ubm/Ucm)、截距为 (Ubm Ucc +Ucm UBB - Ucm Uj )/ Ubm的直线。 从图中可以看出ic与Gc 、Uj、Ucc 、UBB 、 Ubm 、 Ucm (Rc)有关,当晶体管选定后 Gc 、Uj一定,ic仅与Ucc 、UBB 、Ubm 、 Ucm (Rc)有关。 二、负载特性 ⒈ 不同Rc对Ucm的影响 当Rc↑时,引起Ucm ↑ 。 ⒉ 不同Rc对动态特性曲线的影响 ∵ ∴ ic=Gc( uBE -Uj ) 静态IQ=Gc( UBB - Uj )一定、又Ucc一定, 当Rc↑时,动态特性曲线绕Q点逆时针旋转。 ∴ 当Rc变化时 Q点位置不变。 二、负载特性 ⒊ 不同Rc对工作状态的影响 ① Rc较小, Ucm较小,欠压状态, ic波形为 尖顶余弦脉冲。 ② Rc ↑ , Ucm ↑ ,使UCC -Ucm = UCES 临界工作状态, ic波形仍为尖顶余弦脉冲。 ③ Rc较大, Ucm较大,过压状态,动态线点转折,由此动态线对应作出的ic波形 为一中间有凹陷的脉冲。 二、负载特性 ⒋ 负载特性曲线 ——以RP(Rc)为横坐标,Ic1m、Ic0、 Ucm 、 ?C 、 Po 、PD 、Pc与RP的关系(晶 体管一定,且Ubm 、Ucc、UBB一定) 5. 三种工作状态比较 (1)欠压状态: Po 、 ?C均低, Pc较大, ic为尖顶余弦脉冲。 (2) 临界状态: Po最大, ?C较高, ic为尖 顶余弦脉冲——最佳状态。 条件:UCC -Ucm = UCES Icmax=gcr UCES (3) 过压状态:弱过压时?C最高,但Po逐 步减小, ic为有凹陷的余弦脉冲。 Ucm随 Rc变化不大, 即Ucm较为稳定。 结论 本部分重点掌握负载特性曲线以及三 种工作状态的特点。 实际上,改变Ucc 、UBB 、 Ubm ,同样 也会使动态线从欠压、临界过渡到过压状 态。 三、 丙类放大器的电压特性 (调制特性和放大特性) (一)放大特性 (二)调制特性 (一)放大特性 —— 是指Rc、Ucc、 UBB一定时,放大器 性能随Ubm 变化的特性。 当Ucc、UBB不变,只改变Ubm ,即Q点位 置不变,且Re不变,则动态特性曲线不动。 ∵ uBE=UBB+Ubmcoswt ∴ Ubm↑,使IBmax↑、Icmax↑且通角?↑ ,放 大器从欠压工作状态进入过压状态。 (一)放大特性 ? 因此,丙类放大器在放大振幅变化的高频 信号时,为保持输出电压与输入电压的线 性关系,应工作在欠压区(放大区)。 ? 若丙类放大器用作限幅器时,则应工作在 过压区。 (二)调制特性 ⒈ 集电极调制特性 ——当Rc 、Ubm、 UBB一定时,放大器性 能随Ucc变化的特性。 ⒉ 基极调制特性 ——当Rc 、Ubm、 Ucc一定时,放大器性 能随UBB变化的特性。 ⒈ 集电极调制特性 ? Rc 不变,动态特性曲线斜率不变。 ? Ubm、UBB一定, IQ一定且IBmax一定。 ? 当Ucc变化时,Q点将移动,动态线将平移。 ? 即Ucc减小,负载线向左平移,放大器从 欠压工作状态进入过压工作状态。 ⒈ 集电极调制特性 ? 从图中可以看出,要使高功放实现集电极 调幅,应使放大器工作在过压区, EC对 Ucm的控制更有效。 ⒉ 基极调制特性 ⒉ 基极调制特性 ? 从图中可以看出,高功放实现基极调幅时, 为使UBB有效地控制Ucm的变化,放大器应 工作在欠压区。 高频电子线路 第三章 通信信号的发送 3.2.3 谐振功率放大器电路 3.2.3 谐振功率放大器电路 一、馈电电路 ⒈ 馈电方法 ⒉ 集电极馈电电路 ⒊ 基极馈电电路 二、耦合电路 三、谐振功率放大器的调谐与调配 四、高功放实用电路举例 ⒈ 馈电方法 ⑴ 串馈:晶体管、调谐回路、电源三者相 串。 ⑵ 并馈:晶体管、调谐回路、电源三者相 并。 ⒉ 集电极馈电电路 ⒉ 集电极馈电电路 ? 串馈电路,谐振回路处于直流高电位,谐 振回路元件不能直接接地;并馈电路,CC 隔断直流,谐振回路处于直流低电位,调 谐回路的可变电容器动片可以接地,调谐 时人体影响小,但并馈的馈电支路的分布 电容影响调谐回路的谐振频率,并馈一般 用在频率较低的电路。 ⒊ 基极馈电电路 几种常用的基极偏置电路 二、耦合电路 ⒈ 耦合电路作用 ? 传输有用功率 ? 滤波 ? 阻抗匹配 —— 输入、输出耦合电路往往称为匹配 网络。 阻抗匹配 ? 所谓阻抗匹配是通过匹配网络的作用,使 负载阻抗的虚数部分与信号源内阻的虚数 部分相抵消(谐振),同时实数部分等于 放大器所需的最佳负载值。 ? RL`=Reopt=(UCC-Uces) /2 Po Reopt为临界状态时所需要的最佳负载电阻。 2 ⒉ 形式 ? LC并联调谐回路 ? 滤波器(倒L型、T型、∏型) ——倒L型网络由两个异性电抗元件组成。 ——T型、∏型网络各由三个电抗元件 (其中两个同性质,另一个异性质)组成。 串、并联阻抗变换 串、并联阻抗变换 回路品质因数 :Qe= Xs/ Rs = Rp/ Xp 阻抗变换公式: Rp=(1+ Qe )Rs Xp=[1+(1/ Qe )]Xs 当Qe 》1时上式简化为: R p≈ Q e R s Xp≈Xs 注意阻抗变换后电抗元件的性质不变。 2 2 2 滤波器(倒L型网络) ? 图中R2为负载电阻, R1为二端网络在工 作频率处的等效输入电阻。 ? 图(c)中,在X1与Xp并联谐振时,有: X1+Xp =0, R1 = Rp 2 R1=(1+ Qe )R2 >R2 图(a) ——降压电路 ? 图(d)中,在Xp与X串联谐振时,有: X1+Xs =0, R1 = Rs 2 R1= R2 /(1+ Qe )<R2 图(b) ——升压电路 例题 ? 某电阻性负载为10Ω,请设计一个匹配网 络,使该负载在20MHz时变换为50 Ω 。 如负载由10 Ω电阻和0.2μH电感组成,又 该怎样设计匹配网络? ? (答案:318pF、0.16μH;318pF、 1560pF) 三、谐振功率放大器的调谐与调配 1.调谐 ? 调谐是将谐振功率放大器的负载回路调到谐 振状态。 ? 谐振功率放大器工作在谐振状态时,输出电压的 最大值与激励电压的最小值同时出现,即二者间 相位差为180°。集电极电流脉冲的最大值Icm与集 电极电压最小值uCEmin出现在同一时刻。因此,功 放管的损耗最小,输出功率和效率达到最大。 2.调配 ? 所谓功率放大器的调配,就是指放大器 已经工作在谐振的状态下,再来调整负载, 使回路的谐振电阻等于放大器所需的最佳 负载电阻,以获得所需的输出功率和效率。 谐振功率放大器在不同负载下的电压电流波形 3.调谐与调配的方法 四、高功放实用电路举例 第三章 小结 ? 高功放的特点及工作原理 ? 主要技术指标的计算 ? 高功放的负载特性曲线及三种工作状态比 较 ? 了解高功放的电压特性 ? 高功放的馈电电路有哪几种形式?并联馈 电有何特点?耦合电路的作用 ? 会分析高功放实用电路

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