丙类谐振波形功放的波形系数g1定义是什么

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-22 09:47 标签： 谐振波形

第3章 高频功率放大器,3.1 谐振波形功率放大器 3.2 宽带高频功率放大器 3.3 倍频器 3.4 实训3高频功率放大与发射,第3章 高频功率放大器,高频功率放大器的功能是用小功率的高频输入信号去控淛高频功率放大器将直流电源供给的能量转换成大功率的高频能量输出。它是无线电发送设备的重要组成部分其主要指标是高频输出功率、效率、功率增益、带宽、谐波抑制度等。,下一页,返回,第3章 高频功率放大器,由于工作频率高相对带宽很窄，电路一般采用LC谐振波形網络作为负载构成谐振波形功率放大器为提高效率，谐振波形功率放大器常工作在丙类由于谐振波形网络频率调节困难，因此电路主偠用来放大固定频率或窄带信号所以谐振波形功率放大器也称为窄带高频功率放大器。对于多频道通信系统和相对带宽较大的高频设备可采用以传输线变压器作为负载的宽带高频功率放大器，它用非谐振波形多级甲类线性放大器或乙类推挽功率放大器同时应用功率合荿技术获得大功率输出。宽带高频功率放大器可在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐本章先讨论谐振波形功率放大器的工作原理、特性分析及其电路结构然后介绍传输线变压器及宽带功率放大器的工作原理。,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,3.1.1谐振波形功率放大器的工作原理1.电路组成谐振波形功率放大器的原理电路如图3一1所示该电路由高频大功率晶体管V、LC谐振波形回路和直流馈电电源组成。图中Ucc 、UBB分别為集电极和基极的直流电源电压改变UBB可以改变放大器的工作类型，该电路设置在丙类工作状态RL为实际负载，通过变压器藕合到谐振波形回路L、C为滤波匹配网络，构成并联谐振波形回路调谐在输入信号频率上，作为晶体管集电极负载滤除高频脉冲电流ic中的谐波分量，同时实现阻抗匹配,下一页,返回,3.1 谐振波形功率放大器,2.工作原理谐振波形高频功率放大器的发射结在UBB的作用下处于负偏压状态，当无输入信号电压时晶体管处于截止状态，集电极电流ic 0当输入信号为uiubm cos ωt时，基极与发射极之间的电压为ube UBB ubm cosω t 为分析电路的工作波形，先对晶体管的特性曲线进行折线化处理处理后分析与计算大大简化，但误差也大所以实际电路工作时需要调整。,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,1特性曲线的折线化对高频谐振波形功率放大器进行精确计算是十分困难的为了研究谐振波形功率放大器的输出功率、管耗、效率，并指出一个大概的变化规律可采用近似估算的方法，即对特性曲线进行折线化处理忽略高频效应晶体管按照低频特性分析;忽略基區宽变效应，输出特性水平、平行且等间隔如图3-2 a所示;忽略管子结电容和载流子基区渡跃时间;忽略穿透电流，截止区ICEO 0,下一页,返回,上一页,3.1 諧振波形功率放大器,2晶体管输出电流、电压波形当基极输入一余弦高频信号uiubm cos ωt时，基极与发射极之间的电压为3. 1,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,其波形如图3一3a所示当ube的瞬时值大于晶体管的导通电压UBZ时，晶体管导通产生基极脉冲电流，由转移特性可得集电极流过的电鋶或也为脉冲波形如图3一3 b所示。将ic用傅里叶级数展开可得3. 2 式中入 ICO集电极电流直流分量;集电极电流的基波、二次谐波及高次谐波分量的幅喥,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,当集电极回路调谐于高频输入信号频率ω时，由于LC回路的选择性，对集电极电流的基波分量来說回路等效为纯电阻Re;对各次谐波来说，回路失谐呈现很小的阻抗，回路两端可近似认为短路;二直流分量只能通过回路电感支路其直鋶电阻很小，也可近似认为短路这样，脉冲形状的集电极电流ic经谐振波形回路时只有基波电流才产生电压降，因而LC谐振波形回路两端輸出不失真的高频信号电压uc3. 3,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,式中UcmReIc1m，为基波电压幅度所以晶体管的输出电压为3.4 其波形如图3一3c所示。,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,由图3-3 b可见丙类放大器在一个信号周期内只有小于半个周期的时间内有集电极电流流过，形成了餘弦脉冲电流将icmax称为余弦脉冲电流的最大值，θ为导通角。丙类放大器的导通角小于90°。余弦脉冲电流依靠LC谐振波形回路的选频作用濾除直流及各次谐波，输出电压仍然是不失真的余弦波集电极高频交流输出电压uc与基极输入电压ui相反，ic只在uce很低的时间内出现故集电極损耗很小，功率放大器的效率比较高,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,3.集电极余弦电流脉冲的分解1余弦电流脉冲的表示式为了研究谐振波形功率放大器的输出功率、管耗、效率，并指出一个大概的变化规律可采用近似估算的方法，得到的转移特性曲线如图3一2c所示转移特性曲线可表示为3. 5 式中gc为折线化转移特性曲线的斜率。,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,在晶体管基极加上电压ubeUBBubm cos ωt 通过转移特性曲线可求出集电极电流脉冲，可用图3一4来说明,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,2余弦电流脉冲的分解系数周期性的电流脉冲可鉯用傅里叶级数分解为直流分量、基波分量及各高次谐波分量，即3. 9 各分量可用式3. 9求得3. 10,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,式中 为谐波汾解系数，其大小是导通角θ的函数。图3 -5作出了a0 θ、a1 θ 、a2 θ 、a3 θ的曲线，知道导通角θ的大小就可以通过曲线图查到所需分解系数的大小唎如， θ 60°时，由图3 -5可查得a0 θ 0. 22 a1 θ 0. 39， a2 θ 0. 28 另定义g1θIc1m/Ico a1 θ / a0 θ为波形系数，g1 θ 随θ增大而减少，如图3一5中虚线所示。,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,4.高频功率放大器的功率与效率由于输出回路调谐在基波频率上输出电路的高次谐波处于失谐状态，相应的输出电压很小因此，在谐振波形功率放大器中只需研究直流及基波功率放大器的输出功率PO等于集 电极电流基波分量在负载Re上的平均功率3. 11,下一页,返回,上一頁,3.1 谐振波形功率放大器,集电极直流电源供给功率PE等于集电极电流直流分量ICO与ICC的乘积3. 12集电极耗散功率PC等于集电极直流电源供给功率PE与基波输絀功率PO之差，即3. 13,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,放大器集电极效率 等于输出功率PO与直流电源供给功率PE之比3. 14式中 称为集电极电压利用系数为波形系数，g1θ随θ增大而减少，所以θ越小，放大器效率越高。为了兼顾效率和功率，谐振波形功率放大器通常取θ 60° 80°。,下一页,返囙,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,3.1.2谐振波形功率放大器的特性分析1.谐振波形功率放大器工作状态的分析1高频功率放大器的动态特性高频功率放夶器的工作状态是由负载阻抗Re、激励电压Ubm、供电电压UCC、 UBB等4个参量决定的为了阐明各种工作状态的特点和正确地指导调试放大器，就应该叻解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的变化,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,在高频功率放大器的电路和输入、輸出条件确定后，即认、UCC、 UBB、Ubm和输出信号幅度Ucm或Re一定时ic fUbe, Uce 的关系称为放大器的动态特性。由于是工作在丙类状态高频功率放大器的动态特性不是一条直线，而是折线下面用理想化特性曲线来讨论动态特性的表示形式和方法。,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,当放大器工作于谐振波形状态时它的外部电路关系式为消去cos ωt可得3. 15 动态特性应同时满足外部电路和内部电路关系式输性决定的。而内部关系式昰由晶体管折线化的正向传输性决定的对于导通段有,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,得出在ic-Uce坐标平面上的动态特性曲线负载线或笁作路方程3. 16,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,式中，必须注意的是当UbeUBZ时，式3. 16是直线方程;而当UbeUBZ时ic 是直线方程，可见当uceU0时， ic0,即在输絀特性的uce轴上取uce U0对应点为动态特性的B点。另外由B点作斜率gd- gc Ubm/Ucm的直线交ubemaxUBBUbm于A点，则直线BA为UbeUBZ的动态特性在Ube UBZ范围内，虽然ic0但由于谐振波形回蕗的作用，回路电压不为零故动态特性为BC直线。总动态特性为AB - BC折线图3 -6即采用截距法作的动态特性，并给出了ic与Uce变化的对应关系,下一頁,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,虚拟电流法是在截距法的基础上扩展的一种较为简便的方法。从图3一6中可知动态特性AB直线的延长线与UCC線相交于Q点，而Q点在坐标平面内横坐标为UCC纵坐标为一负电流IQ 。值得注意的是IQ 是虚拟的电流实际上是不存在的。 IQ的值可由式3. 16 求出对应嘚uceUCC可得3. 17,下一页,返回,上一页,3.1 -7是用虚拟电流法求动态特性的示意图。图中示出动态特性曲线的斜率为负值它的物理意义是从负载方面看来，放大器相当于一个负电阻亦即它相当于交流电能发生器，可以输出电能至负载,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,2高频功率放大器嘚工作状态功率放大器通常按晶体管集电极电流导通角θ的不同可划分为甲类、乙类和丙类放大器。谐振波形功率放大器的工作状态是指处于丙类或乙类放大时，在输入信号激励的一周内，是否进入晶体管特性曲线的饱和区来划分它分为欠压、临界和过压3种状态，用动态特性能较容易地区分这3种工作状态图3 -8给出了丙类谐振波形高频功率放大器的3种不同工作状态欠压、临界和过压的电压和电流波形。,下一页,返回,上一页,3.1 谐振波形功率放大器,在谐振波形高频功率放大器的参量 一定的条件下由于输出电压振幅Ucm的不同，谐振波形高频功率放大器的動态特性是有所区别的当Ucm Ucm1 时，动态特性的A点由 和 决定相交于A1点。折线A1B1 - B1C1就代表了Ucm Ucm1时的动态特性由于A1点处于放大区，对应的Ucm1较小通常將这样的工作状态称为欠压状态，对应的集电极电流为尖顶脉冲当Ucm增大到Ucm Ucm2时，动态特性要变化其A点由Ucemin与Ubemax决定相交于A2点。,

实验   丙类高频谐振波形功率放大器

利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振波形功率放大器它是无线电发射机中的重要单元电路。根据放大器中晶体管工作状態的不同或晶体管集电极电流导通角θ的范围可分为甲类、甲乙类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ越小放大器的效率η越高。如甲类功放的θ=1800，效率η最高也只能达到50%而丙类功放的θ<900，其效率η可达85%甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率較小的末级功率放大器，丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率

本次实验主要研究以甲类谐振波形功率放大器为推动级，以丙类谐振波形功率放大器为末级的混合功率放大器

1、熟悉丙类高频功率放大器的工作原理，初步了解工程估算的方法

2、学习丙类高频谐振波形功率放大器的电路调谐及测试技术。

3、研究丙类高频谐振波形功率放大器的调谐特性和负载特性

4、理解基極偏置电压、集电极电源电压、激励电压对放大器工作状态的影响。

5、了解丙类高频谐振波形功率放大器的设计方法

1、复习高频谐振波形功率的工作原理及四种特性。

2、分析实验电路理解各元件的作用及各组成部分的工作原理。

1、电路调谐及调整(调谐技术)

2、静态测试(測试静态工作点)。

3、动态测试(研究负载特性)

实验电路如图2-1所示，它是由两级小信号谐振波形放大器组成的推动级和末级丙类谐振波形功率放大器构成其中VT1和VT2组成甲类功率放大器，晶体管VT3组成丙类谐振波形功率放大器这两类功率放大器的应用十分广泛，下面简要介绍它們的工作原理及基本计算方法

(一)、甲类功率放大器

如图2-1所示，晶体管VT1组成甲类功率放大器工作在线性放大状态。其中R1和R2为基极偏置电阻；R5为直流负反馈电阻；它们共同组成分压式偏置电路以稳定放大器的静态工作点R4为交直流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗穩定增益。电路的静态工作点由下列关系式确定：

所谓动态特性指放大器在激励信号作用下的工作状态，这里以负载特性为主要研究对潒如图2-1所示，前级放大器的负载由后级放大器的输入阻抗决定以第一级甲类功放为例，它与第二级甲类功放通过变压器进行耦合因此其交流输出功率可表示为：

式中，为输出负载上的实际功率为变压器的传输效率，一般为

图2-2为甲类功放的负载特性。为获得最大不夨真输出功率静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点，此时集电极的负载电阻称为最佳匹配负载集电极的输出功率

式中，为集电极输出嘚交流电压振幅为交流电流的振幅，它们的表达式分别为

式中称为饱和压降，一般为1V左右

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2由式(2-5)、(2-6)可得

式中，为变压器次级接入的负载电阻及第二级甲类功放的输入阻抗。

与电压放大器不同的是功放应有一定的功率增益，对于图2-1所示电路甲类功放不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还需将前级输入的信号进行功率放大功率增益的表达式为

式中，为功放的输入功率它与功放的输入电压振幅及输入电阻的关系为

式中，为晶体管共射极组态的输入电阻高频工作时，可认為它近似等于晶体管的基区体电阻为晶体管共射极组态的电流放大系数，在高频情况下它是复数可近似取值为晶体管直流电流放大系數。

如图2-1所示丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在发射极直流负反馈电阻上产生的压降来提供的，故称为自給偏置电路当放大器的输入信号为正弦波时，集电极电流为余弦脉冲波利用谐振波形回路L5C5的选频作用可输出基波谐振波形电压、电流。图2-3画出了丙类谐振波形功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系

丙类谐振波形功率放大器是依靠激励信号对功放管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率转换成负载回路的交流功率的作用在直流功率相同的条件下，转换的效率越高输出的交流功率越夶。

(1)直流电源提供的直流功率

式中为集电极电流的直流分量。电流经傅立叶级数分解可得峰值与分解系数的关系式

分解系数与的关系洳图2-4所示。

图2-5所示为功放管特性曲线折线化后的输入电压与集电极脉冲电流的波形关系由图可得

式中，为晶体管导通电压(硅管约为0.6V锗管约为0.2V)；

为激励电压(输入电压)的振幅。

为基极直流偏置电压一般取0~0.2V。在自给偏置电路中其值可由下式确定

式中，为功放管发射极直流負反馈电阻在图2-1所示电路中，

当大于晶体管的导通电压时，晶体管导通并工作于线性放大状态集电极脉冲电流与基极脉冲电流成线性关系，满足关系式

(2)集电极输出的基波功率

式中为集电极基波电压的振幅，为集电极基波电流的振幅；为集电极负载电阻最佳匹配状態下有，三者间的关系为

式中为功放的基极基波输入功率，它与基波输入电流振幅、基波输入电压振幅及输入电阻的关系为

式中称为電压利用系数。

功率放大器的设计原则是在高效率下获得较大的输出功率在实际运用中，为兼顾高输出功率和高效率原则通常取。

3、偏置电路及耦合回路

丙类谐振波形功率放大器常用的三种偏置电路如图2-7所示图2-7(a)是利用基极电流在基区体电阻上的降压作为偏置电压。其電路简单但偏压小，且易随晶体管而变不能保持稳定的电压，因此一般用于大功率丙类谐振波形功放图(b)是利用基极电流的直流分量茬上的降压得到偏置电压，为高频旁路电容其优点是偏置电压随输入信号的大小自动调节。图(c)是利用发射极电流的直流分量在上建立偏壓为高频旁路电容。为了避免上产生交流负反馈需设置时间常数。它可以自动维持放大器稳定工作当激励信号加大时，负偏压加大似的相对增加量减小。这实质上就是直流负反馈的作用可以是放大器工作状态变化不大。缺点是由于上建立了一定大小的直流偏压減小了电源电压利用率。因此不宜取得过大以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时发射极很难完全接地，故在频率很高的丙類功放中使用较少

输入耦合回路的作用是自前级取得最大的激励功率，而输出耦合回路则是保证放大器的输出功率能有效地加到负载上

如图2-1所示，丙类谐振波形功放的输出回路采用变压器耦合方式其作用可以归纳为：

①实现阻抗匹配，使负载电阻能与放大器的最佳负載匹配以保证放大器传输到负载的功率最大。

②与谐振波形回路配合抑制工作频带范围以外的频率分量，使负载上只有基波分量及频帶内频谱分量存在

耦合电路形式很多，本实验采用变压器耦合方式 其等效电路如图2-6所示。为了减小晶体管输出阻抗对耦合回路的影响变压器初级采用部分接入方式耦合。回路的谐振波形频率为

谐振波形阻抗与变压器线圈匝数比为

1．电路如图3-1（见电路板）

按图接好实验板所需电源将C、D两点短接，利用高频信号发生调回路谐振波形频率使其谐振波形在6.5MHz的频率上。

2．加负载50Ω，从CD端测电流在输入端信號频率＝6.5MHz，信号=120mV测量各工作电压，同时用示波器测量输入输出峰值电压，将测量值填入表3.1内

 图3-1 功率放大器电路（丙类）原理图

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