通信电路ch04_2全解

1笫4章非线性电路及其分析方法本章主要内容4.1非线性电路的基本概念与非线性元件4.1.1非线性电路的基本概念4.1.2非线性元件及其特性4.1.3非线性元件的描述方法4.2非线性电路的分析方法4.2.1幂级数分析法4.2.2折线分析法（含哪些频率分量，幅度多大）4.3、非线性电路的应用举例及高频功率放大器4.3.1C类谐振功率放大器4.3.2D类和E类功率放大器4.3.3倍频器4.3.4模拟相乘器4.4、时变参量电路与变频器24.3非线性电路的应用及高频功率放大器在通信电路中，非线性电路的应用：（1）实现信号频谱的线性变换－－第四、六章将信号频谱无失真地在频率轴上搬移如混频和调幅、检波过程，称为频谱的线性变换。（2）实现信号频谱的非线性变换－－第四、六章输出和输入信号频谱间具有非线性关系。如倍频器的输入信号频率，而输出信号频率，为正整数。又如，角度调制过程也属于频谱的非线性变换。（3）实现时变参量电路这是非线性电路的一种特殊应用。（4）实现高效率功放iinn3高频功率放大器高频功率放大器用于发射机的末级，将已调信号放大到所需要的功率值，送到天线发射。高频功率放大器与小信号放大器的区别要求输出大的功率－－在给定的电源电压下，会有相当大的工作电流。•集电极馈电：一般是电源通过高频扼流圈或变压器线圈加至集电极。•共射接法（有电流增益），而且发射极引线尽可能短（减小引线电感）。•必须有阻抗（变换）匹配网络。功率放大器要求高的效率A、B、C、D、E、F类功率放大器的设计均围绕着提高效率展开的4高频功率放大器分类按晶体管导通情况分按晶体管等效电路分按线性与非线性分090＝•A类：•B类•C类（一般60-70）0900180＝•A、B、C类：输入正弦波，晶体管等效为受输入信号控制电流源。•D、E、F类：输入为方波，晶体管等效为受输入信号控制开关，导通角为090•A、Ｂ类：线性功放，（B类电路接成推挽形式）•C、D、E、F类：非线性功放，负载是谐振电路为半导通角功率放大器一般分：A、B、C、D、E静态工作点选择示意图5功率放大器的主要性能指标输出功率、效率、线性、功率增益、带外的寄生输出衡量线性度：三阶互调截点IP3，1dB压缩点、谐波、邻道功率比（非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度）。保证高的效率和大的功率是高频功放设计的核心。对于线性要求高的功率放大器，非线性失真系数则成为重要的指标。－－牺牲效率保证线性。功率放大器中的非线性有诸多危害（频域）产生新的频率分量，干扰有用信号，改变信号频谱，展宽频带；（时域）放大器增益和输入幅度有关，使输出信号的包络发生变化，引起波形失真；非线性电抗部件可将幅度变化转移到相位变化中，干扰已调波的相位。6A类功率放大器必须设置合适的静态工作点，它们分别是管子所能承受的最大漏源电压和漏极电流。电路中尽量减小不必要的直流损耗，用高频扼流圈代替集电极直流负载电阻。最大输出功率电源供给功率最大集电极效率（为保证良好的线性，应远离非线性区，避免管子接近饱和与截止，只能减小输出信号功率，实际上）%40~35A类功放是以效率为代价来提供线性度的。LRCLgCgRGGVDDV阻抗匹配max21DSDDVVmax21DDQII)21(2121maxmaxDDDomomoVIVIPDDDQsVIP%50)21(21maxDDDQDDDVIVI7B类功率放大器工作原理输入信号iv经变压器1Tr变换为反相电压iv'和iv，作为两放大器的激励电压。两放大器分别在输入信号的正半周和负半周工作，各自产生一流通角=90的集电极脉冲电流1ci和2ci。两电流经输出变压器2Tr，在负载回路合成一完整的正弦波有两个反相工作的单管B类放大器构成。可以不要有失真（交越失真）--采用AB类%79理论上84.3.1C类功放－谐振功率放大器电路的特点：电路的静态工作点是选在接近截止点，或选择在小于截止点的负偏置区。消除由静态工作点带来的无用功耗，提高效率。输入、输出端通过变压器线圈馈电。本电路都采用串馈（直流、交流与管子三者是串联连接的）以谐振回路为负载，考虑了选频与匹配（满足输出所要求的功率时的最佳电阻。）下图所示是谐振功率放大器的电原理图。iBBBEcccCEvVvvVviviv1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi9C类功放的等效电路•以电压控制电流源等效晶体管的作用•图（b）为控制特性•LC、等效晶体管的负载，为包括、晶体管的输出电阻和回路损耗的总折合值。•图（c）负载阻抗的模随频率变化的关系CBEiv~'LR'LRLR10C类功放工作原理其中，为阈电压，g为时直线段的斜率，为偏置电压。折线分析法示意图thVthiVvBBV返回11利用关于折线分析法的结果，可得出集电极电流的表示式为：当输入信号为足够大时，集电极电流出现尖顶余弦脉冲，如折线图所示。偏置电压为，确定静态工作点。工作点处在截止区，静态时无集电极电流。C类功放工作原理（续）电路的工作过程：BBVtVtvimi0cos)(imVcos1coscos0tIicmC)cos1(imcmgVIimBBthVVVarccostItIIticccc020102coscos)(集电极电流余弦脉冲可以展开成傅立叶级数：12C类功放输出电压与集电极电流波形不同放大器的负载阻抗是频率的函数，只有角频率为的电流分量可以在负载上建立余弦电压。因为最大。将余弦脉冲基波分量分解系数的表示式，即代入上式，则可得谐振功率放大器输出电压的表示式谐振功率放大器激励电压是余弦电压，但基极电流和集电极电流只是余弦信号的一部分，称为余弦电流脉冲，而输出电压又是与激励电压同频的余弦电压。这是谐振功率放大器不同于一般线性功率放大器的特点。谐振功放集电极电压波形与集电极电流波形不同。'LR0tRItvLc0'10cos)(tRItvLcm0'0cos)cos1(cossin)(1pR包括、晶体管的输出电阻和回路损耗的总折合值。LRpR13C类功放工作波形P204输入电压基极发射极间电压基极电流余弦脉冲集电极电流余弦脉冲输出电压集电极发射极间电压与最大点相反。iBBBEcccCEvVvvVv)(tviBEv)(tiC)(0tv)(tvCE)(tiB)(tiCiviv1Tr2TrLRBBVCCVCLBEvCEvCiCvBi14C类功放的输出功率与效率在谐振功率放大器中，其静态工作点选择在集电极电流为零的情况，消除了静态功耗，提高了工作效率。如何进一步提高C类功放效率？谐振功放的效率定义为：SoPP输出信号功率(基波功率）为：omCoVIP121集电极电流中的基波分量幅度为：)(11cmCIIomcmoVIP121输出电压的幅度是输出功率又可表示为'1()omcLVIRSP电源提供的功率15电源提供的功率是。它等于电源电压和集电极电流中直流分量的乘积（C类功放的静态工作点电流为0）C类功放的与及关系)(00cmcIISPCCV在集电极电流为余弦脉冲时，该直流分量可以表示为：电源供给功率：CCcmCCCSVIVIP00谐振功率放大器的效率表示式为：CComCCComCVVVIVI)()(21210101)()(2101ccomVV电压利用系数：16)()(2101提高C类功放的效率，可以采取两方面的措施：（1）提高电压利用系数，这要求提高负载电阻的阻值－－回路谐振。（2）选择合适的值，使最大。110()()g从图4.3.6可看出，愈小，则值愈大，效率愈高，)()(01谐波分解图ccLcccomVRIVV'1但愈小，基波幅值下降太多值的选择需综合考虑。一般左右。070讨论：如何提高C类功放的效率17电路举例：题图4.15图示为一实用共发射极C类放大器的电路图。由和组成自给偏置电路，利用基极电流中的直流分量产生偏置电压，代替外加偏置电源的作用。1R1C为输入信号电压与偏置电压的叠加。)(tviL、组成谐振回路，它的谐振频率等于输入信号频率，在本例中为27MHz。2C2R电阻在实际电路中是没有的，加入它是为测量集电极电流的波形，它的阻值很小，仅为0.1。3R输出信号电压从回路两端取出，为该放大器的负载电阻。iv1Tr2RL2C1R1C3CCCV3Rov3vBEv18提高功率放大器效率的途经根据效率的定义：oCCooSoPPPPPPP11为晶体管集电极耗散功率。CPCP晶体管集电极耗散功率：tdviPCECC21减小耗散功率的有效方法是：减小的积分区间即减小电流的流通角（注意不能太小）减小与的乘积。CPCiCEvC类放大器为什么效率高？要提高放大器效率，减小晶体管集电极耗散功率19提高功率放大器效率的途经（续）A类、B类和C类放大器比较，其效率的提高主要是减小了电流流通角，还有icmax与VCEmax不同时出现。电流流通角的减小是有一定限度的。太小，效率高，但基波幅值下降太多，输出功率反而下降。若维持功率不变，必须加大激励电压并将基极偏压向负值增大，使基极反向电压增大，可能使功率管发射结反向击穿。D类和E类放大器是固定为90，主要采用尽量减小的乘积降低放大器件耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。CiCEv高效率的D类和E类功放设计思路？204.3.2D类和E类功率放大器减小与的乘积。工作于开关状态，固定为90CiCEv晶体管导通（为最大）时，其管压降为最小管子截止（）时，管压降为最大。在理想情况下，可使的乘积趋于零，即趋于零，而趋于。CiCEvCEv0CiCECviCP%100电压开关型D类放大器CCV返回1TrLRCLivA1Ci2Ci1T2TLvLRLvCLCCVS12AvCC（b）21D类功率放大器（续2）激励信号是频率为的方波，或是幅度足够大的正弦波。通过变压器，在两次级线圈产生极性相反的推动电压和，分别使晶体管和依次处于饱和或截止。iv0f1Tr1bv2bv1T2T正半周，饱和，截止，相当于图（b）所示等效电路的开关置于位置1，于是电源电压通过开关向、、组成的串联回路充电，并使点的电压提到。1T2TCCVSLCLRAAvCESCCAVVv在激励信号的负半周，将为饱和，截止，开关置于2，储存在的能量通过放电，并使点的电压下降为：2T1TSLC2TACESAVv'效率可表示为：CCCESCCSoVVVPP2上图*推导见P208CESV管子饱和压降22D类功放波形Li1Ci2CiD类功放波形回路电流为合成当回路Q足够高，在谐振频率点上为余弦波。Li23D类功率放大器（续3）在高频工作时，由于晶体管势垒电容、扩散电容以及电路的分布电容的影响，晶体管、的开关转换不可能在瞬间完成。随着输入信号频率的提高而更趋严重。不满足，为最大和为最大，的条件。结果，晶体管的耗散功率增大，放大器的实际效率将下降。0CiCCCEVvCi0CEvD类功放效率不是100％：24E类功率放大器(指导书P141～142)E类功率放大器是单管工作于开关状态。设计高阶的电抗网络为负载回路，选取适当的负载网络参数，以使它的瞬态响应最佳。只有当器件的电压（或电流）降为零后，开关才能导通（或断开）。即使开关转换时间与工作周期相比较已相当长，也能避免在开关器件内产生大的电压或电流。避免了在开关转换瞬间内的器件功耗，克服了D类功率放大器的缺点。当输出调谐回路设计达到上述要求，E类功率放大器可以获得很高的效率。*用于D、E类功放输出信号幅度与输入信号幅度无线性关系，不能用于放大非恒包络的已调信号。25功率放大器的应用选择选择功放种类