谐振功率放大器原理分析

第二章 射频电子系统中的 放大器设计 2.1 高频小信号调谐放大器 （ 2.1.1 2.1.7） 2.2 高频谐振功率放大器 （ 2.2.1 2.2.6） 2.2高频谐振功率放大器 l 1、射频功率放大器的用途 l 2、射频功率放大器的分类 l 3、射频功率放大器的主要技术指标 l 4、射频功率晶体管的选择与保护 l 5、射频功放的分析方法 l 6、有效的能量传输与阻抗匹配。 2.2高频谐振功率放大器 l1、射频功率放大器的用途 需对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、 尺寸、重量等进行综合考虑。 发射机框图 2.2高频谐振功率放大器 l 1、功率放大器的用途 l 2、射频功率放大器的分类 2.2高频谐振功率放大器 l2、射频功率放大器的分类 按工作频带分为：窄带射频功放、宽带射频功放 窄带高频功率放大器通常以 LC并联谐振回路作负载， 因此又称为谐振功率放大器。 按电流导通角不同分为：甲类、甲乙类、乙类、丙类。 射频功放大多工作于丙类，采用谐振回路做负载。 按工作状态分为：线性放大和非线性放大 射频功放通常工作于非线性放大状态，具有较高的效率。 2.2高频谐振功率放大器 l 1、射频功率放大器的用途 l 2、射频功率放大器的分类 l 3、射频功率放大器的主要技术指标 2.2高频谐振功率放大器 l3、射频功率放大器的主要技术指标 VCEO ICM PCM 高效率、大输出功率。 谐波、杂散波。 功率与效率 集电极效率 : 输出的交流功率： 能量守恒： 电源提供的功率： Pdc 集电极耗散功率： Pc 输出的交流功率： P0 效率 甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形 甲类 乙类 丙类 集电极效率 : 输出功率 固态器件与电真空器件功率量级比较图 2.2高频谐振功率放大器 l 1、射频功率放大器的用途 l 2、射频功率放大器的分类 l 3、射频功率放大器的主要技术指标 l 4、射频功率晶体管的选择与保护 2.2高频谐振功率放大器 l4、射频功率晶体管的选择与保护 VCEO ICM PCM 功放管的保护 1、一般不能空载上电。 2、加散热片。 功放管的保护 l 散热 功放管的保护 l 接负载 l 一般来说，功率放大器应该在接妥负载以后，才能接 通电源开启机器，否则容易造成损坏，特别是在有输 入信号时，接通电源而又不接负载，危险性更大。对 于电子管功率放大器、 A类功率放大器更是严格禁止 在负载开路情况下通电开机，因为在这种状态下，功 率输出器件将承受最大的功率耗散，有可能超过其安 全工作区而造成损坏。而且负载开路状态下，常会导 致放大器的工作不稳定，甚至自激，也有可能会造成 功率输出器材的损坏。 2.2高频谐振功率放大器 l 1、射频功率放大器的用途 l 2、射频功率放大器的分类 l 3、射频功率放大器的主要技术指标 l 4、射频功率晶体管的选择与保护 l 5、射频功放的分析方法 谐振功放与低频功放的区别 工作 频 率 相 对带 宽 工作状 态 负载 效率 低 频 功 放 低 （ 20Hz- 30KHz） 宽 甲 类 、 推挽乙 类 无 调谐负载 阻性 低 高 频 功 放 高 （ 一个工作 频 率 ） 窄 百分之零点几 到百分之几 丙 类 选频 网 络 高 l5、射频功放的分析方法 高频功放工作于大信号的非线性状态，用解析法 分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法。 用 图解法 或 折线近似分析法 来分析功率放大器。 l5、射频功放的分析方法 图解法： 利用电子器件的特性曲线对它的工作状态进行计算。 l5、射频功放的分析方法 折线近似分析法： 用折线来表示电子器件的特性曲线。 大信号工作条件下高频功放折线近似为理想化特性曲线的原理： l5、射频功放的分析方法 例： 3DA21型晶体管的静态特性曲线 VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。 gc 正向传输特性的斜率 VBZ 在饱和区，集电极电流只受集电极电压 的控制，而与基极电压无关。 该斜线称为饱和临界线 在放大区，根据理想化原理，集电极电 流与集电极电压无关。那么，各条特性 曲线均为平行于 Uce轴的水平线。 分析条件 建立在 的基础上，此时可认为 。晶体管的静态特性可作为高频谐振功率放大器理 论分析的基础。分析小信号谐振放大时，一般满足 。此时，晶体管静态特性失效，要借助其他方法， 如 y参数法，来分析小信号谐振放大器。 l5、射频功放的分析方法 2.2高频谐振功率放大器 l 1、射频功率放大器的用途 l 2、射频功率放大器的分类 l 3、射频功率放大器的主要技术指标 l 4、射频功率晶体管的选择与保护 l 5、射频功放的分析方法 l 6、有效的能量传输与阻抗匹配。 6、有效的能量传输与阻抗匹配。 l 射频功率放大器中，阻 抗匹配网络是为了实现 有效的能量传输。 匹配网络也会引起损耗： 传输效率为： 实际放大器的效率为： 2.2.1高频谐振功放的基本工作原理 基本原理图 工程实践 工作频率近似等于谐振回路的谐振频率 2.2.1高频谐振功放的基本工作原理 回路谐振电阻 因为 VBB为略正、零或负电压，就需较大幅度的 Vb才可 将管子打通。所以丙类功放是在大信号输入时工作的。 2.2.1高频谐振功放的基本工作原理 丙类的工作效率可提高到 75%！ VBB可正可负！ 集电极效率 : ic 2.2.1高频谐振功放的基本工作原理 ic 设单音激励信号 输入回路方程 输出回路方程 谐振回路对 呈现阻抗 ，对 ， ， 可 近似认为短路 (阻抗近似为零 )。 脉冲电流 的周期与输入信号的周期是相同的， 可分解成无数多个正弦波之和： 2.2.1高频谐振功放的基本工作原理 输入回路方程 输出回路方程 ic 2.2.1高频谐振功放的基本工作原理 ic 电源输入的直流功率 (平均功率 ) 放大器输出的交流功率： 波形系数 g1 2.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法 例： 3DA21型晶体管的静态特性曲线 VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。 gc 正向传输特性的斜率 VBZ 在饱和区，集电极电流只受集电极电压 的控制，而与基极电压无关。 该斜线称为饱和临界线 在放大区，根据理想化原理，集电极电 流与集电极电压无关。那么，各条特性 曲线均为平行于 Uce轴的水平线。 2.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法 2.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法 2.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法 2.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法 2.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法 尖顶余弦电流分解系数 图 倍频器： 2倍频器， 3倍频器。 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 l 研究基极接上输入信号，集电极接上负载阻抗时 ，晶体管集电极电流 ic与集电极电压 Uce之间的 关系。 l 功放工作点变化的轨迹称为动态交流负载线。 l 当某些参数变化时，负载线的斜率、位置与斜率 大小都会发生变化，这种特性称为动态特性。 一、负载特性 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 一、负载特性 建立 由 Rp和 VCC 、 VBB、 Vb所 表示的输出动态负载 曲线。（ Ic与 Uce的关系曲线。） vce ic Vo A VCC Q Vcm1 vcemin gd V0 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 1、动态负载线 建立 由 Rp和 VCC 、 VBB、 Vb所 表示的输出动态负载 曲线。（ Ic与 Uce的关系曲线。） vce ic Vo A VCC Q Vcm1 vcemin gd V0 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 1、动态负载线 B 建立 由 Rp和 VCC 、 VBB、 Vb所 表示的输出动态负载 曲线。（ Ic与 Uce的关系曲线。） vce ic Vo A VCC Q Vcm1 vcemin gd V0 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 1、动态负载线 B 甲类 与低频放大器负载线的斜率公式一致 偏离 1800，即非甲类工作时，负载线 的斜率变化。 建立 由 Rp和 VCC 、 VBB、 Vb所 表示的输出动态负载 曲线。（ Ic与 Uce的关系曲线。） vce ic Vo A VCC Q Vcm1 vcemin gd V0 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 1、动态负载线 B 当 RP 时， 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 一、负载特性 vBE iC -VBB VBZ vbe iC gC Vbm vbemax iCmax vce iC VCC Q vcemin Vces gd vbemax 过 压 区 临界区 欠压区A1 A5 A3 A4 A2 V0V0V0 2.2.3 高频谐振功放的动态特性 一、负载特性 欠压 过压0 临 界 Rp 欠压 过压0 临 界 Rp 欠压、过压、临界三种工作状态的特点： 欠压：恒流， Vcm