第二讲谐振功率放大器

1、谐振功率放大器第二讲第二讲 谐振功率放大器谐振功率放大器 2.1 2.1 功率放大器概述功率放大器概述 2.2 2.2 谐振功率放大器工作原理谐振功率放大器工作原理 2.3 2.3 谐振功率放大器性能特点谐振功率放大器性能特点 2.4 2.4 谐振功率放大器特性分析谐振功率放大器特性分析 2.5 2.5 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路谐振功率放大器2.12.1 功率放大器概述功率放大器概述 功率电子线路功率电子线路：是高效率的实现能量是高效率的实现能量变换的一种电路，广泛应用于通信、音响、图变换的一种电路，广泛应用于通信、音响、图像等电子设备中。像等电子设备中。 功率放大器功率放大器：在

2、输入信号的作用下将直在输入信号的作用下将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。流电源的直流功率转换为输出信号功率。谐振功率放大器2.1.1 2.1.1 功率放大器的性能要求功率放大器的性能要求 安全、高效、不失真安全、高效、不失真的输出所需信号功率。的输出所需信号功率。 功率功率为直流电源提供的直流为直流电源提供的直流:DPomPPo出出功功率率为为输输出出信信号号功功率率，最最大大输输:集集电电极极耗耗散散功功率率:PcCODPPP功率关系为：功率关系为：DOPP输出效率为：输出效率为：谐振功率放大器tduiPcecC2021越越大大越越小小，一一定定的的情情况况下下，在在CDPP越大越大越

3、小，越小，越小，越小，因此，因此，CcecPui谐振功率放大器2.1.2 2.1.2 功率管的运用特性功率管的运用特性 功率管有不同的运用状态：功率管有不同的运用状态：1 1、甲类：在输入正弦波激励下，功率管在一个周、甲类：在输入正弦波激励下，功率管在一个周期内均导通；期内均导通；2 2、乙类：在输入正弦波激励下，功率管在半个周、乙类：在输入正弦波激励下，功率管在半个周期内导通；期内导通；3 3、甲乙类：在输入正弦波激励下，功率管在大于、甲乙类：在输入正弦波激励下，功率管在大于半个周期，小于一个周期内导通；半个周期，小于一个周期内导通；谐振功率放大器4 4、丙类：在输入正弦波激励下，功率管在小

4、于半、丙类：在输入正弦波激励下，功率管在小于半 个周期内导通；个周期内导通；5 5、丁类：使管子运用在开关状态，即管子在信号、丁类：使管子运用在开关状态，即管子在信号的半个周期内饱和导通，在另半个周期的半个周期内饱和导通，在另半个周期内截止。内截止。 甲类、乙类、丙类、丁类输出效率依次增加。甲类、乙类、丙类、丁类输出效率依次增加。谐振功率放大器2.1.3 2.1.3 低频功放和高频功放低频功放和高频功放 功率放大器根据频率不同可以分为低频功功率放大器根据频率不同可以分为低频功放和高频功放。放和高频功放。 低频功放低频功放：用于低频放大电路中用于低频放大电路中 高频功放高频功放：用于高频放大电路

5、中用于高频放大电路中 二者既有相同点，又有不同点。二者既有相同点，又有不同点。谐振功率放大器1 1、相同点、相同点 均输出功率大，效率高。均输出功率大，效率高。2 2、不同点、不同点 低频：工作频率低，频带宽，可工作在甲类、低频：工作频率低，频带宽，可工作在甲类、 乙类、甲乙类状态；乙类、甲乙类状态； 高频：工作频率高，相对频带窄，一般工作在高频：工作频率高，相对频带窄，一般工作在丙类状态，采用选频网络作负载。丙类状态，采用选频网络作负载。 本书重点讲述高频功率放大器，即第二章的内容本书重点讲述高频功率放大器，即第二章的内容谐振功率放大器2.2 2.2 丙类谐振功率放大器工作原理丙类谐振功率放

6、大器工作原理 谐振功率放大器谐振功率放大器是一种以是一种以谐振系统谐振系统作为作为匹配网络的功率放大器，一般工作在匹配网络的功率放大器，一般工作在丙类状态丙类状态，主要用于无线发射机中，用来对载波信号或高主要用于无线发射机中，用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大。频已调波信号进行功率放大。 重点讲述丙类谐振功率放大器工作原理。重点讲述丙类谐振功率放大器工作原理。谐振功率放大器丙类谐振功率放大器原理电路图丙类谐振功率放大器原理电路图2 21 1所示：所示：谐振功率放大器 输入信号电压为：输入信号电压为： 为了实现丙类工作，即功率管小于半个周期导为了实现丙类工作，即功率管小于半个周期导通，则

7、通，则 应小于应小于 。 集电极电流脉冲如图集电极电流脉冲如图2 22 2所示：所示：tUVubmBBBE costUubmb cosBBVVon谐振功率放大器谐振功率放大器tnItItIIicnmmcmccCcos2coscos210Ci 失真，为周期性的非正弦脉冲序列，失真，为周期性的非正弦脉冲序列，将其将其用傅立叶级数展开为：用傅立叶级数展开为：tdtiItdiIcmccc )cos(2121201200 平均分量和基波分量分别为：平均分量和基波分量分别为：谐振功率放大器 Cr与与Lr为匹配网络，与外接负载为匹配网络，与外接负载CL、RL共同共同组成并联谐振回路，调谐在输入信号频率组成并

8、联谐振回路，调谐在输入信号频率w上。上。 所以电路对集电极电流中的基波分量呈现所以电路对集电极电流中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，而的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，而对其他分量呈现的阻抗较小。对其他分量呈现的阻抗较小。LtrRCLeR)(LLtCCrCCrC谐振功率放大器 回路电压为基波分量产生的电压回路电压为基波分量产生的电压e1Rci 利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电流脉冲变换程不失真的输出余弦电压。流脉冲变换程不失真的输出余弦电压。 电流电压波形如图电流电压波形如图2 23 3所示：所示：谐振功率放大器谐振功率放

9、大器结论：结论：1 1、电路由工作在丙类状态的三极管和、电路由工作在丙类状态的三极管和LCLC并联谐并联谐 振回路组成。振回路组成。2 2、为保证丙类工作状态，发射结电源电压应为、为保证丙类工作状态，发射结电源电压应为负偏置。负偏置。3 3、负载电阻应并联至谐振回路，谐振回路同时、负载电阻应并联至谐振回路，谐振回路同时实现阻抗的匹配。实现阻抗的匹配。4 4、谐振回路的中心频率应与输入信号频率相同，、谐振回路的中心频率应与输入信号频率相同，此时实现信号无失真传输。此时实现信号无失真传输。谐振功率放大器2.3 2.3 谐振功率放大器性能特点谐振功率放大器性能特点2.3.1 2.3.1 功率关系功率

10、关系 由图由图3 31 1可知：可知：tUVubmBBBE costUVucmCCCE costnItItIIicnmmcmccCcos2coscos210集电极电流脉冲可分解为傅立叶级数：集电极电流脉冲可分解为傅立叶级数：谐振功率放大器1 1、直流电源提供的直流功率为：、直流电源提供的直流功率为：0CCCDIVP2、输出功率：输出功率： 由于回路只对基频呈现纯电阻，因此只有基频由于回路只对基频呈现纯电阻，因此只有基频电压和基频电流才能产生输出功率。电压和基频电流才能产生输出功率。mccmOIUP121回路所需阻抗：回路所需阻抗：mccmIU1eR 谐振功率放大器ODCPPP3 3、集电极耗散

11、功率为：、集电极耗散功率为：集电极效率：集电极效率：DOcPP 谐振功率放大器2.3.2 2.3.2 欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态1 1、集电极脉冲、集电极脉冲电流宽度电流宽度的确定的确定 根据图根据图2 22 2可知，电流宽度主要取决于可知，电流宽度主要取决于VBB，Ubm，几乎不随，几乎不随Ucm的大小而变化。的大小而变化。 当当VBB不变，不变， Ubm不变时，不变时，Ic宽度不变；宽度不变； 当当VBB不变，不变， Ubm增大时，增大时，Ic宽度增大；宽度增大； 当当VBB增大，增大， Ubm不变时，不变时，Ic宽度增大。宽度增大。 谐振功率放大器2 2、集电极脉冲电流、集

12、电极脉冲电流波形及高度波形及高度的确定的确定 设设VBB, VCC, Ubm均是定值，则当均是定值，则当Ucm变化时，变化时，集电极电流脉冲的变化情况。集电极电流脉冲的变化情况。 tUVubmBBBE costUVucmCCCE cos，则，则设定设定0t )(max定值定值bmBBBEUVucmCCCEUVumin谐振功率放大器 用输出特性曲线近似分析，但此时的参变量用输出特性曲线近似分析，但此时的参变量取取VBE。 在输出特性图中在输出特性图中, , 表示输出电压表示输出电压uCE随集电随集电极电流极电流iC变化的轨迹线称为变化的轨迹线称为动态线动态线, , 又称为交流又称为交流负载线。负

13、载线。 Ucm对集电极电流脉冲的影响如图对集电极电流脉冲的影响如图2 24 4所示：所示：谐振功率放大器谐振功率放大器 当当Ucm增大时，增大时，uCEmin减小，动态点减小，动态点A依次为依次为A1 ，A2， A3，其中，其中A2为放大区进入饱和区的临为放大区进入饱和区的临界点。界点。 欠压状态欠压状态：动态点：动态点A处于放大区处于放大区 集电极电流为近似余弦的脉冲波，当集电极电流为近似余弦的脉冲波，当Ucm增增大时，脉冲的高度略有减小。大时，脉冲的高度略有减小。 谐振功率放大器 临界状态临界状态：动态点：动态点A处于放大区和饱和区之处于放大区和饱和区之间的临界点间的临界点 集电极电流为近

14、似余弦的脉冲波。集电极电流为近似余弦的脉冲波。 过压状态过压状态：动态点：动态点A处于饱和区处于饱和区 集电极电流为中间凹陷的脉冲波。集电极电流为中间凹陷的脉冲波。谐振功率放大器2.4 2.4 谐振功率放大器特性分析谐振功率放大器特性分析2.4.1 2.4.1 负载特性负载特性 指指VBB， VCC ， Ubm均是定值时，放大器的均是定值时，放大器的性能随性能随Re变化的特性变化的特性称为负载特性。称为负载特性。 当当 时，时， ，则放大器由欠压状态，则放大器由欠压状态进入过压状态，进入过压状态，ic由近似余弦波变为中间凹陷由近似余弦波变为中间凹陷的脉冲波。的脉冲波。eRcmU谐振功率放大器1

15、 1、当处于欠压状态时：、当处于欠压状态时：CCmcOcCCDmccmmcccPIPIVPIVIIi ,R21RRe,1, 0e,11, 0e2略略略略谐振功率放大器2 2、当处于过压状态时：、当处于过压状态时：略略略略略略迅速迅速迅速迅速CCmcOcCCDmccmmcccPIPIVPIVIIi ,R21RRe,1, 0e,11, 0e2谐振功率放大器OsatCECCOcmoptPVVPV2)(2R22)(e3 3、临界状态时：、临界状态时：负载，大小为：负载，大小为：此时对应的负载为匹配此时对应的负载为匹配性能，性能，较小，放大器接近最佳较小，放大器接近最佳较大，较大，最大，最大，CCOPP

16、 谐振功率放大器负载特性曲线如图负载特性曲线如图2 25 5所示：所示：谐振功率放大器2.4.2 2.4.2 调制特性调制特性 1 1、集电极调制特性：指、集电极调制特性：指VBB， Re ， Ubm均均是定值时，放大器的性能随是定值时，放大器的性能随VCC变化的特性变化的特性。 当当 时，时， ，相当于，相当于 ，则放，则放大器由欠压状态进入过压状态，大器由欠压状态进入过压状态，ic由近似余弦由近似余弦波变为中间凹陷的脉冲波。波变为中间凹陷的脉冲波。 集电极调制特性曲线如图集电极调制特性曲线如图2 26 6所示：所示：CCVminCEUUcm谐振功率放大器谐振功率放大器 2 2、基极调制特性

17、：指、基极调制特性：指Ubm，Re ， VCC 均是均是定值时，放大器的性能随定值时，放大器的性能随VBB变化的特性变化的特性。 当当Ubm一定一定时，时， ，脉冲宽，脉冲宽度增加，高度也增加，则放大器由欠压状态进度增加，高度也增加，则放大器由欠压状态进入过压状态，入过压状态，ic由近似余弦波变为中间凹陷的由近似余弦波变为中间凹陷的脉冲波。脉冲波。 基极调制特性曲线如图基极调制特性曲线如图27所示：所示：)( 自负向正自负向正BBV谐振功率放大器谐振功率放大器小结：小结： 欠压区：实现基极调制欠压区：实现基极调制 过压区：实现集电极调制过压区：实现集电极调制谐振功率放大器2.4.3 2.4.3

18、 放大特性放大特性： 指指VBB，Re ，VCC 均是定值时，放大器的均是定值时，放大器的性能随性能随Ubm变化的特性变化的特性。 放大特性与基极调制特性基本类似，脉放大特性与基极调制特性基本类似，脉冲宽度增加，高度也增加，则放大器由欠压状冲宽度增加，高度也增加，则放大器由欠压状态进入过压状态，态进入过压状态，ic由近似余弦波变为中间凹由近似余弦波变为中间凹陷的脉冲波。陷的脉冲波。 放大特性曲线如图放大特性曲线如图2 28 8所示：所示：谐振功率放大器谐振功率放大器1 1、谐振功放可以用作、谐振功放可以用作线性功放线性功放，来放大振幅调制，来放大振幅调制信号，此时信号，此时Ucm应与应与Ubm

19、成线性关系。成线性关系。 功率放大器应该工作在功率放大器应该工作在欠压状态欠压状态。2 2、谐振功率放大器用作、谐振功率放大器用作限幅器限幅器时，则时，则Ubm有较大有较大变化时，而变化时，而Ucm应基本保持不变。应基本保持不变。 功率放大器应该工作在功率放大器应该工作在过压状态过压状态。谐振功率放大器小结小结欠压区欠压区 三极管具有放大特性三极管具有放大特性 可用作放大器可用作放大器过压区过压区 三极管具有限幅特性三极管具有限幅特性 可用作限幅器可用作限幅器谐振功率放大器2.52.5 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 谐振功率放大器外电路由谐振功率放大器外电路由直流馈电电路直流馈电电路和

20、和滤波匹配网络滤波匹配网络两部分组成。两部分组成。2.5.1 2.5.1 直流馈电电路直流馈电电路 在高频功放的基极电路和集电极电路应分在高频功放的基极电路和集电极电路应分别加有合适的直流馈电线路，有两种形式：别加有合适的直流馈电线路，有两种形式：串串联馈电和并联馈电联馈电和并联馈电。谐振功率放大器集电极馈电电路集电极馈电电路 集电极电流是脉冲形状集电极电流是脉冲形状, , 包括直流、基频及包括直流、基频及各次谐波分量。各次谐波分量。 集电极馈电线路应：集电极馈电线路应： 1 1、有效地将有效地将直流直流电压加在晶体管的集电极与电压加在晶体管的集电极与发射极之间。发射极之间。 2 2、使使基频

21、基频分量流过负载回路产生输出功率。分量流过负载回路产生输出功率。 3 3、有效地滤除高次有效地滤除高次谐波谐波分量。分量。谐振功率放大器馈电电路形式：馈电电路形式：串馈：指直流电源、滤波匹配网络和功率管在串馈：指直流电源、滤波匹配网络和功率管在 形式上为串接的一种馈电方式。形式上为串接的一种馈电方式。并馈：指直流电源、滤波匹配网络和功率管在并馈：指直流电源、滤波匹配网络和功率管在 形式上为并接的一种馈电方式。形式上为并接的一种馈电方式。 电路如图电路如图2 29 9所示：所示： 谐振功率放大器谐振功率放大器 电路分析：电路分析： 1 1、Lc高频扼流圈，在信号频率上相当于开高频扼流圈，在信号频率上相当于开路，其他时刻为短路；路，其他时刻为短路； 2、 Cc、 Cc1、 Cc2高频旁路电容，在信号高频旁路电容，在信号频率上相当于短路，其他时刻为开路。频率上相当于短路，其他时刻为开路。 两种馈电电路具有相同的直流通路和交流两种馈电电路具有相同的直流通路和交流通路，如图通路，如图2 21010所示。所示。谐振功率放大器谐振功率放大器2.5.2 2.5.2 滤波匹配网络滤波匹配网络 滤波匹配网络介于功率管和外接负载之间。滤波匹配网络介于功率管和外接负载之