谐振功率防大器_原理

1、2.2.1高频谐振功率放大器的基本工作原理高频谐振功率放大器的基本工作原理功率放大器简介功率放大器简介第一章习题讲解第一章习题讲解1. 基本电路结构基本电路结构2. 工作原理分析工作原理分析复习上一讲内容复习上一讲内容45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC 其简化规则：交流输入信号为零；其简化规则：交流输入信号为零；所有电容开路；所有电感短路。所有电容开路；所有电感短路。结论：结论：Rb1、Rb2、Re为偏置电阻，提供静态工作点；为偏置电阻，提供静态工作点；1. 直流偏置电路分析直流偏置电路分析画出画出直流等效电路直流等效电路，Rb1Rb2ReVCC常见共发射极直流偏置

2、电路常见共发射极直流偏置电路45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC 其简化规则：有交流输入信号，所有其简化规则：有交流输入信号，所有直流量为零；所有大电容短路；所有大电感开路。（谐振回路直流量为零；所有大电容短路；所有大电感开路。（谐振回路L、C保留）保留）1) 画出画出交流等效电路交流等效电路，2. 交流等效电路分析交流等效电路分析32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输入回路输出回路输出回路晶体管晶体管32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+u31-+v21-2)

3、 画出画出交流小信号等效电路交流小信号等效电路， 负载和回路之间采用了负载和回路之间采用了变压器耦合，接入系数变压器耦合，接入系数 NNp231542vv 晶体管集、射回路与振晶体管集、射回路与振荡回路之间采用抽头接入，荡回路之间采用抽头接入，接入系数接入系数 NNp131211vv上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器1 1、放大器的输入导纳放大器的输入导纳 Yi ？0rey ieiyY LoefereieibiyyyyyVIY2、放大器的电压增益、放大器的电压增益= ？上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器iVVV

4、A/02、放大器的电压增益、放大器的电压增益= ？上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器12120121fefeVLp p yp p yAQfgj Cgjj Lf1221feVp pyAgj1222221221221()feVPoeieoeiep p yAGp gp gjCp Cp CjL120feVP P yAg并联回路和输出都谐振时并联回路和输出都谐振时2212222212211feieiepovooepieieiep p yggAAp gGp ggg3、放大器的功率增益、放大器的功率增益上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展21iiiePV g输出部分

5、输出部分谐振时谐振时212222222221feiooieabieieoeLpp yVPV gV p gpgp yyoPiPAP3、放大器的功率增益、放大器的功率增益上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器22221222210|41()4(1)1|41(1)4(1)1fePPPoeiePfePLoeiePyPgGAggPgyPQggPQ失配损耗插入损耗失谐状态的程度对功率的影响谐振时的最大功率增益4 4、放大器的其他性能指标、放大器的其他性能指标 ：上节内容回顾与扩展上节内容回顾与扩展高频小信号调谐放大器高频小信号调谐放大器LQff07 . 027.01.

6、01.022ffKrLQff01.0992991.0rKLC10121200.70722fefevp p yp p yAgCf001LCQLgg1200.70722fevp p yAfC vo11vAAj谐振放大器的归一化抑制比单调谐小信号放大器实物图单调谐小信号放大器原理图2.1.5 高频小信号单调谐回路谐振放大器的级联总增益的模总增益的模 |Av|=|Av1|*|Av2|*|Av3|Avn | 2.38若各级放大器是完全相同的单级放大器若各级放大器是完全相同的单级放大器,则则1nvvAA220.707202111nnnLnoAfQAf若各级放大器是完全相同的若各级放大器是完全相同的单级放大

7、器，归一化抑制比单级放大器，归一化抑制比3dB带宽：令带宽：令f0.7代表代表An/An0=0.707时的频率偏移时的频率偏移,则有则有1100.707122121nnnLfBfBQ 表表2.1 带宽缩小因子带宽缩小因子级数n123456781.00.640.510.430.380.350.320.30121n n是大于是大于1的正整数的正整数, 称为级联放大器缩小因子。具体数值见称为级联放大器缩小因子。具体数值见表表2.1所示。所示。121n按矩形系数的定义可得按矩形系数的定义可得10.10.110.70721001221nrnfKf表表2-2 矩形系数与级数的关系矩形系数与级数的关系级数n

8、12345910K0.19.954.903.753.403.202.892.852.56当级数当级数n增加时增加时,矩形系数有所改善，级数越多，矩形系数有所改善，级数越多，Kr0.1变化越缓慢。变化越缓慢。即当即当n趋于无穷时趋于无穷时,Kr0.1也只有也只有2.56。可见这种改善是有限度的。可见这种改善是有限度的。5 5、高频小信号调谐放大器的稳定性高频小信号调谐放大器的稳定性上节内容回顾上节内容回顾LoefereieiyyyyyYFieiyyY0isYy振荡的临界条件为：0refesieoeLy yyyyy5 5、高频小信号调谐放大器的稳定性高频小信号调谐放大器的稳定性放大器不稳定1SK

9、1SK 1SK 510SK 2()()|1cos()sieoeLSfereferegggGKyy稳定性系数放大器稳定的临界状态放大器稳定2221021|2ppyCggKfereSresfeVCKyA00|2上节内容回顾上节内容回顾5 5、高频小信号调谐放大器的稳定性高频小信号调谐放大器的稳定性上节内容回顾上节内容回顾平衡条件平衡条件 cbBNA/11CLCL即即 cbBAN/CLLCNCcbC2CALBLBCDA(b)oUBLALBCDANCcbCoUiU(c)图2-12谐振回路的中和电路(1) 中和法中和法 5 5、高频小信号调谐放大器的稳定性高频小信号调谐放大器的稳定性 提高放大器稳定性的

10、措施(2)失配法 信号源内阻与负载不相等称为失配状态。上节内容回顾上节内容回顾第一章习题讲解1. 高频、低频功放工作的异同点高频、低频功放工作的异同点相同点：输出功率大、效率高；相同点：输出功率大、效率高；不同点：工作频率与相对带宽、负载网络与工作状态不同；不同点：工作频率与相对带宽、负载网络与工作状态不同；2. 高频放大器分类高频放大器分类从工作频带宽度来分：从工作频带宽度来分：窄带功放窄带功放-以谐振回路、选频网络为负载；以谐振回路、选频网络为负载；宽带功放宽带功放-以频率响应宽的传输线为负载回路。以频率响应宽的传输线为负载回路。这样，可以在很宽的范围内变换工作频率，不必重新调谐这样，可以

11、在很宽的范围内变换工作频率，不必重新调谐。从电流导通角来分：从电流导通角来分：A(甲甲)类：电流的流通角等于类：电流的流通角等于360；AB(甲乙甲乙)类：电流的流通角约大于类：电流的流通角约大于180；B(乙乙)类：电流的流通角约小于类：电流的流通角约小于180；C(丙丙)类：电流的流通角小于类：电流的流通角小于180； D类、类、E类及类及S类开关功率放大器。类开关功率放大器。ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶体管在输入信号晶体管在输入信号的整个周期都导通的整个周期都导通静态静态IC较大，波形较大，波形好好, 管耗大效率低。管耗大效率低。晶体管只在输入信号

12、晶体管只在输入信号的半个周期内导通，的半个周期内导通， 静态静态IC=0，波形严重，波形严重失真失真, 管耗小效率高。管耗小效率高。晶体管导通的时间大于晶体管导通的时间大于半个周期，静态半个周期，静态IC 0，一般功放常采用。一般功放常采用。输输出出特特性性曲曲线线 常常量量 cevbecvfi 常常量量 bevcecvfibevciBBV VBZQcevciQB 类类：o90BZBBVVC 类类：o90 ,BZBBVV 。Q位位 于于 放放 大大 区区0180icebtooictVBZ谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处相同之处：它们放

13、大的信号均为高频信号，而且放大器的负它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQebtooict2.2.1 高频谐振功率放大器的基本工作原理（A A）晶体管：大功率）晶体管：大功率晶体管，能承受高电晶体管，能承受高电压，大电流，一般工压，大电流，一般工作时发射极反偏作时发射极反偏(C(C类类) )1.1.基本电路结构基本电路结构除电源和

14、偏置电路外，除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：主要由三个部分组成： （B B）输入激励电路：提供所需信号电压；）输入激励电路：提供所需信号电压；（C C）输出谐振回路：）输出谐振回路：1)1)滤波选频，滤波选频，2)2)阻抗匹配；阻抗匹配； 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去信号功率输出去。 有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。电极耗散功率。P PD

15、CDC= =直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；P Po o= =交流输出信号功率；交流输出信号功率；P Pc c= =集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：cooDCocPPPPP由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：2) 2) 设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率P Pc c，则集电极效率，则集电极效率 c c自然自然 会提高。这样，在给定会提高。这样，在给定P PDCDC时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率P Po o 就会增大；就会增大；1 1） 由式由式1coccPP可

16、知可知 如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值，那不超过规定值，那么提高集电极效率么提高集电极效率 c c，将使交流输出功率，将使交流输出功率P Po o大为增加。谐振大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 可见使可见使ic c在在vcece最低的时候才能通过，那么，集电极耗散最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：01Tcce

17、v dtTi 谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c c9090 ，集，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+cosBEbBBBBbmvvVVVt maxbebebBBbcvvvVvi到到最最大大； 也也到到最最大大coscoscoscCCPcmcecccmvIRtVtvVVt Vcm 回路两端的基频电压回路两端的基频电压Ic1 基频电流基频电流Rp 回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗输出交流功率：输出交流功率：22011111222cmccmcPPVPI

18、VI RR电源输入的直流功率电源输入的直流功率(平均功率平均功率) 001TdcccccccPiV dtI VT放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：1101001112/22ccmccmcdcccccccIVIVPPgkI VIV波形系数波形系数 011ccIIg 电压利用系数电压利用系数 cmCCVkV 11eAneArjn Ljn CZrj n Ln C 2222111LPnALLn LQnRn LZj nLCj nQj nQ 21nPLZnRnQ 3210,2,0.0667;3,0.0375LPPQZZnnRR 若若可可算算得得说明，对于高次谐波谐振回路近似为短路，直接把谐波能量接地

19、说明，对于高次谐波谐振回路近似为短路，直接把谐波能量接地晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线理想化折线（虚线）icgcvb0VBZic过压区临界线欠压区vbvc0(a)(b)gcr2.2.2 2.2.2 高频谐振功率放大器折线近似分析法高频谐振功率放大器折线近似分析法o0.5ff f0.2f0.2fT Tf fT T f5 . 0f Tf2 . 0ff5 . 0 TTfff2 . 0 由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信号由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体管的等效电路的分析方法已不适用，所以

20、分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有关，如右，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有关，如右图图, ,示出了示出了与与 f f 之间的关系。之间的关系。低频区：低频区：中频区：中频区：高频区：高频区： 直接进行高频区或、中频区的分析和计算是相当困难的。本直接进行高频区或、中频区的分析和计算是相当困难的。本节将从低频区的静态特性来分析晶体管高频功放的工作原理。节将从低频区的静态特性来分析晶体管高频功放的工作原理。中频区的分析要考虑中频区的分析要考虑BJTBJT的结电容的结电容高频区的分析要考虑高频区的分析要考虑BJTBJT的结电容的结电容还要进一步考虑

21、电极引线电感还要进一步考虑电极引线电感2.2.2 2.2.2 高频谐振功率放大器折线近似分析法高频谐振功率放大器折线近似分析法折线分析法的主要步骤：折线分析法的主要步骤：1 1、测出晶体管的转移特性曲线、测出晶体管的转移特性曲线ic vb及输出特性曲线及输出特性曲线ic vc， 并将这两组曲线作理想折线化处理并将这两组曲线作理想折线化处理2 2、作出动态特性曲线、作出动态特性曲线3 3、是根据激励电压、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲应电流脉冲ic和输出电压和输出电压vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次谐波分量的各次谐波分量

22、Ic0、Ic1、Ic2由给定的负载谐由给定的负载谐 振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、 直流供给功率、效率等指标直流供给功率、效率等指标晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线 根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线来表示( (VBZ为截止偏压为截止偏压) )。晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线理想化折线（虚线）icgcvb0VBZic过压区临界线欠压区vbvc0(a)(b)gcrceccBEvigv常

23、数2.工作原理分析VBEic-VBB-VBZVbCCicCC(1) 集集电电极极电电流流ciiC设设输输入入信信号号电电压压:co sbb mvVt Vbm则则 加加 到到 晶晶 体体 管管 基基 极极 ,发发 射射 级级 的的有有 效效 电电 压压 为为 :cosBEbBBBBbmvvVVVt 由由晶晶体体管管的的转转移移特特性性曲曲线线可可以以看看出出：当当BZBEVV ，0ic 式式中中cg为为：gC折折线线的的斜斜率率+VBE _iC+VBE _cosccBBbmBZigVVtV由由于于当当ct 时时，0ic cosBZBBcbmVVV1cosBZBBcbmVVVcos()coscos

24、coscosccbmBZBBcbmbmccbmcigVtVVgVtVg Vt又又当当0t 时时， cbmcmaxccos1Vgi VBEic-VBB-VBZVbCCicCCVbmgCicmaxcmaxcbmccos1iVg 代代入入ci有有：ccmaxcccos1costcosii 尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的数数学学表表达达式式ccmaxcccos1costcosii 若若对对ci分分解解为为付付里里叶叶级级数数为为：ntItItIIicmncmcmcccos2coscos210 cccccccccciitditdiIcc0maxmax0)cos1cossin()(21)(21iCiC1iC

25、2ICO其中各系数分别为：其中各系数分别为：式式中中： (1) c 0， c 1， cn 称称为为尖尖顶顶余余弦弦脉脉冲冲的的分分解解系系数数。一一般般可可以以根根据据c 的的数数值值查查表表求求出出各各分分解解系系数数的的值值。 (2)0cI，1cmI，2cmI，cmnI为为直直流流及及基基波波和和各各次次谐谐波波的的振振幅幅。 1maxmax11cos()sincos1()1coscccmccccccccIitdtii cnccccccccccmninnnnittdniIccmax2max)cos11sincoscossin2)(cos1iC频谱频谱(2)集电极输出电压iCICOiC1iC

26、2 2 3LC回回路阻路阻抗抗 Rp故故回回路路输输出出的的基基波波电电压压：tVtRIRiVmcpcmpcccoscos1111而而晶晶体体管管集集电电极极的的输输出出电电压压：tcosVVVm1cccce iC+VBE _0经经LC并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻（最大值）（最大值）R Rp p，而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因，而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因而回路选出基波电压，而滤除各次谐波电压。而回路选出基波电压，而滤除各次谐波电压。 高频功放的功率关系 (2) 集集 电电 极极 输输 出出 交交 流流 功功 率

27、率 （ 负负 载载 上上 得得 到到 的的 功功 率率 ）P1Cm2P1Cm21Cm1Cm0R2VRI21IV21P （注注意意PR为为回回路路谐谐振振阻阻抗抗）(3) 集集电电极极耗耗散散功功率率cP，ocPPP (4) 集集电电极极能能量量转转换换效效率率c ：1111122oococC mC mcC CC OPPPPPVIKgVI CO1Cmc1IIg )()(01cc称称为为波波形形系系数数，是是导导通通角角c 的的函函数数，通通常常可可查查表表求求出出。讨讨论论：当晶体管允许的耗散功率一定时，当晶体管允许的耗散功率一定时， Poc ，功放管的集电极损耗功率，功放管的集电极损耗功率。试

28、计算：直流电源提供的功率。试计算：直流电源提供的功率例例 某高频谐振功率放大器工作于临界状态，输出功率某高频谐振功率放大器工作于临界状态，输出功率 , 集电极电源集电极电源WPO6 EcmAIC3000 0.95KDPPcRLcr=24V，集电极电流直流分量，集电极电流直流分量，电压利用系数，电压利用系数及效率及效率，临界负载电阻，临界负载电阻WIEPCCO2 . 73 . 0240 WPPPODC2 . 162 . 7 %3 .832 . 76 DOPP 122 0.833()1.750.95CgKmAgIICCC52575. 1300)(101 5 .43525. 0622221COLcr

29、IPR解：解： 习题讲评习题讲评 : 1-12010.121()LfQf497.5LQ L1RLC2C1RsIsL2Rp采用部分接入形式226121497.56.4 10()LPsLPPsLQGp Gp GsL GGG问题：问题：1、设计后无电路图！、设计后无电路图！2、参数一致性！、参数一致性！习题讲评习题讲评 : 1-2问题：问题：1、设计后无电路图！、设计后无电路图！2、参数一致性！、参数一致性！12 有一个并联谐振回路工作于中波频段535kHz1605kHz。现有两个可变电容，一个变化范围为12pF100pF，另一个为15 pF450pF。试问： (1)应采用哪种可变电容?为什么? (

30、2)回路电感L？ (3)为保证足够的频率刻度精度，实际的并联谐振回路应如何设计? 012fLCm axm axm inm infCfC3max3min1605 103535 10ffmaxmin9CCmaxmin100912CCmaxmin45030 915CC 电容1： 电容2：习题讲评习题讲评 : 1-2问题：问题：1、题目有错！、题目有错！12 有一个并联谐振回路工作于中波频段535kHz1605kHz。现有两个可变电容，一个变化范围为12pF100pF，另一个为15 pF450pF。试问： (1)应采用哪种可变电容?为什么? (2)回路电感L？ (3)为保证足够的频率刻度精度，实际的并联谐振回路应如何设计? 3max3min1605 103535 10ffmaxmin45030 915CC则可变电容的选择应满足： 电容2：xCm axm axxm inm inx3fCCfCCmaxminx939.37pF9 1CCC选择15pF450pF