第4章高频谐振功率放大器.ppt

2008-12-9第第4章章 高频谐振高频谐振功率放大器功率放大器4.1 概述概述4.2 高频谐振功率放大器的工作原理高频谐振功率放大器的工作原理4.3 高频谐振功率放大器的实际电路高频谐振功率放大器的实际电路4.1 概述概述 高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中，对高频载波或高频已调波进行功率放大。对高频载波或高频已调波进行功率放大。目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输特点：高频、大信号、非线性工作特点：高频、大信号、非线性工作要求：输出功率大、转换效率高要求：输出功率大、转换效率高窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称 谐振功率放大器谐振功率放大器宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线 变压器或其他宽带匹配电路变压器或其他宽带匹配电路分析方法：折线法近似分析分析方法：折线法近似分析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：它们放大的信号均为高频信号，而且放大相同之处：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。器的负载均为谐振回路。不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；不同之处：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。高频功率放大器和低频功率放大器的共同高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是特点都是输出功率大和效率高输出功率大和效率高。联想对比：联想对比：功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。即为功率放大器的效率。icQebtooict小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 ib eb t o o ic t VD 谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图工作状态工作状态 功率放大器一般分为功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙甲类、乙类、甲乙类、丙类类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类丁类与与戊类戊类放大器。放大器。谐振功率放大器通常工作于谐振功率放大器通常工作于丙类丙类工作状态，属于非线工作状态，属于非线性电路。性电路。功率放大器的主要技术指标是功率放大器的主要技术指标是输出功率输出功率与与效率。效率。4.2 高频谐振功率放大器的工作原理高频谐振功率放大器的工作原理特点：特点：1、NPN高频大功率晶体管，高频大功率晶体管，高高fT；改变；改变UBB可以改变放可以改变放大器的工作类型；大器的工作类型；2、大信号激励：、大信号激励：12V；3、发射结在一个周期内只、发射结在一个周期内只有部分时间导通，有部分时间导通，iB、iC均均为一系列高频脉冲；为一系列高频脉冲；4、谐振回路作负载可以滤、谐振回路作负载可以滤除高频脉冲电流除高频脉冲电流iC中的谐波中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。分量，同时实现阻抗匹配。组成：组成：BJT、LC谐振回路、馈电电源谐振回路、馈电电源UCCUBBiBiCuCEuBELCRLuiVT4.2.1 基本电路构成基本电路构成4.2.2 工作原理及性能指标工作原理及性能指标分析与计算大大简化，但误差也大；分析与计算大大简化，但误差也大；理论分析与计算只是为电路参数的选择与调整提理论分析与计算只是为电路参数的选择与调整提供依据与指导，实际电路工作时需要调整。供依据与指导，实际电路工作时需要调整。uCE0ic输出特性输出特性uBE0ibUD输入特性输入特性转移特性转移特性uBE0icUDgm一、特性曲线的折线化：一、特性曲线的折线化：二、各极电流、电压波形：二、各极电流、电压波形：tUUutUuimBBBEimicos,cos发射结电压为：uBEib tUimUBBUD-uBEib t-t-icuBEic t-图解可见，图解可见，iB和和iC的都是余弦脉冲的都是余弦脉冲，定义定义为为半导通角半导通角，三极管，三极管只在（只在（，）内导通内导通，当，当90o时，功率放大器工作于时，功率放大器工作于丙类状态丙类状态。越越小小越越负负越越小小或或且且，决决定定和和、BBimDBBimimBBDimBBDUUUUUUUUUUU coscosiC t-0ic1Ic1m t0ucUc1m t0 tuCE1UCC0Uc1mic余弦脉冲展开为傅立叶余弦脉冲展开为傅立叶级数：级数：将将 当当iC流过流过LC谐振回路时，在回路两端谐振回路时，在回路两端产生电压产生电压uC。由于谐振回路的选频特性，。由于谐振回路的选频特性，uC中只有基波分量幅度最大中只有基波分量幅度最大，其它频率的，其它频率的信号电压幅度较小可以忽略。信号电压幅度较小可以忽略。设设Re并联回路谐振时的等效负载并联回路谐振时的等效负载电阻电阻，包括，包括BJT的输出电导和等效的的输出电导和等效的RL。tUUuUuRtItUumcCCcCCceemcmcccoscoscos111集电极输出电压为：从图中可以看出，丙类高频谐振功放从图中可以看出，丙类高频谐振功放由于选频作用，即使由于选频作用，即使iC是不连续的脉冲电是不连续的脉冲电流，在流，在谐振回路两端也会得到余弦电压谐振回路两端也会得到余弦电压。还可以利用选频特性得到倍频器。还可以利用选频特性得到倍频器。如果振荡回路的如果振荡回路的 0=n，则在回路两端可得，则在回路两端可得到频率为到频率为n 的电压的电压:u0=Umcosn t;相当于实现了相当于实现了对输入信号的对输入信号的n倍频。倍频。12 VD VBB t VCC t t t ube ib ic uce Vcm Vcm vb 高频功率放大器中各分电压与电流的关系高频功率放大器中各分电压与电流的关系tvVucmCCcecosic余弦脉冲的分解余弦脉冲的分解icicmax-/2-/2 tIMIMcos)0(cos1coscoscoscoscosmaxmax cccMMcMMcitiiIIiItIi )(cos21)(cos21)(21:.2coscosmax1max10max0210 nCCcnmCCmcCCccccccittdniIittdiIitdiItItIIii ），（区区间间幅幅为为其其中中各各次次谐谐波波分分量量的的振振级级数数：余余弦弦脉脉冲冲展展开开为为傅傅立立叶叶将将)cos1(cossin)(0)cos1(sincos)(1)cos1)(1(sincoscossin2)(2nnnnnn其中其中 0()、1()、n()为谐波分解系数；为谐波分解系数；另另定义定义 1=Ic1m/Ic0=1()/0()为波形系数为波形系数，随，随 减小减小而增大。而增大。/1/0=1 0 1 2 30,1,2,32.01.00.50.40.30.20.10-0.0510 30 50 70 90 110 130 150 170三、高频功放中的能量关系与效率：三、高频功放中的能量关系与效率：2）集电极电源提供功率：）集电极电源提供功率：CCcEUIP01）集电极输出功率：）集电极输出功率：emcemcmcmcORURIUIp2121112121213）集电极损耗功率：）集电极损耗功率：OEcPPP4）集电极效率：）集电极效率：。为集电极电压利用系数式中CCmcCCCCmccmcEOCUUUUIIPP111012121为波形系数)()(01011cmcII5）对效率的影响对效率的影响电压利用系数电压利用系数 c=Uc1m/UCC，c1，1 随随 而变化；而变化；乙类功放乙类功放：=/2 ，1=/2，max=/4=78.5%；丙类功放丙类功放：/2 ，减小，减小 ，1 提高，提高，c提高；但是提高；但是 很小很小时，时，1提高不多，输出功率却降低很多。故提高不多，输出功率却降低很多。故 通常选在通常选在60o90o之间。之间。2121)2()2(011乙类乙类理想理想 c=1emcORIp2121)(1max1CmciIimmbiUIP1216）交流电源提供的功率称为）交流电源提供的功率称为放大器的激励放大器的激励功率：功率：7）功率放大倍数：功率放大倍数：iOPPPA v丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的负载？谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？负载？谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？v答：这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极答：这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用谐振回路作为集电极的负载。谐振回路作为集电极的负载。v调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量，电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量，从而得到不失真的输出电压。从而得到不失真的输出电压。v例：已知谐振功率放大器例：已知谐振功率放大器V VCCCC20V20V，I Ic0c0250mA250mA，P Po o4W4W，U Ucmcm0.9V0.9VCCCC，试求该放大器的，试求该放大器的P PE E、P Pc c、C C和和I Ic1mc1m为多少？为多少？解：解：P PE E=V=VCCCCI Ic0c020200.25=5W0.25=5W P Pc c=P=PE EP Po o=5=54=1W4=1W C C=P=Po o/P/PE E=4/5=80%=4/5=80%U Ucmcm0.9V0.9VCCCC=0.9=0.920=18V20=18V I Ic1mc1m2P2Po o/U/Ucmcm2 24/18444.4mA4/18444.4mAv例：已知谐振功率放大器输出功率例：已知谐振功率放大器输出功率P Po o4W4W，C C6060，V VCCCC20V20V，试求，试求P Pc c和和I Ic0c0。若保持。若保持P Po o不变，将不变，将C C提高到提高到8080，试，试问问P Pc c和和I Ic0c0减小多少？减小多少？解：解：P Po o4W4W，C C6060，V VCCCC20V20V，则，则 P PE E=P Po o/C C=4/0.66.67W=4/0.66.67W P Pc c=P PE E P Po o=6.67=6.674=3.67W4=3.67W I Ic0c0=P PE E/V VCCCC=6.67/20=6.67/20（A A）333.3mA333.3mA若保持若保持P Po o不变，将不变，将C C提高到提高到8080 ，则，则 P Pc c=P PE EP Po o=P Po o/C CP Po o=4/0.8=4/0.84=54=54=1W4=1W P Pc c=P Pc c P Pc c=3.673.671=2.67W1=2.67WI Ic0 c0=I Ic0 c0 I Ic0c0=6.67/206.67/20 5/205/20=0.0830.083（A A）=83mA=83mAtUUutUUumcCCCEimBBBEcoscos13点法作图：点法作图：t=0，uBE=UBB+Uim；uCE=UCC-Uc1m 得到得到C点点 t=/2，uBE=UBB；uCE=UCC 得到得到 B点点 t=，uBE=UBB-Uim 串联电阻串联电阻Rs。21QRRLe 1 LeRRQLsepRQXQRX ,21QRRLe 1 eLRRQQRXRQXLPes ,图（图（a）中）中求得：求得：（只适于（只适于ReRL的情况）的情况）图（图（b）中）中求得求得:（只适于（只适于ReRL的情