通信电路课件：第二章谐振功率放大器

课程内容课程内容课程内容课程内容 第一章第一章 选频网络及阻抗变换选频网络及阻抗变换第二章第二章 谐振功率放大器谐振功率放大器第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器第四章第四章 振幅调制、解调与混频电路振幅调制、解调与混频电路第五章第五章 角度调制与解调电路角度调制与解调电路第二章第二章第二章第二章 谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器uu第一节第一节第一节第一节 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理u第二节第二节 谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点l近似分析法近似分析法l欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态l四个电压量的定性讨论四个电压量的定性讨论uu第三节第三节第三节第三节 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电路谐振功率放大器电路l直流馈电电路直流馈电电路l滤波匹配网络滤波匹配网络l谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 回顾：功率放大器的原理和应用回顾：功率放大器的原理和应用工作原理：在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换成工作原理：在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换成 输出信号功率。输出信号功率。要求：要求：高效，安全，不失真。高效，安全，不失真。应用领域：应用领域：通信、雷达、导航通信、雷达、导航(射频功率放大器射频功率放大器)；音响音响(音频功率放大器音频功率放大器);回顾：功率放大器的主要分类回顾：功率放大器的主要分类回顾：功率放大器的主要分类回顾：功率放大器的主要分类功率放大器主要种类特点。低频功率放大器：l 甲类（A）类电流通角为360度，最 大效率50%。l乙类（B）类电流通角180度，最大效率78.5%。l甲乙（AB）类电流通角180360.l 乙类推挽高频功率放大器l 丙（C）类电流通角小于180度，效率比较高l 丁（D）类开关形式，效率接近100%l 戊（E）类开关形式，效率接近100%谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器低频功放和高频功放的特点 功率放大器的任务：供给负载足够大的信号功率；主要追求的是输出功率和效率(即性能指标).低频功放工作频率低（20Hz20KHz），但相对频宽比较宽。因此常用无调谐负载，如电阻、变压器等。谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器低频功放和高频功放的特点高频功放工作频率高（几百kHz几十GHz），但相对频宽比较小，工作在发射机的末级。例如:某电台信号频率为900kHz，带宽为9kHz，是一种窄带放大器。所以高频功放常用选频网络做负载，是调谐功率放大器(谐振功率放大器)；而对于宽带高频功放，通常采用传输变压器或其他宽带匹配网络做负载。高频功放通常工作在大信号和非线性状态，一般采用近似方法来进行分析，如图解法、折线法等。谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理下图是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路下图是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路,除电源和偏置电路外除电源和偏置电路外,它是由晶体管、它是由晶体管、谐振回路和输谐振回路和输入回路三部分组成的入回路三部分组成的。丙类谐振功率放大器原理电路谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理高频功率放大器的原理线路丙类谐振功率放大器的仿真丙类谐振功率放大器的仿真丙类谐振功率放大器的仿真丙类谐振功率放大器的仿真谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理丙类谐振功率放大器集电极电流和电压波形丙类谐振功率放大器集电极电流和电压波形谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理丙类谐振功率放大器集电极波形分析丙类谐振功率放大器集电极波形分析集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。它可分解成平均分量、基波和各次谐波分量之和。它可分解成平均分量、基波和各次谐波分量之和。谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理 电压波形电压波形 集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对icic中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，在高电阻，在高Q Q回路中，其值近似为回路中，其值近似为：(倒倒L网络串并联转换关系，网络串并联转换关系，)谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理 谐振回路对谐振回路对ic中的其它分量呈现的阻抗均很小，可近似认中的其它分量呈现的阻抗均很小，可近似认为回路上仅有基波分量产生的电压为回路上仅有基波分量产生的电压Vc，而平均分量和谐波分，而平均分量和谐波分量产生的电压可忽略。量产生的电压可忽略。集电极上的电压波形为集电极上的电压波形为不失真的输入余弦电压。不失真的输入余弦电压。注：回路有载品质因素注：回路有载品质因素Qe=(课本图课本图中中LC匹配网络中匹配网络中的的C与与RL是串联支路，阻抗变换后才构成并联支路是串联支路，阻抗变换后才构成并联支路)集电极电压和电流波形集电极电压和电流波形集电极电压和电流波形集电极电压和电流波形谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理n谐振功放中的谐振回路的作用谐振功放中的谐振回路的作用选频选频 集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，回路谐振角频率集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，回路谐振角频率阻抗匹配阻抗匹配 将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re,而且调而且调节节Lr和和Cr，保持回路谐振时使，保持回路谐振时使Re等于放大管所需的集电极等于放大管所需的集电极负载值。负载值。谐振功率放大器的四个特点谐振功率放大器的四个特点谐振功率放大器的四个特点1)谐振功放的放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压、谐振功放的放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压、大电流；大电流；2)基极偏置电路为晶体管发射结提高负偏压，使电路工作在基极偏置电路为晶体管发射结提高负偏压，使电路工作在 丙类状态；丙类状态；3)输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形；输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形；4)输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频又能实现输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频又能实现放大器输出端负载的匹配。放大器输出端负载的匹配。总结：总结：谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理集电极电流脉冲随VBB及Vbm变化关系图2-1-3 集电极电流脉冲宽度随VBB和Vbm变化示意图谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理 丙类工作时，导通角越小，效率越高；但放大器的输丙类工作时，导通角越小，效率越高；但放大器的输出功率要减少。出功率要减少。需增大输入激励电压幅度，同时将基极偏置电压需增大输入激励电压幅度，同时将基极偏置电压VBB向负值方向增大。向负值方向增大。V VBBBB及及V Vbmbm变化影响集电极输出电流，影响功放的输出功变化影响集电极输出电流，影响功放的输出功率及效率。率及效率。谐振功放谐振功放谐振功放谐振功放不作要求，了解即可不作要求，了解即可2.1.3 倍频器倍频器2.1.2 丁类和戊类放大器丁类和戊类放大器 作为倍频器使用时，将谐振回路调谐在所需的谐波上（一作为倍频器使用时，将谐振回路调谐在所需的谐波上（一般为般为2倍频或倍频或3倍频倍频);不能过高。不能过高。谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点l2.2.1 近似分析方法近似分析方法分析方法分析方法精确分析解非线性微分方程，可用电路仿真软件精确分析解非线性微分方程，可用电路仿真软件准静态分析方法（准静态分析方法（近似分析方法）近似分析方法）假假设设一一：谐谐振振回回路路具具有有理理想想的的滤滤波波特特性性，其其上上只只能能产产生生基基波波电电压压(在在倍倍频频器器中中，只只能能产产生生特特定定次次数数的的谐谐波波电电压压)，而而其其它它分分量量的的电电压压均均可可忽忽略略。因因而而，尽尽管管集集电电极极电电流流为为脉脉冲冲波波，但但是是集集电电极极电电压压却却是是余余弦弦的的。同同理理，放放大大器器输输入入端端也也接接有有谐谐振振回回路路，因因而而，尽尽管管基基极极电电流流为脉冲波，但是加到基极上的电压却是余弦的。为脉冲波，但是加到基极上的电压却是余弦的。谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点它们可分别表示为它们可分别表示为 谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点假假设设二二：功功率率管管的的特特性性用用输输入入和和输输出出静静态态特特性性曲曲线线表表示示，其其高高频频效效应应可可忽忽略略。采采用用的的输输出出特特性性曲曲线线，其其参参变变量量是是v vBEBE，而而不不是是通通常常的的i iB B 。(根根据据输输入入特特性性曲曲线线上上与与之之间间的的对对应应关关系系，就就可将可将i iB B转换为转换为v vBEBE)。谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点动态负载线动态负载线 动态特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时动态特性是指当加上激励信号及接上负载阻抗时,晶体管集电极电流晶体管集电极电流ic与电极电压与电极电压(或或 )的关系曲的关系曲线线,它在它在ic 或或ic 坐标系统中是一条曲线。坐标系统中是一条曲线。谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点分析过程：分析过程：1)设定设定VBB、Vbm、VCC、Vcm四个值；如分别是：四个值；如分别是：0.5，0.24，12，11V。2)确定确定 ，找出动态点；，找出动态点；3)连线构成动态线。连线构成动态线。4)动态线对应的动态线对应的ic值画出值画出ic波形。波形。谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点l丙类高频功放的能量关系 在集电极电路中,谐振回路得到的高频功率(高频一周的平均功率)，即输出功率Po为 集电极电源供给的直流输入功率PD为直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极损耗功率Pc,即谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点Pc变为耗散在晶体管集电结中的热能。定义集电极效率为输出功率与直流功率之比：集电极谐振回路的谐振电阻集电极谐振回路的谐振电阻Re:谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点 通通过过上上述述讨讨论论可可见见，设设定定不不同同数数值值的的VBB、Vbm、VCC、Vcm，画画出出的的集集电电极极电电流流脉脉冲冲波波形形及及其其数数值值就就不不同同，由由此此求求得得所所需需的的Re值值及及相相应应的的功功率率性性能能也也就就不不同同。因因此此，要要了了解解谐谐振振功功率率放放大大器器性性能能变变化化的的特特点点，就就必必须须了了解解这这四个电量是如何影响放大器性能的。四个电量是如何影响放大器性能的。欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态1)VBB、Vbm、VCC一定，改变一定，改变Vcm对集电极电流脉冲波形及对集电极电流脉冲波形及其数值的影响其数值的影响。电压关系式：