諧振功率放大器的工作原理

1、諧振功率放大器的工作原理課題：4.1概述4.2諧振功率放大器的工作原理教學(xué)目的：了解高頻功率放大器的基本概念和類型掌握高頻諧振功率放大器的特點(diǎn)掌握高頻諧振功率放大器的工作原理教學(xué)重點(diǎn)：高頻功率放大器的基本概念和類型高頻諧振功率放大器的特點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)：高頻諧振功率放大器的工作原理教學(xué)方法：講授課時(shí)：2學(xué)時(shí)教學(xué)進(jìn)程單元四功率放大器概述及電路4.1 概述顧名思義，高頻功率放大器用于放大器高頻信號(hào)并獲得足夠大的輸出功率，常又稱為射頻功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier) o它廣泛用于 發(fā)射機(jī)、高頻加熱裝置和微波功率源等電子設(shè)備中。一、高頻放大器的分類根據(jù)相對(duì)工作頻帶

2、的寬窄不同，高頻功率放大器可分為窄帶型和寬帶型兩大類。窄帶型高頻功率放大器通常采用諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載，又稱為諧振功率放大器。為了提高效率，諧振功 率放大器一般工作于丙類狀態(tài)或乙類狀態(tài)，近年來出現(xiàn)了工作在開關(guān)狀態(tài)的丁類狀態(tài)的諧振功率放大器。2.寬帶型高頻功率放大 器采用傳輸線變壓器作負(fù)載。傳輸線變壓器的工作頻帶很寬，可以實(shí)現(xiàn)功率合成。二、諧振功率放大器的 特點(diǎn)采用諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載。一般工作在丙類或乙類狀態(tài)。工作頻率和相對(duì)通頻帶相差很大。技術(shù)指標(biāo)要求輸出功率大、效率高。三、高頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)輸出功率:P O效率：n功率增益:Ap4.2諧振功率放大器的工作原理一、丙類諧振功率放大器電路電路圖如4-1

3、所示圖4-1丙類諧振功率放大器LC諧振網(wǎng)絡(luò)為放大器的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為信號(hào)的中心頻率。作用：濾波、匹配。V:基極直流電壓BB作用:保證三極管工作在丙類狀態(tài)。V的值應(yīng)小于放大管的導(dǎo)通電壓U;通常取V?0。BBonBBV:集電極直流電壓CC作用:給放大管合理的靜態(tài)偏置，提供直流能量。二、丙類諧振功率放大器的工作原理？?？ uuiiuiBEBCCu 為余弦電壓，可表示為u=UCOS3t iiimc 則：u= V+u= V+ UCOSt BEBBiBBimc根據(jù)三極管的轉(zhuǎn)移特性可得到集電極電流i,為余弦脈沖波，如圖4-2所示：C圖4-2 i波形C根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的理論，i可分解為：Cic

4、=Ico+i+i+i+,+i+, C1C2C3Cn式中：Ico為直流電流分量i 為基波分量；i=ICOS3t ClClcmlc 為二次諧波分量;i=ICOS2t C2C2cm2ci為 n 次諧波分量;i=ICOSn3t CnCncmnci其中，它們的大小分別為：Ico=i?a(9) Cmax0I=i?a(0) cmlCmaxlI=i?a(0) cmnCmaxni是ic波形的脈沖幅度。Cmaxa（。）的大小可根據(jù)余弦脈沖分解系數(shù)表查。nIc信號(hào)的導(dǎo)電角可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算UU,onBBcos, Ubm UU,onBBarccos, Ubm當(dāng)i信號(hào)通過諧振網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于諧振網(wǎng)絡(luò)的作用，可得其諧振

5、網(wǎng)絡(luò)壓降為：Cu=RICOSt=UCOSt ccmlccmcu=V-u=V-UCOSt CECCcCCcmc各信號(hào)的波形如圖4-3所示：圖4-3波形圖三、功率關(guān)系直流功率:P=VI VCCCO1輸出功率：P= IU Ocm1cm2放大管功耗:P=P-P TVO效率：n = p/p ov本課小結(jié)：高頻功率放大器有寬帶型和窄帶型兩大類。諧振功率放大器具有輸出功率大、效率高、采用諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載等特點(diǎn)。高頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)有輸出功率、效率、功率增益等。講解了丙類諧振功率放大器的工作原理及脈沖電流的分解特點(diǎn)。討論了直流功率、輸出功率、管耗功率三者之間的功率關(guān)系及效率的計(jì)算方式。本課作業(yè)：為什么低頻功

6、率放大器不能工作于丙類，而高頻功率放大器可以工作于丙類,為什么高頻功率放大器一般要工作于乙類或丙類狀態(tài)，為什么采用諧振回路作負(fù)載，諧振回路為什么要調(diào)諧在工作頻率，簡述丙類諧振功率放大器電路中各部分的作用。一諧振功放的輸出功率P=5W,V=24V。occ當(dāng)集電極效率=60%時(shí),求其集電極功耗P和集電極電流直流分量I; cco若保持P不變，將n提高到80%,問此時(shí)P為多少？ oc課題：4.3丙類諧振功率放大器的性能分析教學(xué)目的：了解丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)掌握丙類諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線掌握集電極余弦電流脈沖的分解教學(xué)重點(diǎn)：丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)教學(xué)難點(diǎn)：丙類諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線集電極余

7、弦電流脈沖的分解教學(xué)方法：講授課時(shí)：2學(xué)時(shí)教學(xué)進(jìn)程4.3丙類諧振功率放大器的性能分析一、丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)欠壓狀態(tài):管子導(dǎo)通時(shí)均處于放大區(qū)；臨界狀態(tài):管子導(dǎo)通時(shí)從放大區(qū)進(jìn)入臨界飽和；過壓狀態(tài):管子導(dǎo)通時(shí)將從放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)；在實(shí)際工作中，丙類放大器的工作狀態(tài)不但與U有關(guān)，還與V、V和R有bmCCBB 關(guān)。在丙類諧振功放中，工作狀態(tài)不同，放大器的輸出功率和管耗就大不相同，因 此必須分析各種工作狀態(tài)的特點(diǎn)，以及U、V、V和R的變化對(duì)工作狀態(tài)的bmCCBB影響，即對(duì)丙類諧振功放的特性進(jìn)行分析。二、丙類諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線1.基本概念：大信號(hào)的功率放大器一般采用圖解法進(jìn)行分析，為此就要在輸

8、出特性曲線上作 出交流負(fù)載線。由于諧振功放的集電極負(fù)載是諧振回路，且共集電極電壓與集電極電流的波形 截然不同，因此其交流負(fù)載線已不是直線了，是一條曲線，又稱為動(dòng)態(tài)線。動(dòng)態(tài)線的作法：三極管的輸出特性曲線轉(zhuǎn)上的參變量i換成u，在V、V、U和U保持BBEBBCCcmbm不變的情況下，假設(shè)3t取不同的值，根據(jù)式u=V+ UCOS t和 cBEBBbmcu二V-u二V-UCOSt可得以相對(duì)應(yīng)的u和u值，從而確定輸出特性曲線上的CECCcCCcmcBECE各個(gè)“動(dòng)態(tài)點(diǎn)”，然后依次連接各個(gè)“動(dòng)態(tài)點(diǎn)”就可以得到動(dòng)態(tài)線。其圖形如 4-4所示。圖4-4動(dòng)態(tài)線3.不同工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)線如圖4-5所示圖4-5不同狀態(tài)的

9、動(dòng)態(tài)線丙類諧振功放在不同狀態(tài)的動(dòng)態(tài)線動(dòng)畫演示請(qǐng)點(diǎn)擊根據(jù)動(dòng)態(tài)線分析放大器的特性放大器工作在過壓狀態(tài)時(shí)，i波形會(huì)出現(xiàn)下凹。c動(dòng)態(tài)線、放大器的工作狀態(tài)與V、V、U和U的大小有關(guān)系。BBCCcmbm三、丙類諧振功率放大器的特性負(fù)載特性：基極調(diào)制特性：調(diào)制特性集電極調(diào)制特性：ft?4 0 家 $fttv? S 嬴ft?放大特性：1.負(fù)載特性：負(fù)載特性是指放大器在V、V和U不變時(shí)，隨R變化的特性BBCCbm(1)X作狀 態(tài)的變化隨著R從小變大，放大器將由欠壓狀態(tài)?臨界狀態(tài)?過壓狀態(tài)變化(2)ic波形的變化隨著R增大，i的變化如圖4-6所示c圖4-6 i隨R變化的特性c(3)U、I、I的變化特性cmcocm

10、l如圖4-7所示圖4-7 U、I、I隨R的變化cmcocm1(4)P、P、P、n的變化特性O(shè)Vc如圖4-8所示圖4-8 P、P、P、n的變化特性O(shè)Vc負(fù)載特性動(dòng)畫演示請(qǐng)點(diǎn)擊基極調(diào)制特性是指放大器在R、V和U不變時(shí)，隨V變化的特性CCbmBB(l)工 作狀態(tài)的變化隨著V從小變大，放大器將由欠壓狀態(tài)?臨界狀態(tài)?過壓狀態(tài)變化BB(2)i波形的變化c增大圖4-9 i增大圖4-9 i隨V的變化特性cBB(3)U、I、I的變化特性cmcocm1如圖4-9所示臨界欠壓.。過壓%臨界欠壓.。過壓%如圖4-10所示圖4-10 U、I、I的變化特性cmcocml基極調(diào)制特性動(dòng)畫演示請(qǐng)點(diǎn)擊集電極調(diào)制特性是指放大器在

11、V、R和U不變時(shí)，隨V變化的特性BBbmCC工作狀態(tài)的變化隨著V從小變大，放大器將由過壓狀態(tài)?臨界狀態(tài)?欠壓狀態(tài)變化CCi波形的變化c如圖4-11所示圖4-11 i隨V變化的特性cCC(3)U、I、I的變化特性cmcocm1如圖4-12所示圖4-12 U、I、I的變化特性cmcocm1集電極調(diào)制特性動(dòng)畫演示請(qǐng)點(diǎn)擊4.放大特性放大特性是指放大器在V、V和R不變時(shí)，隨U變化的特性BBCCbm(1)工作狀 態(tài)的變化隨著U從小變大，放大器將由欠壓狀態(tài)?臨界狀態(tài)?過壓狀態(tài)變化bm(2)i波形的變化c圖4-14 U、I、I的變化特性cmcocm1基極調(diào)制特性動(dòng)畫演示請(qǐng)點(diǎn)擊本課小結(jié):丙類諧振功率放大器具有過

12、壓、欠壓、臨界等三種工作狀態(tài)。丙類諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線是一條曲線。丙類諧振功率放大器具有放大、調(diào)制、放大等特性。本課作業(yè)：丙類高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性與低頻甲類功率放大器的負(fù)載線有什么 區(qū)別，為什么會(huì)產(chǎn)生這些區(qū)別，動(dòng)態(tài)特性的含意是什么，諧振功率放大器工作于欠壓狀態(tài)。為了提高輸出功率，將放大器調(diào)整到 臨界狀態(tài)?？煞謩e改變哪些參量來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)改變不同的量時(shí)，放大器輸 出功率是否一樣大，課題：4.4丙類諧振功率放大器的電路教學(xué)目的：掌握丙類諧振功率放大器的直流饋電電路了解丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)教學(xué)重點(diǎn)：掌握丙類諧振功率放大器的直流饋電電路教學(xué)難點(diǎn)：丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法：講授課時(shí)

13、：2學(xué)時(shí)教學(xué)進(jìn)程4.4丙類諧振功率放大器的電路一、丙類諧振功率放大器電路的構(gòu)成原則諧振功放的集電極饋電電路，應(yīng)保證集電極電流i中的直流分量I只流過cc0集電極直流電源V（即：對(duì)直流而言，V應(yīng)直接加至晶體管c、e兩端），以便直CCCC流電源提供的直流功率全部交給晶體管;還應(yīng)保證諧振回路兩端僅有基波分量 壓降（即:對(duì)基波而言，回路應(yīng)直接接到晶體c ,e兩端），以便把變換后的交流功率傳送給回路負(fù)載;另外也應(yīng)保證外電路對(duì)高次諧波分量i呈現(xiàn)短路，以免產(chǎn) cn生附加損耗。以圖4-15示意說明S）俗） Vcc Vcc圖4-15集電極饋電電路的構(gòu)成原則a直流通路b基波通路c高次諧波通路諧振功放的基極饋電電路的

14、組成原則與集電極饋電電路相仿。第一，基極電流中的直流分量I只流過基極偏置電源（即V直接加到晶體管b ,。兩端）。B0BB第二，基極電流中的基波分量i只流過輸入端的激勵(lì)信號(hào)源，以便使輸入信號(hào) b1控制晶體管的工作，實(shí)現(xiàn)放大。以圖4-16示意說明.-伯） 扁圖4-16基極饋電電路的構(gòu)成原則a直流通路b基波通路二、丙類諧振功率放大器電路的類型：輸入端的直流饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)丙類諧振功率放大器的電路包含有：輸出端的直流饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)三、丙類諧振功率放大器的直流饋電電路直流饋電電路是指把直流電源饋送到晶體管各極的電路。它包括:串聯(lián)饋電電路集電極饋電電路并聯(lián)饋電電路串聯(lián)饋電電路基極饋電電路并聯(lián)饋電電路

15、集電極饋電電路圖4-17集電極饋電電路a串饋電路b并饋電路2.基極饋電電路圖4-18基極饋電電路a串饋電路b并饋電路3.基極自給偏置電路i。的） 回圖4-19基極自給偏置電路四、丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)在諧振功率放大器中，為滿足結(jié)它的輸出功率和效率的要求，并有較高的功率 增益，除正選擇放大器的工作狀態(tài)外，還必須正確設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在諧振功率放大器中的連接情況如圖4-20所示。無論是 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)還是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它們都具有傳輸有用信號(hào)的作用，故又稱為耦合 電路。對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在求它具有濾波和阻抗變換功能，即濾除各次分量，使 負(fù)載上只有基波電壓;將外接負(fù)載R變換

16、成諧振功放所要求的負(fù)載電阻R，L以保證放大器輸出所需的功率。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)也稱濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于輸入 匹配網(wǎng)絡(luò)，要求它把放大器的輸入阻抗變換為前級(jí)信號(hào)源所需的負(fù)載阻抗，使電路 能從前級(jí)信號(hào)源獲得盡可能大的激勵(lì)功率。圖4-20匹配網(wǎng)絡(luò)常用匹配網(wǎng)絡(luò)的電路和計(jì)算公式本課小結(jié)：丙類諧振功率放大器電路的構(gòu)成原則包括對(duì)直流、基波、多次諧波的等 效電路。丙類諧振功率放大器電路的類型:直流饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)兩大類型。丙類諧振功率放大器的直流饋電電路有基極饋電電路、集電極饋電電路 之分和并饋、串饋之分。丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)有L式濾波器型、n式濾波器型、T式 濾波器型等三種常用的形式。本課作業(yè)：圖題4-1

17、是用于諧振功放輸出回路的L型網(wǎng)絡(luò)，已知天線電阻r=8Q，線A 圈L的品質(zhì)因數(shù)Q=100,工作頻率f=2MHz若放大器要求的R=40Q,求L、oeC。圖題4-1課題：4.6寬帶高頻功率放大器教學(xué)目的：掌握傳輸線變壓器的工作原理了解寬帶功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)了解寬帶高頻功率放大器的電路實(shí)例教學(xué)重點(diǎn)：傳輸線變壓器的工作原理教學(xué)難點(diǎn)：寬帶功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法：講授課時(shí)：2學(xué)時(shí)教學(xué)進(jìn)程4.6寬帶高頻功率放大器一、傳輸線變壓器的工作原理傳輸線變壓器是由繞在高導(dǎo)磁環(huán)上的傳輸線構(gòu)成的，其中，傳輸線可以用同軸 電費(fèi)，也可以用雙絞電線或帶狀線，它們都可看成兩根等長的、相距很近的平行 線，而且匝數(shù)很少，而磁環(huán)一般

18、由鎳鋅鐵氧體制成，作為舉例，圖4-21示出了最 簡單的傳輸線變壓器一1： 1倒傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)，其中1、3為始端，2、4為終 端，而1一2端和34端分別構(gòu)成了變壓器的兩個(gè)線圈。圖4-21傳輸變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路傳輸線變壓器既具有傳輸特點(diǎn)，又具有變壓器的特點(diǎn)，是二者的結(jié)合統(tǒng)一。傳輸線圈變壓器確實(shí)具有極高的上限截止頻率和極寬的工作頻帶。實(shí)現(xiàn)平衡和不平衡的轉(zhuǎn)換傳輸線變壓器的功能作為阻抗變換器當(dāng)工作在低頻段時(shí)，由于信號(hào)波長遠(yuǎn)大于傳輸線長度，分布參數(shù)很小，可以忽 略，故變壓器方式起主要作用。由于磁芯的導(dǎo)磁率高，所以雖傳輸線較短也能獲得足夠大的初級(jí)電感量，保證了傳輸線變壓器的低頻特性較好。當(dāng)工作在高頻段時(shí)，傳輸線方式起主要作用，在無耗匹配的情況下，上限頻率 將不受漏感、分布電容、高導(dǎo)磁