諧振功率放大器的工作原理

1、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：1.了解高頻功率放大器的基本概念和類型2.掌握高頻諧振功率放大器的特點(diǎn)3.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)。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。1. 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)1.采用諧振網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載。2.一般工作在丙類或乙類狀態(tài)。3.工作頻率和相對通頻帶相差很大。4.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)1.輸出功率:PO2.效率:3.功率增益:Ap4.2 諧振功率放大器的工作原理一、丙類諧振

3、功率放大器電路電路圖如4-1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)的諧振頻率為信號的中心頻率。作用：濾波、匹配。VBB:基極直流電壓作用:保證三極管工作在丙類狀態(tài)。VBB的值應(yīng)小于放大管的導(dǎo)通電壓Uon；通常取VBB0。VCC：集電極直流電壓作用：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uiuBEiBiCuCui為余弦電壓， 可表示為ui=UimCOSct則：uBE= VBB+ui= VBB+ UimCOSct根據(jù)三極管的轉(zhuǎn)移特性可得到集電極電流iC，為余弦脈沖波，如圖4-2所示：圖4-2 iC波形根據(jù)傅立葉級數(shù)的理論，iC可

4、分解為：ic=Ico+iC1+iC2+iC3+iCn+式中：Ico為直流電流分量 iC1為基波分量；iC1=Icm1COSctiC2為二次諧波分量；iC2=Icm2COS2ctiCn為n次諧波分量；iCn=IcmnCOSnct其中，它們的大小分別為：Ico=iCmax·0（）Icm1=iCmax·1（） Icmn=iCmax·n（）iCmax是ic波形的脈沖幅度。n（）的大小可根據(jù)余弦脈沖分解系數(shù)表查。Ic信號的導(dǎo)電角可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算當(dāng)iC信號通過諧振網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由于諧振網(wǎng)絡(luò)的作用，可得其諧振網(wǎng)絡(luò)壓降為：uc=RIcm1COSct=UcmCOSctuCE=VC

5、C-uc=VCC-UcmCOSct各信號的波形如圖4-3所示：圖4-3 波形圖三、功率關(guān)系直流功率：PV=VCCICO輸出功率：PO= Icm1Ucm放大管功耗：PT=PV-PO效率：= PO/PV本課小結(jié)：1. 高頻功率放大器有寬帶型和窄帶型兩大類。2. 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)。3. 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。4. 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)。5. 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)：1. 為什么低頻功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

6、類？2. 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？3. 簡述丙類諧振功率放大器電路中各部分的作用。4. 一諧振功放的輸出功率Po=5W,Vcc=24V。 (1)當(dāng)集電極效率=60%時(shí),求其集電極功耗Pc和集電極電流直流分量Ico； (2)若保持Po不變,將提高到80%,問此時(shí)Pc為多少? 課 題：4.3丙類諧振功率放大器的性能分析教學(xué)目的：1.了解丙類諧振功率放大器的工作狀態(tài)2.掌握丙類諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線3.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)線集電極余弦電流脈

7、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Ubm有關(guān)，還與VCC、VBB和R有關(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Ubm、VCC、VBB和R的變化對工作狀態(tài)的影響，即對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：大信號的功率放大器一般采用圖解法進(jìn)行分析，為此就要在輸出特性曲線

8、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。2.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iB換成uBE，在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不變的情況下，假設(shè)ct取不同的值，根據(jù)式uBE=VBB+ UbmCOSct和uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSct可得以相對應(yīng)的uBE和uCE值，從而確定輸出特性曲線上的各個(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)的動(dòng)態(tài)線丙類諧振

9、功放在不同狀態(tài)的動(dòng)態(tài)線動(dòng)畫演示請點(diǎn)擊4.根據(jù)動(dòng)態(tài)線分析放大器的特性（1）放大器工作在過壓狀態(tài)時(shí)，ic波形會(huì)出現(xiàn)下凹。（2）動(dòng)態(tài)線、放大器的工作狀態(tài)與VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有關(guān)系。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：放大特性：1.負(fù)載特性：負(fù)載特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不變時(shí)，隨R變化的特性(1)工作狀態(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，ic的變化如圖4-6所示圖4-6 ic隨R變化的特性(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性如圖4-7所示圖4-7 Ucm、Ico、Ic

10、m1隨R的變化(4)PO、PV、Pc、的變化特性如圖4-8所示圖4-8 PO、PV、Pc、的變化特性負(fù)載特性動(dòng)畫演示請點(diǎn)擊2.基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不變時(shí)，隨VBB變化的特性(1)工作狀態(tài)的變化隨著VBB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波形的變化如圖4-9所示圖4-9 ic隨VBB的變化特性(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性如圖4-10所示圖4-10 Ucm、Ico、Icm1的變化特性基極調(diào)制特性動(dòng)畫演示請點(diǎn)擊3.集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不變時(shí)，隨VCC變化的特性(1)工作狀態(tài)的變化隨著VCC從小

11、變大，放大器將由過壓狀態(tài)臨界狀態(tài)欠壓狀態(tài)變化(2)ic波形的變化如圖4-11所示圖4-11 ic隨VCC變化的特性(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性如圖4-12所示圖4-12 Ucm、Ico、Icm1的變化特性集電極調(diào)制特性動(dòng)畫演示請點(diǎn)擊4.放大特性放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不變時(shí)，隨Ubm變化的特性(1)工作狀態(tài)的變化隨著Ubm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波形的變化如圖4-13所示圖4-13 ic隨Ubm的變化特性(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性如圖4-14所示圖4-14 Ucm、Ico、Icm1的變化特性基極調(diào)制特性動(dòng)畫演示請點(diǎn)擊本課

12、小結(jié)： 1. 丙類諧振功率放大器具有過壓、欠壓、臨界等三種工作狀態(tài)。2. 丙類諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)線是一條曲線。3. 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)：1. 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？2. 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：1.掌握丙類諧振功率放大器的直流饋電電路2.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

13、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)：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ic中的直流分量Ic0只流過集電極直流電源VCC(即：對直流而言，VCC應(yīng)直接加至晶體管c、e兩端)，以便直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)保證外電路對高次諧波分量icn呈現(xiàn)短路，以免產(chǎn)生附加損耗。 以圖4-15示意說明圖4-15 集電極饋電電路的構(gòu)成原則a 直流通

14、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IB0只流過基極偏置電源(即VBB直接加到晶體管b ,e兩端)。第二，基極電流中的基波分量ib1只流過輸入端的激勵(lì)信號源，以便使輸入信號控制晶體管的工作，實(shí)現(xiàn)放大。以圖4-16示意說明圖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

15、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1.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的作用，故又稱為耦合電路。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在求它具有濾波和阻抗變換

16、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RL 變換成諧振功放所要求的負(fù)載電阻R，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信號源所需的負(fù)載阻抗，使電路能從前級信號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)：1. 丙類諧振功率放大器電路的構(gòu)成原則包括對直流、基波、多次諧波的等效電路。2. 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。3. 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。4. 丙類諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)有

17、L式濾波器型、式濾波器型、T式濾波器型等三種常用的形式。本課作業(yè)：1. 圖題4-1是用于諧振功放輸出回路的L型網(wǎng)絡(luò),已知天線電阻rA=8,線圈L的品質(zhì)因數(shù)Qo=100,工作頻率f=2MHz若放大器要求的Re=40,求L、C。 圖題4-1課 題：4.6寬帶高頻功率放大器教學(xué)目的：1.掌握傳輸線變壓器的工作原理2.了解寬帶功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)3. 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

18、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12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