谐振功率防大器ok原理

例 某高频谐振功率放大器工作于临界状态，输出功率 PO 6W ,
集电极电源
E
=24V，集电极电流直流分量
c
IC0
300mA，电压利用系数
K 0.95。试计算：直流电源提供的功率 PD，功放管的集电极损耗功率
Pc及效率，临界负载电阻 RLcr
解：
PO 6 83.3%
PD 7.2
PC PD - PO 7.2 - 6 1.2W
Ic1
基频电流
Rp
回路的谐振阻抗
放大器的集电极效率：
c P0 / Pdc
1 2
I c1
Vcm
I c 0Vcc
1 2
I c1 Ic0
Vcm Vcc
1 2
g1
k
波形系数
g1
I c1 Ic0
电压利用系数
k
Vcm VCC
+
+
+
vb
–
vbe
vce
–
C’
C’
L CA
RA
–+ VBB
–
+
VCC
(a)
+
vb
欠压区
vb
理想化折线 （虚线）
0 V BZ
vb
0
( a)
( b)
vc
晶体管实际特性和理想折线
2.工作原理分析 (1) 集电极电流 i c
设输入信号电压:
vb Vbm cos t
则加到晶体管基极,发射级的
有效电压为:
iC
+ VBE
_
vBE vb VBB VBB Vbm cost
由晶体管的转移特性曲线可以看出： ic
ic
当VBE VBZ ， ic 0
•
gC
当 vBE VBZ ， ic gc vBE -VBZ
式中 gc为：
折线的斜率
gc
ic vBE
vce 常数
-•VBB •
-C
-VBZ
C
VBE -C C Vb
有
Vbm
ic gc VBB Vbm cost -VBZ
ic gc VBB Vbm cost -VBZ
gC
•
ic
i cmax
V•BB • VBZ
vbe -C C
C
图2-18 谐振功放的激励
vbmax =Vb
电压与集电极电流
vBE vb VBB VBB Vbm cost
vbe到最大vbe vb VBB vbmax；ic也到最大
+
vb
–
+
vbe
+
vce
+
L
– r vc L
–
CA
rA
–+ VBB
in
nc cosc -c cosnc
n n2 -1 1- cosc
s
in
c
)
ic
m
ax
n
c
式中：
(1) 0 c ，1c ，…，nc 称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可
以根据 c 的数值查表求出各分解系数的值。
(2) Ic0 ， Icm1 ， Icm2 ，…，Icmn …为直流及基波和各次谐波的振幅。
宽带功放-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。 从电流导通角来分：
A(甲)类：电流的流通角等于360°；
AB(甲乙)类：电流的流通角约大于180°；
B(乙)类：电流的流通角约小于180°；
C(丙)类：电流的流通角小于180°； D类、E类及S类开关功率放大器。
射频电子线路 第七讲
2.2 高频谐振功率放大器 功率放大器简介
2.2.1高频谐振功率放大器的基本工作原理
1. 基本电路结构 2. 工作原理分析 3. 高频功放的功率关系
2.2.2高频谐振功率放大器折线近似分析法 作业：2-9、2-11、2-12
2.2 高频谐振功率放大器
高频谐振功率放大器在无线通信系统中的位置
–
+
VCC (b)
vc ICC RP cost Vcm cost vce Vcc -Vcm cost
电源输入的直流功率(平均功率) Pdc
1 T
T
0 icVccdt I V c0 cc
输出交流功率： P0
1 2
I V c1 cm
1 2
I
R 2
c1 P
1 Vc2m 2 RP
Vcm 回路两端的基频电压
3、射频功率放大器的主要技术指标
ic ICM
电压放大 工作区域
PCM
功率放大 工作区域
VCEO ICM PCM
功放管的保护 •一般不能空载 上电,要接负载。 •加散热片。
vce
O
VCEO
高效率、大输出功率。谐波、杂散波。
转移特性曲线
ic f vbe vce 常量
ic
输出特性曲线
ic f vce vbe 常量
iC
由于当 t c 时， ic 0
+
cosc
VBZ -VBB Vbm
c
cos-1 VBZ -VBB Vbm
VBE
_
ic gc Vbm cost - (VBZ -VBB )
gc Vbm cost -Vbm cosc gcVbm cost - cosc
ic •
gC
又当t 0 时， icmax gcVbm 1- cosc
nRP n2 - 1 QL
Zn
n
RP n2 - 1 QL
若QL 10,
可算得n 2, Z2 0.0667;n 3, Z3 0.0375
RP
RP
说明，对于高次谐波谐振回路近似为短路，直接把谐波能量
5、射频功放的分析方法
高频功放工作于大信号的非线性状态，用解析法 分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法。
(c)
2.2.1 高频谐振功率放大器的基本工作原理
1.基本电路结构
除电源和偏置电路外， 主要由三个部分组成：
（A）晶体管：大功率 晶体管，能承受高电 压，大电流，一般工 作时发射极反偏(C类)
（B）输入激励电路：提供所需信号电压；
（C）输出谐振回路：1)滤波选频，2)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 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。
iC2
Vce Vcc - Vc1m cost
iC
+ VBE
_
0
LC
回 路 阻 抗
2 3
Rp
高频功放的功率关系
(1) 电源提供的直流功率： P VCC IC0
(2) 集 电 极 输 出 交 流 功 率 （ 负 载 上 得 到 的 功 率 ）
P0
1 2 VCm1 I Cm1
1 2
I2 Cm1
RP
gcVbm
ic max
1 - cos c
代入ic 有：
-•VBB •
-C
-VBZ
ic icmax
VBE -C C
ic
ic max
cos t - cos c 1 - cos c
C
Vbm
Vb
尖顶余弦脉冲的数学表达式
i
ic
c
ic max
Ic0
cos t - cos c
1 - cos c
Icm1 cost I
ic
ic
ic
ic
Q
o
eb o
t
小信号谐振放大器 波形图
t
o
eb o
t
VBZ
谐振功率放大器
t
波形图
工作状态 甲类 乙类
甲乙类 丙类 丁类
不同工作状态时放大器的特点
半导通角
理想效率
负载
c=180 c=90 90＜c＜180 c＜90 开关状态
50% 78.5% 50%＜＜78.5% ＞78.5% 90%~100%
V
2 Cm1
2RP
（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ意 RP
为回路谐振阻抗）
(3) 集电极耗散功率Pc ， Pc P - Po
(4) 集电极能量转换效率c ：
c
Po P
Po Po Pc
1 2
VCm1 I Cm1
VCC ICO
1 2
K
g1
c
其中： K
VCm1 VCC
为集电极电压利用系数；
g1 c
I Cm 1 I CO
输出功率
107 106
Kly 真空器件
105
GT
104
103 TWT①
CFA
102 101 SIT
SiBIJ
Gy50
JWT② MESFET
107
106
105
真空器件区域
104
103
竞争区域
102
101
1 10-1
固体器件
10-2
Gun IMPATT n
1 10－1 10－2
固体器件区域
0
1
10
100
1(c ) 0 (c )
称为波形系数，是导通角 c
的函数，通
常可查表求出。
讨论：
(1)
K
VCm1 VCC
ICm1RP VCC
，
RP K c
(2)
g1 c
ICm 1 I CO
，
一般有： c g1 c c
(3) c
Po Po Pc
Po
c 1 -c
Pc
当晶体管允许的耗散功率一定时，c Po
4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2……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、 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
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(VBZ为截止偏压)。
ic gc
ic
临界线
过压区 gcr
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。
根据能量守衡定理： PDC= Po+ Pc
定义集电极效率：c
Po PDC
Po Po Pc
PDC=直流电源供给的直流功率； Po=交流输出信号功率； Pc=集电极耗散功率；
由上式可以得出以下两点结论：
1）
由式
Po
1
c -c
Pc
可知
晶体管集电极平均耗散功率： 1 T
T0
ic vcedt
可见使ic在vce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。
谐振功率放大器工作在丙类工作状态时c＜90，集 电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：
ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+……
ic
电阻 推挽，回路
推挽 选频回路 选频回路
应用 低频
低频，高频 低频 高频 高频
+
+
+
vb
–
vbe
vce
–
C’
C’
L CA
RA
–+ VBB
–+ VCC
(a)
1 0 C
+
vb
–
+
vbe
+
vce
+
L
– r vc L
–
CA
rA
–+ VBB
–+
VCC (b)
图2-16 高频谐振功率 放大器原理电路图
L
CA
re
–
+
vbe
+
vce
+
L
– r vc L
–
CA
rA
–+ VBB
–
+
VCC (b)
图2-16 高频谐振功率 放大器原理电路图
L
CA
re
(c)
L
CA
re
(c)
Zn
re
re
jn L 1
jn C A
j
n
L
-
1 n C A
Zn j
n L n2 2LCA - 1
j
n LQL n2 - 1 QL j
cm2
若对ic 分解为付里叶级数为：
cos2t Icmn cosnt
iC
iC1
ICO
其中各系数分别为：
iC2
Ic0
1
2
-
ic
d
(t
)
1
2
c -c
ic
d
(t
)
ic max
(sinc -c cosc 1- cosc
)
ic max0
c
Icmn
1
c -c
ic
c
osntd
(t
)
ic
m
2
ax
s
用图解法或折线近似分析法来分析功率放大器。
图解法：利用电子器件的特性曲线对它的工作状态进行计算。 折线近似分析法：用折线来表示电子器件的特性曲线。
2.2.2 高频谐振功率放 大器折线近似分析法
0 0.7070
折线近似分析法的分析条件
1
建立在 f工作 0.5的f 基础上，此时可认为
f
。晶 f
fT
体管•的静态0 特性可作为高频谐振功率放大器理论分 析的基础。分析小信号谐振放大时，一般满足
ic
•Q
•Q
- VBB
•
•
vbe
VBZ
A 类： 1800
Q 位于放大区
B 类： 90o
VBB VBZ
C 类： 90o ,VBB VBZ 。
•
vce
•
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； 晶体管动态范围不同。
g1(C )
2
K
2 0.833 0.95
。此时，晶体管f工静作 态特0.5性f失效，要借助其他方法， 如y参数法，来分析小信号谐振放大器。
2.2.2 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：
1、测出晶体管的转移特性曲线ic~ vb及输出特性曲线ic~ vc，
并将这两组曲线作理想折线化处理 2、作出动态特性曲线
3、是根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对 应电流脉冲ic和输出电压vc的波形
1000
0
1
10
100
1000
频率（GHz）
频率（GHz）
固态器件与电真空器件功率量 级比较图
2.2 高频谐振功率放大器
1. 高频、低频功放工作的异同点
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；
2. 高频功率放大器分类
从工作频带宽度来分：
窄带功放-以谐振回路、选频网络为负载；
(2)集电极输出电压
经LC并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻
（最大值）Rp，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。