第二章 谐振功率放大器_2013_1

例1
工作在临界状态的某高频功率放大器，Vcc=24V， 集电极电压利用系数ξ=0.9，集电极电流流通角
75，已知 0 ( )=0.29，1 ( )=0.455，
功放管集电极电流的脉冲幅度 icmax 5A 计算： 1、集电极电压Vcm、集电极电流Ic0、Ic1 2、输出功率Po、集电极转换效率η 3、直流输入功率PD
② 调制特性 i 集电极的调制特性 ● 定义：若 不变，放大器随 ● 集电极调制特性分析
的变化特性。
●
画出调制特性曲线
●
Hale Waihona Puke Baidu
结论：
欲想改变VCC能有效控制VCm实现集电极调制，则放 大器应工作在过压状态；
集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。 （集电极调幅参阅高电平调制电路）
ii 基极的调制特性
按电流的流通角划分放大器种类
180 90 90 180 90 90
甲类
乙类
甲乙类 丙类 开关状态，丁茂类
二、丙类谐振功率放大器
1. 原理电路及各元件作用
●
原理电路
vs Vsm cos t
Lr、Cr：输出并谐回路谐振电阻Re C1、C2：高频旁路电容与隔直作用 ● L 、C 并谐回路的作用：选频；完成阻抗匹配 r r 实际电路输入回路中有输入谐振回路L1C1，并联谐振电阻 为Re1
§2
一、 概述
谐振功率放大器
二、丙类谐振功率放大器 三、丙类谐振功放工作状态的分析 四、谐振功率放大器线路
五、晶体管倍频器
谐振功率放大器
一、 概述
1、引入谐振功放的必要性 2、谐振功率放大器的分类： ● 线性谐振功放 ( 或 或 ) 放大已调幅波 ● 丙类谐振功放 ( ) 放大高频等幅波——载波、调频波、调相波 等 ● 高效率功放（ ,功率管工作在开 关状态）
四、谐振功率放大器线路
1. 直流馈电 馈电原则： ● 对直流呈短路 ● 对基波分量呈现最大阻抗 ● 对其他谐波分量基本呈现短路 ● 按电流流通路径划分馈电电路形式
集电极馈电电路 基电极馈电电路
●
基极、集电极回路中，电流的直流分量和基波分量 有各自的正常通路
●
高频信号不能流过直流电源
① 集电极馈电（串馈、并馈）
●
● Lr、Cr并谐回路的作用： 1、选频； 2、完成阻抗匹配，把外界电抗性负载转 为功率管的应配负载 ● 实际电路输入回路中有输入谐振回路L1C1， 并联谐振电阻为Re1
2.工作原理： ① 在vs产生激励电流为is=Ismcosωt作用下,看各极电压电流 波形:
●
ib的波形为一串余弦脉冲
●
ic的波形为一串余弦脉冲
• 2.如何求动态线
①依据：管外特性方程
②方法：近似静态特性分析方法 分析：1、动态线 2、集电极电流 3、所需负载Re=Vcm/Ic1m
4、放大器功率性能
• 取定 VBB、Vbm、Vcc、Vcm 四个值，由管外方程计算 得到不同时间 t=0、 、 、 、..... 对应的 15 30 45 VBE 和 VCE值。根据各个对应的VBE和VCE值， 在功率管的输出特性曲线上（将其中的参变 量iB改为VBE），找出相应的各动态点，它们 的连线即为放大器的动态线。可见，动态线 是描述VBE和VCE的移动轨迹。
③动态线与波形：
④ 结论： 动态线由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段 构成， 动态线与横轴交在小于VCC地方（因 90）
● ●
集电极电流是一串余弦脉冲（或一串凹陷脉冲）
过压状态电流出现凹陷原因是集电极负载是谐振回路所 致
●
3.工作状态分析 讨论 VCC、VBB、Vbm、R（或Vcm ） e ①的影响 负载特性
●
对工作状态 变化的特性
R 定义：若 VCC、VBB、Vbm 不变，放大器随 e
称为负载特性。
●
负载特性分析
●
画出负载特性曲线：
可见Ic1m、IC0在欠压区 下降慢，在过压区明显 下降；Vcm变化趋势却 相反
●
结论：实际负载应取在弱过压状态。（因 趋近 最小值，功率管最安全， 仍提高、 P0 也较大）
● ●
定义：若 基极调制特性分析
不变，放大器随
的变化特性。
当Vbm一定，VBB 时， I c脉宽 ，BEmax I c I C0，I C1 Vcm VCE min 欠压进入过压状态
●
画出调制特性曲线
●
结论：
改变 VBB欲想有效控制 Vbm实现 基极调制，则放大器应工作在欠压 状态； 基极调制特性是实现基极调幅 的原理依据。（因基极调幅非线性 失真大；需激励信号功率大；所以 一般不采用） iii 集电极调幅与基极调幅
Vcm (1)由 Vcm Vcc 0.9 24=21.6V Vcc I C0 =icmax 0 ( )=5 0.29=1.45A I C1 =icmax1 ( )=5 0.455=2.28A 1 1 (2)Po= I C1Vcm 2.28 21.6 24.6W 2 2 1 1 I C1 1 1 ( ) g1 ( ) 2 2 I C0 2 0 ( ) 1 0.455 0.9 70.6% 2 0.29 (3)PD =I C0 VCC =1.45 24=34.8W
vCE VCC Vcm cos t
②结论： ● 工作原理描述：在is为余弦信号的激励下，丙类谐振 功放的ib，ic均是余弦脉冲，而vb,vc是完整的余弦波。 （因为输入输出均为LC选频网络） ● 管外特性方程：
其中
Vbm ( I sm I blm )Rel VCm I Clm Re
例3：一个丙类谐振功放，设计在临界状态，现P0和 ηc均不能达到设计要求，应如何进行调整？
P0不能达到设计要求，表明放大器没有工作在临 界状态。 放大器可能工作在欠压或过压状态下,增大Re，如 果P0增加，则放大器工作在欠压，此时分别增加 Re，Vbm，或VBB均可使放大器从欠压进入到临界状 态。 如果增大Re，P0反而减小，则放大器工作在过压 状态，此时增大Vcc可以使放大器从过压进入到临 界状态。
实现高效率功放的途径
•PD和激励信号相同时，甲、乙、丙类功放比 较：（PC为下图中υCE和ic的阴影部分乘积）
为进一步得到更大输出功率和更高效率， 可利用管子工作在开关状态，使管子饱和 导通期间始终维持VCE在最小值 （VCE(sat)≈0，使PC趋于零）则大大提高 效率，这种称为丁类高效率谐振功放，效 率超过90%，它是两管工作，所以谐波输出 小。但频率升高时效率下降。开关转换瞬 间，两管可能同时导通或同时断开，造成 二次击穿,易损坏管子。为克服其缺点，在 电路上加以改进，提出了戊类高效率功放， 是单管工作在开关状态，选择适当负载网 络参数，使瞬态响应最佳。
●
若 = 90 ，则 （ ）= ，（ ）= 1 90 0 90

1 2
1
3. 能量关系
●
●
= Vcm /Vcc
●
PC PD P0
P0 1 1 c 1 ( ) / 0 ( ) g1 ( ) PD 2 2

●
称波形系数， （ ）= g（） g 1 90 1 2
VCC t （）＝VCC +v t （） a) 集电极调幅电路： ；丙类谐振功放 的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。
▲
电路工作原理
电压电流波形
▲
▲
平均功率
其中(PD)0 、(PO)0 、(PC)0是载波状态功率 b) 基极调幅电路 ;丙类谐振功放的基极调制是基极 调幅的原理依据
▲
电路与工作原理
若功率管C-E结、 、 LC回路三者是串联(或并联)， 则称为集电极串馈（或并馈）电路
集电极串、并馈 电路形式
●
●
串并馈电电路的异同点
i 共同点： ▲ 供电效果相同； ▲ 均是接在高频电位的地电位端。
I c0 icmax 0 ( )
I cnm icmax n ( ) ……
0， 1…… n 称为电流分解分数
●
vb的波形为余弦波
vBE=VBB+vb=VBB+Vbmcosωt
●
vce的波形为余弦波 因负载是具有选频作用的Lr、Cr并谐回路； 所以 vce =Vcm cosωt （其中Vcm= Ic1mRe）
丁类谐振功率放大器
思考题
谐振功放与非谐振功放相比，有哪些异同点？ 相同点：它们都要求安全高效地输出足够大的不失 真功率。 不同点：(1)在谐振功放中，为了提高效率都在丙类 工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。 在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的 脉冲序列波形 (2)为实现不失真放大，必须限定输人信号为单一频 率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近 占有很窄频带的己调波信号。
= g1 ） 现 提高了 （
1 2
g1 ）= （
（） 0 增大了，表明 减小了。 1 ） （
工作状态不变， 临界点的I Cmax 不变 而 减小了，1 ）将减小， I C1m减小 （
2 1 Vcm 要使Vcm不变，则只有增加Re ，而PO = 2 Re
PO下降了 要减小通角，有两个途径 1、减小Vbm， 2、减小VBB 题意要求VBEmax VBB Vbm 只能在减小VBB的 同时，增大Vbm。
g1 ( )
1 2
Vcm Vcc 22.8 负载电阻 Re = = = =43.3 I C1 I C1 0.526
三、丙类谐振功放工作状态的分析
1.工作状态的划分方法
欠压状态：管子导通时，动态线处于放大区
按工作区划分
临界状态：管子导通时，动态线达到临界饱和区
过压状态：管子导通时，动态线进入饱和区
例2
某高频谐振功率放大器工作于临界状态， 输出功率P0 6W，电源电压VCC =24V，集 电极直流电流IC0 =300mA，电压利用系数
=0.95，求直流电源功率PD，集电极功 耗PC，效率C 及负载电阻Re
Vcm 解:由于 Vcm Vcc 0.95 24=22.8V Vcc 电源功率 PD I C0Vcc 0.3 24 7.2W 1 根据题意 Po= I C1Vcm 6W 2 集电极功耗 PC PD Po 7.2 6 1.2W I C1 2Po 2 6 0.526 A Vcm 22.8 1 2 I C1 1 0.526 0.95 83.3% I C0 2 0.3
▲
平均功率
式中(PD)0 、(P0)0、(PC)0是载波状态平均功率
③ 放大特性
●
定义：若VCC、VBB、Re不变，放大器随Vbm变化特性。
●
放大特性分析
●
画出放大特性曲线
●
结论
欲想改变Vbm有效控制Vcm实现放大，则放大器应工作在欠 压状态；它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波） 欲想改变Vbm，使Vcm基本不变实现限幅，则放大器应工作 在过压状态。
动态线
1、什么是动态线？ 在非谐振功率放大器中，为了分析放大器 的性能，可以在三极管的输出特性曲线上作 （三极管集电极的电压与电流的关系曲线）。 由于集电极的负载为纯阻，负载线为一条直 线。 在谐振功率放大器中，由于集电极的负载 为LC网络，三极管集电极的电压与电流是互 相影响，互为确定的。精确的分析需要求解 非线性微分方程。
高频功放的性能分析
ic ic max cos t cos 1 cos
ic 是t的周期函数，可以做傅里叶展开 sin cos I c0 =ic max（） （）= 0 0 （1-cos） sin cos I c1 ic max（） （）= 1 1 （1-cos）
例4：一谐振放大器，原来工作在临界状态， 后来发现该放大器的输出功率下降，但效 率反而提高，而VCC，Vcm及VBEmax不变， 问是什么原因造成的，此时放大器工作在 什么状态？
VCC，Vcm，及VBEmax 不变， VCEmin，VBEmax 不变 因此放大器的工作状态不变 = Vcm VCC 不变