第5章-1 高频功率放大器工作原理

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主要内容： 主要内容：重点掌握： 重点掌握： 1、高频功率放大器的工作原理及折线近似分析法； 、高频功率放大器的工作原理及折线近似分析法； 折线近似分析法 2、高频功率放大器的电路组成及网络匹配； 、高频功率放大器的电路组成及网络匹配； 了解： 了解： 1、丁类功率放大器工作原理； 、丁类功率放大器工作原理； 2、功率合成器的工作原理； 、功率合成器的工作原理； 3、倍频器的工作原理。 、倍频器的工作原理。

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在高频范围内， 在高频范围内，为了获得足够大的高频输出 功率，必须采用高频调谐功率放大器， 功率，必须采用高频调谐功率放大器，这是 发射设备的重要组成部分 的重要组成部分。 发射设备的重要组成部分。 输出功率大高频功率放大器的一般 要求同低频功放 低频功放相同 要求同低频功放相同

效率高特点:1.工作频率高， 特点:1.工作频率高，相对频带窄 :1.工作频率高 2.采用选频网络作为负载回路 2.采用选频网络作为负载回路 3.一般工作在丙类工作状态 一般工作在丙类工作状态， 3.一般工作在丙类工作状态，属于非线性电路 4.图解法和折线法分析 4.图解法和折线法分析工作状态：甲类、乙类、甲乙类和丙类等， 工作状态：甲类、乙类、甲乙类和丙类等，与集电极电流 的导通角有关(动画5-1) 导通角有关(动画 ) 有关

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1 谐振功率放大器的工作原理主要要求： 主要要求：掌握谐振功率放大器的电路组成、 掌握谐振功率放大器的电路组成、工作原理和 工作特点。 工作特点。 掌握谐振功率放大器输出功率和效率的估算。 掌握谐振功率放大器输出功率和效率的估算。 谐振功率放大器输出功率和效率的估算

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高频功放的电路组成输入信号(激励信号) 输入信号(激励信号)+

C

+ vS _

vC + vb _-VBB+_

vc +

L

-VCC+

原理电路(动画 原理电路 动画5-2) 动画 LC谐振回路，实现 功能， 谐振回路， 功能， 谐振回路 实现??功能 偏置电压, 类工作状态 偏置电压 ??类工作状态 R.p是什么 是什么

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工作原理分析1 集电极电流 ic 设输入信号电压:+

高频电子线路C vc + L

vb =Vbm cosωt

vBE = vb VBB = VBB +Vbm cosωt由晶体管的转移特性曲线可以看出： 由晶体管的转移特性曲线可以看出：

则 加 到 晶 体 管 基 极 ,发 射 级 的 发 有效电压为:

+ vS _

vC + vb _ -VBB+_

-VCC+

∴有

当 vBE <VBZ , ic = 0 当 vBE > VBZ , ic = gc (vBE VBZ ) 式中 gc 为： -VBB ic 折线的斜率 g c = v BE v =常数 θceC

ic

gC

ic

UBZ

vBE θ C θ C vb

ic = gc ( VBB +Vbm cosωt

VBZ )Vbm

θC

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ic = g c ( V BB + Vbm cos ω t V BZ ) +VBB +VBZ 1 VBB +VBZ ∴cosθc = ,θc = cos Vbm Vbm ∴ ic = g c [V bm cos ω t ( V BB + V BZ )]= g c [V bm cos ω t V bm cos θ c ] = g cV bm [cos ω t cos θ c ]Ic max ∴ gcVbm = 1 cosθcic = Icmax由于当ω t = θ c 时， i c = 0vS _ + vb _ -VBB+

+

C vc + L

vC_

-VCC+

ic

gC

icIcmax

又Q当 ωt = 0 时， Icmax = gcVbm (1 cosθc )

代 入 ic 有 ：

-VBB θC

VBZ

cos ωt cosθc 1 cosθc

vBE θC θC vb

θC

顶余 脉 弦 冲的数 学表 式 达 尖

Vbm

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2 集电极余弦电流脉冲的分解ic = ic max cosωt cosθc 1 cosθc

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分解为付里叶级数为： 若对 i c 分解为付里叶级数为 ：

ic = I co + I cm1 cosωt + I cm1 cosω 2t + L + I cmn cosωnt + LIcmaxθc θc

ic

ic1

ic2

ic3

Ico ωt

其中各系数分别为：Ico 1 = 2ππ

Icmax sinθc θc cosθc ∫ π icd(ωt) = π 1 cosθc ) = Icmaxα0 (θc )c

1 θ 1 θc sinθc cosθc Icm1 = ∫ θ ic cosωtd(ωt) =Icmax (π 1 cosθc ) = Icmaxα1(θc ) 2πc

2 sinnθc cosθc θc cos nθc sinθc 1 θ Icmn = ∫ ic cos nωtd(ωt ) =icmax ) = Icmaxαn (θc ) 2 2π θ n n 1 (1 cosθc ) π c c

(

)

动画5-5

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IC0 = iCmaxα0 (θ ) IC1m = iCmaxα1(θ ) …

式中： 称为尖顶余弦脉冲的分解系数。 式中：(1) α 0 (θ c ) ,α1(θc ) ,…,αn (θc ) 称为尖顶余弦脉冲的分解系数。 ,的数值查表求出各分解系数的值。 一般可以根据θ c 的数值查表求出各分解系数的值。 为直流及基波和各次谐波的振幅。 (2) Ico , I cm1 , I cm2 ,…, Icmn 为直流及基波和各次谐波的振幅。 α n( θ )

ICnm = iCmaxαn (θ )

α1(θ ) g1(θ ) = α0 (θ )为 形 数 称 波 系

0.6 0.5 2.0 g (θ) 1 0.4 0.3 0.2 0.1

α 1 (θ ) α 0 (θ ) α 2(θ ) α 3(θ )1.0

0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

θ°

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vBEVBZ -VBBRP i c

i c 经 LC 并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻 并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振， gC t Vbm,而对其它谐波失谐阻抗很低 (最大值) 而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。因而回路 最大值) 而对其它谐波失谐阻抗很低，呈电容性。 ,-VBBC

ub

ic

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而滤除各次谐波电压。 选出基波电压 u c 1 ,而滤除各次谐波电压 θ 。故回路输出的基波电压： 故回路输出的基波电压 ： t

ib

UBZvb

vBE

v c1

i =c i c 1 R pvCE

θC

= I cm 1 R p cos ω tCC

Icmax t

Vbm

vc = V cm cos ω t V 而晶体管集电极的输出电压： Vcm 而晶体管集电极的输出电压 ： v CE = V CC V cm cos ω t t+

iC频谱

C vc + L

+ vS _

vC + vb _ -VBB+_

LC回

0

ω

2ω

3ω

路阻 抗

Rp

ω-VCC+

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3 电压、电流波形 电压

、

vBZ

vBZmax

vb

vBE = VBB + ub

iC = IC0 + Ic1m cos( ωt ) + Ic2m cos( 2ωt ) + ... + Icnm cos( nωt ) + ...

=VBB +Vbm cos( ωt )

vc = Re Ic1m cos( ω t ) = Vcm cos( ω t ) vCE =VCC + vc

vCE

vc vCEmin

=VCC Vcm cos( ω t )

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4 输出功率与效率

P = IC0VCC =

1 1 Po = I c1m U cm = I 2 c1m R p = U 2 cm / 2 R p 2 2

Po 1 Ic1m Ucm 1 α1(θ ) Ucm 1 ηC = = = g1 (θ )ξ = P= 2 IC0 VCC 2 α0(θ ) VCC 2思考： 思考： 1.何时，输出功率最大？ 何时，输出功率最大？ 何时 2.何时，效率最大？ 何时，效率最大？ 何时 3.如何选择最佳通角？ 如何选择最佳通角？ 如何选择最佳通角

α n( θ )0.6 0.5 2.0 g (θ) 1 0.4 0.3 0.2 0.1

α 1 (θ ) α 0 (θ ) α 2(θ ) α 3(θ )1.0

0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

θ°

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Po 1 Ic1m Ucm 1 α1(θ ) Ucm 1 ηC = = = g1 (θ )ξ = P= 2 IC0 VCC 2 α0(θ ) VCC 2集电极电压利用系数，在尽限使用时， 集电极电压利用系数，在尽限使用时， ξ 甲类工作状态： 甲类工作状态： θ 乙类工作状态： 乙类工作状态：θ 丙类工作状态： 丙类工作状态： 设

=1

= 180

o

ηC = 50%ηC = π/ 4 = 78.5%o

= 90

o

θ = 60

ηC = 90%

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例 下图所示电路中，VCC = 24 V,Po = 5W,θ = 70 º,ξ = 0.9, 下图所示电路中， , , , 和回路谐振阻抗R 求该功放的 ηC、 P=、PC、iCmax 和回路谐振阻抗 p

1 1 解： ηC = g1 (θ )ξ = ×1.75 × 0.9 = 79% 2 2α n( θ )+

C vc + L

+ vS _

vC + vb _ VBB+_

VCC+

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

g1 (θ)

α 1 (θ ) α 0 (θ ) α 2(θ ) α 3(θ )

0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

θ°

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1 1 ηC = g1 (θ )ξ = ×1.75× 0.9 = 79% 2 2 P 5 o P = W = 6.3 W = = ηC 0.79

P = P P = (6.3 5)W =1.3 W C = o因为 o = 1 Ic1mUcm = 1 iCmax 1(θ )ξVCC P α 22

故 iCmax

2P o = = 1.05 A α1 (θ )ξVCC

Ucm ξVCC Rp = = = 46.5 Ic1m α1(θ )iCmax

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设置V 使晶体管工作于丙类。 设置 BB< UBE(on) ,使晶体管工作于丙类。当输入信号较大 可得集电极余弦电流脉冲。 时，可得集电极余弦电流脉冲。将LC 回路调谐在信号频率 就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。 上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。 在一个信号周期内， 在一个信号周期内，只有小于半个信号周期的时间内有集 电极电流流通(丙类放大),形成余弦脉冲电流。 ),形成余弦脉冲电流 电极电流流通(丙类放大),形成余弦脉冲电流。iCmax是 余弦脉冲电流的最大值， 是导通角(<90 是导通角(< 余弦脉冲电流的最大值，θ是导通角(< o )。 LC谐振回路的作用：(1)选频。滤除余弦脉冲电流中的 谐振回路的作用： )选频。 谐振回路的作用 直流和各次谐波，输出不失真的余弦波电压； 直流和各次谐波，

输出不失真的余弦波电压；(2)阻抗匹 ) 通过调节L 转换成功放管所需的负载值R 配。通过调节 、C 可将 RL 转换成功放管所需的负载值 e。 vc与 vb 反相 。当uBE为uBEmax时，iC 为iCmax ,而uCE为 uCEmin。ic不仅出现时间短，而且只在 CE很小的时段内出 不仅出现时间短，而且只在u 现，因此集电极损耗很小，功放效率较高。 因此集电极损耗很小，功放效率较高。

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谐振功率放大电路与小信号谐 振放大电路有何区别？ 振放大电路有何区别？

(1)作用与要求不同。小信号谐振放大器主要用于高频小信号 )作用与要求不同。 的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益； 的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益；谐振功放主要 用于高频信号的功率放大，要求效率高，输出功率大。 用于高频信号的功率放大，要求效率高，输出功率大。 (2)工作状态不同。小信号谐振放大器输入信号很小，要求失 )工作状态不同。小信号谐振放大器输入信号很小， 真小，故工作在甲类状态；谐振功放为大信号放大器， 真小，故工作在甲类状态；谐振功放为大信号放大器，为了提 高效率，工作在丙类状态。 高效率，工作在丙类状态。 (3)对谐振回路要求不同。小信号谐振放大器主要用来选择有 )对谐振回路要求不同。 用信号抑制干扰信号，要求它有较高的选择，故回路的Q值较高 值较高； 用信号抑制干扰信号，要求它有较高的选择，故回路的 值较高； 谐振功放谐振回路主要用于抑制谐波，实现阻抗匹配， 而谐振功放谐振回路主要用于抑制谐波，实现阻抗匹配，输出 大功率，所以回路的Q值 大功率，所以回路的 值低。

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