第5章-1 高频功率放大器工作原理
更新时间:2023-05-27 08:38:02 阅读量: 实用文档 文档下载
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高频电子线路
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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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