谐振功率放大器的工作原理

课 题：

4.1 概述

4.2 谐振功率放大器的工作原理 教学目的：

1.了解高频功率放大器的基本概念和类型 2.掌握高频谐振功率放大器的特点 3.掌握高频谐振功率放大器的工作原理 教学重点：

高频功率放大器的基本概念和类型 高频谐振功率放大器的特点 教学难点：

高频谐振功率放大器的工作原理 教学方法：

讲授 课 时：

2学时 教学进程

单元四 功率放大器概述及电路

4.1 概述

顾名思义,高频功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。

一、高频放大器的分类

根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大类。

1. 窄带型高频功率放大器

通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。

为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态，近年来出现了工作在开关状态的丁类状态的谐振功率放大器。

2. 宽带型高频功率放大器 采用传输线变压器作负载。

传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。 二、谐振功率放大器的特点 1.采用谐振网络作负载。 2.一般工作在丙类或乙类状态。 3.工作频率和相对通频带相差很大。 4.技术指标要求输出功率大、效率高。 三、高频功率放大器的技术指标 1.输出功率:PO 2.效率:η 3.功率增益:Ap

4.2 谐振功率放大器的工作原理

一、丙类谐振功率放大器电路 电路图如4-1所示

图4-1 丙类谐振功率放大器

LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。 谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。 作用：滤波、匹配。 VBB:基极直流电压

作用:保证三极管工作在丙类状态。

VBB的值应小于放大管的导通电压Uon；通常取VBB≤0。 VCC：集电极直流电压

作用：给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。 二、丙类谐振功率放大器的工作原理

ui→uBE→iB→iC→uC

ui为余弦电压， 可表示为ui=UimCOSωct 则：uBE= VBB+ui= VBB+ UimCOSωct

根据三极管的转移特性可得到集电极电流iC，为余弦脉冲波，如图4-2所示：

图4-2 iC波形

根据傅立叶级数的理论，iC可分解为：

ic=Ico+iC1+iC2+iC3+???+iCn+??? 式中：Ico为直流电流分量 iC1为基波分量；iC1=Icm1COSωct iC2为二次谐波分量；iC2=Icm2COS2ωct iCn为n次谐波分量；iCn=IcmnCOSnωct 其中，它们的大小分别为：

Ico=iCmax·α0（θ） Icm1=iCmax·α1（θ） Icmn=iCmax·αn（θ）

iCmax是ic波形的脉冲幅度。

αn（θ）的大小可根据余弦脉冲分解系数表查。

Ic信号的导电角可以用下面的公式进行计算

当iC信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，可得其谐振网络压降为：

cos??Uon?UBBUbmUon?UBBUbm??arccosuc=RIcm1COSωct=UcmCOSωct uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSωct 各信号的波形如图4-3所示：

图4-3 波形图

三、功率关系 直流功率：PV=VCCICO 输出功率：PO=

12Icm1Ucm

放大管功耗：PT=PV-PO 效率：η= PO/PV

本课小结：

1. 高频功率放大器有宽带型和窄带型两大类。

2. 谐振功率放大器具有输出功率大、效率高、采用谐振网络作负载等特点。 3. 高频功率放大器的技术指标有输出功率、效率、功率增益等。 4. 讲解了丙类谐振功率放大器的工作原理及脉冲电流的分解特点。 5. 讨论了直流功率、输出功率、管耗功率三者之间的功率关系及效率的计

算方式。

本课作业：

1. 为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高频功率放大器可以工作于丙类？

2. 为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态？为什么采用谐振回路作负载？谐振回路为什么要调谐在工作频率？ 3. 简述丙类谐振功率放大器电路中各部分的作用。 4. 一谐振功放的输出功率Po=5W,Vcc=24V。

(1)当集电极效率=60%时,求其集电极功耗Pc和集电极电流直流分量Ico； (2)若保持Po不变,将η提高到80%,问此时Pc为多少?

课 题：

4.3丙类谐振功率放大器的性能分析 教学目的：

1.了解丙类谐振功率放大器的工作状态 2.掌握丙类谐振功率放大器的动态线 3.掌握集电极余弦电流脉冲的分解 教学重点：

丙类谐振功率放大器的工作状态 教学难点：

丙类谐振功率放大器的动态线 集电极余弦电流脉冲的分解 教学方法：

讲授 课 时：

2学时 教学进程

4.3丙类谐振功率放大器的性能分析

一、丙类谐振功率放大器的工作状态 欠压状态：管子导通时均处于放大区； 临界状态：管子导通时从放大区进入临界饱和； 过压状态：管子导通时将从放大区进入饱和区；

在实际工作中，丙类放大器的工作状态不但与Ubm有关，还与VCC、VBB和R有关。

在丙类谐振功放中，工作状态不同，放大器的输出功率和管耗就大不相同，因此必须分析各种工作状态的特点，以及Ubm、VCC、VBB和R的变化对工作状态的影响，即对丙类谐振功放的特性进行分析。

二、丙类谐振功率放大器的动态线 1.基本概念：

大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析，为此就要在输出特性曲线上作出交流负载线。

由于谐振功放的集电极负载是谐振回路，且共集电极电压与集电极电流的波形截然不同，因此其交流负载线已不是直线了，是一条曲线，又称为动态线。

2.动态线的作法：

三极管的输出特性曲线转上的参变量iB换成uBE，在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不变的情况下，假设ωct取不同的值，根据式uBE=VBB+ UbmCOSωct和

uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSωct可得以相对应的uBE和uCE值，从而确定输出特性曲线上的各个“动态点”，然后依次连接各个“动态点”就可以得到动态线。其图形如4-4所示。

图4-4 动态线

3.不同工作状态的动态线 如图4-5所示

图4-5 不同状态的动态线

丙类谐振功放在不同状态的动态线动画演示请点击

4.根据动态线分析放大器的特性

（1）放大器工作在过压状态时，ic波形会出现下凹。

（2）动态线、放大器的工作状态与VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有关系。三、丙类谐振功率放大器的特性 负载特性：

基极调制特性：

调制特性

集电极调制特性：

放大特性： 1.负载特性：

负载特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不变时，随R变化的特性 (1)工作状态的变化

随着R从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化 (2)ic波形的变化

随着R增大，ic的变化如图4-6所示

图4-6 ic随R变化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性 如图4-7所示

图4-7 Ucm、Ico、Icm1随R的变化

(4)PO、PV、Pc、η的变化特性 如图4-8所示

图4-8 PO、PV、Pc、η的变化特性

负载特性动画演示请点击

2.基极调制特性

基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，随VBB变化的特性 (1)工作状态的变化

随着VBB从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化 (2)ic波形的变化 如图4-9所示

图4-9 ic随VBB的变化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性 如图4-10所示

图4-10 Ucm、Ico、Icm1的变化特性

基极调制特性动画演示请点击

3.集电极调制特性

集电极调制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不变时，随VCC变化的特性 (1)工作状态的变化

随着VCC从小变大，放大器将由过压状态→临界状态→欠压状态变化 (2)ic波形的变化 如图4-11所示

图4-11 ic随VCC变化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性 如图4-12所示

图4-12 Ucm、Ico、Icm1的变化特性

集电极调制特性动画演示请点击

4.放大特性

放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不变时，随Ubm变化的特性 (1)工作状态的变化

随着Ubm从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化 (2)ic波形的变化 如图4-13所示

图4-13 ic随Ubm的变化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性 如图4-14所示

图4-14 Ucm、Ico、Icm1的变化特性

基极调制特性动画演示请点击

本课小结：

1. 丙类谐振功率放大器具有过压、欠压、临界等三种工作状态。

2. 丙类谐振功率放大器的动态线是一条曲线。

3. 丙类谐振功率放大器具有放大、调制、放大等特性。

本课作业：

1. 丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲类功率放大器的负载线有什么

区别？为什么会产生这些区别？动态特性的含意是什么？

2. 谐振功率放大器工作于欠压状态。为了提高输出功率，将放大器调整到

临界状态。可分别改变哪些参量来实现？当改变不同的量时，放大器输出功率是否一样大？

课 题：

4.4丙类谐振功率放大器的电路 教学目的：

1.掌握丙类谐振功率放大器的直流馈电电路 2.了解丙类谐振功率放大器的匹配网络 教学重点：

掌握丙类谐振功率放大器的直流馈电电路 教学难点：

丙类谐振功率放大器的匹配网络 教学方法：

讲授 课 时：

2学时 教学进程

4.4丙类谐振功率放大器的电路

一、丙类谐振功率放大器电路的构成原则

谐振功放的集电极馈电电路，应保证集电极电流ic中的直流分量Ic0只流过集电极直流电源VCC(即：对直流而言，VCC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；还应保证谐振回路两端仅有基波分量压

降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c ,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；另外也应保证外电路对高次谐波分量icn呈现短路，以免产生附加损耗。

以图4-15示意说明

图4-15 集电极馈电电路的构成原则

a 直流通路 b 基波通路 c 高次谐波通路

谐振功放的基极馈电电路的组成原则与集电极馈电电路相仿。第一，基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源(即VBB直接加到晶体管b ,e两端)。第二，基极电流中的基波分量ib1只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。

以图4-16示意说明

图4-16 基极馈电电路的构成原则

a 直流通路 b 基波通路

二、丙类谐振功率放大器电路的类型：

输入端的直流馈电电路和匹配网

络

丙类谐振功率放大器的电路包含有: 输出端的直流馈电电路和匹配网

络

三、丙类谐振功率放大器的直流馈电电路

直流馈电电路是指把直流电源馈送到晶体管各极的电路。 它包括：

串联馈电电路 集电极馈电电路

并联馈电电路

串联馈电电路

基极馈电电路 并联馈电电路

1.集电极馈电电路

图4-17 集电极馈电电路 a 串馈电路 b 并馈电路

2.基极馈电电路

图4-18 基极馈电电路 a 串馈电路 b 并馈电路

3.基极自给偏置电路

图4-19 基极自给偏置电路

四、丙类谐振功率放大器的匹配网络 在谐振功率放大器中，为满足结它的输出功率和效率的要求，并有较高的功率增益，除正选择放大器的工作状态外，还必须正确设计输入和输出匹配网络。

输入和输出匹配网络在谐振功率放大器中的连接情况如图4-20所示。无论是输入匹配网络还是输出匹配网络，它们都具有传输有用信号的作用，故又称为耦合电路。对于输出匹配网络，在求它具有滤波和阻抗变换功能，即滤除各次分量，使负载上只有基波电压；将外接负载RL 变换成谐振功放所要求的负载电阻R，以保证放大器输出所需的功率。因此，匹配网络也称滤波匹配网络。对于输入匹配网络，要求它把放大器的输入阻抗变换为前级信号源所需的负载阻抗，使电路能从前级信号源获得尽可能大的激励功率。

图4-20 匹配网络

常用匹配网络的电路和计算公式

本课小结：

1. 丙类谐振功率放大器电路的构成原则包括对直流、基波、多次谐波的等

效电路。

2. 丙类谐振功率放大器电路的类型：直流馈电电路和匹配网络两大类型。 3. 丙类谐振功率放大器的直流馈电电路有基极馈电电路、集电极馈电电路

之分和并馈、串馈之分。

4. 丙类谐振功率放大器的匹配网络有L式滤波器型、Π式滤波器型、T式

滤波器型等三种常用的形式。

本课作业：

1. 图题4-1是用于谐振功放输出回路的L型网络,已知天线电阻rA=8Ω,线

圈L的品质因数Qo=100,工作频率f=2MHz若放大器要求的Re=40Ω,求L、C。

图题4-1

课 题：

4.6宽带高频功率放大器 教学目的：

1.掌握传输线变压器的工作原理 2.了解宽带功率合成与分配网络 3. 了解宽带高频功率放大器的电路实例 教学重点：

传输线变压器的工作原理 教学难点：

宽带功率合成与分配网络 教学方法：

讲授 课 时：

2学时 教学进程

4.6宽带高频功率放大器

一、传输线变压器的工作原理

传输线变压器是由绕在高导磁环上的传输线构成的，其中，传输线可以用同轴电费，也可以用双绞电线或带状线，它们都可看成两根等长的、相距很近的平行线，而且匝数很少，而磁环一般由镍锌铁氧体制成，作为举例，图4-21示出了最简单的传输线变压器—1：1倒传输线变压器结构，其中1、3为始端，2、4为终端，而1—2端和3—4端分别构成了变压器的两个线圈。

图4-21 传输变压器的结构示意图及等效电路

传输线变压器既具有传输特点，又具有变压器的特点，是二者的结合统一。 传输线圈变压器确实具有极高的上限截止频率和极宽的工作频带。

实现平衡和不平衡的转换

传输线变压器的功能 作为阻抗变换器

当工作在低频段时, 由于信号波长远大于传输线长度, 分布参数很小, 可以忽略, 故变压器方式起主要作用。由于磁芯的导磁率高, 所以虽传输线较短也

能获得足够大的初级电感量, 保证了传输线变压器的低频特性较好。

当工作在高频段时, 传输线方式起主要作用, 在无耗匹配的情况下, 上限频率将不受漏感、 分布电容、 高导磁率磁芯的限制。 而在实际情况下, 虽然要做到严格无耗和匹配是很困难的, 但上限频率仍可以达到很高。

由以上分析可以看到, 传输线变压器具有良好的宽频带特性。 二、传输线变压器的应用

极性变换 平衡和不平衡的互相变换

阻抗变换

三、宽带功率合成与分配网络

利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大, 然后设法将各个功放的输出信号相加, 这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。

利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。

理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能, 还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离, 即当其中某一个功率放大器损坏时, 相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响, 仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。

利用传输线变压器组成的反相功率合成原理电路如图4-22所示。

Ia＋Ua－功率放大器A＋Ud2－CT1D′IdIdI1＋Ud＋Ud2－－D＋T2RdUd－ARcIc＋Ub－功率放大器BIbB图4-22 功率合成原理电路

四、宽带高频功率放大器的电路实例

图4-23 宽带高频功率放大器的电路实例

本课小结：

1. 讲解了传输线变压器的工作原理。

2. 传输线变压器的应用主要有极性变换、平衡和不平衡之间的转换、阻抗

转换等功能。

3. 讲解了宽带功率合成与分配网络的工作原理。 4. 举例讲解宽带高频功率放大器的电路实例

本课作业：

1. 图题4-2所示电路的负载为RL,则输入阻抗应为多大?

图题4-2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ucar.html