諧振功率防大器_原理2013_10_25

1、45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC 其簡(jiǎn)化規(guī)則：交流輸入信號(hào)為零；其簡(jiǎn)化規(guī)則：交流輸入信號(hào)為零；所有電容開路；所有電感短路。所有電容開路；所有電感短路。結(jié)論：結(jié)論：Rb1、Rb2、Re為偏置電阻，提供靜態(tài)工作點(diǎn)；為偏置電阻，提供靜態(tài)工作點(diǎn)；1. 直流偏置電路分析直流偏置電路分析畫出畫出直流等效電路直流等效電路，Rb1Rb2ReVCC45123Rb1Rb2ReyLCbCeCTr1Tr2TLVCC 其簡(jiǎn)化規(guī)則：有交流輸入信號(hào)，所有其簡(jiǎn)化規(guī)則：有交流輸入信號(hào)，所有直流量為零；所有大電容短路；所有大電感開路。（諧振回路直流量為零；所有大電容短路；所有大電感開路。（諧振回路L

2、、C保留）保留）1) 畫出畫出交流等效電路交流等效電路，2. 交流等效電路分析交流等效電路分析32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路晶體管晶體管32154Tr1Tr2CLyLT輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路晶體管晶體管32154yieyoeyrevceyfevbeCyLL+v54-+u31-+v21-2) 畫出畫出交流小信號(hào)等效電路交流小信號(hào)等效電路， 負(fù)載和回路之間采用了負(fù)載和回路之間采用了變壓器耦合，接入系數(shù)變壓器耦合，接入系數(shù) NNp231542vv 晶體管集、射回路與振晶體管集、射回路與振蕩回路之間采用抽頭接入，蕩回路之間采用抽頭接入，接入系數(shù)接入系數(shù) NN

3、p131211vv2.1.5 高頻小信號(hào)單調(diào)諧回路諧振放大器的級(jí)聯(lián)總增益的?？傇鲆娴哪?|Av|=|Av1|*|Av2|*|Av3|Avn | 2.38若各級(jí)放大器是完全相同的單級(jí)放大器若各級(jí)放大器是完全相同的單級(jí)放大器,則則1nvvAA220.707202111nnnLnoAfQAf若各級(jí)放大器是完全相同的若各級(jí)放大器是完全相同的單級(jí)放大器，歸一化抑制比單級(jí)放大器，歸一化抑制比3dB帶寬：令帶寬：令f0.7代表代表An/An0=0.707時(shí)的頻率偏移時(shí)的頻率偏移,則有則有1100.707122121nnnLfBfBQ 表表2.1 帶寬縮小因子帶寬縮小因子級(jí)數(shù)n123456781.00.640

4、.510.430.380.350.320.30121n n是大于是大于1的正整數(shù)的正整數(shù), 稱為級(jí)聯(lián)放大器縮小因子。具體數(shù)值見稱為級(jí)聯(lián)放大器縮小因子。具體數(shù)值見表表2.1所示。所示。121n按矩形系數(shù)的定義可得按矩形系數(shù)的定義可得10.10.110.70721001221nrnfKf表表2-2 矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系矩形系數(shù)與級(jí)數(shù)的關(guān)系級(jí)數(shù)n12345910K0.19.954.903.753.403.202.892.852.56當(dāng)級(jí)數(shù)當(dāng)級(jí)數(shù)n增加時(shí)增加時(shí),矩形系數(shù)有所改善，級(jí)數(shù)越多，矩形系數(shù)有所改善，級(jí)數(shù)越多，Kr0.1變化越緩慢。變化越緩慢。即當(dāng)即當(dāng)n趨于無窮時(shí)趨于無窮時(shí),Kr0.1也只有也只

5、有2.56?？梢娺@種改善是有限度的?？梢娺@種改善是有限度的。5 5、高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性上節(jié)內(nèi)容回顧上節(jié)內(nèi)容回顧LoefereieiyyyyyYFieiyyY0isYy振蕩的臨界條件為：5 5、高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性放大器不穩(wěn)定1SK 1SK 1SK 510SK 2()()|1cos()sieoeLSfereferegggGKyy穩(wěn)定性系數(shù)放大器穩(wěn)定的臨界狀態(tài)放大器穩(wěn)定2221021|2ppyCggKfereSresfeVCKyA00|2上節(jié)內(nèi)容回顧上節(jié)內(nèi)容回顧5 5、高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性

6、 提高放大器穩(wěn)定性的措施(1)中和法 上節(jié)內(nèi)容回顧上節(jié)內(nèi)容回顧5 5、高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器的穩(wěn)定性 提高放大器穩(wěn)定性的措施(2)失配法 信號(hào)源內(nèi)阻與負(fù)載不相等稱為失配狀態(tài)。ieLoefereieiyyyyyyY上節(jié)內(nèi)容回顧上節(jié)內(nèi)容回顧2.2.1高頻諧振功率放大器的基本工作原理高頻諧振功率放大器的基本工作原理功率放大器簡(jiǎn)介功率放大器簡(jiǎn)介2.2.2高頻諧振功率放大器折線近似分析法高頻諧振功率放大器折線近似分析法3. 高頻功放的功率關(guān)系高頻功放的功率關(guān)系1. 基本電路結(jié)構(gòu)基本電路結(jié)構(gòu)2. 工作原理分析工作原理分析作業(yè)：作業(yè)：2-7、2-9、2-11、2-12 1. 高頻、

7、低頻功放工作的異同點(diǎn)高頻、低頻功放工作的異同點(diǎn)相同點(diǎn)：輸出功率大、效率高；相同點(diǎn)：輸出功率大、效率高；不同點(diǎn)：工作頻率與相對(duì)帶寬、負(fù)載網(wǎng)絡(luò)與工作狀態(tài)不同；不同點(diǎn)：工作頻率與相對(duì)帶寬、負(fù)載網(wǎng)絡(luò)與工作狀態(tài)不同；2. 高頻放大器分類高頻放大器分類從工作頻帶寬度來分：從工作頻帶寬度來分：窄帶功放窄帶功放-以諧振回路、選頻網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載；以諧振回路、選頻網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載；寬帶功放寬帶功放-以頻率響應(yīng)寬的傳輸線為負(fù)載回路。以頻率響應(yīng)寬的傳輸線為負(fù)載回路。這樣，可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，不必重新調(diào)諧這樣，可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，不必重新調(diào)諧。從電流導(dǎo)通角來分：從電流導(dǎo)通角來分：A(甲甲)類：電流的流通角

8、等于類：電流的流通角等于360；AB(甲乙甲乙)類：電流的流通角約大于類：電流的流通角約大于180；B(乙乙)類：電流的流通角約小于類：電流的流通角約小于180；C(丙丙)類：電流的流通角小于類：電流的流通角小于180； D類、類、E類及類及S類開關(guān)功率放大器。類開關(guān)功率放大器。ICUCEOQiCtOICUCEOQiCtOICUCEOQiCtO晶體管在輸入信號(hào)晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期都導(dǎo)通的整個(gè)周期都導(dǎo)通靜態(tài)靜態(tài)IC較大，波形較大，波形好好, 管耗大效率低。管耗大效率低。晶體管只在輸入信號(hào)晶體管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通， 靜態(tài)靜態(tài)IC=0，波形嚴(yán)重，波形嚴(yán)重失真失真,

9、管耗小效率高。管耗小效率高。晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于晶體管導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期，靜態(tài)半個(gè)周期，靜態(tài)IC 0，一般功放常采用。一般功放常采用。輸輸出出特特性性曲曲線線 常常量量 cevbecvfi 常常量量 bevcecvfibevciBBV VBZQcevciQB 類類：o90BZBBVVC 類類：o90 ,BZBBVV 。Q位位 于于 放放 大大 區(qū)區(qū)0180icebtooictVBZ諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處相同之處相同之處：它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)，而且放大器的負(fù)它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)，而且放大器的負(fù) 載均為諧振回路。載均為諧

10、振回路。不同之處不同之處：激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同；激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同； 晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。諧振功率放大器諧振功率放大器波形圖波形圖小信號(hào)諧振放大器小信號(hào)諧振放大器波形圖波形圖icQebtooict2.2.1 高頻諧振功率放大器的基本工作原理（A A）晶體管：大功率）晶體管：大功率晶體管，能承受高電晶體管，能承受高電壓，大電流，一般工壓，大電流，一般工作時(shí)發(fā)射極反偏作時(shí)發(fā)射極反偏(C(C類類) )1.1.基本電路結(jié)構(gòu)基本電路結(jié)構(gòu)除電源和偏置電路外，除電源和偏置電路外，主要由三個(gè)部分組成：主要由三個(gè)部分組成： （B B）輸入激勵(lì)電路：提供所

11、需信號(hào)電壓；）輸入激勵(lì)電路：提供所需信號(hào)電壓；（C C）輸出諧振回路：）輸出諧振回路：1)1)濾波選頻，濾波選頻，2)2)阻抗匹配；阻抗匹配； 功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來控功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髦萍姌O的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率輸出去信號(hào)功率輸出去。 有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。電極耗散功率。P PDCDC= =直流電源供給的直流功率；直流電源供給的直流功率；P Po o= =交流輸出信號(hào)功率；交流輸出

12、信號(hào)功率；P Pc c= =集電極耗散功率；集電極耗散功率；根據(jù)能量守衡定理：根據(jù)能量守衡定理：故集電極效率：故集電極效率：cooDCocPPPPP由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：2) 2) 設(shè)法盡量降低集電極耗散功率設(shè)法盡量降低集電極耗散功率P Pc c，則集電極效率，則集電極效率 c c自然自然 會(huì)提高。這樣，在給定會(huì)提高。這樣，在給定P PDCDC時(shí)，晶體管的交流輸出功率時(shí)，晶體管的交流輸出功率P Po o 就會(huì)增大；就會(huì)增大；1 1） 由式由式1coccPP可知可知 如果維持晶體管的集電極耗散功率如果維持晶體管的集電極耗散功率P Pc c不超過規(guī)定值，那不超過規(guī)

13、定值，那么提高集電極效率么提高集電極效率 c c，將使交流輸出功率，將使交流輸出功率P Po o大為增加。諧振大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。如何減小集電極耗散功率如何減小集電極耗散功率P Pc c 可見使可見使ic c在在vcece最低的時(shí)候才能通過，那么，集電極耗散最低的時(shí)候才能通過，那么，集電極耗散功率自然會(huì)大為減小。功率自然會(huì)大為減小。晶體管集電極平均耗散功率：晶體管集電極平均耗散功率：01Tccev dtTi 諧振功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)時(shí)諧振功率放大器工作在丙類工作狀態(tài)時(shí) c c9090 ，集

14、，集電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級(jí)數(shù)：電極余弦電流脈沖可分解為傅里葉級(jí)數(shù)：ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+cosBEbBBBBbmvvVVVt maxbebebBBbcvvvVvi到到最最大大； 也也到到最最大大coscoscoscCCPcmcecccmvIRtVtvVVt Vcm 回路兩端的基頻電壓回路兩端的基頻電壓Ic1 基頻電流基頻電流Rp 回路的諧振阻抗回路的諧振阻抗輸出交流功率：輸出交流功率：22011111222cmccmcPPVPI VI RR電源輸入的直流功率電源輸入的直流功率(平均功率平均功率) 001TdcccccccPiV dt

15、I VT放大器的集電極效率：放大器的集電極效率：1101001112/22ccmccmcdcccccccIVIVPPgkI VIV波形系數(shù)波形系數(shù) 011ccIIg 電壓利用系數(shù)電壓利用系數(shù) cmCCVkV 11eAneArjn Ljn CZrj n Ln C 2222111LPnALLn LQnRn LZj nLCj nQj nQ 21nPLZnRnQ 3210,2,0.0667;3,0.0375LPPQZZnnRR 若若可可算算得得說明，對(duì)于高次諧波諧振回路近似為短路，直接把諧波能量接地說明，對(duì)于高次諧波諧振回路近似為短路，直接把諧波能量接地晶體管實(shí)際特性和理想折線晶體管實(shí)際特性和理想折線

16、理想化折線（虛線）icgcvb0VBZic過壓區(qū)臨界線欠壓區(qū)vbvc0(a)(b)gcr2.2.2 2.2.2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法高頻諧振功率放大器折線近似分析法o0.5ff f0.2f0.2fT Tf fT T f5 . 0f Tf2 . 0ff5 . 0 TTfff2 . 0 由于高頻功放工作在大信號(hào)的非線性狀態(tài)，顯然晶體管的小信號(hào)由于高頻功放工作在大信號(hào)的非線性狀態(tài)，顯然晶體管的小信號(hào)等效電路的分析方法已不適用，所以分析方法一般利用晶體管的等效電路的分析方法已不適用，所以分析方法一般利用晶體管的靜態(tài)特性曲線靜態(tài)特性曲線，但由于晶體管的靜態(tài)特性曲線與頻率有關(guān)，如右，但由于晶體

17、管的靜態(tài)特性曲線與頻率有關(guān)，如右圖圖, ,示出了示出了與與 f f 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。低頻區(qū)：低頻區(qū)：中頻區(qū)：中頻區(qū)：高頻區(qū)：高頻區(qū)： 直接進(jìn)行高頻區(qū)或、中頻區(qū)的分析和計(jì)算是相當(dāng)困難的。本直接進(jìn)行高頻區(qū)或、中頻區(qū)的分析和計(jì)算是相當(dāng)困難的。本節(jié)將從低頻區(qū)的靜態(tài)特性來分析晶體管高頻功放的工作原理。節(jié)將從低頻區(qū)的靜態(tài)特性來分析晶體管高頻功放的工作原理。中頻區(qū)的分析要考慮中頻區(qū)的分析要考慮BJTBJT的結(jié)電容的結(jié)電容高頻區(qū)的分析要考慮高頻區(qū)的分析要考慮BJTBJT的結(jié)電容的結(jié)電容還要進(jìn)一步考慮電極引線電感還要進(jìn)一步考慮電極引線電感2.2.2 2.2.2 高頻諧振功率放大器折線近似分析法高頻諧振功

18、率放大器折線近似分析法折線分析法的主要步驟：折線分析法的主要步驟：1 1、測(cè)出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線、測(cè)出晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線ic vb及輸出特性曲線及輸出特性曲線ic vc， 并將這兩組曲線作理想折線化處理并將這兩組曲線作理想折線化處理2 2、作出動(dòng)態(tài)特性曲線、作出動(dòng)態(tài)特性曲線3 3、是根據(jù)激勵(lì)電壓、是根據(jù)激勵(lì)電壓vb的大小在已知理想特性曲線上畫出對(duì)的大小在已知理想特性曲線上畫出對(duì) 應(yīng)電流脈沖應(yīng)電流脈沖ic和輸出電壓和輸出電壓vc的波形的波形4 4、求出、求出ic的各次諧波分量的各次諧波分量Ic0、Ic1、Ic2由給定的負(fù)載諧由給定的負(fù)載諧 振阻抗的大小，即可求得放大器的輸出電壓、輸出功率、振

19、阻抗的大小，即可求得放大器的輸出電壓、輸出功率、 直流供給功率、效率等指標(biāo)直流供給功率、效率等指標(biāo)晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線 根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VBZ的一條直線來表示的一條直線來表示( (VBZ為截止偏壓為截止偏壓) )。晶體管實(shí)際特性和理想折線晶體管實(shí)際特性和理想折線理想化折線（虛線）icgcvb0VBZic過壓區(qū)臨界線欠壓區(qū)vbvc0(a)(b)gcrceccBEvigv常數(shù)2.工作原理分析VBEic-VBB-VBZVbCCicCC(1) 集集電電極極電電流流ciiC設(shè)設(shè)輸輸

20、入入信信號(hào)號(hào)電電壓壓:co sbb mvVt Vbm則則 加加 到到 晶晶 體體 管管 基基 極極 ,發(fā)發(fā) 射射 級(jí)級(jí) 的的有有 效效 電電 壓壓 為為 :cosBEbBBBBbmvvVVVt 由由晶晶體體管管的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移特特性性曲曲線線可可以以看看出出：當(dāng)當(dāng)BZBEVV ，0ic 式式中中cg為為：gC折折線線的的斜斜率率+VBE _iC+VBE _cosccBBbmBZigVVtV由由于于當(dāng)當(dāng)ct 時(shí)時(shí)，0ic cosBZBBcbmVVV1cosBZBBcbmVVVcos()coscoscoscosccbmBZBBcbmbmccbmcigVtVVgVtVg Vt又又當(dāng)當(dāng)0t 時(shí)時(shí)， cbm

21、cmaxccos1Vgi VBEic-VBB-VBZVbCCicCCVbmgCicmaxcmaxcbmccos1iVg 代代入入ci有有：ccmaxcccos1costcosii 尖尖頂頂余余弦弦脈脈沖沖的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表達(dá)達(dá)式式ccmaxcccos1costcosii 若若對(duì)對(duì)ci分分解解為為付付里里葉葉級(jí)級(jí)數(shù)數(shù)為為：ntItItIIicmncmcmcccos2coscos210 cccccccccciitditdiIcc0maxmax0)cos1cossin()(21)(21iCiC1iC2ICO其中各系數(shù)分別為：其中各系數(shù)分別為：式式中中： (1) c 0， c 1， cn 稱稱為為尖尖頂

22、頂余余弦弦脈脈沖沖的的分分解解系系數(shù)數(shù)。一一般般可可以以根根據(jù)據(jù)c 的的數(shù)數(shù)值值查查表表求求出出各各分分解解系系數(shù)數(shù)的的值值。 (2)0cI，1cmI，2cmI，cmnI為為直直流流及及基基波波和和各各次次諧諧波波的的振振幅幅。 1maxmax11cos()sincos1()1coscccmccccccccIitdtii cnccccccccccmninnnnittdniIccmax2max)cos11sincoscossin2)(cos1iC頻譜頻譜(2)集電極輸出電壓iCICOiC1iC2 2 3LC回回路阻路阻抗抗 Rp故故回回路路輸輸出出的的基基波波電電壓壓：tVtRIRiVmcpcmpcccoscos1111而而晶晶體體管管集集電電極極的的輸輸出出電電壓壓：tcosVVVm1cccce iC+VBE _0經(jīng)經(jīng)LC并聯(lián)諧振回路后，此回路對(duì)基波產(chǎn)生諧振，呈純電阻并聯(lián)諧振回路后，此回路對(duì)基波產(chǎn)生諧振，呈純