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谐振功率放大器的工作原理
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:P O2.效率:η3.功率增益:Ap4.2 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。
V:基极直流电压 BB作用:保证三极管工作在丙类状态。
V的值应小于放大管的导通电压U;通常取V?0。
BBonBBV:集电极直流电压 CC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 ???? uuiiuiBEBCCu为余弦电压，可表示为u=UCOSωt iiimc则:u= V+u= V+ UCOSωt BEBBiBBimc根据三极管的转移特性可得到集电极电流i，为余弦脉冲波，如图4-2所示: C图4-2 i波形 C根据傅立叶级数的理论，i可分解为: Cic=Ico+i+i+i+………+i+……… C1C2C3Cn式中:Ico为直流电流分量i为基波分量;i=ICOSωt C1C1cm1c为二次谐波分量;i=ICOS2ωt C2C2cm2ci 为n次谐波分量;i=ICOSnωt CnCncmnci其中，它们的大小分别为:Ico=i?α(θ) Cmax0I=i?α(θ) cm1Cmax1I=i?α(θ) cmnCmaxni是ic波形的脉冲幅度。
谐振功率放大
θ2 p2
jω
s1
φ1 z1
θ1
p1 0
σ
θ3
例4-2 已知控p制3 系统的开环传递函数为 其开环零、极点分布如图所示，试求取闭环系统的根轨迹。
第二章 谐振功率放大器
解：在s平面上任取一点s1，并画出所有开环零、极点到点s1的
向量，若在该点处相角条件
m
n
i j 1 1 2 3 (2k 1)π
实际绘制根轨迹是应用以根轨迹方程为基础建立起来的相应
第二章 谐振功率放大器
➢常规根轨迹绘制法则 ➢零度根轨迹绘制法则
➢参数根轨迹
4.2 绘制根轨迹的基本法则
第二章 谐振功率放大器
4.2.1 常规根轨迹绘制法则
以根增益Kr为可变参数的负反馈闭环系统的根轨迹称为常规 根轨迹。除此之外，还有参数根轨迹、零度根轨迹等，相 对常规根轨迹而言，常称之为广义根轨迹。 1. 起点、终点和分支数法则
第二章 谐振功率放大器
② 闭环极点与开环零点、开环极点以及根增益Kr 均有关。闭环 极点会随Kr 的变化而变化，所以研究闭环极点随Kr 的变化规律 是有必要的。
根轨迹法的任务在于，由已知的开环零、极点的分布及根增益，
通过图解法找出闭环极点。一满旦足闭下环式极的点点确，定都后是，根再轨补迹上上闭的环
第二章 谐振功率放大器
4.1.3 根轨迹方程与条件
1. 开、闭环的零、极点关系
闭环控制系统如图，假设G(s)和H(s)可用零极点形式表示为
R(s)
f
KG (s zi )
-
G(s)
i 1 g
(s pi )
i 1
C(s) G(s)
H(s)
l
KH (s z j )
第4章高频谐振功率放大器
Pc′= PE′Po=Po/ηC′－Po=4/0.8－4=5－4=1W △ Pc =Pc － Pc′= 3.67－1=2.67W △Ic0 = Ic0 －Ic0′= 6.67/20 －5/20 = 0.083（A）=83mA
4.2.3 工作状态分析
一、动态特性分析：
其中0(θ)、1(θ) 、…、n (θ)为谐波分解系数；另 定义1=Ic1m/Ic0= 1(θ) / 0(θ)为波形系数，随减小 而增大。
0 , 1 , 2 , 3
1 /0 = 1
0.5
1
0.4
0
2.0
0.3
0.2
1.0
0.1
3
2
0
-0.05 10 30 50 70 90 110 130 150 170
目的：能够使电信号能够有效地进行远距离传输 特点：高频、大信号、非线性工作 要求：输出功率大、转换效率高
分析方法：折线法近似分析
联想对比：
高频功率放大器和低频功率放大器的共同 特点都是输出功率大和效率高。
功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源 供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力 即为功率放大器的效率。
临界饱和线斜
如图，对应于临界状态的 动特性曲线CAD，则有
率记为：SC
ic C UBE=UBB+Uim
iC max ScuCE min Sc (UCC Uc1m )
根据转移特性，又有
A UCC D
uCE
0
B
UBE=UBB
iC max gm (uBE max U D ) gm (U BB U im U D )
谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处
谐振功率放大器
ic 0 uce Ec U c cos , 位于图中B点，晶体管刚刚导通。 （3）当 t 0时 U
P0 I c 0 Ec
1 1 2 1 U c2 P I c1U c I c1 RL 1 2 2 2 RL
Pc P P 0 1
P1 1 I c1 U c 1 P0 2 I c 0 Ec 2
称为集电极电压利用系数； 称为波形系数。
4）集电极效率
其中， U c Ec
2 工作原理分析
i (1) 集电极电流 c 设输入信号电压:
ub U bm cost
+ ub + u be + uCE C _
ic
Rp
+ L u c1 -
ube ub Eb Eb U bm cost
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 有效电压为:
-Eb
EC
c Uce
•
Q
Ucm1
c
uce Ec uc Ec Uc cos t Ec Ic1 RL cos t 外部特性决定,KVL ic gm (Ub cos t Eb Eb ) gmUb (cos t cos ) 内部特性决定 （） 当t 1 时：
高频电子线路
内容二、 谐振功率放大器
第3章
高频谐振放大器
第二节 谐振功率放大器
回顾：
高频小信号放大器
高频小信号放大器
谐振功率放大器的工作原理
谐振功率放大器的工作原理
1.谐振电路：谐振功率放大器通常由一个谐振电路和一个放大器组成。
谐振电路是一个能够在谐振频率上有较高阻抗、在其他频率上有较低阻抗
的电路。
它可以由电感器和电容器等元件组成。
谐振电路的谐振频率通常
与输入信号的频率相匹配。
2.输入信号：输入信号首先进入谐振电路，如果输入信号的频率与谐
振电路的谐振频率不匹配，谐振电路会对输入信号的通过产生阻抗。
仅当
输入信号的频率与谐振电路的谐振频率一致时，谐振电路的阻抗才会较低，从而使信号得以通过。
3.放大器：通过谐振电路的筛选，只有与谐振电路的谐振频率相匹配
的信号得以通过，进入放大器。
放大器会对输入信号进行放大处理。
放大
器可以采用不同的工作原理，例如晶体管、场效应管等。
它能够将输入信
号的幅度进行放大，使得输出信号的功率大于输入信号的功率。
4.输出信号：经过放大器放大后的信号被输出。
由于输入信号已经通
过谐振电路的筛选，使得仅有与谐振频率匹配的信号得以通过放大器，所
以输出信号的频率与输入信号的频率是相同的。
不同的是输出信号的幅度
更大，即实现了信号的放大。
总的来说，谐振功率放大器的工作原理就是通过谐振来选择输入信号
中与谐振频率匹配的信号，然后经过放大器进行放大处理，最终输出信号。
这种放大方式适用于对特定频率的信号进行放大，具有较高的放大效率和
较低的失真。
在一些需要对特定频率信号进行放大的应用中，如无线通信、射频放大等，谐振功率放大器得到了广泛的应用。
谐振功率放大器详解
Re
= ω02 Lr 2
RL
=
Lr Ct RL
式中， Ct
=
CrCL Cr + CL
—— 回路总电容
Qe = ω0 Lr / RL —— 回路有载品质因数
(2) 对非基波分量 谐振回路对 iC 中的其它分量呈现的阻抗均很小，平 均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。
结论：回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而 在负载上可得到所需的不失真信号功率。
2. 集电极电流 ic
若忽略基区宽度调制效应及管 子结电容的影响，则在输入信号电 压 vb (t ) = Vbmcosωst 的作用下， 根据 vBE = VBB + vb (t ) = VBB + Vbmcosωst ， 在静态转移特性曲线 (ic～vBE)上画 出的集电极电流波形是一串周期重 复的脉冲序列，脉冲宽度小于半
个周期。用付里叶级数可将电流 脉冲序列分解为平均分量、基波 分量和各次谐波分量之和，即
iC = IC0 + ic1 + ic2 + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
= IC0 + Ic1mcosωst + Ic2mcos2ωst + ⋅ ⋅ ⋅
3. 输出电压 vo (1) 对基波分量 由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而 它对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称 为谐振电阻，在高 Q 回路中，其值 Re 近似为
在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电
路和滤波匹配网络两部分组成。
2.1.1 丙类谐振功率放大器
1. 电路组成 ZL —— 外接负载，呈阻抗性，用 CL 与 RL 串联等 效电路表示。 Lr 和 Cr ——匹配网络， 与 ZL 组成并联谐振回路。调 节 Cr 使回路谐振在输入信号 频率。
谐振功率放大器
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导通角的选择
0.6 0.5
α1 α0 α1 α0 α3 α2
θ越小，效率越 高。但是当θ太小时 （﹤40°），效率的 提升将会非常缓慢， 而输出功率却急剧下 降。因此，综合效率 与输出功率两方面的 因素， θ既不能太 大，也不能太小。一 般选择在70 °左 右。
17
αn, α1/α0
变 压 器
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设上限频率 fH 对应的 波长为 λmin ,取
⎛ 1 ~ 1 ⎞λ l =⎜ ⎟ 8 10 ⎠ min ⎝
可以认为：
v1 = v2 = v， i1 = i2 = i
传输线变压器
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2)传输线变压器的基本特点是： 工作频带宽，频率覆盖系数（上限频率对下限 频率的比值）可达10000。 通带的低频范围得到扩展，这是依靠高磁导率的 磁芯获得很大的初级电感的结果。 通带的上限频率不受磁芯上限频率的限制，因 为对于高频它是以传输线的原理传输能量。
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由图可知，通过传输线变压器Ｔ1的电流为It，因此 Ａ端 所以 可得 It＝Ia－Id Ia-Id＝Id－Ib Id ＝(Ia+Ib)/2 及 即： It＝(Ia－Ib)/2 Ic=2It= Ia－Ib Ic＝Ia—Ib
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B端
It＝Iｄ－Ib
相应写出Ｃ端电流Ic，由图可知
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α1 α0 α1 α0 α3 α2
αn, α1/α0
0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 40 60 80
100 120 140 160 180 θ/(°)
图3.1.4 余弦电流脉冲分解系数
第2章 谐振功率放大器
2、 基极的调制特性 、
●
定义： 定义：若
不变， 不变，放大器随
的变化特性。 的变化特性。
画出调制特性曲线
●
结论： 结论：
改变 VBB欲想有效控制 Vbm实现 基极调制， 基极调制，则放大器应工作在欠压 状态； 状态； 基极调制特性是实现基极调幅 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 的原理依据。（因基极调幅非线性 失真大；需激励信号功率大； 失真大；需激励信号功率大；所以 一般不采用） 一般不采用）
Rs = Rp (1+Qe2 ) Xp Xs = < Xp 1 (1+ 2 ) Qe Xs Rs < Rp
Rp = Rs (1+Qe2 ) > Rs 1 X p = X s (1+ 2 ) > X s Qe Rp Qe = Xp
Qe =
2．3．3 谐振功率放大器电路 ． ． • 采用不同的馈电电路和滤波匹配网络 ， 采用不同的馈电电路和滤波匹配网络， 可以构成谐振功放应用实例 • 图2-3-9 • 图2-3-10 • 图2-3-11
匹配网络： 匹配网络：对输出匹配网络的要求
●
将外接R 转化成功率管集电极要求的匹配负载R 将外接 L 转化成功率管集电极要求的匹配负载 e 选出基波分量，滤除谐波分量 选出基波分量， 将功率管给出的信号功率高效率的传送到外接负载上
●
●
设计LC匹配网络的基本依据 设计 匹配网络的基本依据——串并支路阻抗变换公式 匹配网络的基本依据 串并支路阻抗变换公式
3、 集电极调幅与基极调幅 、
（） a) 集电极调幅电路：VCC t 集电极调幅电路： （ ）＝VCC +vΩ t ；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
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0(c)siπn(1cccoccso)cs 1(c)cπ(1cocscossci)nc n
1 0
1
n(c) 2sin n n c(c n 2 o 1 c) s 1 n ( c co n o c c )s ssic n
0 .5 0.4 2.0
非谐振放大器：它的负载为无调谐负载，可分为低频非谐振功 率放大器和宽带高频功率放大器。
高功放的工作原理
工作原理 图3-12是一个采用晶体管的高频功率放大路。外，它i是c 由晶体管、谐振回
－
＋
u ()
ib V ＋
uce
ub
ube － －
uc CL
高频电子线路
内容二、 谐振功率放大器
主要内容:
1 主要用途及与其他放大器的比较
丙类谐振功率放大器
2 谐振功率放大器的工作原理
丁类和戊类谐振功率放大器
倍频器
3 谐振功率放大器的性能特点
近似分析办法 欠压,临界和过压状态
四个电压量对性能影 响的定性讨论
负载特性 调制特性 放大特性
4 谐振功率放大器电路
集电极电源供给的直流输入功率P0为
(3 ─ 22)
P0 Ic0Ec
(3─ 23)
直流输入功率与集电极输出高频功率之差就是集电极
损耗功率Pc, 即 Pc P0 P1
(3─ 24)
P1 1Ic1Uc 1
P0 2Ic0 Ec 2
(3 ─ 25)
Pc变为耗散在晶体管集
电结中的热能。 定义集电极
直流馈电电路 滤波匹配电路
谐振功率放大器电路
5 高频功率放大器
高频功率管及其大信号输入和输出阻抗 高频功率放大器设计举例
高频谐振功放应用在什么地方？
发射机中的高频放大器
高频功放用于发射机末级（大信号非线性电路）
为什么要使用高频功放？
使用高频功率放大器的目的
放大高频大信号使发射机末级获得足够大的 发射功率。
ic m ax
o
t
2c
图 尖顶余弦脉冲
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
0(c)sin(1cccocsco)sc
1(c)c(1cocscossci)nc
n(c) 2sin n n c(c n 2 o 1 c) s 1 n ( c co n o c c )s ssic n
高频功率信号放大器使用中需要解决的两个
问题？ 高效率输出
高功率输出
高频谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处
相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。
不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。
ic Q
o
t
ic
eb
o
t
图 小信号谐振放大器波形图
ic ic max
Ic1
icmax
sin cos (1 cos )
icmaxa1()
0 t
Icn
icmax
2sinn cos 2nsin cosn n(n2 1)(1cos cos)
icmaxan()
(n 1)
IC 02 1 π cciC dtiC ma0 x(c) Icm n 1 π cciC co n ω s dtω iC manx (c)
效率η为
P1
Pc 1
(3 ─ 26)
1
设其基波电流振幅为I b1, 且与ub同相(忽略实际存在
的容性电流), 则激励功率为
Pd
1 2
Ib1Ub
(3 ─ 27)
高频功放的功率放大倍数为
用dB表示为
Kp
P1 Pd
Kp
10LgP1 Pd
(dB)
(3 ─ 28) (3 ─ 29)
下面分析基波分量Icm1、集电极效率η c和输出功率P1随通角 c变化的情况，从而选择合适的工作状态。
ic ic max
ic ic max
E b 0 E b ' ubemax u be 0 t
0
Ub
t
图2谐振功率放大器波形图
谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同：
首先，都是功放，都要求输出功率大和效率高。 都要把电源供给的直流能量转化为交流能量。效率越高，表 明转换的交流能量越多。 谐振功率放大器：它的负载必须是谐振回路，通常用来放大窄 带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工 作状态通常选为丙类工作状态(c＜90)。
＋
R
Eb
Ec
图 3 ─ 12 晶体管高频功率放大器的原理线路
1．电流、 电压波形
设输入信号为 ubUbcost
u be E b U b cos t
u ()
＋
ib V ＋
uce
ub
ube － －
ic －
uc CL
＋
ic ic max
R
ic ic max
E b 0 E b ' ube max u be 0
L
R
Eb
Ec
u0 uc Ic1Rl cost Uc cost uce Ec u0 Ec Uc cost
2． 高频功放的能量关系
在集电极电路中, 谐振回路得到的高频功率(高频
一周的平均功率)即输出功率P1为
P11 2Ic1Uc1 2Ic21RL1 2U RL c2
t
Eb
Ec
0
Ub
t
集电极电流这样的周期性脉冲可以分解成直流、 基波(信号频率分量)和各次谐波分量，即
i c I c o I c 1 co t I s cc nn o t s
Ico
icmax
sin cos (1 cos )
icmaxa0()
0
当c≈120时，Icm1/iCmax最大。在
iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情 况下，输出功率将达到最大值。
但此时放大器处于甲乙类状态，
效率太低。
0 .3 0.2 1.0
1 0 2
0 .1
3
140
0
由图可以看出，放大器的负载为并联谐振回路，回路输出的电
压为 u o u c Ic 1 R L c o t U sc c o ts
按图规定的电压方向，集电极电压为
u ce E c u c E c U ccots
ic _
u()
ub
i b u be
u
ce
C
uc