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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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。
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 + L
Icmax
θc θc
ic
ic1
ic2
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
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
ic3
Ico ωt
其中各系数分别为：
Ico 1 = 2π
π
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 ) 2π
1 1 解： ηC = g1 (θ )ξ = ×1.75 × 0.9 = 79% 2 2
α 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
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 − θ
ce
C
ic
•
gC
ic
UBZ
•
vBE − θ C θ C vb
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 )
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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
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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
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 )]
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
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、
2
故 iCmax
2P o = = 1.05 A α1 (θ )ξVCC
Ucm ξVCC Rp = = = 46.5 Ω 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。
= 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 − cosθc
ic = Icmax
由于当ω t = θ c 时， i c = 0
vS _ + vb _ -VBB+
+
C vc + L
-VBB
C
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
• UBZ
vb
vBE
v c1
i =c i c 1 R p
vCE
θC
= I cm 1 R p ⋅ cos ω t
CC
Icmax t