uestc射频模拟电路与系统27谐振功率放大器原理分析

1、1第二章第二章 射频电子系统中的射频电子系统中的放大器设计放大器设计2.1 高频小信号调谐放大器 （2.1.12.1.7）2.2 高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器 （2.2.12.2.6）22.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l1 1、射频功率放大器的用途、射频功率放大器的用途l2 2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类l3 3、射频功率放大器的主要技术指标、射频功率放大器的主要技术指标l4 4、射频功率晶体管的选择与保护、射频功率晶体管的选择与保护l5 5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法l6 6、有效的能量传输与阻抗匹配。、有效的能量传输与阻抗匹配。32.2高频谐振

2、功率放大器高频谐振功率放大器l1、射频功率放大器的用途、射频功率放大器的用途需对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、需对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸、重量等进行综合考虑。尺寸、重量等进行综合考虑。发射机框图发射机框图42.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l1 1、功率放大器的用途、功率放大器的用途l2 2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类52.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类按工作频带分为：窄带射频功放、宽带射频功放按工作频带分为：窄带射频功放、宽带射频功放窄带高频功率放大器通常以窄带高频功率放大器通常以LC

3、并联谐振回路作负载，并联谐振回路作负载，因此又称为谐振功率放大器。因此又称为谐振功率放大器。按电流导通角不同分为：甲类、甲乙类、乙类、丙类。按电流导通角不同分为：甲类、甲乙类、乙类、丙类。射频功放大多工作于丙类，采用谐振回路做负载。射频功放大多工作于丙类，采用谐振回路做负载。按工作状态分为：线性放大和非线性放大按工作状态分为：线性放大和非线性放大射频功放通常工作于非线性放大状态，具有较高的效率。射频功放通常工作于非线性放大状态，具有较高的效率。62.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l1 1、射频功率放大器的用途、射频功率放大器的用途l2 2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类l3

4、 3、射频功率放大器的主要技术指标、射频功率放大器的主要技术指标72.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l3、射频功率放大器的主要技术指标、射频功率放大器的主要技术指标VCEOICMPCM高效率、大输出功率。高效率、大输出功率。谐波、杂散波。8功率与效率功率与效率dccdccdcdccPPPPPPP10集电极效率集电极效率:CccPP)1(0输出的交流功率：输出的交流功率：0dccPPP能量守恒：能量守恒： 电源提供的功率：电源提供的功率：Pdc集电极耗散功率：集电极耗散功率：Pc输出的交流功率：输出的交流功率：P P0 09效率效率甲、乙、丙三种状态时的晶体管集电极电流波形甲、乙、丙三种

5、状态时的晶体管集电极电流波形甲类乙类丙类dccdccdcdccPPPPPPP10集电极效率集电极效率:10输出功率输出功率固态器件与电真空器件功率量级比较图112.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l1 1、射频功率放大器的用途、射频功率放大器的用途l2 2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类l3 3、射频功率放大器的主要技术指标、射频功率放大器的主要技术指标l4 4、射频功率晶体管的选择与保护、射频功率晶体管的选择与保护122.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l4、射频功率晶体管的选择与保护、射频功率晶体管的选择与保护VCEOICMPCM功放管的保护功放管的保护1、一般不能

6、空载上电。、一般不能空载上电。2、加散热片。、加散热片。13功放管的保护功放管的保护l散热14功放管的保护功放管的保护l接负载l一般来说，功率放大器应该在接妥负载以后，才能接通电源开启机器，否则容易造成损坏，特别是在有输入信号时，接通电源而又不接负载，危险性更大。对于电子管功率放大器、A类功率放大器更是严格禁止在负载开路情况下通电开机，因为在这种状态下，功率输出器件将承受最大的功率耗散，有可能超过其安全工作区而造成损坏。而且负载开路状态下，常会导致放大器的工作不稳定，甚至自激，也有可能会造成功率输出器材的损坏。152.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l1 1、射频功率放大器的用途、射频功

7、率放大器的用途l2 2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类l3 3、射频功率放大器的主要技术指标、射频功率放大器的主要技术指标l4 4、射频功率晶体管的选择与保护、射频功率晶体管的选择与保护l5 5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法16谐振功放与低频功放的区别谐振功放与低频功放的区别工作频率 相对带宽 工作状态负载效率低频功放 低（20Hz-30KHz） 宽甲类、推挽乙类无调谐负载阻性低高频功放高（一个工作频率 ） 窄 百分之零点几到百分之几丙类选频网络高maxmin/1000ff0f0/ ffl5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法17高频功放工作于大信号的非线性状态，用解

8、析法高频功放工作于大信号的非线性状态，用解析法分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法。分析较困难，故工程上普遍采用近似的分析方法。用图解法图解法或折线近似分析法折线近似分析法来分析功率放大器。l5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法18图解法：图解法：利用电子器件的特性曲线对它的工作状态进行计算。利用电子器件的特性曲线对它的工作状态进行计算。l5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法19折线近似分析法：折线近似分析法：用折线来表示电子器件的特性曲线。用折线来表示电子器件的特性曲线。大信号工作条件下高频功放折线近似为理想化特性曲线的原理：大信号工作条件下高频功放折线近似为理想化特性曲线

9、的原理：l5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法20BZbecBZbeBZbeccVviVvVvgi0)(例：例：3DA21型晶体管的静态特性曲线型晶体管的静态特性曲线VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。理想化晶体管的导通电压或称截止电压。gc 正向传输特性的斜率正向传输特性的斜率VBZ在饱和区，集电极电流只受集电极电压在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。的控制，而与基极电压无关。该斜线称为饱和临界线该斜线称为饱和临界线cecrCugi 在放大区，根据理想化原理，集电极电在放大区，根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性流与集电极电压无关。那

10、么，各条特性曲线均为平行于曲线均为平行于 Uce轴的水平线。轴的水平线。21分析条件分析条件 建立在 的基础上，此时可认为 。晶体管的静态特性可作为高频谐振功率放大器理论分析的基础。分析小信号谐振放大时，一般满足 。此时，晶体管静态特性失效，要借助其他方法，如y参数法，来分析小信号谐振放大器。l5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法0ff5 . 0工作ff5 . 0工作222.2高频谐振功率放大器高频谐振功率放大器l1 1、射频功率放大器的用途、射频功率放大器的用途l2 2、射频功率放大器的分类、射频功率放大器的分类l3 3、射频功率放大器的主要技术指标、射频功率放大器的主要技术指标l4

11、4、射频功率晶体管的选择与保护、射频功率晶体管的选择与保护l5 5、射频功放的分析方法、射频功放的分析方法l6 6、有效的能量传输与阻抗匹配。、有效的能量传输与阻抗匹配。236、有效的能量传输与阻抗匹配。l射频功率放大器中，阻射频功率放大器中，阻抗匹配网络是为了实现抗匹配网络是为了实现有效的能量传输。有效的能量传输。%100OLkPP匹配网络也会引起损耗：传输效率为：KCOLdcOdcLPPPPPP实际放大器的效率为：242.2.1高频谐振功放的基本工作原理高频谐振功放的基本工作原理基本原理图基本原理图25工程实践1LQLre(n=2,3,)ern L22(1)nAn LZj nLC工作频率近

12、似等于谐振回路的谐振频率 ALC1222(1)(1)(1)LPnLLn Ln LQnRZj nj nQj nQ2(1)nPLZnRnQ1()1()eAneArjn Ljn CZrj n Ln C262.2.1高频谐振功放的基本工作原理高频谐振功放的基本工作原理eLrLQ0ePrCLR回路谐振电阻因为因为VBB为略正、零或负电压，就需较大幅度的为略正、零或负电压，就需较大幅度的Vb才可才可将管子打通。所以丙类功放是在大信号输入时工作的。将管子打通。所以丙类功放是在大信号输入时工作的。272.2.1高频谐振功放的基本工作原理高频谐振功放的基本工作原理丙类的工作效率可提高到丙类的工作效率可提高到75

13、%！ VBB可正可负！可正可负！dccdccdcdccPPPPPPP10集电极效率集电极效率:ic282.2.1高频谐振功放的基本工作原理高频谐振功放的基本工作原理ic设单音激励信号设单音激励信号 tVvbbcos输入回路方程输入回路方程 tVVvVvbBBbBBbecos输出回路方程输出回路方程 cCCcevVv012coscos2cccciIItIt谐振回路对 呈现阻抗 ，对 ， ，可近似认为短路(阻抗近似为零)。 PR23脉冲电流 的周期与输入信号的周期是相同的，可分解成无数多个正弦波之和：ci292.2.1高频谐振功放的基本工作原理高频谐振功放的基本工作原理012coscos2cccc

14、iIItIttVtRIvccmpCcoscos1输入回路方程输入回路方程 tVVvVvbBBbBBbecos输出回路方程输出回路方程 cCCcevVvicpCcmRIV1tVVvVvbBBbBBbecostVVvcmcccecos012coscos2cccciIItIt30tVVvVvbBBbBBbecostVVvcmcccecos2.2.1高频谐振功放的基本工作原理高频谐振功放的基本工作原理ic电源输入的直流功率(平均功率) 放大器输出的交流功率：波形系数 g1312.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法高频谐振功放折线近似分析方法BZbecBZbeBZbeccVviVvVvgi0)(例：例

15、：3DA21型晶体管的静态特性曲线型晶体管的静态特性曲线VBZ理想化晶体管的导通电压或称截止电压。理想化晶体管的导通电压或称截止电压。gc 正向传输特性的斜率正向传输特性的斜率VBZ在饱和区，集电极电流只受集电极电压在饱和区，集电极电流只受集电极电压的控制，而与基极电压无关。的控制，而与基极电压无关。该斜线称为饱和临界线该斜线称为饱和临界线cecrCugi 在放大区，根据理想化原理，集电极电在放大区，根据理想化原理，集电极电流与集电极电压无关。那么，各条特性流与集电极电压无关。那么，各条特性曲线均为平行于曲线均为平行于 Uce轴的水平线。轴的水平线。322.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法

16、高频谐振功放折线近似分析方法332.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法高频谐振功放折线近似分析方法342.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法高频谐振功放折线近似分析方法352.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法高频谐振功放折线近似分析方法01 sincos()1cosCCCCC 11sincos()1cosCCCCC 0maxmaxmax011221coscos21cos1 sincos()1cos()cccccccCcCCCCcCcCIi d ti d ttid tii 1maxmaxmax11cos21coscoscos21cos1sincos()1cos()ccccCcCCCCcC

17、cCIitd ttitd tii 362.2.2 高频谐振功放折线近似分析方法高频谐振功放折线近似分析方法尖顶余弦电流分解系数图倍频器：倍频器：2倍频器，倍频器，3倍频器。倍频器。372.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性l研究基极接上输入信号，集电极接上负载阻抗时，晶体管集电极电流ic与集电极电压Uce之间的关系。l功放工作点变化的轨迹称为动态交流负载线。功放工作点变化的轨迹称为动态交流负载线。l当某些参数变化时，负载线的斜率、位置与斜率当某些参数变化时，负载线的斜率、位置与斜率大小都会发生变化，这种特性称为动态特性。大小都会发生变化，这种特性称为动态特性。一、负载特性一、

18、负载特性382.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性一、负载特性一、负载特性39建立由建立由Rp和和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（所表示的输出动态负载曲线。（Ic与与Uce的关系曲线。）的关系曲线。）BZBEcCVVgi0CEcCVVVgcmbmvi0CEdVgvccmCC0cosVVV; cmbmcdVVggp1ccmRIVvceicVoAVCCQVcm1cvcemingdtVVcoscmCCCEvtVVcosbmBBBEvcmCECCbmBBBEVvVVVvV02.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性1、动态负载线、动态负载线40建立由建

19、立由Rp和和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（所表示的输出动态负载曲线。（Ic与与Uce的关系曲线。）的关系曲线。）ccmCC0cosVVV; cmbmcdVVggvceicVoAVCCQVcm1cvcemingdV02.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性1、动态负载线、动态负载线|tgtgmax00maxmax11110()cos(1cos)()111()(1cos)()cccccccccmcmccmccccmccPicABitgBVBVVViiVVVIVRR B41建立由建立由Rp和和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（所表示的输出动态负载曲线。（Ic与与Uce的关系曲线。）的关系曲线。）vceicVoAVCCQVcm1cvcemingdV02.2.3 高频谐振功放的动态特性高频谐振功放的动态特性1、动态负载线、动态负载线B1( )( )(1 cos)iccc 0()PicRR PRtg1180cc()1ic 甲类与低频放大器负载线的斜率公式一致偏离1800，即非甲类工作时，负载线的斜率变化。42建立由建立由Rp和和VCC 、VBB、Vb所表示的输出动态负载曲线。（所表示的输