谐振功率放大器的工作原理

封面5.2谐振功率放大器的工作原理返回引言本页完引言

晶体管的工作情况与频率有极密切的关系，通常可以把它们的工作频率范围划分如下：

低频区f<0.5fβ

中频区0.5fβ<

f<0.2fT

高频区0.2fT<

f<fT

其中有fT≈β

fβ

晶体管在低频区工作时，可以不考虑它的等效电路中的电抗分量与载流子渡越时间等影响。中频区的分析计算要考虑晶体管各个结电容的作用。高频区则需进一步考虑电极引线电感的作用。因此，中频区和高频区的严格分析与计算是相当困难的。本书将从低频区来说明晶体管高频放大器的工作原理。返回fβ——截止频率fT——特征频率学习要点本节学习要点和要求5.2谐振功率放大器的工作原理1、高频功率放大器获得高效率的所需条件2、掌握高频功率放大器的功率关系返回5.2谐振功率放大器的工作原理一、获得高效率所需的条件由能量守恒：P==Po+Pc定义集电极效率：1、高效大功率输出的讨论高频功率放大器的基本电路继续本页完+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-vbP=—电源供给功率P0—交流输出信号功率Pc—晶体管集电极耗散功率ηc=——

PoP==——

PoPo+PcVCC将上式变形为Po=(——)Pcηc1-ηc

结论二：如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过额定值，那么提高集电极效率ηc

，将使交流输出功率Po大为增加。

结论一：设法尽量降低集电极的耗散功率Pc，则集电极效率ηc自然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功率Po就会增大。Pi—输入信号功率2、提高效率与功率的方法高频功率放大器的基本电路继续本页完+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-

集电极瞬时耗散功率PcPc=iCvCOωtiC、vCθc

一个周期内晶体管只在此流通角2θc内损耗功率，这是vC的最小值区间，显然晶体管的耗散功率是最小的，ηc较大。2θc5.2谐振功率放大器的工作原理一、获得高效率所需的条件T/2π

如果使晶体管的vC和iC的波形如图所示(注意，共射电路中vC与iC是反相的)。2、提高效率与功率的方法高频功率放大器的基本电路继续本页完+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-

集电极瞬时耗散功率PcOωtiC、vCθc2θcT/2πPc=iCvC

晶体管处于丙类工作状态时，iC只在vC最低时才能通过，所以在丙类工作状态下集电极的耗散功率Pc是最小的，效率ηc是最大的。5.2谐振功率放大器的工作原理一、获得高效率所需的条件2θc是在一周期内的集电极电流的流通角，θc为半流通角(亦称为截止角)，本教材称为通角。继续本页完OωtiC、vCθc2θcT/2π3、通角θc的计算OvBiCvb-VBB截止电压2θc

通角θc对应的值为Vbmcosθc=VBZ+VBB。VBZVbm转移特性曲线

输入信号为一交流正弦波vb。2θciCωtO只在这个区域里产生iC这是2倍通角θc。5.2谐振功率放大器的工作原理一、获得高效率所需的条件继续本页完OωtiC、vCθc2θcT/2π3、通角θc的计算OvBiCvb-VBB2θcVBZVbm转移特性曲线2θciCωtO因为vb=Vbmcosωtcosθc=————VBZ+VBBVbm所以Vbmcosθc=VBZ+VBB在通角处有ωt=θc

由图得，在ωt=θc处的vb值为VBZ+VBB。5.2谐振功率放大器的工作原理一、获得高效率所需的条件θc=arccos(————)VBZ+VBBVbm一、获得高效率所需的条件4、脉冲iC产生正弦波vC的物理过程

iC通过傅里叶级数展开得：高频功率放大器的基本电路+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-OωtiC、vCθc2θcT/2π

iC=IC0+Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+

+……+Icmncosnωt+……

上式中的IC0是iC的直流成分，也是iC其平均值。IC0

第二项Icm1cosωt是与输入信号频率相同的基波成分，正是我们需要的信号成分。放大电路中的LC回路就谐振在这个频率上，形成一个以ω为中心的带通滤波器，选出频率为ω的电压。对谐波成分进行了衰减。继续本页完

由此看出iC的平均值是很小的。

由此可解释为什么iC是脉冲电流而vC却是正弦波电压。5.2谐振功率放大器的工作原理Po=Ic1Vc1=——·——√￣2√￣2Icm1Vcm21=—Icm1Vcm5.2谐振功率放大器的工作原理二、各种功率关系1、直流电压VCC提供的直流功率P=高频功率放大器的基本电路+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-OωtiC、vCθc2θcT/2πiC的傅里叶级数展开式：

iC=IC0+Icm1cosωt+Icm2cos2ωt+

+……+Icmncosnωt+……

P==VCCIC0IC0

本内容主要讨论电路中三个功率P=、Po和Pc的表达式。继续本页完

电源VCC在一个工作周期内提供的直流电流为平均电流IC0。2、输出功率Po（亦即LC回路吸取的功率）

因为LC回路只对iC的基波成分Icm1cosωt才产生电压vc

，所以输出功率Po只需考虑此项。

谐振时LC回路的谐振电阻为RP，RP=Vcm/Icm1。Po=——=—I2cm1RP2RPV2cm211、直流电压VCC提供的直流功率P=高频功率放大器的基本电路+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-OωtiC、vC

P==VCCIC0继续本页完2、输出功率Po（亦即LC回路吸取的功率）VCCVcmPo=——=—I2cm1RP2RPV2cm213、晶体管的耗散功率PcPc=P=-Po4、放大器的集电极效率ηcηc=——=PoP=12

—·——·——VcmIcm1VCCIC021=—VcmIcm15.2谐振功率放大器的工作原理二、各种功率关系高频功率放大器的基本电路+vb--+输出+-vBiEiBiCCLvCpVCCVBB+-+-OωtiC、vC继续本页完VCCVcm4、放大器的集电极效率ηcηc=——=PoP=12

—·——·——VcmIcm1VCCIC0ξ=

—VcmVCC集电极电压利用系数g1(θc)=

——Icm1IC0——波形系数IC0θc2θcξ越大，即输出电压越大，效率越高。g1(θc)越大，即iC的平均值IC0越小，效率越高。要使IC0小，必须使θc小。5.2谐振功率放大器的工作原理二、各种功率关系

求集电极效率ηc和电路效率η

继续本页完1、获得高效率所需的条件2、各种功率关系三、小结集电极效率：1）降低集电极的耗散功率Pc，则集电极效率ηc提高。ηc=——PoP==——PoPo+Pc2）维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过额定值，那么增加交流输出功率Po，将使集电极效率ηc大为提高。1)直流电压VCC提供的直流功率：

P==VCCIC02)输