二拿谐報功车放大喜 第二章谐振功率放大器 第一节概述 高频信号在发射之前,要经过高增益放大,由不到IV的信号放大到7~8KV。这需要高频 功率放大器 高功放与低功放相比较,各有以下特点: 类型|工作频率中心频率带宽相对带宽输出功率效率负载工作状态|用途 低功放20~20KHz 10KHZ 20KHZ 大 高非谐振 乙类 接收机 高功放535~1605K10004Hz9KHz 1% 大 高谐振 丙类 发射机 说明:这里高功放以调幅广播功放为例。 由比较可以看出:低功放属于宽带放大器,高功放属于窄带放大。 高功放采用丙类工作状态的目的是:提高集电极效率。同时出现了波形失真,需要加谐振 负载 第二节谐振功放的工作原理 原理电路(模拟P163图8-5、高频P82图2-1) 图中:给晶体管的基极提供负偏压,保证放大器工作于丙类状态 对照电路,说明图中各元件的作用 、工作原理 当输入信号为正弦波电压时,集电极电流lc为余弦脉冲,经LC的选频作用。RL两端的电 压仍为正弦波电压 集电极效率: 谐振功率放大器也是一个能量转换器,在控制信号be的作用下将直流能量转换成交流能 量并送给下一级电路或负载。能量的转换率就是集电极效率,用ηε表示。 表达式 nc=Po/Pd= Po/(Po+Pc) (甲类:20%;丙类:75%) 式中:Po放大器输出的交流信号功率
第二章 谐振功率放大器 - 1 - 第二章 谐振功率放大器 第一节 概述 高频信号在发射之前，要经过高增益放大，由不到 1V 的信号放大到 7~8KV。这需要高频 功率放大器。 高功放与低功放相比较，各有以下特点： 类型 工作频率 中心频率 带宽 相对带宽 输出功率 效率 负载 工作状态 用途 低功放 20~20KHz 10KHz 20KHz 2 大 高 非谐振 乙类 接收机 高功放 535~1605K 1000KHz 9KHz 1% 大 高 谐振 丙类 发射机 说明：这里高功放以调幅广播功放为例。 由比较可以看出：低功放属于宽带放大器，高功放属于窄带放大器。 高功放采用丙类工作状态的目的是：提高集电极效率。同时出现了波形失真，需要加谐振 负载。 第二节 谐振功放的工作原理 一、原理电路 （模拟 P163 图 8-5、高频 P82 图 2-1） 图中：给晶体管的基极提供负偏压，保证放大器工作于丙类状态。 对照电路，说明图中各元件的作用。 二、工作原理 当输入信号为正弦波电压时，集电极电流 ic 为余弦脉冲，经 LC 的选频作用。RL 两端的电 压仍为正弦波电压。 集电极效率： 谐振功率放大器也是一个能量转换器，在控制信号 vbe 的作用下将直流能量转换成交流能 量并送给下一级电路或负载。能量的转换率就是集电极效率，用ηc 表示。 表达式 ηc=P0/ Pd = P0/(P0+Pc) （甲类：20% ；丙类：75%） 式中： P0 放大器输出的交流信号功率
二拿谐報功车放大喜 P4电源提供的直流功率 P晶体管集电极耗散的功率 输入信号一定,要加大放大器输出的交流信号功率Po,必须提高集电极效率ηε 集电极效率的提高 通过降低集电极耗散功率Ps,可以提高集电极效率。 怎样降低晶体管的耗散功率P以提高集电极效率ηε?(为什么丙类放大器的集电极效率较 高?) 耗散功率P为集电极电流与集电极电压乘积在一个周期内的平均值。这里,集电极电流为 余弦脉冲,且在一个周期内只出现一次,且都是在集电极电压最低时出现,则集电极耗的功率 最小。(如模拟P164图87、高频r86图2-3所示) 实质上是通过械小最体管的导角26c来提高效率的。为兼顾放大器的输出功率和效率 取70°左右。(0c为通角、20c为通导角) 增大,Po增大,nc减小。 、常见的高效率的谐振功率放大器 丙类谐振功放 nc:75~85% 丁类谐振功放 nc:90% 戊类谐振功放 nc:95% 说费 甲类放大器20c=360;乙类放大器20c=1800;丙类放大器20c<180。而丙、丁、戊类 功率放大器的导通角相同。 丙类功放 集电极电流脉冲在集电极电压最小时岀现,但集电极电压为正弦波电压,瞬时最小值的范 围较小。若想提高输出功率,必须加大脉冲电流的宽度,从而使集电极效率降低ε 2.丁类功放 用一个方波来代替集电极电压的余弦波,使脉冲电流确保在电压最小时出现,进一步提髙 了效率。 方波是由基波和三次谐波在具有一定条件下迭加而来的 电路:在丙类放大器的交流负载的串臂上串联一个并联谐振回路。 缺点:调整困难
第二章 谐振功率放大器 - 2 - Pd 电源提供的直流功率 Pc 晶体管集电极耗散的功率 输入信号一定，要加大放大器输出的交流信号功率 P0，必须提高集电极效率ηc。 集电极效率的提高： 通过降低集电极耗散功率 Pc，可以提高集电极效率。 怎样降低晶体管的耗散功率 Pc 以提高集电极效率ηc？（为什么丙类放大器的集电极效率较 高？） 耗散功率 Pc 为集电极电流与集电极电压乘积在一个周期内的平均值。这里，集电极电流为 余弦脉冲，且在一个周期内只出现一次，且都是在集电极电压最低时出现，则集电极耗的功率 最小。（如模拟 P164 图 8-7、高频 P86 图 2-3 所示） 实质上是通过减小晶体管的导通角 2θc来提高效率的。为兼顾放大器的输出功率和效率θ c 取 70º左右。（θc 为通角、2θc 为通导角） θc 增大，P0 增大，ηc 减小。 三、常见的高效率的谐振功率放大器 丙类谐振功放 ηc：75~85% 丁类谐振功放 ηc：90% 戊类谐振功放 ηc：95% 说明： 甲类放大器 2θc=3600 ；乙类放大器 2θc=1800 ； 丙类放大器 2θc<1800。而丙、丁、戊类 功率放大器的导通角相同。 1．丙类功放： 集电极电流脉冲在集电极电压最小时出现，但集电极电压为正弦波电压，瞬时最小值的范 围较小。若想提高输出功率，必须加大脉冲电流的宽度，从而使集电极效率降低。 2．丁类功放： 用一个方波来代替集电极电压的余弦波，使脉冲电流确保在电压最小时出现，进一步提高 了效率。 方波是由基波和三次谐波在具有一定条件下迭加而来的。 电路：在丙类放大器的交流负载的串臂上串联一个并联谐振回路。 缺点：调整困难
二拿谐報功车放大喜 3.戊类功放:未推广使用 第三节谐振功放电路的特性分析 、谐振功放的功率: 1.集电极电流的分解 集电极电流为余弦脉冲,经傅氏分解后得到一系列的正弦分量: Iclm= Icmax a1(0c),a为谐波分解系数 2.直流电源Ⅴc所提供的直流功率 3.放大器输出的交流功率: 回路对基波谐振,只有基波电流才能在回路上建立起电压,从而产生交流功率输出。 e 集电极耗散功率: Pc=Pa-Po 5.集电极效率 ne=Po/Pd=0.5Ucm /(Vcc. IcoF=0.55 gI(e c) 其中:5=Ucm/Vc集电极电压利用系数 g(0cIum/le0=al(0yao(0)基波波形系数 余弦脉冲谐波分解系数及基波波形系数曲线(如模拟P169图8、高频P92图26所示 由图中可以看出 结论:①P随θc的增大而增大 Po=0.5 IcIm2Re θc增大,a1(θc)增大,Ilm增大,Po增大 ②nc随θc的增大而减小 nc=0.55g(6c) c增大,ξ增大,g(θ)减小,ne减小
第二章 谐振功率放大器 - 3 - 3．戊类功放：未推广使用 第三节 谐振功放电路的特性分析 一、谐振功放的功率： 1．集电极电流的分解 集电极电流为余弦脉冲，经傅氏分解后得到一系列的正弦分量： ic=Ic0+ Ic1mcosωt+ Ic2mcos2ωt+…+ Icnmcosnωt Ic0= icmax ， Ic1m= icmaxα1(θc)，α为谐波分解系数。 2．直流电源 Vcc 所提供的直流功率 Pd=Vcc·Ic0 3．放大器输出的交流功率： 回路对基波谐振，只有基波电流才能在回路上建立起电压，从而产生交流功率输出。 P0=0.5Ucm Ic1m=Uc Ic1=0.5 Ic1m2Re 4．集电极耗散功率： Pc= Pd－P0 5．集电极效率： ηc= P0/ Pd=0.5Ucm / (Vcc·Ic0)= 0.5ξg1(θc) 其中：ξ= Ucm/ Vcc 集电极电压利用系数 g1(θc)= Ic1m / Ic0=α1(θc)/ α0(θc) 基波波形系数 余弦脉冲谐波分解系数及基波波形系数曲线（如模拟 P169 图 8-9、高频 P92 图 2-6 所示） 由图中可以看出： 结论：①P0 随θc的增大而增大 P0= 0.5 Ic1m2Re θc 增大，α1(θc)增大，Ic1m 增大，P0 增大。 ②ηc 随θc 的增大而减小 ηc=0.5ξg1(θc) θc 增大，ξ增大，g1(θc)减小，ηc 减小
二拿谐報功车放大喜 增大输出功率Po与提高集电极效率η在θε的选取上是矛盾的,兼顾二者,θ。=60°~80° 之间 θc大小的改变是通过调整ⅴBB与Vbm的大小来实现的 (其中VBB为基极偏压,Vhm为基极激励电压振幅。) 调整规律如下 VBB增大、Vbm减小,θc增大,Po增大,ηc增大。 VBB减小、Vbm增大,θc减小,Po减小,nc减小。 、谐振功放的工作状态分析 工作状态(三种):欠压、临界、过压。 三种状态的主要区别在于放大管导通期间所经历的工作区域不同 ①欠压:导通期间均处于放大区; ②临界:导通期间可进入临界饱和线 ③过压:导通期间可进入饱和区(不是“全进入”)。 放大鄒狩性(三种):负载特性,调制特性,放大特性。 丙类谐振功放,工作状态不同,其输出功率Po、工作效率ηc及集电极耗散功率Ps亦不相 同。放大器所处的工作状态又与集电极直流供电电压Ⅴε、基极偏置电压ⅤBB、输入激励电压振 幅Ⅴhm及负载电阻Rε等因素有关,即放大器有三种特性:负载特性,调制特性,放大特性。 为了对放大器工作状态进行分析,首先研究一下放大器的动态线,即交流负载线 谐振功放的动态线 定义:所谓动态线是指放大管在输入信号的激励下,集电极电流lc与Vce的移动轨迹。 (见模拟PI71图8-11、高频P89图24所示) 动态线如图中红线所示,是在I~Vc线的基础上描点得到的 说明:①集电极调谐负载的端电压ⅴ并非与集电极电流L成正比,而与l的基波成分 成正比。 Vc=Re·lcl= Vemcos ot ②改变Re的大小,可以改变Vcm的大小,从而改变放大器的工作状态 2.负载特性: ①定义:谐振功放的负载特性是指在基极偏压ⅤBB、输入激励电压振幅Ⅴom及集电极直流
第二章 谐振功率放大器 - 4 - 增大输出功率 P0 与提高集电极效率ηc 在θc 的选取上是矛盾的，兼顾二者，θc=60º~80º 之间。 θc 大小的改变是通过调整 VBB 与 Vbm 的大小来实现的。 （其中 VBB为基极偏压，Vbm 为基极激励电压振幅。） 调整规律如下： VBB增大、Vbm 减小，θc 增大，P0增大，ηc增大。 VBB减小、Vbm 增大，θc 减小，P0减小，ηc减小。 二、谐振功放的工作状态分析 工作状态（三种）：欠压、临界、过压。 三种状态的主要区别在于放大管导通期间所经历的工作区域不同： ①欠压：导通期间均处于放大区； ②临界：导通期间可进入临界饱和线； ③过压：导通期间可进入饱和区（不是“全进入” ）。 放大器特性（三种）：负载特性，调制特性，放大特性。 丙类谐振功放，工作状态不同，其输出功率 P0、工作效率ηc 及集电极耗散功率 Pc 亦不相 同。放大器所处的工作状态又与集电极直流供电电压 Vcc、基极偏置电压 VBB、输入激励电压振 幅 Vbm 及负载电阻 Re 等因素有关，即放大器有三种特性：负载特性，调制特性，放大特性。 为了对放大器工作状态进行分析，首先研究一下放大器的动态线，即交流负载线。 1．谐振功放的动态线 定义：所谓动态线是指放大管在输入信号的激励下，集电极电流 ic 与 vce 的移动轨迹。 （见模拟 P171 图 8-11、高频 P89 图 2-4 所示） 动态线如图中红线所示，是在 ic～vce 曲线的基础上描点得到的。 说明：①集电极调谐负载的端电压 vc 并非与集电极电流 ic 成正比，而与 ic 的基波成分 ic1 成正比。 vc=Re·ic1=Vcmcosωt ②改变 Re 的大小，可以改变 Vcm 的大小，从而改变放大器的工作状态。 2．负载特性： ①定义：谐振功放的负载特性是指在基极偏压 VBB、输入激励电压振幅 Vbm 及集电极直流
二拿谐報功车放大喜 供电电压Vε维持不变的情况下,放大器的性能随负载电阻Rε变化的特性 ②R对lc的影响 负载谐振回路端电压:Vcm=Re·Ielm 若Iclm不变,则Vcm随R的增大而增大。 当ⅤBB、Vbm、Vc不变时,R由小变大,则Ⅴcm也会增大,放大器工作状态变化如下 欠压→临界→过压。 同时,集电极电流也发生变化,如下图所示(见高频P6图29所示 过程分析 a.在欠压临界状态时, I随Re的增大而略有减小。 原因: VCE=V- Vem=v-Re·Iclm Rε增大, VcEmin减小,1cmax略有减小,这是由输出特性决定的。 (见模拟P173图8-2、高频P1图25所示 b.在过压状态时,i随R增大而出现凹陷,R越大,凹陷越深。 原因:由于I0= lemax a o(0c)、Icm= Icmax a1(0c)。在0c不变时,Io、Ihm只与1m有 关,都随R。增大而减小 见高频P7图2-10所示) 结论:在欠压区有恒流特性;在过压区有恒压特性 原因:Ilm、Io:在欠压区内,随Re的增大而略有减小;在过压区内,随Re的增大而迅 速减小 ③R对Po、Pa、P、ηe的影响(见高频P98图2-1所示) Po=0.5 Vem IcIm=0.5 IcIm2 Re Pa=vecI c= Pd-Po nc= Po/p 调节Rε使放大器工作于临界状态时:Po最大,ηc较高。 故临界状态是谐振功放的最佳工作状态,电阻称为最佳负载电阻,记为 Reopt 在功放的实际调试过程中,要尽量使放大器处于临界状态,宁可偏过压,也不要偏欠压。 因为在欠压区ηc较低,P会因Re的减小而迅速增大,易损坏管子
第二章 谐振功率放大器 - 5 - 供电电压 Vcc 维持不变的情况下，放大器的性能随负载电阻 Re 变化的特性。 ②Re 对 ic 的影响 负载谐振回路端电压：Vcm=Re·Ic1m 若 Ic1m 不变，则 Vcm随 Re 的增大而增大。 当 VBB、Vbm、Vcc 不变时，Re 由小变大，则 Vcm也会增大，放大器工作状态变化如下： 欠压 临界 过压。 同时，集电极电流也发生变化，如下图所示（见高频 P96 图 2-9 所示） 过程分析： a．在欠压临界状态时，icmax 随 Re 的增大而略有减小。 原因：vCEmin=Vcc－Vcm=Vcc－ Re·Ic1m Re 增大，vCEmin 减小，icmax略有减小，这是由输出特性决定的。 （见模拟 P173 图 8-2、高频 P91 图 2-5 所示） b．在过压状态时，ic 随 Re 增大而出现凹陷，Re 越大，凹陷越深。 原因：由于 Ic0=icmaxα0（θc）、Ic1m= icmaxα1（θc）。 在θc 不变时，Ic0、Ic1m 只与 icmax 有 关，都随 Re 增大而减小。 （见高频 P97 图 2-10 所示） 结论：在欠压区有恒流特性；在过压区有恒压特性 原因：Ic1m 、Ic0：在欠压区内，随 Re 的增大而略有减小；在过压区内，随 Re 的增大而迅 速减小。 ③Re 对 P0、Pd、Pc、ηc 的影响（见高频 P98 图 2-11 所示） P0=0.5 Vcm Ic1m=0.5 Ic1m2Re Pd= Vcc Ic0 Pc= Pd- P0 ηc= P0/ Pd 调节 Re 使放大器工作于临界状态时：P0 最大，ηc 较高。 故临界状态是谐振功放的最佳工作状态，电阻称为最佳负载电阻，记为 Reopt。 在功放的实际调试过程中，要尽量使放大器处于临界状态，宁可偏过压，也不要偏欠压。 因为在欠压区ηc 较低，Pc 会因 Re 的减小而迅速增大，易损坏管子
二拿谐報功车放大喜 例题:在谐振功放的负载特性中,临界状态所对应的Po与nc分别_B_ A.Po最大、nc最高 Po最大、nc较高 C.P较大、nc最高 D.Po较大、nc较高 制特性 定义:调制特性是指在Vm及Rε不变的情况下,放大器的性能随Vc或ⅤBB而变化的特性。 分类: ①集电极调制特性:ⅤBB、Ⅴbm及Rε不变,放大器性能随Vc变化的特性。 ②基极调制特性:Vs、Vbm及Rε不变,放大器性能随VB变化的特性 (1)集电极调制特性 当ⅴBB及Vbm确定后, VBE=VBB+V加m不变。 VCE=Vc-Vcm所对应的动态点应在 VBE的那条输出特性曲线上。 (见高频P9图2-12所示)其中,Ⅴe、Vc'及Va”分别代表三种不同的集电极电源电压, (VcVe’>Vc”),分别对应着三条不同的曲线 ①欠压②临界③过压 可见:VB、Vbm及Rc不变,减小V,工作状态变化趋势为: 欠压一临界—过压 的变化:max由大到小,并逐渐出现凹陷,如图所示(见高频P00图213(a)所示 Ic0、Iclm、Vm的变化:如图所示(见高频P100图213(b)所示) 由Io= Icmax .a o(0c) Iclm= Icmax·a1(6c) 当θc不变(VBB、Ⅴbm不变)时,Io、Ilm只随lcmx变化 结论:谐振功放工作在过压状态,Im~Vo、Vm^Vs特性是集电极调幅电路的基本工作 依据 (2)基极调制特性 由 VBEmax=VB+Vm可知,随VBB的变化对应着多条输出特性曲线 又因Vc、Re不变,故动态线只有一条,但动态点不同,如图所示(见高频P101图214所示), 6
第二章 谐振功率放大器 - 6 - 例题：在谐振功放的负载特性中，临界状态所对应的 P0 与ηc 分别 B 。 A．P0 最大、ηc 最高 B．P0 最大、ηc 较高 C．P0 较大、ηc 最高 D．P0 较大、ηc 较高 3．调制特性 定义：调制特性是指在 Vbm 及 Re 不变的情况下，放大器的性能随 Vcc 或 VBB而变化的特性。 分类： ①集电极调制特性：VBB、Vbm 及 Re 不变，放大器性能随 Vcc 变化的特性。 ②基极调制特性：Vcc、Vbm 及 Re不变，放大器性能随 VBB 变化的特性。 ⑴集电极调制特性 当 VBB及 Vbm 确定后，VBEmax= VBB+Vbm不变。 VCEmin= Vcc-Vcm 所对应的动态点应在 VBEmax 的那条输出特性曲线上。 （见高频 P99 图 2-12 所示）其中，Vcc、Vcc’及 Vcc”分别代表三种不同的集电极电源电压， （Vcc>Vcc’>Vcc”），分别对应着三条不同的曲线： ①欠压 ②临界 ③过压 可见：VBB、Vbm 及 Re 不变，减小 Vcc，工作状态变化趋势为： 欠压 临界 过压 ic 的变化：icmax 由大到小，并逐渐出现凹陷，如图所示（见高频 P100 图 2-13(a)所示）。 Ic0、Ic1m、Vcm的变化：如图所示（见高频 P100 图 2-13(b)所示） 由 Ic0=icmax·α0(θc) Ic1m= icmax·α1(θc) Vcm= Ic1m·Re 当θc 不变（VBB、Vbm 不变）时，Ic0、Ic1m只随 icmax变化。 结论：谐振功放工作在过压状态，Ic1m～Vcc、Vcm～Vcc 特性是集电极调幅电路的基本工作 依据。 ⑵基极调制特性 由 VBEmax=VBB+Vbm可知，随 VBB的变化对应着多条输出特性曲线。 又因 Vcc、Re 不变，故动态线只有一条，但动态点不同，如图所示（见高频 P101 图 2-14 所示）
二拿谐報功车放大喜 三个不同的动态点代表三种不同的工作状态 A欠压A临界A”过压 可见Ⅴce、Vbm及Rε不变,增大ⅤBB,工作状态变化趋势: 欠压 临界 过压 lc的变化:l由小到大,并逐渐出现凹陷,如图所示(见高频P102图215(a)所示) Ico、Ilm、Vam的变化:如图所示(见高频P102图215(b)所示) 由Io= lomax.a o(0c) (e) Vcm=Iclm·Re ⅤBB增大,θc增大,在欠压区,ao(θ)、a1(θc)增大,lm增大。Io、Ielm随VB的增大 而增大,Vcm增大 在过压区,Imax亦由小变大,但中间出现凹陷,故Ico、Iclm增大不明显。 (见高频P102图215所示) 结论:放大器工作在欠压状态,Ilm^ⅤBB、Vam^VB特性是基极调幅电路的基本工作依据。 4.放大特性 定义:放大特性是指VB、Vc及R一定时,放大器性能随V加m的变化,对应着多条输出 特性曲线 类似于基极调制特性, VBEmax=VBB+Vbm,随Vhm的变化,对应着多条输出特性曲线。 Vec及Rc不变,只有一条动态线,但有不同的动态点。(参见上节图:三个不同的动态点代表三 种不同的工作状态。) lc、Io、Ilm及V如m随V加m的变化规律如图所示(见高频P102图2-15所示)。 由图可见,激励电压Vbm由小变大时,工作状态变化趋势:欠压→临界—过压 在欠压区:Vbm对Vcm、Ilm的影响较大。 在过压区:Vbm对Vcm、Im的影响极微 7
第二章 谐振功率放大器 - 7 - 三个不同的动态点代表三种不同的工作状态： A 欠压 A’ 临界 A” 过压 可见 Vcc、Vbm 及 Re不变，增大 VBB，工作状态变化趋势： 欠压 临界 过压 ic 的变化：ic 由小到大，并逐渐出现凹陷，如图所示（见高频 P102 图 2-15(a)所示）。 Ic0、Ic1m、Vcm的变化：如图所示（见高频 P102 图 2-15(b)所示）。 由 Ic0=icmax·α0(θc) Ic1m=icmax·α1(θc) Vcm= Ic1m·Re VBB 增大，θc 增大，在欠压区，α0(θc)、α1(θc)增大，icmax 增大。Ic0、Ic1m 随 VBB 的增大 而增大，Vcm 增大。 在过压区，icmax 亦由小变大，但中间出现凹陷，故 Ic0、Ic1m增大不明显。 （见高频 P102 图 2-15 所示） 结论：放大器工作在欠压状态，Ic1m～VBB、Vcm～VBB特性是基极调幅电路的基本工作依据。 4．放大特性 定义：放大特性是指 VBB、Vcc 及 Re 一定时，放大器性能随 Vbm 的变化，对应着多条输出 特性曲线。 类似于基极调制特性，VBEmax= VBB+Vbm，随 Vbm的变化，对应着多条输出特性曲线。 Vcc 及 Re 不变，只有一条动态线，但有不同的动态点。（参见上节图：三个不同的动态点代表三 种不同的工作状态。） ic、Ic0、Ic1m及 Vcm随 Vbm的变化规律如图所示（见高频 P102 图 2-15 所示）。 由图可见，激励电压 Vbm 由小变大时，工作状态变化趋势：欠压 临界 过压 在欠压区：Vbm 对 Vcm、Ic1m的影响较大。 在过压区：Vbm 对 Vcm、Ic1m的影响极微