《通信电子线路》课程教学课件（讲稿）第04章 谐振功率放大器

2017/12/11第4章谐振功率放大器*4.1概述N*4.2谐振功率放大器的工作原理>*4.3谐振功率放大器的折线近似分析法>4.4谐振功率放大器电路>*4.5谐振功率放大器实例>4.6晶体管倍频器>V速信电子线路第4章摄功率孜大蹈Page#14.1概迷谐振功率放大器：位于发射机末端，放大高频大信号以获得功率足够大的射频信号「高效率功率放大器的要求大功率功率放大器的分类■谐振功率放大器：以LC并联谐振回路作负载，又称窄带高频功率放大器·■非谐振功率放大器：·以传输线变压器为负载的宽带高频功率放大器·低频功率放大器遵信电子线路第4案播摄功率救大髓Page#21

2017/12/11 1 LOGO 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #1 第 4 章 谐振功率放大器 4.1 概述 4.2 谐振功率放大器的工作原理 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 4.4 谐振功率放大器电路 4.5 谐振功率放大器实例 4.6 晶体管倍频器       通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #2 4.1 概述  谐振功率放大器：位于发射机末端，放大高频大信 号以获得功率足够大的射频信号 功率放大器的要求 功率放大器的分类：  谐振功率放大器： • 以 LC 并联谐振回路作负载，又称窄带高频功率放大器  非谐振功率放大器： • 以传输线变压器为负载的宽带高频功率放大器 • 低频功率放大器 高效率 大功率

2017/12/114.1概迷谐振功率放大器与低频功率放大器比较：■相同点：输出功率大，效率高相异点：工作频率和相对频带差别很大低频功放：频率低，相对带宽大。负载为电阻，变压器等非调谐负载·高频谐振功放：频率高，相对频带窄，负载一般都采用选频网络。V速信电子缆路第4掌语振功率教大醋Page#34.1概述·谐振功率放大器与小信号谐振放大器比较■相同点：·放大高频信号、负载是谐振回路■相异点：·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逆信电子线路第4案澄摄功率救大髓Page#42

2017/12/11 2 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #3 4.1 概述 谐振功率放大器与低频功率放大器比较：  相同点： 输出功率大，效率高  相异点： 工作频率和相对频带差别很大 • 低频功放： 频率低，相对带宽大。负载为电阻，变压器等非调谐 负载 • 高频谐振功放： 频率高，相对频带窄， 负载一般都采用选频网络。 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #4 4.1 概述 谐振功率放大器与小信号谐振放大器比较：  相同点： • 放大高频信号、负载是谐振回路  相异点： • 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

2017/12/114.1概述icicQ0tUb高频小信号播放谐振放大器V通信电子线路第4章增振功率数大蹈Page#54.1概述icic010VBz0tUb高频谐振tt播放功率放大器遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page #63

2017/12/11 3 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #5 4.1 概述 iC Q vb t 0 0 iC t 高频小信号 谐振放大器 播放 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #6 4.1 概述 高频谐振 功率放大器 iC vb t 0 0 iC t Q VBZ 播放

2017/12/114.1概述工作状态与工作效率·功率放大器的工作状态：甲类(A)、乙类(B)、>甲乙类(AB)、丙类(C)、丁类(D)、戊类(E)等谐振功率放大器通常工作于丙类（C）工作状态工作状态半导通角理想效率负载应用甲类50%电阻低频180°90°乙类78.5%推挽，回路低频，高频甲乙类推挽低频90°~180°50%~78.5%丙类78.5%选频回路丁类开关状态90%~100%选频回路高频能量转换效率是最为关注的问题V通信电子钱路第4章增振功率救大蹈Page#7谐振功率放大器的主要特点：工作频率高，相对频带窄■工作于大信号的非线性状态■数学上用非线性方程描述，工程上用近似法分析遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page =84

2017/12/11 4 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #7 工作状态与工作效率  功率放大器的工作状态：甲类 (A)、乙类 (B)、 甲乙类(AB)、丙类 (C)、丁类 (D)、戊类 (E) 等  谐振功率放大器通常工作于丙类 (C) 工作状态  能量转换效率是最为关注的问题 4.1 概述  开关状态 90% ~ 100% 选频回路 高频 78.5% 选频回路 高频 90~180 50% ~ 78.5% 推挽 低频 90 78.5% 推挽，回路 低频，高频 180 50% 电阻 低频 丁类 丙类 甲乙类 乙类 甲类 工作状态 半导通角 理想效率 负 载 应 用 谐振功率放大器的主要特点：  工作频率高，相对频带窄  工作于大信号的非线性状态  数学上用非线性方程描述，工程上用近似法分析 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #8

2017/12/114.2谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的原理及电压、电流波形-■主要组成：·高频、大功率晶体管TRI+ iciRUCE·电源及偏置电路-13X发射结反偏、集电结反偏Vb·输入：Vn高频大信号二·负载：LC并联谐振回路FVcoVBB工作原理：即电路如何实现功率放大、如何做到高效率？·第一步：U,输入回路&转移特性曲线→ic·第二步：i&输出谐振回路→UV通信电子皖路第4章语摄功率救大蹈Pageag4.2谐振功率放大器的工作原理工作原理AicAic--VBBIBVCE00UBE0UBE-宁-Ubic = lα + Icmcos at +VcoVBB+Icm2cos2at +Icm3cos3 at+UBE = -VBB+ UbUBE =-VBB+VbmCOSat谐振回路输出电压：Ue = R, Icmi cosat频若LC调谐在2？晶体管CE端电压：谱UcE= Vcc -U。波形?频率020300现信电子线路第4章增摄功率救大器Page s105

2017/12/11 5 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #9 4.2 谐振功率放大器的工作原理 一、谐振功率放大器的原理及电压、电流波形  主要组成： • 高频、大功率晶体管 • 电源及偏置电路 发射结反偏、集电结反偏 • 输入：vb 高频大信号 • 负载：LC 并联谐振回路  工作原理： 即电路如何实现功率放大、如何做到高效率 ? • 第一步：vb 输入回路 & 转移特性曲线  iC • 第二步：iC & 输出谐振回路  vc iC vCE C vc Rp L VBB VCC vBE iB vb 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #10 4.2 谐振功率放大器的工作原理 0  2 3 iC  IC0 Icm1cost  Icm2cos2t Icm3cos3t  LC 若LC 调谐在2 ?  工作原理 vBE  VBB vb vBE  VBB Vbmcost 谐振回路输出电压： vc  Rp Icm1 cost 晶体管 CE 端电压： vCE  VCC  vc 频率 频 谱 iC vCE C vc Rp L VBB VCC vBE iB vb iC t 波形 ?

2017/12/114.2谐振功率放大器的工作原理电压、电流波形UBEVBIVBR.+1cRVCE0UBEVBBVccUbE = -VBB+ UbUBE =-VBB+VbmCOS COt谐振回路输出电压：Ve = R, Icm cosat晶体管 CE端电压：UcE= Vcc - U.V通信电子线路第4章璐摄功率救大蹈Page #114.2谐振功率放大器的工作原理二、功率关系与效率UBEVBLVBBP=J,ocricdtTJ。减小导通角 →P1。负载回路谐振PUCE集电极效率P..Vaom.5.gn=P.2 Vcclco2o：电压利用系数og1：波形系数P, = VccIco =VecicdtP. = P。 + PV2PeamR,VemIeml直流输出集电极的P. =cm功率功率损耗功率22Rp2遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page #136

2017/12/11 6 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #11 4.2 谐振功率放大器的工作原理  电压、电流波形 vBE  VBB vb vBE  VBB Vbmcost 谐振回路输出电压： vc  Rp Icm1 cost 晶体管 CE 端电压： vCE  VCC  vc vb VBZ VBB vBE t ic t vCE t VCC Vcm vc t Vcm iC vCE C vc Rp L VBB VCC vBE iB vb 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #13 4.2 谐振功率放大器的工作原理 vb vBE t ic t vCE Vcm t vc t Vcm P Po  Pc 直流 输出 集电极的 功率 功率 损耗功率 iC vCE C vc Rp L VBB VCC vBE iB vb 二、功率关系与效率 ○ 减小导通角  Pc ○ 负载回路谐振  Pc 集电极效率 ○  ：电压利用系数 ○ g1：波形系数 0 1 CC C CC C T V I V i dt T     P 2 2 1 1 22 2 cm cm cm cm p o p VI V I R R P   1 1 0 1 1 2 2 o cm cm CC C P V I g P VI         1 c CE C T i dt T   P v VBZ VBB VCC

2017/12/11心总结：TofoTo·放大高频大信号，要求输出功率大，效率高。·属于非线性工作状态：。基极偏置为负值，半通角<90°，即丙类工作状态；●·电流脉冲是尖顶余弦脉冲；·负载为LC谐振回路。逍信电子线路第4章璐摄功率孜大蹈Page#144.3谐振功率放大器的折线近似分析法一、折线法■求解关键：集电极电流脉冲i及其分量Ic和Icml分析方法：用一组折线代替晶体管静态特性曲线分析过程含解析计算与图解分析两部分口折线法主要步骤1、测出晶体管的转移特性曲线i~e,及输出特性曲线i~e，并将这两组曲线作理想折线化处理。2、作出动态特性曲线。3、根据激励电压的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲i和输出电压的波形。4、求出i.的各次谐波分量!、I、....由给定的负载谐振阻抗的大小，即可求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标。遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page 157

2017/12/11 7  总结: 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #14 vi ic Vo f f 0 f f 0 f f 0  放大高频大信号, 要求输出功率大，效率高。  属于非线性工作状态；  ·基极偏置为负值,半通角c＜90，即丙类工作状态；  ·电流脉冲是尖顶余弦脉冲；  ·负载为LC谐振回路。 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #15 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 一、折线法  求解关键：集电极电流脉冲iC 及其分量 IC0和 Icm1  分析方法：用一组折线代替晶体管静态特性曲线  分析过程含解析计算与图解分析两部分  折线法主要步骤 1、测出晶体管的转移特性曲线ic~ eb及输出特性曲线ic~ ec， 并将这两组曲线作 理想折线化处理。 2、作出动态特性曲线。 3、根据激励电压vb的大小在已知理想特性曲线上画出对应电流脉冲ic和输出电 压vc的波形。 4、求出ic的各次谐波分量Ic0、Ic1、Ic2.由给定的负载谐振阻抗的大小，即可 求得放大器的输出电压、输出功率、直流供给功率、效率等指标

2017/12/114.3谐振功率放大器的折线近似分析法二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式·转移特性i,= ge(UBE-VBz)当UBE≥VBZ■输出特性临界线方程：_8cr临界线斜率6Icic=gcrVceFRo↑UBE跨导10VBZUBEUCEV通信电子线路第4章语摄功率歌大蹈Page#164.3谐振功率放大器的折线近似分析法三、集电极余弦电流脉冲的分解求解过程：&ic解析式→ic的傅氏级数分解icAA icicmay-VBB:02元0BzUBE-0c c-0c -U BE = -VBB +Vhm cOS OtOc:UbVBz = -VB +Vhm cos 0VBB +Vhz2元cos.=Vmat遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page#178

2017/12/11 8 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #16 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 二、晶体管特性曲线的理想化及其解析式  转移特性 ic gcvBE VBZ  当 vBE  VBZ  输出特性 vBE iC 0 iC vCE 0 VBZ gc 跨导 gcr 临界线斜率 vBE 临界线方程: ࢋࢉ࢜ ࢘ࢉࢍ ൌ ࢉ࢏ 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #17 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 三、集电极余弦电流脉冲的分解  求解过程：C  iC 解析式  iC 的傅氏级数分解 VBB 0 iC vBE vb t VBZ C C 2 cos vBE BB bm    VV t  cos V VV BZ BB bm C     cos BB BZ C bm V V V   

2017/12/114.3谐振功率放大器的折线近似分析法- ic= ge(UBE-VBz); 当 UBE ≥ VBz-代入 UBe 得: ic= ge(-VBB-VBz+Vbmcos at)或：ic=gVhm(cos at-cos e)A icicmax最大值：icmax=g.Vbm(1-cos Qc)■由上二式得ic的解析式2元0-αc αccos ot-cosci=1- cos 0cUBE =-VBB +Vm cOS Ot其中:-≤at≤ VBz = -VBe +Vhm cose■为得到直流和基波等成分Ven +Vazcose.对上式进行傅氏级数分解VmV通信电子线路第4章塔摄功率歌大蹈Page #184.3谐振功率放大器的折线近似分析法ic = Ico + Iem cos ot + Iom2 cos 2ot +...+ Iemn cos not +..iedosine.-.cose.1reIco= α.(c)-icmm2元元(1-cos0)0.-coso,sinoci.cos otdot --=α,().ic..元(1-cos0。)ic cosnotdot (n>1)2, sin ng, coso. -ncos no, singc=α.(0).icm元n(n2-1)(1-cos@c)α()，α(），.….,α,(αc)是c的函数，是电流脉冲的直流、基波、、n次谐波的分解系数遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page #199

2017/12/11 9 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #18 VBB 0 iC vBE vb t VBZ C C 2 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法  iC gcvBE VBZ ；当 vBE  VBZ  代入 vBE 得：iC gcVBB VBZ Vbmcost   或：iC gcVbm cost  cos C   最大值：iCmax gcVbm 1  cos C   由上二式得 iC 的解析式 其中：C  t  C  为得到直流和基波等成分 对上式进行傅氏级数分解 max cos cos 1 cos C C C C t i i        cos vBE BB bm    VV t  cos V VV BZ BB bm C     cos BB BZ C bm V V V    通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #19 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 . .  0(C ) , 1(C ) , . , n(C ) 是 C 的函数，是电流 脉冲的直流、基波、. 、n 次谐波的分解系数   1 cos 1 C C cmn C I i n td t n           01 2 cos cos 2 cos C C cm cm cmn i I I t I t I nt         0 max 1 sin cos 2 (1 cos ) C C CC C CC C C I idt i                 1 max 1 cos sin cos (1 cos ) C C C CC cm C C C I i td t i                 0 max ( ) C C     i 1 max ( ) C C     i max ( ) nC C     i 2 max 2 sin cos cos sin ( 1)(1 cos ) C C CC C C n nn i n n          

2017/12/114.3谐振功率放大器的折线近似分析法AQ0,a1,Oz03ai=gi(60)ajQn0.50c=120°时：a功率最大，2.00.4-但效率低；0.3+c= 0°时:-0.21.0效率最高，00.1但无输出；30-0.05Cc20°40°60°80100°120°140°160°1800P..l.Von.Lml =通常取6g=70°左右，15.g,(0.)nc=兼顾输出功率与效率P.2 Vcc2IceV通信电子线路第4章增振功率救大蹈Page #204.3谐振功率放大器的折线近似分析法六、谐振功率放大器的计算（放前面讲）1. 计算 ec、icmaxVer +Vezcoso.=icmax = g.Vbm(1-cosec)Vbm2.求出α%(),α()，…,α,(c）（可查附录表)■3.计算功率和效率1.5.a(@)-1.P, =VccIco5·g,(0.)n =2α.(0.)2P=·5Vcc-a,(c)icmax.T1cmcml22■4.求最佳负载V_ (5.Vec)_(.Vcc)P,=R2R,2R,2P。遥信电子线路第4章增摄功率救大器Page 2110

2017/12/11 10 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #20 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 1 1 0 1 1 ( ) 2 2 o Cm cm C C CC C P V I g P VI           C 120 时: 功率最大， 但效率低； 通常取 C = 70 左右， 兼顾输出功率与效率 C 0 时: 效率最高， 但无输出； 通信电子线路 第 4 章 谐振功率放大器 Page #21 4.3 谐振功率放大器的折线近似分析法 六、谐振功率放大器的计算 (放前面讲)  1. 计算 C 、iCmax  2. 求出 0(C ) , 1(C ) , . , n(C ) (可查附录表)  3. 计算功率和效率  4. 求最佳负载 cos BB BZ C bm V V V    max (1 cos ) C c bm C i  g V   P V I CC C0 1 1 max 1 1 ( ) 2 2 Po cm cm CC C C    VI V i   1 1 0 1 1 ( ) ( ) 2 ()2 C c C C g            2 2 ( ) 2 2 cm CC o p p V V R R   P   2 ( ) 2 CC p o V R    P