《2.1 谐振功率放大器的工作原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2.1 谐振功率放大器的工作原理.ppt（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、选频网络1.选频定义和作用选频定义和作用 所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量的频率分量 前端选择性电路、高频功率放大器负载、前端选择性电路、高频功率放大器负载、混频器负混频器负载、载、正弦波振荡器回路、正弦波振荡器回路、调制电路负载等。调制电路负载等。2.选频网络的分类选频网络的分类单振荡回路单振荡回路单振荡回路单振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路耦合振荡回路振荡回路（由振荡回路（由振荡回路（由振荡回路（由L L L L、C C C C组成）组成）组成）组成）各种滤波器各种滤波器各种滤波器各种滤波器LCLCLCLC集中滤
2、波器集中滤波器集中滤波器集中滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器一、串联谐振回路一、串联谐振回路1.1.阻抗阻抗 谐振条件：谐振条件：当回路谐振时的感抗或容抗，称之为特性阻抗，用当回路谐振时的感抗或容抗，称之为特性阻抗，用 表示表示2.2.谐振特性谐振特性1)谐振时回路呈现纯电阻特性谐振时回路呈现纯电阻特性2)谐振时电流最大且与电压源同相谐振时电流最大且与电压源同相3)品质因数品质因数Q：谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻阻R 的比值
3、称为回路的品质因数，以的比值称为回路的品质因数，以Q表示，它表示回表示，它表示回路损耗的大小。路损耗的大小。因此串联谐振时，电感因此串联谐振时，电感L和电容和电容C上的电压达到最大值上的电压达到最大值且为输入信号电压的且为输入信号电压的Q倍，故串联谐振也称为电压谐振。倍，故串联谐振也称为电压谐振。因此，必须预先注意回路元件的耐压问题。因此，必须预先注意回路元件的耐压问题。当谐振时：当谐振时：4.4.广义失谐系数广义失谐系数：广义失谐是表示回路失谐大小的量，其定义为：广义失谐是表示回路失谐大小的量，其定义为：当当 0即失谐不大时：即失谐不大时：当谐振时：当谐振时：=0。5.5.谐振曲线和通频带谐
4、振曲线和通频带 串联谐振回路中电流幅值与外加电动势频率之间的关系串联谐振回路中电流幅值与外加电动势频率之间的关系曲线称为曲线称为谐振曲线谐振曲线。可用可用N(f)表示谐振曲线的函数。表示谐振曲线的函数。Q值与谐振曲线关系：值与谐振曲线关系：Q值不同即损耗值不同即损耗R不不同时，对曲线有很大影响，同时，对曲线有很大影响，Q值大曲线尖值大曲线尖锐，选择性好，锐，选择性好，Q值小曲线钝，通带宽。值小曲线钝，通带宽。通频带定义通频带定义:回路外加电压的幅值不变时，回路外加电压的幅值不变时，改变频率，回路电流改变频率，回路电流I下降到下降到Io 的的 时所对时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带应的频率
5、范围称为谐振回路的通频带,用用B表示表示6.能量关系能量关系 串联单振荡回路由电感线圈（包括其损耗电阻）和电容串联单振荡回路由电感线圈（包括其损耗电阻）和电容器构成，电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量，电器构成，电抗元件电感和电容不消耗外加电动势的能量，电路进入稳定状态后，二者只储存和交换能量，消耗能量的只路进入稳定状态后，二者只储存和交换能量，消耗能量的只有损耗电阻。有损耗电阻。电容和电感的瞬时功率电容和电感的瞬时功率电容和电感的瞬时储能电容和电感的瞬时储能(设起始储能为零设起始储能为零)电容和电感的伏安特性方程电容和电感的伏安特性方程谐振时谐振时电容的瞬时能量电容的瞬时能量:回路总的
6、瞬时储能回路总的瞬时储能电感的瞬时能量电感的瞬时能量:W 是一个不随时间变化的常数。这说明回路中储存的能量是一个不随时间变化的常数。这说明回路中储存的能量是不变的，只是在线圈与电容器之间相互转换。且电抗元件不是不变的，只是在线圈与电容器之间相互转换。且电抗元件不消耗外加电动势的能量，外加电动势只提供回路电阻所消耗的消耗外加电动势的能量，外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。所以回路谐振时电流最大。能量，以维持回路的等幅振荡。所以回路谐振时电流最大。电路电路R上消耗的平均功率为：上消耗的平均功率为：每一周期时间内消耗在电阻上的能量为：每一周期时间内消耗在电阻上的能量为：信号
7、源内阻及负载对串联谐振回路的影响信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响其中其中R为回路本身的损耗，为回路本身的损耗，RS为信号源内阻，为信号源内阻，RL为负载为负载 通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值值叫做叫做无载无载Q（空载空载Q值）值）如式如式 通常把接有信号源内阻和负载电阻时回路的通常把接有信号源内阻和负载电阻时回路的Q值叫做值叫做有载有载QL,如式如式可见可见结论：结论：串联谐振回路通常适用于信号源内阻串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小很小(恒压源）恒压源）和负载电阻和负载电阻RL也不大的情况。也不大的情况。二、并联谐振
8、回路二、并联谐振回路其中由于外加信号源内阻很大，为了分析方便，采用恒流源。其中由于外加信号源内阻很大，为了分析方便，采用恒流源。对于信号源内阻和负载比较大的情况，宜采用并联谐振回路。对于信号源内阻和负载比较大的情况，宜采用并联谐振回路。1.1.阻抗阻抗 一般一般 L R换成导纳形式换成导纳形式2.2.谐振条件谐振条件并联谐振时呈现纯阻性质，且阻抗为最大值并联谐振时呈现纯阻性质，且阻抗为最大值谐振时谐振时Z为实数为实数,故故谐振条件谐振条件若若 不成立不成立3.3.品质因数品质因数谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源I IS S的的QP
9、倍。因此，倍。因此，并联谐振又称为电流谐振。并联谐振又称为电流谐振。一般一般Q Q为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路内的电流却是很大。内的电流却是很大。4.谐振曲线谐振曲线 串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示。串联回路用电流比来表示，并联回路用电压比来表示。回路端电压回路端电压 谐振时回路端电压谐振时回路端电压 由此可作出谐振曲线由此可作出谐振曲线 当回路端电压下降到最大值的当回路端电压下降到最大值的 时所对应的频率范围时所对应的频率范围即即 绝对通频带绝对通频带相对通频带相对通频带5.通频带通频带信号源内阻和负载电阻对并联
10、谐振回路的影响信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响 串联谐振回路并联谐振回路阻抗或导纳谐振频率品质因数Q通频带B=失谐时阻抗特性0，x0回路呈感性0，xp，B0回路呈容性p，B0回路呈感性谐振电阻最小=R最大有载Q值z=R+jx=R+j(L-)=广义失谐系数：谐振曲线：第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.1谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2.2谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点2.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路2.4高频功率放大器高频功率放大器使用谐振功率放大器的目的：使用谐振功率放大器的目的：放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。
11、放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：功率信号放大器使用中需要解决的两个问题：高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状其工作状态通常选为丙类工作状态态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功非谐振功率放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，
12、工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。输线为负载。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法第第 2 章章 谐振功率放大器谐振功率放大器谐谐振振功功放放：一一种种用用谐谐振振系系统统作作为为匹匹配配网网络络的的功功率率放放大大器器。图图 2-2-1(a)谐振功率放大器谐振功率放大器原理电路原理电路 特点特点：负载负载匹配网络为谐振系统匹配网络为谐振系统应用状态：应用状态：丙类丙类(或丁类、乙类或丁类、乙类)用途：用途：对载波或已调波进行功率放大对载波或已调波进行功率放大 种类：种类：
13、丙类谐振功放丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放丁类、戊类谐振功放 倍频器倍频器 本本章章内内容容：工工作作原原理理、性性能能分分析析、电路。电路。第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.1谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2.1.1丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器2.1.3倍频器倍频器2.1.1丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器1电路组成电路组成 图图 211谐振功率放大器原理电路谐振功率放大器原理电路ZL 外外接接负负载载，呈呈阻阻抗抗性性，用用 CL 与与 RL 串串联联等等效效电路表示。电路表示。Lr 和和
14、 Cr 匹匹配配网网络络，与与 ZL 组组成成并并联联谐谐振振回回路路。调调节节 Cr 使使回回路路谐谐振在输入信号频率。振在输入信号频率。VBB 基基极极偏偏置置电电压压，使使功功率率管管 Q 点点设设在在截截止止区区，以实现丙类工作。以实现丙类工作。2集电极电流集电极电流 iC 图图 212输入输入vb(t)=Vbmcos st 据据vBE=VBB+vb(t)=VBB+vbmcos st由由静静态态转转移移特特性性(iC-vBE)，得得集集电电极极电电流流 iC 波波形形：脉脉宽宽小小于于半半个个周周期期的的脉脉冲序列冲序列。傅里叶级数展开。傅里叶级数展开为为平均分量、基波分量平均分量、基
15、波分量和和各次谐波分量各次谐波分量之和之和。3输出电压输出电压 vo(1)对基波分量对基波分量阻阻抗抗最最大大，为为谐谐振振电电阻阻 Re(谐谐振振回回路路调调谐谐在在输输入入信信号号频频率率上上，因因而而对对 iC 中中的的基基波波分分量量呈呈现现的的阻阻抗抗最最大大，且且为为纯纯电电阻阻)。在高在高 Q 回路中，其回路中，其 Re 近似为近似为式中，式中，回路回路总电总电容容 回路回路谐谐振角振角频频率率 回路有回路有载载品品质质因数因数(2)对非基波分量对非基波分量阻阻抗抗很很小小(谐谐振振回回路路对对 iC 中中的的其其他他分分量量呈呈现现的的)，产产生生的电压均可忽略。的电压均可忽略
16、。既既然然仅仅有有由由基基波波分分量量产产生生的的电电压压 vc 输输出出，负负载载获获得得的的信号功率信号功率不失真不失真。因此，因此，丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器谐振回路谐振回路的功能：的功能：选选频频：利利用用谐谐振振回回路路的的选选频频作作用用，可可将将失失真真的的集集电电极电流脉冲变换为不失真的输出电压。极电流脉冲变换为不失真的输出电压。阻阻抗抗匹匹配配：调调节节 Lr 和和 Cr，谐谐振振回回路路将将含含有有电电抗抗分分量的外接负载变换为谐振电阻量的外接负载变换为谐振电阻 Re，并阻抗匹配。并阻抗匹配。所所以以，谐谐振振功功率率放放大大器器中中，谐谐振振回回路路起起到到选选
17、频频和和匹匹配配负负载载的双重作用。的双重作用。4功率特性分析功率特性分析(1)丙类功放的问题丙类功放的问题 图图 213脉冲宽度变化的示意图脉冲宽度变化的示意图若若提提高高 C，管管子子导导通通角角 c 应应继继续续减减小小；但但引引起起 iC 中中基基波波分分量量 Icm1 减小，导致输出功率减小。减小，导致输出功率减小。(2)解决方法解决方法 VBB 负负向向增增大大(c 减减小小)同同时时，提提高高输输入入激激励励电电压压 Vbm，以以维维持持输输出出功功率率不不变变。但但需需警警惕惕管管发发射射结结反向击穿。反向击穿。为为进进一一步步提提高高效效率率，可可采采用用开开关关工工作作的的
18、丁丁类类、戊戊类类谐谐振功率放大器。振功率放大器。2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器1丁类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器(1)电路电路 Tr 二次侧两绕组相同，极性相反。二次侧两绕组相同，极性相反。T1 和和 T2 特性配对，为特性配对，为同型管同型管。(2)原理原理 若若 vi 足够大，则足够大，则vi 0 时时，T2 饱饱和和导导通，通，T1 截止，截止，vA2=VCE(sat)A 点最大振幅值：点最大振幅值：vA=vA1 vA2=VCC 2VCE(sat)加加到到串串联联谐谐振振回回路路，若若谐谐振振回回路路工工作作在在输输入入信信号号角角频频率率上上，可可近近
19、似似认认为为输输出出电电流流 iL 是是角角频频率率为为 的的余余弦弦波波，RL 上获得不失真输出功率。上获得不失真输出功率。(3)讨论讨论 VCE(sat)小，小，管耗小，放大器的效率高管耗小，放大器的效率高(90%以上以上)；因因结结电电容容、分分布布电电容容等等影影响响，实实际际波波形形不不理理想想，使使管耗增大，丁类功放效率受限。管耗增大，丁类功放效率受限。2戊类放大器戊类放大器 为为了了克克服服这这个个缺缺点点，在在开开关关工工作作的的基基础础上上采采用用一一个个特特殊殊设设计计的的集集电电极极回回路路，保保证证 vCE 为为最最小小值值的的一一段段期期间间内内，才才有有集集电电极极
20、电电流流通流流通戊类放大器戊类放大器。2.1.3倍频器倍频器1概念概念倍倍频频器器(Frequency Multiplier)：将将输输入入信信号号的的频频率率倍倍增增 n 倍的电路。倍的电路。2原理原理 在在丙丙类类谐谐振振放放大大器器中中，将将输输出出谐谐振振回回路路调调谐谐在在输输入入信信号号频频率率的的 n 次次谐谐波波上上，则则输输出出谐谐振振回回路路上上仅仅有有 iC 中中的的 n 次次谐谐波波分分量量产产生生的的高高频频电电压压，而而其其他他分分量量产产生生的的电电压压均均可可忽忽略略，因因而而 RL 上上得得到到了了频频率率为为输输入入信信号号频频率率 n 倍倍的的输输出出信信
21、号功率。号功率。3实现办法实现办法(1)晶体管倍频器晶体管倍频器 倍频次数不能太高，一般为倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频二倍或三倍频。原因：原因：效效率率。集集电电极极电电流流脉脉冲冲中中包包含含的的谐谐波波分分量量的的幅幅度度随随着着 n 的的增增加加而而迅迅速速减减小小。倍倍频频次次数数过过高高，倍倍频频器器的的输输出出功功率和效率就会过低。率和效率就会过低。滤滤波波。谐谐振振回回路路需需滤滤除除高高于于 n 和和低低于于n 的的各各次次分分量量。低低于于 n 的的分分量量幅幅度度较较大大，滤滤除除较较难难。倍倍频频次次数数越越高高，对对谐谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。(2)变变容容二二极极管管、阶阶跃跃二二极极管管构构成成参参量量倍倍频频器器，适适用用于于倍频次数较高时。倍频次数较高时。