諧振功率放大器

諧振功率放大器是一種用諧振系統作為匹配網路的功率放大器,一般丙類工作,主要套用在無線電發射機中,用來對載波信號或高頻已調波信號進行功率放大。

作用

顧名思義,高頻功率放大器用於放大器高頻信號並獲得足夠大的輸出功率,常又稱為射頻功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它廣泛用於發射機、高頻加熱裝置和微波功率源等電子設備中。

分類

根據相對工作頻帶的寬窄不同,高頻功率放大器可分為窄帶型和寬頻型兩大類。

1. 窄帶型高頻功率放大器

通常採用諧振網路作負載,又稱為諧振功率放大器。

為了提高效率,諧振功率放大器一般工作於丙類狀態或乙類狀態,近年來出現了工作在開關狀態的丁類狀態的諧振功率放大器。

2. 寬頻型高頻功率放大器

採用傳輸線變壓器作負載。

傳輸線變壓器的工作頻帶很寬,可以實現功率合成。

特點

1.採用諧振網路作負載。

2.一般工作在丙類或乙類狀態。

3.工作頻率和相對通頻帶相差很大。

4.技術指標要求輸出功率大、效率高。

技術指標

1.輸出功率:PO

2.效率:η

3.功率增益:Ap

1.2 諧振功率放大器的工作原理

一、丙類諧振功率放大器電路

電路圖如1-1所示

圖1-1 丙類諧振功率放大器

LC諧振網路為放大器的並聯諧振網路。

諧振網路的諧振頻率為信號的中心頻率。

作用:濾波、匹配。

VBB:基極直流電壓

作用:保證三極體工作在丙類狀態。

VBB的值應小於放大管的導通電壓Uon;通常取VBB≤0。

VCC:集電極直流電壓

作用:給放大管合理的靜態偏置,提供直流能量。

二、丙類諧振功率放大器的工作原理

ui→ uBE→ iB→ iC→ uC

ui為餘弦電壓, 可表示為 ui=UimCOSωc t

則: u BE= VBB+ ui= VBB+ UimCOSωc t

根據三極體的轉移特性可得到集電極電流 iC,為餘弦脈衝波,如圖4-2所示:

圖1-2 iC波形

根據傅立葉級數的理論, iC可分解為:

ic=Ico+ iC1+ iC2+ iC3+………+ iCn+………

式中:Ico為直流電流分量

iC1為基波分量; iC1=Icm1COSωc t

iC2為二次諧波分量; iC2=Icm2COS2ωc t

iCn為n次諧波分量; iCn=IcmnCOSnωc t

其中,它們的大小分別為:

Ico= iCmax·α0(θ)

Icm1= iCmax·α1(θ)

Icmn= iCmax·αn(θ)

iCmax是 ic波形的脈衝幅度。

αn(θ)的大小可根據餘弦脈衝分解係數表查。

Ic信號的導電角可以用下面的公式進行計算

當 iC信號通過諧振網路時,由於諧振網路的作用,可得其諧振網路壓降為:

uc=RIcm1COSωc t=UcmCOSωc t

uCE=VCC- uc=VCC-UcmCOSωc t

各信號的波形如圖1-3所示:

圖1-3 波形圖

三、功率關係

直流功率:PV=VCCICO

輸出功率:PO= Icm1Ucm

放大管功耗:PT=PV-PO

效率:η= PO/PV

丙類諧振功率放大器的性能分析

一、丙類諧振功率放大器的工作狀態

欠壓狀態:管子導通時均處於放大區;

臨界狀態:管子導通時從放大區進入臨界飽和;

過壓狀態:管子導通時將從放大區進入飽和區;

在實際工作中,丙類放大器的工作狀態不但與Ubm有關,還與VCC、VBB和R有關。

在丙類諧振功放中,工作狀態不同,放大器的輸出功率和管耗就大不相同,因此必須分析各種工作狀態的特點,以及Ubm、VCC、VBB和R的變化對工作狀態的影響,即對丙類諧振功放的特性進行分析。

二、丙類諧振功率放大器的動態線

1.基本概念:

大信號的功率放大器一般採用圖解法進行分析,為此就要在輸出特性曲線上作出交流負載線。

由於諧振功放的集電極負載是諧振迴路,且共集電極電壓與集電極電流的波形截然不同,因此其交流負載線已不是直線了,是一條曲線,又稱為動態線。

2.動態線的作法:

三極體的輸出特性曲線轉上的參變數 iB換成 uBE,在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不變的情況下,假設ωc t取不同的值,根據式 uBE=VBB+ UbmCOSωc t和 uCE=VCC- uc=VCC-UcmCOSωc t可得以相對應的 uBE和 uCE值,從而確定輸出特性曲線上的各個“動態點”,然後依次連線各個“動態點”就可以得到動態線。其圖形如1-4所示。

圖1-4 動態線

3.不同工作狀態的動態線

如圖1-5所示

圖1-5 不同狀態的動態線

丙類諧振功放在不同狀態的動態線動畫演示請點擊

4.根據動態線分析放大器的特性

(1)放大器工作在過壓狀態時, ic波形會出現下凹。

(2)動態線、放大器的工作狀態與VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有關係。

三、丙類諧振功率放大器的特性

負載特性:

基極調製特性:

調製特性

集電極調製特性:

放大特性:

1.負載特性:

負載特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不變時,隨R變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著R從小變大,放大器將由欠壓狀態→臨界狀態→過壓狀態變化

(2)ic波形的變化

隨著R增大, ic的變化如圖1-6所示

圖1-6 ic隨R變化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性

如圖1-7所示

圖1-7 Ucm、Ico、Icm1隨R的變化

(4)PO、PV、Pc、η的變化特性

如圖1-8所示

圖1-8 PO、PV、Pc、η的變化特性

負載特性動畫演示請點擊

2.基極調製特性

基極調製特性是指放大器在R、VCC和Ubm不變時,隨VBB變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著VBB從小變大,放大器將由欠壓狀態→臨界狀態→過壓狀態變化

(2) ic波形的變化

如圖4-9所示

圖1-9 ic隨VBB的變化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性 如圖1-10所示

圖1-10 Ucm、Ico、Icm1的變化特性

基極調製特性動畫演示請點擊

3.集電極調製特性

集電極調製特性是指放大器在VBB、R和Ubm不變時,隨VCC變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著VCC從小變大,放大器將由過壓狀態→臨界狀態→欠壓狀態變化

(2) ic波形的變化

如圖1-11所示

圖1-11 ic隨VCC變化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性

如圖1-12所示

圖1-12 Ucm、Ico、Icm1的變化特性

集電極調製特性動畫演示請點擊

4.放大特性

放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不變時,隨Ubm變化的特性

(1)工作狀態的變化

隨著Ubm從小變大,放大器將由欠壓狀態→臨界狀態→過壓狀態變化

(2) ic波形的變化

如圖1-13所示

圖1-13 ic隨Ubm的變化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的變化特性

如圖1-14所示

圖1-14 Ucm、Ico、Icm1的變化特性

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