高频谐振功率放大器

大学物理之高频谐振功率放大器思维导图，包括调谐功放的用途与特点、调谐功率放大器的工作原理、调谐功率放大器的动态分析等。

第5章 高频谐振功率放大器

• 调谐功放的用途与特点
  • 用途
    • 将电源供给的直流能量转换为高频交流输出，保证足够远的传输距离，足够大的功率。
  • 特点
    • 工作频率很高，且工作时要求其频带很窄
    • 负载一般都是选频网络（选择有用信号，滤除干扰）
  • 与小信号谐振放大器的异同之处
    • 相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。
    • 不同之处：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。
  • 与非谐振功率放大器的异同
    • 共同之处:都要求输出功率大和效率高。
    • 不同之处：
      • 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(θc＜90°)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。
      • 非谐振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。
  • 工作状态
    • 通常工作与丙类工作状态，属于非线性电路
    • 主要技术指标：输出功率、效率
  • 折线近似分析法——晶体管特性的折线化
• 调谐功率放大器的工作原理
  • 基本原理电路
    • 输入信号经变压器T1耦合到晶体管基－射极，这个信号也称为激励信号。
    •  Ec是直流电源电压；Eb 是基极偏置电源电压。注意：和小信号调谐放大器的偏置不同，这里采用反向偏置，目的是使放大器工作在丙类。
    • L,C组成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也称为槽路。
    • 放大后的信号通过变压器T2耦合到负载RL上。
    • 在实际工作中，为了节省电源，可以不加偏置，或采用自给偏压环节代替Eb
  • 晶体管导通的特点、导通角
    • 静态时管子截止，当激励信号ub超过反偏电压Eb+晶体管起始导通电压Uj时，管子导通
    • 导通角θ：180°甲类，90°乙类，<90°丙类
  • 集电极余弦脉冲电流的分析
    • • 直流分量
      • 基波
      • 谐波
  • 槽路电压
    • 槽路是调谐在信号基波频率的，槽路对基波具有最大的阻抗，并且表现为纯电阻性，而对于其他谐波，其阻抗要小得多，甚至可以忽略不计
    • 槽路电压基本上是一个正弦波即基波。这样，虽然集电极电流是余弦脉冲，但借助于槽路的选频作用，仍可获得基本正弦的电压输出
• 功率和效率
  • 调谐功率放大器五种功率
  • 两种效率
    • 集电极效率ηc
      • • ，θ越小，集电极电流利用系数越大，但θ不易太小，会造成输出功率过小，通常取40°~70°，这是系数为1.7~1.9
    • 槽路效率ηT
      • • 一般Q0为几十到几百，QL为5到10（否则槽路滤波效果太差）
• 调谐功率放大器的动态分析
  • 调谐功率放大器的动态特性
    • • OC：饱和线，BC：晶体管处于放大区的动态线，BA：晶体管处于截至状态的动态线
      • 动态电阻：动态线斜率的倒数。
    • 放大器的动态特性是一条直线
  • 调谐放大器的三种工作状态
    • 一般规定：当Uce=Ube 时的状态为临界饱和（即Ucb=0）；当Uce<Ube 时的状态为过饱和。临界饱和状态和临界放大状态是指同一个意思。
    • 欠压
      • 晶体管工作不进入饱和区,任何时刻都工作在放大状态。
    • 临界
      • 刚刚进入饱和区的边缘。
    • 过压
      • 若有部分时间进入饱和区。
  • Rc,Ec,Eb和Ubm变化对放大器工作状态的影响
    • 负载特性
      • Vcc，Vbb，vb保持不变时，谐振回路的谐振电阻Rp (等效负载)变化时，负载线的变化情况。
        • Rp较小：曲线斜率大，动态特性曲线1，处于欠压状态
        • Rp增加：Vcm增加，斜率绝对值减小，当动态曲线、vb=vbmax静态曲线、临界线相交于A2时，放大器在临界状态
        • Rp继续增加：Vcm增大，斜率减小，进入过压状态，动态曲线穿过临界线后电流下降，凹顶
    • 调谐功放的调制特性
      • 集电极调制特性（Ec变化）
        • 只有在过压状态，Ec 对Ucm才能有较大的控制作用， 所以集电极调幅应工作在过压状态。
      • Vcc对Q点影响
        • Vcc增加：Q点右移，进入欠压区
        • Vcc减小：Q点左移，进入过压区
      • Vbm对工作状态影响
        • 工作于临界状态，Vbm增加，进入过压，反之欠压
      • Vbb对工作状态影响
• 调谐功率放大器的实用电路
  • 直流馈电电路
    • 串馈
      • 由于谐振回路通过旁路电容C1直接接地，所以馈电支路的分布参数不会影响谐振回路的工作频率。串馈电路适于工作在频率较高的情况。
      • 缺点是谐振回路处于直流高电位上，谐振回路元件不能直接接地，调谐时外部参数影响较大，调整不便。
    • 并馈
      • 并馈电路中由于有C2隔断直流，谐振回路处于直流地电位上，因而滤波元件可以直接接地，这样它们在电路板上的安装比串馈电路方便。
      • 但高频扼流圈ZL、隔直电容C2又都处在高频电压下，对调谐回路又有不利影响。特别是馈电支路与谐振回路并联，馈电支路的分布电容，将使放大器c-e端总电容增大，限制了放大器在更高频段工作。
  • 偏置电路
    • 射极电流自给偏压环节
      • 欠压时用
    • 基极电流自给偏压环节
  • 输出和输入匹配电路
• 功率晶体管的高频效应
• 倍频器
  • 丙类倍频器的工作原理
  • 丙类倍频器的功率和效率
    • 为了提高倍频器的输出功率和效率，要选择适当的导通角
  • 单级丙类倍频器一般只作二倍频器或三倍频器使用，若要提高倍频次数，可采用多级倍频器。