高频功率谐振放大器，最佳阻抗怎么调整

Seven_ZGY

高频功率谐振放大器，最佳阻抗怎么调整 [复制链接]

 

小弟获得一个电路，已经应用，但是不知道其原理，三极管工作在丙类状态，要求是通过改变L2,L3,L4,C4,C7,C8，或者变压器变比，要求R10在500欧姆负载时，获得的功率最大，即100-500欧姆功率递增，500到3000欧姆功率递减，问题是不知道怎么确定的这个最大功率负载，比如我想要400欧姆功率最大，或者600欧姆功率最大，应该怎么样调整参数。个人愚见，信号通过三极管半波或者小于半波导通，在变压器初级产生脉冲的励磁电流，通过变压器耦合过去，再经过LC谐振网络，将不规则的信号谐振为全波正弦信号，我分析LC除了谐振，还有阻抗匹配的作用，但是阻抗如何匹配，该如何分析，请各位大神指点一二。。或者我分析错误，请各位指正。

PowerAnts

大学《线性电路》的高频电路部份有阻抗变换，可以用专门的阻抗变换电路，也可以让滤波器本身附加阻抗变换功能

Seven_ZGY

PowerAnts 发表于 2020-10-26 20:51 大学《线性电路》的高频电路部份有阻抗变换，可以用专门的阻抗变换电路，也可以让滤波器本身附加阻抗变换功 ...

请问是《电子线路》线性部分，还是就叫线性电路，这本书没有百度到

PowerAnts

Seven_ZGY 发表于 2020-10-27 08:57 请问是《电子线路》线性部分，还是就叫线性电路，这本书没有百度到

高频电路分线性和非线性，阻抗变换在线性部份，映象中是这样。线性电子电路不就是线性电路？难道还有线性非电子电路？

gmchen

L2,L3,L4,C4,C7,C8是低通型的阻抗匹配网络，它们将负载R10变换到T2的次级，然后T2再将此阻抗变换到晶体管集电极。除了R10外，其余电阻电容在分析时可忽略。RC阻抗变换网络在高频电路或线性电路的教科书中通常都会有。实际设计时也常常用Smith圆图进行。

gmchen

首楼的电路是一个C类高频放大器。

C类放大器的特点是它的输出波形仅仅是正弦的一部分，后续的LC网络将其中的基频分量取出到负载，同时也将负载阻抗变换到晶体管集电极成为晶体管等效负载。

楼主的问题可分为以下几个：1、负载电阻的变化与输出功率的关系如何？

C类放大器可以工作在过压区、临界区与欠压区三个不同的区域。

当其他条件不变时，在晶体管集电极看到的等效负载阻抗变小，工作状态向欠压状态移动；负载阻抗变大，工作状态向过压状态移动。

工作状态向欠压状态移动时，集电极输出电压的峰值（也就是基波电压峰值）迅速变小，但是集电极电流的变化很小，所以输出功率迅速变小。

工作状态向过压状态移动时，集电极输出电压的峰值变化很小，近似恒压源，但是集电极电流变小并出现顶部凹陷，导致其中基频成分变小，输出功率也迅速变小。

综上所述，在临界区可以得到最大的输出功率，工作在其他两个区则输出功率迅速下降。

gmchen

楼主的问题的第二点是：如何确定临界负载电阻？

首先看看C类放大器的负载电阻与晶体管输出特性的关系，下图是一个简化了的示意图：

图中红色线是临界状态的集电极等效负载线，两根蓝色线分别是工作在过压状态（re大）与欠压状态（re小）的负载线。显然负载线与集电极等效负载大小有关、与晶体管的beita与基极输入电压Vbm有关、与晶体管静态工作点有关（影响的是负载线右下角的起点位置），这些就是确定临界负载的必要条件。

gmchen

楼主问题的第三点是：如何让负载电阻变换到集电极？

这个问题我已经在5楼作了回答，具体的过程稍为复杂，下面尝试介绍一下。

由于C类放大器的输出除了基频外，还有很多高次谐波，所以其后的阻抗变换网络通常总是低通LC网络。这种网络的变换原理如下：

RC并联网络变换为RC串联网络，R_L变换为R_e，C变换为C'，L与C' 必须谐振在工作频率f₀，其谐振阻抗为0，而R_e就是从网络左端看进去的等效电阻。

变换公式如下：

Q=RL*(2*pi*f0*C)

C'=C*(1+1/Q^2)

Re=RL/(1+Q^2)

 

 

gmchen

楼主的电路中有3节LC，从最右边的那节开始，用上一楼的公式计算等效到LC左侧的电阻Re。然后用此电阻作为第二节的负载，重复上述计算，直到三节都计算完，就得到在变压器次级看到的等效负载电阻。再用变压器的匝数比平方算得其初级的等效电阻，就是负载电阻等效到晶体管集电极的等效电阻。

上述计算中没有计入LC的损耗，根据实际情况可能还要计入损耗电阻。

gmchen

如果计算得到的C'与L的谐振频率与工作频率不等，说明等效到LC左侧的阻抗不是一个纯电阻，其中带有电抗成分（就是谐振LC中剩余的部分），则这部分电抗成分可以合并到前面一个LC节中进行计算。如果最后一节还有电抗，说明等效的集电极负载带有电抗。通常这是一个正常的现象，因为晶体管的输出阻抗中也带有电抗，需要外部电抗与它匹配。

gmchen

补充说明一点。遇到10楼这种匹配网络带有电抗的情况，用8楼的公式比较麻烦且不直观，此时用Smith圆图分析就很简单也很直观。关于Smith圆图就不太适合在这一个回帖中讨论了，可以找一本高频或射频的教科书参考。

gmchen

大致估算了一下楼主的电路，晶体管集电极等效负载大约在3欧姆左右，最大输出功率大约在70W~80W左右。这是估计值，不知楼主的实际值是否与之吻合？

Seven_ZGY

gmchen 发表于 2020-11-19 13:01 大致估算了一下楼主的电路，晶体管集电极等效负载大约在3欧姆左右，最大输出功率大约在70W~80W左右。这是估 ...

差不多，再请问一个问题，集电极等效负载在3欧，怎么估计出输出功率在80w左右呢，

gmchen

Seven_ZGY 发表于 2020-12-2 15:20 差不多，再请问一个问题，集电极等效负载在3欧，怎么估计出输出功率在80w左右呢，

1、晶体管的基极偏置电压为+0.7V，所以可以判断晶体管的工作状态大约是B类，或者说它的导通角大约是90度。

2、电路使用的集电极电压为50V。在导通角为90度的情况下，输出的集电极电压（尖顶余弦脉冲）峰值大约是50V减去晶体管的饱和压降（前提是输入型号幅度足够，使得晶体管工作在临界状态），假设晶体管的饱和压降为2V，则输出的尖顶余弦脉冲电压峰值为48V。据此可知集电极电流（也是尖顶余弦脉冲）的峰值为48/3=16A。

3、将次尖顶余弦脉冲分解。当导通角为90度时，其中基频成分的系数为0.5，所以基频分量的电流峰值为8A，有效值为5.6A。

4、在3欧姆负载上的基频功率为P=[(5.6)^2]*3=94W，但是要考虑损耗，包括晶体管可能没有工作在最佳状态，导通角可能小于90度，以及后面的阻抗匹配网络的损耗等，乘个0.8的系数（这是一个很主观的判断）就是80W左右。

gmchen

这些估算都是根据电路图作出的，有很大的变化裕量，但是大致的数量应该是不差的，楼主的实验结果证实了这个估算结果，证明了电路的工作状态、导通角等参数与估算的相差不大。

gmchen

14楼的分析，反过来就是设计功放的依据，楼主在此贴开始提的问题也可以从中得到一些答案。

Seven_ZGY

gmchen 发表于 2020-12-2 21:00 这些估算都是根据电路图作出的，有很大的变化裕量，但是大致的数量应该是不差的，楼主的实验结果证实了这个 ...

嗯嗯，是的，太感谢了