REZONANSOWE WZMACNIACZE

MOCY WIELKIEJ

CZĘSTOTLIWOŚCI

• Zasada pracy i ogólne

własności
rezonansowych
wzmacniaczy mocy
klasy C

• Zależności

energetyczne w
układzie

• Wnioski wynikające z

analizy pracy
wzmacniacza klasy C

• Wpływ częstotliwości

sygnału sterującego
na pracę wzmacniacza
w klasie C

• Rozwiązania układowe

wzmacniaczy klasy C

• Rezonansowe

wzmacniacze w.cz.
klasy D i klasy E

Prof. Stanisław Kuta
Katedra Elektroniki AGH
e-mail:
[e-mail]

k
k

u

0

 

dB

0

 3

 20

f

f

0

2

3

f

dB

2

20

f

dB

Charakterystyka
modułu
wzmocnienia
wzmaczniacza
selektywenego

1

2

2

20

3

20

3











dB

dB

dB

dB

f

f

B

B

p

dB

f

f

B

f

Q

dB

3

0

3

0

2





Dobroć obwodu

L

C

1

2

L

C

r

L

1

2

L

C

G

R

0

0

1



1

2

a)

b)

c)

Modele obwodu rezonansowe-go LC:
a) obwód idealny,
b) straty skupione w gałęzi indukcyjnej
c) przybliżony model obwodu stratnego
z elementami równoległymi

 

   











jB

G

L

j

r

C

j

j

Y

L











1





































2

2

0

2

2

0

2

2

1

1

1

L

r

L

C

r

C

L

L

L

r







LC

/

1

0





 

 

r

r

G

B

Q







0

0

)

(



r

B



L

L

r

Q

r

L

Q







0

2

0

2

2

0

2

2

0

2

2

0

2

1

1

1

















































L

L

r

Q

L

r

 

L

j

G

L

j

r

Y

r

r

L

r

L







1

1

0









1



L

Q

L

C

r

r

C

L

r

Q

r

Q

C

L

Q

G

L

L

L

L













2

2

0

2

2

0

2

0

0

0

0

0

0

1

1









0

0

0

0

0

0

0

0

/

1

/

1

G

L

C

L

G

G

C

r

C

L

C

r

r

L

Q

L

L

L





















Przeliczenie r

L

na

G

0

 







































LC

LC

L

C

G

j

G

L

j

C

j

G

j

Y











1

1

1

1

0

0

0















0

0

0

0

0

0

1

1

jQ

G

jQ

G













































0

0





- znormalizowane odstrojenie

 

 













































0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

Q

j

R

Q

j

G

j

Y

j

Z





















0

2

2

0

0

2

0

0

0

0

0

0

tg

arc

exp

1

1

1

Q

j

Q

R

j

Q

j

Q

R

j

























Impedancja Z(j

 jest funkcją jednobiegunową względem znormalizowanego odstrojenia ,

dwubiegunową względem zmiennej j



Z

R

0



0



1

0

Q

1

0

Q

1

05

.



arctgQ

0



0





2





2

2

2

Charakterystyki częstotliwościowe obwodu rezonansowego





































0

0

0

2

0

0

1

2

1

1

2

1

4

1

1

Q

Q

Q











































0

0

0

2

0

0

2

2

1

1

2

1

4

1

1

Q

Q

Q







0

0

1

2

3

0

Q

f

f

f

B

dB













0

0

0

0

0

0

2

0

2

2

2

f

f













































L

L

r

Q

r

L

Q







0

L

C

r

r

C

L

r

Q

r

Q

C

L

Q

G

L

L

L

L













2

2

0

2

2

0

2

0

0

0

0

0

0

1

1









0

0

0

0

0

0

0

0

/

1

/

1

G

L

C

L

G

G

C

r

C

L

C

r

r

L

Q

L

L

L





















+

-

u

i

u

S

 

u

t

i



U

BB

 0

u

O

+

-

C

L

element

wzmacniaj cy

ą

R

L



u

i

O

i

S

U

CC

 0

Schemat blokowy
wzmacniacza klasy C

t

U

om

 

u

t

O



i u

,

U

T

U

BB

u

S

i

O

g

i

u

m

O

S







= const

 

u

t

i



U

sm

2 0







2

3 2



t

t

I

om

  0

 

2



3 2



2



 

u

t

S



U

T

U

BB

 

 

u

t

u

t U

S

i

BB











0





2

3 2



 

i

t

O



2



U

CC

 

u t



0

0'

0'

Charakterystyka robocza i przebiegi czasowe w idealnym

wzmacniaczu rezonansowym klasy C





























T

BB

sm

T

BB

sm

m

T

BB

sm

om

U

U

U

U

U

U

g

U

U

U

I

dla

0

dla





























T

BB

sm

T

BB

sm

m

T

BB

sm

om

U

U

U

U

U

U

g

U

U

U

I

dla

0

dla

T

BB

sm

U

U

U









cos





m

sm

om

g

U

I







cos

1

Dl
a





t





cos

0

cos

t

U

U

u

U

t

U

U

u

om

CC

O

BB

sm

BB

S



















CC

BB

S

sm

om

O

U

U

u

U

U

u









B

t

I

A

i

om

O

-

cos



+

-

u

i

u

S

 

u

t

i



U

BB

 0

u

O

+

-

C

L

element

wzmacniaj cy

ą

R

L



u

i

O

i

S

U

CC

 0

























0

=

0

=

t

i

I

t

i

O

om

O

















0

cos B

I

A

I

B

I

A

om

om

om















































t

t

t

I

i

om

O

dla

0

dla

cos

cos

cos

1





















sm

T

BB

U

U

U

cos

arc

 

 

 

 









 

2

cos

1

1

2

sin

cos

cos

sin

cos

1

cos

sin

cos

1

cos

sin

2

1

1

0





































































k

dla

I

k

k

k

k

k

I

I

I

I

I

I

I

i

I

I

k

om

om

omk

om

om

om

om

om

o

CC

O







































- współczynniki rozkładu impulsu kosinusoidalnego

 



k



 

 

 

g

1

1

0













- współczynnik kształtu

U

I

R

E

om

om

L

C





1











U

U

U

U

U

om

CC

om

om

Omin

30

60

90

120

 







150

180

0



1



2



0



3



4



5



6

g

1

1

0







0

01

.

05

.

04

.

03

.

02

.

0

04

.

08

.

 01

.

12

.

2

16

.

 

g

1



C

AB

B

A

Współczynniki rozkładu impulsu
kosinusoidalnego

 

P

I U

I

U

L

om

om

om

CC





1

2

1

2

1

1







 

P

I U

I

U

D

CC

CC

om

CC







0



 

 

 

















P

P

g

L

D

1

2

1

2

1

0

1











P

P

P

P

P

P

P

C

D

L

D

D

D

L









 













1

1

• moc wyjściowa

 

2

1

P

I U

L

om

CC









• moc dostarczona

 

2

2

0

P

I U

D

om

CC



 

• sprawność

 





05

1

, g



30

60

90

120

150

180

0

0

02

,

10

,

08

,

06

,

04

,

122

05

,

055

,



4

 

 

2

2

0

1

P

I U

C

om CC













dla =1



 

2

2

0

P

I U

D

om CC







 

2

1

P

I U

L

om CC









 





05

1

, g 



Zależność mocy i sprawności od kąta
przepływu

Wnioski

• Przy stałej wartości szczytowej impulsu kosinusoidalnego prądu wyjściowego
oraz przy stałym współczynniku wykorzystania napięcia zasilającego , moc
wyjściowa rośnie, gdy kąt przepływu prądu wyjściowego rośnie

• Przy stałej wartości szczytowej impulsu prądu wyjściowego, moc dostarczona
rośnie, gdy kąt przepływu rośnie

• Przy stałej wartości współczynnika wykorzystania napięcia zasilania sprawność
wzmacniacza rośnie, gdy kąt przepływu maleje

• wymagania odnośnie dużej mocy wyjściowej i dużej sprawności są sprzeczne i w
warunkach rzeczywistych wymagany jest kompromis

W klasie A





























0

1

1

05

1







 

 

 







,

g

 

 

 













2

1

2

1

2

1

1

0

1















g

P

P

D

L

W klasie B







/ 2

















0

1

1

1

2

1

2

05

2































































,

U

U

I

R

I R

om

CC

om

L

om

L

I

U

R

P

I

U

U

R

P

I

U

U

R

g

om

CC

L

L

om

CC

CC

L

D

om

CC

CC

L









































































































   

1

1

2

2

0

2

1

2

1

2

2

2

2

2

1

2

2

4









• wzmacniacz w klasie C może być użyty jako k-krotny powielacz częstotliwości, czyli
wzmacniacz k-tej harmonicznej



opt

k



2

3



• obwód rezonansowy o impedancji Z zapewnia wyodrębnienie składowej podstawowej
i filtrację pozostałych harmonicznych









 

 

U

U

Z

k

I

Z

I

Q k

k

omk

om

o

omk

o

om

k

1

1

1

1

1























 









Zakres stosunkowo małych częstotliwości

 





u

CE

i

C

t

2

U

CC

2

2

i

i

C

B

,

i

C

i

B

i

B

i

B

i

C

i

C

S

S'

S''

S

S'

P

G

U

CEmin

Q

S''

u

BE

U

U

U

BE

bem

BB

max





t

Charakterystyka robocza w polu charakterystyk
kolektorowych tranzystora

Zakres średnich częstotliwości













T

t

2 2 



op



op



90

270

180

0

02

,

04

,

08

,

06

,

1

i

C

u

i

BE

C

g

,

,





0

i

C

g

,





1

i

C

g

,





10

i

C

g

,





3

t

2



90

270

180

0

i

B

u

BE

i

B

g

,





3

i

B

g

,

,





03

i

B

g

,





1

1

i

B

g

,





0

i

B

g

,





3

02

,

04

,

06

,

08

,

Przebiegi czasowe napięć i prądów tranzystora pracującego
w klasie C, przy

różnych częstotliwościach roboczych

R

B

 U

CC

a)

C

B

R

L

L

C

C

b

D

w cz

ł

. .

R

B

U

CC

C

B

R

L

L

C

C

b

D

w cz

ł

. .

b)

R

L

C

B

R

B

C

B

R

B

C

L

D

w cz

ł

. .

C

b

U

CC

c)

Rezonansowe wzmacniacze klasy
C: a) wzmacniacz w konfiguracji OE,
b) wzmacniacz w konfiguracji OB,
c) wzmacniacz przeciwsobny

REZONANSOWE WZMACNIACZE

MOCY W.CZ. KLASY D

I KLASY E

Rezonansowe wzmacniacze klasy D i klasy E o mocy

wyjściowej do kilkuset [W] i częstotliwości kilkunastu

[MHz] są realizowane przy użyciu bipolarnych

tranzystorów mocy w.cz., a w szczególności przy użyciu

polowych tranzystorów mocy typu VMOS. Głównie

dzięki właściwościom tranzystorów VMOS

wzmacniacze klasy D i E znalazły bardzo szerokie

zastosowanie w praktyce i stały się głównym sposobem

realizacji rezonansowych wzmacniaczy mocy we

wspomnianych wyżej zakresach mocy i częstotliwości.

W porównaniu do wzmacniaczy klasy C, wzmacniacze

klasy D i klasy E charakteryzują się nie tylko większą

sprawnością energetyczną i lepszym wykorzystaniem

napięciowym i prądowym elementów aktywnych

(pozwala to na uzyskanie dużo większej mocy

wyjściowej przy tym samym elemencie aktywnym), ale

także mniejszą zawartością wyższych harmonicznych w

sygnale wyjściowym.

Wzmacniacz klasy D z komutacją napięcia:

a) stopień końcowy,

b) przebiegi czasowe w układzie

W czasie trwania ujemnego napięcia z układu

sterującego, tranzystor M1 zostaje załączony, a

tranzystor M2 wyłączony. Napięcie , pomniejszone o

niewielki spadek napięcia na przewodzącym

tranzystorze M2, zostaje podane na szeregowy obwód

rezonansowy W czasie trwania dodatniego półokresu

napięcia sterującego , następuje wyłączenie tranzystora

M1 oraz załączenie tranzystora M2. W wyniku takiej

pracy tranzystorów, szeregowy obwód rezonansowy

zostaje pobudzony napięciem w kształcie

symetrycznej fali prostokątnej o wartości

międzyszczytowej U

DD

.

Szeregowy obwód rezonansowy, dostrojony do

częstotliwości sygnału sterującego, wydziela pierwszą

harmoniczną z przebiegu prostokątnego. Przez

tranzystory M1 i M2 przepływa prąd o kształcie połówek

sinusoidy oraz o wartości maksymalnej ograniczonej

rezystancją obciążenia.

Napięcie i prąd w obciążeniu





t

U

U

u

DS

DD

L







sin

2

2

min







t

R

U

U

i

Ls

DS

DD

L







sin

2

2

min



Moc użyteczna





P

U

U

R

L

DD

DS

Ls





2

2

2

2

min



Średnia wartość prądu dostarczonego z zasilacza





I

U

U

R

DD

DD

DS

Ls





2

2

2

min



Moc dostarczona z zasilacza





P

U

U

U

R

D

DD

DS

DD

LS





2

2

2

min



Sprawność wzmacniacza





 

P

P

U

U

L

D

DS

DD

1

2

min

R

Ls

– rezystancja obciążenia

szeregowego obwodu
rezonansowego

Wzmacniacz klasy D w.cz. z komutacją prądu:

a) stopień końcowy,

b) przebiegi czasowe w układzie

Napięcie i prąd w obciążeniu

Moc użyteczna

Średnia wartość prądu dostarczonego z zasilacza

Moc dostarczona z zasilacza

Sprawność wzmacniacza





u

U

U

t

L

DD

DS







min

sin







i

U

U

R

t

L

DD

DS

Lr







min

sin







P

U

U

R

L

DD

DS

Lr







2

2

2

min





I

U

U

R

DD

DD

DS

Lr







2

2

min





P

U

U

U

R

D

DD

DD

DS

Lr







2

2

min

Napięcie na dławiku w. cz.





u

U

U

t

DD

DS

1

2

1















min

sin









 

P

P

U

U

L

D

DS

DD

1

min

Niesymetryczny wzmacniacz klasy E
z równoległym kondensatorem: a) stopień końcowy,
b) uproszczony model wzmacniacza, c) idealizowane
przebiegi czasowe w układzie

 





 

 

u

t

U

n

du

t

d

t

DS

DS

DS

t

n




























2

0

0

2

n = 0, 1, ...



C

R

Q

Q

L

L

L

1

2

1

5447

1

081

4

















,

,



C

Q

R

Q

L

L

L

2

1

1

111

17879



















,

,

L

Q R

L

2





X

L

X

C

L

C











2

2

1

Maksymalny prąd tranzystora

I

I

I

D

DD

DD

max

,















 



2

4

2

1

28611

Maksymalne napięcie na tranzystorze

U

U

U

DS

DD

DS

max

min

,

,





3562

2562

Amplituda napięcia wyjściowego





U

U

U

Lm

DD

DS







4

4

2



min

Amplituda prądu wyjściowego

I

U

R

U

U

R

Lm

Lm

L

DD

DS

L









4

4

2



min

Moc wyjściowa

P

U I

U

U

R

L

Lm Lm

DD

DS

L









2

8

4

2

2



(

)

min

Prąd zasilania

I

U

U

R U

DD

DD

DS

L

DD







8

4

2

2

(

)

(

)

min





Sprawność wzmacniacza



































  













1

2

3

1

2

3

1

2

2

2 3

A

U

U

A

A

A

DS

DD

min

/

A

Q

f t

f

 













1

082

11525

,

,

t

f

- czas opadania prądu drenu, przy wyłączaniu tranzystora

Moc zasilania

P

P

U

U

R

D

L

DD

DS

L















8

4

2

2

(

)

min





f

R C

R C

L

L

max

min

min

,







4

4

002922

2

2

1

1

 