电子线路,非线性部分

1、第第 2 章谐振功率放大器章谐振功率放大器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谐振功放：用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。谐振功放：用谐振系统作为匹配网络的功率放大器。 特点：负载特点：负载匹配网络匹配网络为谐振系统为谐振系统应用状态：丙类应用状态：丙类( (或丁类、乙类或丁类、乙类) )用途：对载波或已调波进行功率放大用途：对载波或已调波进行功率放大 种类：丙类谐振功放种类：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 了解

2、高频功率放大器的特点，理解谐振功率放大器了解高频功率放大器的特点，理解谐振功率放大器的工作原理以及实际谐振功放电路的组成，掌握谐振的工作原理以及实际谐振功放电路的组成，掌握谐振功率放大器的负载特性。功率放大器的负载特性。 本章的基本要求与基本知识点：本章的基本要求与基本知识点：预备知识预备知识选频网络选频网络 选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出选出有用有用信号，信号，滤除滤除或或抑制抑制无用信号；无用信号；常用滤波器：常用滤波器：LCLC串、并联谐振回路；集中参数滤波器。串、并联谐振回路；集中参数滤波器。1 1、性能指标、性能指标：v中心频率中心频

3、率 0 0：此点传输系数最大此点传输系数最大v通频带通频带BWBW3 3dBdBv选择性与矩形系数：描述滤波器对带外信号的衰减程度；选择性与矩形系数：描述滤波器对带外信号的衰减程度；v相频特性：要求接近线性。相频特性：要求接近线性。v选频特性选频特性品质因数品质因数Q Q：谐振时一周的耗储能谐振时回路总储能2Q2 2、谐振回路的基本特性、谐振回路的基本特性v谐振频率谐振频率0 0：CLf1200v阻抗特性阻抗特性CL001v选择性：选择性：OV0最大，最大，偏离偏离0 0越大，越大，V Vo o下降越多；下降越多；Q Q 值越大选择性越好值越大选择性越好通频带：通频带：QffBWdB032预备

4、知识预备知识选频网络选频网络 选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选频网络（滤波器）的功能：从众多频率中选出选出有用有用信号，信号，滤除滤除或或抑制抑制无用信号；无用信号；常用滤波器：常用滤波器：LCLC串、并联谐振回路；集中参数滤波器。串、并联谐振回路；集中参数滤波器。 性能指标性能指标：v中心频率中心频率 0 0：此点传输系数最大此点传输系数最大v选择性：选择性：OVff,0最大，最大，偏离偏离0 0越大，越大，V Vo o下降越多；下降越多；Q 值越大选择性越好。值越大选择性越好。2.12.1谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理v谐振频率谐振频率0 0：CLf12002.1

5、.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 ZL 外接负载，呈阻外接负载，呈阻抗性抗性;Lr 和和 Cr 匹配网匹配网络，与络，与 ZL 组成并联谐振组成并联谐振回路。调节回路。调节 Cr 使回路谐使回路谐振在输入信号频率。振在输入信号频率。 VBB 基极偏置电压，使功率管基极偏置电压，使功率管 Q 点设在截止区，点设在截止区，以实现丙类工作。以实现丙类工作。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2集电极电流集电极电流 iC 图图 212输入：输入：vb(t) = Vbmcos st vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st集电极

6、电流集电极电流 iC 傅里叶级数展开：傅里叶级数展开： tItIIisc2msc1m0CCcos2cos 为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和。3输出电压输出电压 vo( (1) )对基波分量对基波分量阻抗最大，为谐振电阻阻抗最大，为谐振电阻 Re在高在高 Q 回路中，回路中， Re 近似为近似为LtrL2r20eRCLRLR 式中，式中，LrLrtCCCCC 回路总电容回路总电容 trs01CL 回路谐振角频率回路谐振角频率Lr0eRLQ 回路有载品质因数回路有载品质因数( (2) )对非基波分量对非基波分量阻抗很小，产生的电压均可忽略。阻抗很小，产

7、生的电压均可忽略。丙类谐振功率放大器谐振回路的功能：丙类谐振功率放大器谐振回路的功能： 选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集电选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的集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。 阻抗匹配：调节阻抗匹配：调节 Lr 和和 Cr ，谐振回路将含有电抗分，谐振回路将含有电抗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。 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( (2) )解决方法解决方法 2.1.2丁类和戊

8、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 饱和导通，饱和导通，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)( (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) ) ； 因结电容、分布

9、电容等影响，实际波形不理想，使因结电容、分布电容等影响，实际波形不理想，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 2.22.2谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点2.2.1近似分析方法近似分析方法 1使用条件使用条件两假设两假设 谐振回路滤波特性理想，即谐振回路滤波特性理想，即:tVVvtVVv coscoscmCCCEbmBBBE 功率管特性用功率管特性用输入输入和和输出静态特性曲线输出静态特性曲线表示，其表示，其参变量采用参变量采用 vBE( (而不是通常的而不是通常的 iB) ) 。 2分析步骤分析步骤 图图 221谐振功率放大器的近

10、似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法( (b) ) 求动态点，画波形；求动态点，画波形； 连动态线，画连动态线，画 iC 波形；波形； 图解积分求分量；图解积分求分量； 计算功率性能。计算功率性能。 ( (1) )求动态点，画波形求动态点，画波形图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法( (a) )设定设定 VBB、Vbm、VCC、Vcm ，将将 t 按等间隔按等间隔( ( t = 0， 15， 30， ) ) 给定数值，给定数值，由：由：tVVvtVVv coscoscmCCCEbmBBBE 便可确定便可确定 vBE 和和 vCE ( (图图 a) )。( (2

11、) )连动态线，连动态线，画画 iC 波形波形：图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法( (b) )根据根据 vB E 和和vCE 值，在输出特值，在输出特性曲线上性曲线上( (以以 vBE 为参变量为参变量) )找对应找对应的动态点，画动的动态点，画动态线态线( (动态点的连动态点的连线线) )，由此可确定，由此可确定 iC 的波形。的波形。 不到不到 VCC，因为，因为导通角小于导通角小于 ( (3) ) 图解积分求得分量图解积分求得分量 IC0 和和 Ic1m谐振电阻谐振电阻c1mcme/ IVR ( (4) ) 计算功率性能计算功率性能DoCoDCm1Cc

12、mo0CCCD/2/PPPPPIVPIVP 2.2.2欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态1VBB、Vbm、VCC 不变，不变， Vcm 由小变大，由小变大，动态动态点点左移左移 欠压欠压状态状态Vcm 的取值，使所对应的的取值，使所对应的动态点均处在放大区。动态点均处在放大区。 0tcmCCxCECEbmBBBEBEVVvvVVvvminmax 过压过压状态状态Vcm 继续增大，使继续增大，使 A ( ( t = 0) )动态点处在饱和区，动态点处在饱和区，iC 迅速减小，迅速减小，电流脉冲出现凹陷，电流脉冲出现凹陷，Vcm 增大，增大，凹陷加深。凹陷加深。 临界临界状态状态Vcm 增大

13、，使增大，使 t = 0 所对应所对应的动态点的动态点 A 处在临界点，处在临界点，iCmax 略微减小。略微减小。 临界状态临界状态：动态点：动态点A A处于放大区和饱和区临界点的状态；处于放大区和饱和区临界点的状态； 欠压状态欠压状态：动态点：动态点A A处于放大区的状态；处于放大区的状态； 为高度为高度和宽度基本不变的余弦冲波和宽度基本不变的余弦冲波 Ci 过压状态过压状态：动态点：动态点A A处于饱和区的状态；处于饱和区的状态； 的高度减小，凹陷加深。的高度减小，凹陷加深。 CcmiV2 iC 的平均分量的平均分量 IC0 与基波分量与基波分量 Ic1m tiI d21C0C ttiI

14、 dcos1Cc1m iC 脉冲越宽，高度越高，脉冲越宽，高度越高，IC0 和和 Ic1m 就越大就越大。如果出现。如果出现凹陷，则凹陷越深，凹陷，则凹陷越深，IC0 和和 Ic1m 就越小就越小。由此可求功率性能由此可求功率性能DoCoDCm1Ccmo0CCCD/ 2/ PPPPPIVPIVP 2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论四个电压量对性能影响的定性讨论一、负载特性一、负载特性 1定义定义指指 VBB、Vbm 和和 VCC 一定，放大器性能随一定，放大器性能随 Re 的变化特的变化特性。性。 2特性特性 Re 的增加势必将引起的增加势必将引起 Vcm 增大增大( (Vcm = Re

15、Icm)功功放欠压放欠压 临界临界 过压过压iC 波形出现凹陷。波形出现凹陷。Re Vcm 3 Vcm、Po、PD、PC、 C 随随 Re 变化的曲线变化的曲线图图 2- -2- -4负载特性负载特性 Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPo C = Po/ PD二、调制特性二、调制特性 图图 225集电极调制特性集电极调制特性两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。两种调制特性：集电极调制和基极调制特性。 1集电极调制特性集电极调制特性 ( (1) )含义含义VBB、Vbm 和和 Re一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VC

16、C 变化的特性。变化的特性。( (2) )调制特性调制特性 欠压状态：欠压状态：随随 VCC 减减小小，集电极电流脉冲高度略，集电极电流脉冲高度略有减小，因而有减小，因而 IC0 和和 Ic1m 也将也将略有减小，略有减小，Vcm( (= ReIc1m) )也也略略有减小有减小。 过压状态：过压状态：随随 VCC 减小减小，集电极电流脉冲的高度降，集电极电流脉冲的高度降低，凹深加深，因而低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将将迅速减小迅速减小。 ( (3) ) 集电极调幅原理电路集电极调幅原理电路 图中：图中： tVtvcbmbcos)( 载波载波tVv cosm 调制信号调制信号t

17、tVtvccmo)cos()( 为为谐振回路上的输出电压谐振回路上的输出电压。 与谐振功放区别：与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压集电极回路接入调制信号电压。图图 227集电极调幅电路集电极调幅电路2基极调制特性基极调制特性 图图 226基极调制特性基极调制特性( (1) )含义含义Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。变化的特性。 ( (2) )调制特性调制特性当当 Vbm 一定，一定，VBB ，iC宽宽度、高度度、高度 ， IC0 Ic1m 、Vcm ，VCEmin ，放大器欠压，放大器欠压 过过压压。过压后，随过压后，随 VBB ，iC

18、宽度、宽度、高度高度 ，凹陷加深，凹陷加深，IC0 和和 Ic1m、Vcm 均增加缓慢，可认为近似均增加缓慢，可认为近似不变。不变。( (3) )基极调幅原理电路基极调幅原理电路 图图 228基极调幅电路基极调幅电路)()(BB0BBtvVtV 基极偏置电压基极偏置电压 使使 Vcm 按按 VBB(t) 的规律变化，放大器工作在的规律变化，放大器工作在欠压状态欠压状态。三、放大特性三、放大特性图图 229放大特性放大特性1含义含义当当 VBB、VCC 和和 Re 一定一定，放大器性能随放大器性能随 Vbm 变化的特性。变化的特性。2特性特性固定固定 VBB，增大，增大 Vbm 与上与上述固定述

19、固定 Vbm 增大增大 VBB 的情况类的情况类似，它们都使似，它们都使 iC 的宽度和高的宽度和高度增大，放大器由欠压进入过度增大，放大器由欠压进入过压，压，图图 229( (a) )。( (1) )谐振功放作为线性功放谐振功放作为线性功放图图 2210 ( (a) ) 线性线性功率放大器的功率放大器的作用作用为了使输出信号振幅为了使输出信号振幅 Vcm 反反映输入信号映输入信号 Vbm 的变化，放大器的变化，放大器必须在必须在 Vbm 变化范围内变化范围内工作在欠工作在欠压状态压状态。( (2) ) 谐振功放作为振幅限幅器谐振功放作为振幅限幅器( (Amplitude Limiter) )

20、图图 2210 ( (b) ) 振幅限幅器的振幅限幅器的作用作用作用：作用：将将 Vbm 在较大范围内的变化转换为在较大范围内的变化转换为振幅恒定的振幅恒定的输出信号输出信号。 特点：特点：根据放大特性，放大器必须在根据放大特性，放大器必须在 Vbm 的变化范围的变化范围内内工作在过压状态工作在过压状态，或，或 Vbm 的最小值应大于临界状态对应的最小值应大于临界状态对应的的 Vbm 限幅门限电压。限幅门限电压。 四、四个特性在调试中的应用四、四个特性在调试中的应用 在调试谐振功放时，上述在调试谐振功放时，上述四个特性四个特性十分有用。十分有用。 例如，例如，设一个丙类谐振功率放大器，设计在临

21、界状态，设一个丙类谐振功率放大器，设计在临界状态，若制作出后，若制作出后，Po 和和 C 均不能达到要求，则应如何进行调均不能达到要求，则应如何进行调整。整。 Po 达不到要求，表明放大器达不到要求，表明放大器没在临界没在临界。若增大。若增大 Re 能使能使 Po 增大，增大，则根据负载特性，断定放大器工作则根据负载特性，断定放大器工作在在欠压状态欠压状态，此时分别增大，此时分别增大 Re、Vbm 和和 VBB 或同时或两两增大均可或同时或两两增大均可使放大器使放大器由欠压由欠压进入进入临界临界；若若增大增大 Re，Po 减小减小，放大器实际工作在，放大器实际工作在过压状态过压状态，可可增大增

22、大 VCC( (同时，适当同时，适当增大增大 Re 或或 Vbm 或或 VBB) )，需，需注意管注意管子安全子安全。 实际上放大器的工作状态除了改变实际上放大器的工作状态除了改变 Re 外还可以根据外还可以根据实际情况通过改变实际情况通过改变 VCC、Vbm、VBB 来判断，不过改变来判断，不过改变 Re 较普遍，但不论改变哪个量都必须保证回路谐振在工作频较普遍，但不论改变哪个量都必须保证回路谐振在工作频率上。率上。 图图 225集电极调制特性集电极调制特性 例 设两个谐振功放具有相同的回路元件参数，它们的输设两个谐振功放具有相同的回路元件参数，它们的输出功率出功率Po分别为分别为 1W 和

23、和 0.6W。若增大两放大器的若增大两放大器的VCC，发现其发现其中中Po=1W 的放大器输出功率增加不明显的放大器输出功率增加不明显， Po= 0.6W的放大器的放大器输出功率增加明显，试分析其原因。输出功率增加明显，试分析其原因。若要增大若要增大Po=1W 放大器的放大器的输出功率，试问还应同时采取什么措施（不考虑功率管的安全输出功率，试问还应同时采取什么措施（不考虑功率管的安全工作问题）？工作问题）？2.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路谐振功放管外电路：谐振功放管外电路： 直流馈电电路直流馈电电路 滤波匹配网络滤波匹配网络2.3.1直流馈电电路直流馈电电路考虑因素：滤波匹配网络安装

24、方便；考虑因素：滤波匹配网络安装方便；馈电电路馈电电路( (Power Supply Circuit) )对滤波匹配网络的影响。对滤波匹配网络的影响。直流馈电电路分为直流馈电电路分为串串馈馈并并馈馈要求：要求：1 1、除晶体管的内阻外，没有其它电阻消耗直流能量；、除晶体管的内阻外，没有其它电阻消耗直流能量；2 2、只有高频基波分量通过负载回路；、只有高频基波分量通过负载回路；3 3、管外电路对高频谐波分量短路。、管外电路对高频谐波分量短路。1 1集电极馈电电路集电极馈电电路图图 231 (a) 231 (a) 集电极集电极直流馈电电路直流馈电电路cCCCEvVv L LC C高频扼流圈高频扼流

25、圈，与，与 C CC C 构成构成电源滤波电路。电源滤波电路。(2)(2)并馈并馈三者三者( (直流电源直流电源 V VCCCC、滤波匹配网络和功率管、滤波匹配网络和功率管) )在电路在电路形式上为形式上为并接并接的馈电方式。的馈电方式。 三者三者( (直流电源直流电源 V VCCCC、滤波匹配、滤波匹配网络和功率管网络和功率管) )在电路形式上为在电路形式上为串接串接的馈电方式。的馈电方式。（1 1）串馈串馈 ( (b) )图图 231集电极直流馈电电路集电极直流馈电电路LC 高频扼流圈；高频扼流圈；CC1 隔直电容；隔直电容；CC2 电源滤波电容。电源滤波电容。在信号频率上，在信号频率上，

26、LC 感抗感抗很大，接近开路，很大，接近开路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。的容抗很小，接近短路。vCE = VCC + vc。与。与串馈电路串馈电路相同。相同。( (3) )串馈与并馈的比较串馈与并馈的比较相同点：相同点：两种馈电方式，两种馈电方式，VCC 都能全部加到集电极上。都能全部加到集电极上。不同点：不同点：滤波匹配网络的接入方式。滤波匹配网络的接入方式。2基极偏置电路基极偏置电路( (1) )作用作用为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。类。( (2) )常用类型常用类型图图 232基极偏置电路基极偏置电路 图图 2

27、32( (a) )，基极偏置电压基极偏置电压由由 VCC 通过通过 RB1 和和 RB2 分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。压。 图图 232 ( (b) )、( (c) )，自给偏置电路。自给偏置电路。图图 232 ( (b) )偏置电路：偏置电路：LB、RB、CB1。RB ：产生压降，提供自偏电压；产生压降，提供自偏电压；LB ：避免避免 RB、CB1 对对输入滤波匹配网络的旁路影响。输入滤波匹配网络的旁路影响。3自给偏置电路自给偏置电路( (1) )自给偏压的产生自给偏压的产生图图 232 ( (b) )，vb 0 i

28、b 0，为为脉冲电流，可分解为脉冲电流，可分解为 IB 0、Ib 1 m、Ib2m 、( (2) )自给偏置自给偏置v(t) = 0， VBE = 0；vb(t) 由小至大由小至大 IB0 随之增大随之增大 VBE = IB0RB 负向增大。负向增大。自给偏置效应：自给偏置效应：这种偏置电压随输入信号电压振幅而这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应。变化的效应。( (3) ) 自给偏置电路的作用自给偏置电路的作用 用于载波功放，可以在输入信号振幅变化时起到自用于载波功放，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用。动稳定输出电压振幅的作用。 用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。

29、用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。 若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，造成输出信号失真，应当避免。造成输出信号失真，应当避免。2.3.2滤波匹配网络滤波匹配网络1位置（输出滤波匹配网络）位置（输出滤波匹配网络）对交流通路而言，滤波匹配网络对交流通路而言，滤波匹配网络( (Filter-Matched Network) )介于功率管介于功率管 T 和外接负载和外接负载 RL 之间。之间。2对滤波匹配网络的要求对滤波匹配网络的要求( ( 2 + 1 条条) )( (1) )变换变换将外接负载将外接负载 RL 变换为变换为放大管所要求的负载

30、放大管所要求的负载 Re，以保证放大器高效率以保证放大器高效率地输地输出所需功率。出所需功率。图图 233基极偏置电路基极偏置电路谐波抑制度谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。：工程上表示滤波性能好坏的参数。设设 IL1m 和和 ILnm 分别为通过外接负载分别为通过外接负载电流电流中中基波基波和和 n 次谐波次谐波分量的振幅，相应的基波和分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波次谐波功率功率分别为分别为 PL 和和 PLn，则对，则对 n 次谐波的次谐波的谐波抑制度谐波抑制度定义为定义为( (2) )滤波滤波充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证在外接充分滤除不需要的高次谐波分量，以保

31、证在外接负载上输出所需基波功率负载上输出所需基波功率( (在倍频器中为所需的倍频功在倍频器中为所需的倍频功率率) )。L1mmLLLlg20lg10IIPPHnnn Hn 越小，网络对越小，网络对 n 次谐波的抑制能力越强。通常次谐波的抑制能力越强。通常n 选选 2，即，即对二次谐波的抑制度对二次谐波的抑制度。( (3) )高效高效将功率管给出的信号功率将功率管给出的信号功率 Po 高效地传送到外接负载上，高效地传送到外接负载上，即要求网络的即要求网络的传输效率传输效率 K = PL/ Po 接近接近 1。 3讨论讨论 ( (1) )谐波抑制度谐波抑制度 Hn 和和 K 间的矛盾间的矛盾 (

32、(2) )说明说明 图图 234LC 谐振回路谐振回路如如图图 234 所示所示，L 和和 C 为滤波网络为滤波网络( (简称简称 L 型网络型网络) )，rL 为为 L 中的中的固有损耗电阻固有损耗电阻，RL 为外接为外接负载电阻负载电阻。令。令L00rLQ 为回路为回路固有品质因数固有品质因数，在高，在高 Q 条件下，它的条件下，它的有载品质因数有载品质因数 )(LLL0LL0eRrrQRrLQ ( (3) )谐振功放匹配滤波网络的基本形式谐振功放匹配滤波网络的基本形式组成原则：由异性质电抗元件构成组成原则：由异性质电抗元件构成2.3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 1电路电路( (