大连海事大学本科教学质量与教学改革工程

第2章谐振功率放大器2.1

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2.3

谐振功率放大器电路第2章谐振功率放大器

谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般工作在丙类（或丁类、乙类），主要用在无线电发射机中，用来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构成：匹配网络为谐振系统应用状态：丙类（或丁类、乙类）

2.1

谐振功率放大器的工作原理

在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电路和滤波匹配网络两部分组成。

2.1.1丙类谐振功率放大器

1.电路组成

ZL——外接负载，呈阻抗性，用CL

与RL

串联等效电路表示。

Lr

和Cr

——匹配网络，与ZL

组成并联谐振回路。调节Cr

使回路谐振在输入信号频率。

VBB——基极偏置电压，设置在功率管的截止区，以实现丙类工作。2.集电极电流ic

若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则在输入信号电压的作用下，根据，在静态转移特性曲线(ic～vBE)上画出的集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期。用付里叶级数可将电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和，即3.

输出电压

vo

(1)对基波分量

由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对iC

中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，在高Q回路中，其值Re

近似为式中，

——回路总电容

——回路谐振角频率

——回路有载品质因数

(2)对非基波分量

谐振回路对

iC

中的其它分量呈现的阻抗均很小，平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。

结论：回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而在负载上可得到所需的不失真信号功率。小结：丙类谐振功率放大器的功能

(1)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余弦电压。

(2)阻抗匹配：谐振回路将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re，而且调节

Lr

和Cr

还能保持回路谐振时使Re

等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配。所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹配负载的双重作用。

4.丙类功放的功率特性分析

(1)丙类功放的问题

若提高集电极效率，管子导通时间减小；但引起iC

中基波分量幅度Icm

减小，从而导致输出功率减小。(2)解决方法

①将基极偏置电压VBB向负值方向增大，减少管子导通时间。

②增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅度Vbm，使减小导通时间的同时维持输出功率不变。

③后果：加到基极上的最大反向电压(VBB－Vbm)可能使功率管发射结反向击穿。

在维持输出功率的条件下，一味地减管子导通时间来提高集电极效率的做法往往是不现实的。为进一步提高效率，可采用开关工作的谐振功率放大器——丁类。

2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器

1.丁类简介

(1)电路

Tr次级两绕组相同，极性相反。

T1和T2特性配对，为同型管。(2)原理

若vi足够大，则vi＞0时，T1

饱和导通，T2截止，

vi＜0，T2

饱和导通，T1

截止，A点幅幅值值：：

vA=vA1vA2=

该电电压压加加到到L、C、R串联联谐谐振振回回路路上上，，若若谐谐振振回回路路工工作作在在输输入入信信号号角角频频率率上上，，且其其Q值足足够够高高，，则则可可近近似似认认为为通通过过回回路路的的电电流流iL是角角频频率率为为的余余弦弦波波，，RL上获获得得不不失失真真输输出出功功率率。。(3)性能能特特点点①T1、T2尽管管导导通通电电流流很很大大，，但但相相应应的的管管压压降降很很小小()，管管耗耗小小，，放放大大器器的的效效率率高高。。(90%以以上上)②考虑虑结结电电容容、、分分布布电电容容等等影影响响，，实实际际波波形形如如vA虚线线所示示，，管管子子动动态态管管耗耗增增大大，，丁丁类类功功放放效效率率受受限限。。2.戊类类放放大大器器为了了克克服服这这个个缺缺点点，，在在开开关关工工作作的的基基础础上上采采用用一一个个特特殊殊设设计计的的集集电电极极，，保保证证vCE为最最小小值值的的一一段段期期间间内内，，才才有有集集电电极极电电流流流流通通，，这这是是正正在在发发展展的的戊类类放放大大器器。2.实现现原原理理在丙丙类类谐谐振振放放大大器器中中，，将将输输出出谐谐振振回回路路调调谐谐在在输输入入信信号号频频率率的的n次谐谐波波上上，，则则输输出出谐谐振振回回路路上上仅仅有有iC中的的n次谐谐波波分分量量产产生生的的高高频频电电压压，，而而其其它它分分量量产产生生的的电电压压均均可可忽忽略略，，因因而而RL上得得到到了了频频率率为为输输入入信信号号频频率率n倍的的输输出出信信号号功功率率。。2.1.3倍频频器器1.概念念倍频频器器(FrequencyMultiplier)：将输输入入信信号号的的频频率率倍倍增增n倍的的电电路路。。3.倍频频电电路路②滤滤波波。。谐振振回回路路需需滤滤除除高高于于n和低低于于n的各各次次分分量量。。低低于于n的分分量量幅幅度度较较大大，，滤滤除除较较难难。。倍倍频频次次数数越越高高，，对对谐谐振振回回路路提提出出的的滤滤波波要要求求越越苛苛刻刻，，不不易易实实现现。。(2)变容二二极管管、阶阶跃二二极管管构成参量倍倍频器器，适用用于倍倍频次次数较较高时时。(1)三极管管倍频频器倍频次次数不不能太太高，，一般般为二倍或或三倍倍频。原因：：①效效率。。集电极极电流流脉冲冲中包包含的的谐波波分量量的幅幅度随随着n的增加加而迅迅速减减小。。倍频频次数数过高高，倍倍频器器的输输出功功率和和效率率就会会过低低。作业：：2-1，，2，，42.2谐振功功率放放大器器的性性能特特点2.2.1近似分分析方方法1.概述

非谐振功率放大器：集电极负载为纯电阻，在特性曲线上作负载线，画出激励信号下的集电极电流和电压求出功率性能丙类谐谐振功功率放放大器器：集电极极负载载为包包含电电抗元元件的的谐振振回路路，使使得集集电极极电压压，电电流波波形不不同。。但二二者又又互为为确定定(vCE由iC产生，，而vCE通过基基极宽宽度调调制效效应影影响iC)。要精确确分析析谐振振功放放，要要解非非线性性方程程，繁繁琐。2.谐振功功放的的近似似分析析方法法———准静静态分分析法法(1)方法基基于下下面的的两个个假设设假设一一：谐振回回路具具有理想的的滤波波特性性，只能能产生生基波波电压压（在在倍频频器中中，只只能产产生特特定次次数的的谐波波电压压），，其它它分量量的电电压均均可忽忽略。。所以，，尽管管集电电极电电流为为脉冲冲波，，但集电极极电压压却是余弦的。同同理，，放大大器输输入端端也有有谐振振回路路，尽尽管基基极电电流为为脉冲冲波，，但基极电电压是余弦的，可表示示为：：(2-2-1)假设二二：功率管管的特特性用用输入和输出静静态特特性曲曲线表示，，其高频效效应可忽略略。分分析时时的输输出特特性曲曲线，，其参参变量量采用用vBE，而不不是通通常的的iB。(2)分析步步骤①由由式2-2-1确定vBE和vCE：先设定定VBB、Vbm、VCC、Vcm四个电电量数数值，并将将ωt按等间间隔(ωt=0º，±15º，±30º，……)给定不不同的的数值值，则则vBE和vCE便确定定(图a)。(2-2-1)②由输输出特特性画画iC：根据不不同间间隔上上的vBE和vCE值，在在输出出特性性曲线线上（以vBE为参变变量））找到对对应的的动态态点，，由此此可以以确定定iC值的波波形，，其中中动态态点的的连线线称为为谐振功功率放放大器器的动态线线。(a)(b)不到VCC，因为为导通通角小小于.(3)功率性性能分分析①谐谐振电电阻用付里里叶变变换对对iC脉冲波波进行行分解解，求求出其其中的的平均均分量量IC0和基波波分量量Ic1m。由此此可以以确定定所需需的集集电极极谐振振回路路谐振振电阻阻Re。②功功率性性能(4)讨论四变量量VBB、Vbm、VCC、Vcm不同，，iC的波形形和数数值就就不同同，由由此求求得的的Re及相应应的功功率性性能就就不同同。应应了解解四变变量的的影响响。2.2.2欠压、、临界界和过过压状状态1.VBB、Vbm、VCC不变，，iC随Vcm的变化化规律律(1)iC的宽度度：由图所所示，主要要取决决于VBB、Vbm，VBB、Vbm一定，，iC脉宽近近似确确定，，与Vcm关系不不大。。(2)iC的值：：由当t=0时，当VBB、Vbm即vBEmax为定值时，Vcm↑→vCEmin↓动态点点A左移情况①①————A：Vcm的取值值，使使所对对应的的动态态点处处在放放大区区。情况②②————A：Vcm增大，，使t=0所对应应的动动态点点处在在临界界点，，iCmax略微减减小。。情况③③———A：Vcm继续增增大，，使t=0所对应应的动动态点点处在在饱和和区，，iC迅速减减小，，电流流脉冲冲出现现凹陷陷，且且随Vcm增大，，凹陷陷加深深。

结论：当VBB、Vbm、VCC固定不变，Vcm由小增大时，由大变小，故动态线左移。

2.欠压、、临界界、过过压欠压(Undervoltage)：vCEmin对应的的动态点点处于放大区区。临界(Critical)：：vCEmin对应的的动态点点处于放放大区区和饱饱和区区之间间的临界点点。过压(Overvoltage)：vCEmin对应的的动态点点处于饱和区区。3.iC平均分分量IC0与基波波分量量Ic1m由此可可求功功率性性能。。由于丙丙类工工作，，在管管子导导通期期间，，iC和cosωt均为正正值，，因此此，iC脉冲越越宽，，高度度越高高，IC0和Ic1m就越大大。如果果出现现凹陷陷，则则凹陷陷越深深，IC0和Ic1m就越小小。作业2-5，2-82.2.3四个电电量对对性能能影响响的定定性讨讨论一、负负载特特性1.含义：：谐振振功放放的负负载特特性是指VBB、Vbm和VCC一定，，放大大器性性能随随Re的变化化特性性。2.特性Re的增加加势必必将引引起Vcm增大()Re↑→Vcm↑→vCEmin↓→放大器器欠压压→过压→iC由接近余余弦变变化的的电流流脉冲冲转变为为中间有有凹陷陷的脉脉冲波波。据此可可以画画出Ic0和Ic1m随Re变化的的特性性。Vcm=ReIc1mPo=VcmIc1m/2PD=VCCIC0PC=PD－PoC=Po/PD由IC0和Ic1m的变化化就可可以画画出Vcm、Po、PD、PC、C随Re变化的的曲线线。3.讨论

(1)欠压区：由图(a)，Re由小增大时，iC

脉冲的高度略有减小，相应的IC0、Ic1m

也略有减小，因而由图(b)，Vcm(＝ReIc1m)和Po()近似线性增大，而PD(=VCCIC0)略有减减小，，ηC增大，，PC减小。。(2)过压区区：随Re增大，，电流流脉冲冲高度度减小小，凹凹陷加加深，，相应应的IC0、Ic1m减小，，结果果使Vcm略有增增加，，Po、PD减小，，且Po比PD减小的的慢，，从而而C略有增增加，，PC略有减减小。。(3)匹配负负载：：如果Re的取值值使管管子工工作在在临界界状态态，则则Po最大，，且C较大，PC较小，，放大大器性性能接接近最最佳性性能。。将此此时的的Re称为谐谐振功功放的的匹配负负载，用Reopt表示。。二、调调制特特性包括集电极极调制制和基极调调制两种特特性。。1.集电极极调制制特性性(1)含义：：VBB、Vbm和Re一定，，放大大器性性能随随VCC变化的的特性性。(2)调制特特性：：VBB、Vbm一定，则VBEmax和iC脉宽一一定。而对对应于于VCEmin的动态态点必必定在在vBE=VBEmax的那条条输出出特性性曲线线上移移动。。①欠欠压状状态：：随VCC减小，集电电极电电流脉脉冲高高度略略有减减小，，因而而IC0和Ic1m也将略略有减减小，，Vcm(=ReIc1m)也略有减减小。②过过压状状态：：随VCC减小，集电电极电电流脉脉冲的的高度度降低低，凹凹深加加深，，因而而IC0、Ic1m、Vcm将迅速减减小。2.基极调调制特特性(1)含义：：Vbm、VCC、Re一定，，放大大器性性能随随VBB变化的的特性性。(2)调制特特性：：当Vbm一定，，VBB由负向向正增增大时时，iC不仅宽宽度增增加，，而且且其高高度增增加（（因VBEmax增大）），因因而IC0和Ic1m、Vcm增大，，结果果使VCEmin减小，，放大大器由由欠压压进入入过压状状态。进入过过压状状态后后，随随VBB向正值值方向向增大大，集电极极电流流的宽度和和高度度均增加加，使使凹陷陷加深深，结结果使使IC0和Ic1m、Vcm均将增增大，，但增增大得得十分分缓慢慢，可可认为为近似似不变变。3.调幅电电路调制特特性是晶体体三极极管调调幅电电路的的基本本特性性。(1)集电极极调幅幅原理理电路路图中：：——输入高频载波电压，ωc——载波频频率——调制信号电压，

为调制频率它们与与谐振振功放放电路路的不同仅是集电极极回路路接入入了调调制信信号电电压。为谐振回路上的输出电压。

令作为放大器的等效集电极电源电压。若要求Vcm

按调制信号规律变化，即Vcm(t)按VCC(t)的规律变换，则根据集电极调制特性，放大器必须在VCC(t)的变化范围内工作在过压状态。

(2)基极调调幅原原理电电路——基极偏置电压

使Vcm按VBB(t)的规律律变化化，放放大器器工作作在欠压状状态。三、放放大特特性1.含义：：当VBB、VCC和Re一定，放大大器性性能随随Vbm变化的的特性性。2.特性：：固定VBB，增大大Vbm与上述述固定定Vbm增大VBB的情况况类似似，它它们都都使iC的宽度度和高高度增增大，，放大大器由由欠压压进入入过压压，图(a)。(1)谐振功放放作为线线性功放放时为了使输输出信号号振幅Vcm反映输入入信号Vbm的变化，，放大器器必须在在Vbm变化范围围内工作作在欠压状态态，图(b)。(2)谐振功放放作为振振幅限幅幅器(AmplitudeLimiter)作用：将Vbm在较大范范围内的的变化转转换为振幅恒定定的输出出信号。特点：根据放大大特性，，放大器器必须在在Vbm的变化范范围内工工作在过压状态态，或Vbm的最小值值应大于于临界状状态对应应的Vbm限幅门限限电压。。四、四个个特性在在调试中中的应用用在调试谐谐振功放放时，上上述四个特性性十分有用用。例如，一丙类谐谐振功放放，设计计在临界界状态，，若制作作出后，，Po和C均不能达达到要求求，则应应如何进进行调整整。Po达不到要要求，表表明放大大器没在临界界。若增大大Re能使Po增大，则则根据负负载特性性，断定定放大器器工作在在欠压状态态，此时分分别增大大Re、Vbm和VBB或同时或或两两增增大均可可使放大大器由欠压进入临界。若增大Re，Po减小，放大器器实际工工作在过压状态态，可增大VCC（同时，，适当增大Re或Vbm或VBB），需注意管子子安全。实际上放放大器的的工作状状态除了了改变Re外还可以以根据实实际情况况通过改改变VCC、Vbm、VBB来判断，，不过改改变Re较普遍，，但不论论改变哪哪个量都都必须保保证回路路谐振在在工作频频率上。。2.3谐振功率率放大器器电路在谐振功功率放大大器中，，它的管管外电路路由直流馈电电电路和滤波匹配配网络两部分组组成。2.3.1直流馈电电电路1.串馈与并并馈考虑到滤滤波匹配配网络元元件的安安装方便便，馈电电路路(PowerSupplyCircuit)对滤波匹匹配网络络的影响响。直流馈电电电路分分为(1)串馈：直流电源源VCC、滤波匹匹配网络络和功率率管在电路形形式上为为串接的一种馈馈电方式式。LC——高频扼流流圈，与CC构成电源源滤波电电路。在信号频频率上LC的感抗很很大，接接近开路路；CC的容抗很很小，接接近短路路，目的的是避免免信号电电流通过过直流电电源而产产生级间间反馈，，造成工工作不稳稳定。(2)并馈：直流电源源VCC、滤波匹匹配网络络和功率管在电路形形式上为为并接的一种馈馈电方式式。LC——高频扼流流圈，CC1——隔直电容容，CC2——电源滤波波电容要求在信信号频率率上，LC的感抗很很大，接接近开路路，CC1、CC2的容抗很很小，接接近短路路。此时，虽虽然电源源与滤波波匹配网网络在形形式上是是并联的的，但滤滤波匹配配网络两两端电压压vc(t)直接反映映在LC上，因而有。与串馈电路相同。(3)串馈与并并馈的比比较：相同点：：两种馈电电方式，，VCC都能全部部加到集集电极上上；不同点：：滤波匹配配网络的的接入方方式。①串馈馈：滤波匹配配网络处处于直流流高电位位上，网网络元件件不能直直接接地地。②并馈馈：由于CC1隔断直流流，匹配配网络处处于直流流地电位位上，网网络元件件可直接接接地，，安装比比串馈方方便。但但LC和CC1与匹配网络络相并联，，它们的的分布参参数影响响网络调调谐。2.基极偏置置电路(1)作用：为放大电电路提供供合适的的偏置电电压，使使功率管管工作在在丙类。。(2)常用类型型：三种常用用的基极极偏置电电路。①图(a)，，基极偏置置电压由VCC通过RB1和RB2分压提供供，为保保证丙类类工作，，其值应应小于功功率管的的导通电电压。②图(b)、（c），，自给偏置置电路。。图(b)偏置电路路：LB、RB、CB1。RB——产生压降降，提供供自偏电电压；LB——避免RB、CB1对输入滤滤波匹配配网络的的旁路影影响图(c)偏置电路路：LB——产生压降降，提供供自偏电电压；3.自给偏置置电路(1)自给偏压压IB0的产生以图(b)为例，ib为脉冲电电流，可可分解为为IB0、Ib1m、Ib2m…由基尔霍霍夫定律律得电流i2通路有高高频扼流流圈LB，只有直直流电流流可以通通过，而而ib中的直流流分量为为IB0，故i2为IB0。ibi2i1(2)称为自给给偏置的的原因：：当未加输入入信号时，，偏置为零零；当输入入信号由小小增大时，，由于IB0相应增大，，加到B-E间的偏置电电压VBE=IB0RB均将向负值值方向增大大。这种偏偏置电压随随输入信号号电压振幅幅而变化的的效应称为为自给偏置效效应。(3)自给偏置电电路的作用用：①用于放大等等幅载波信信号的功率率放大器，，可以在输输入信号振振幅变化时时起到自动动稳定输出出电压振幅幅的作用。。②用于正弦振振荡器，可可以提高振振荡幅度的的稳定性。。③若用于线性性功率放大大器，会使使放大器偏偏离乙类工工作，造成成输出信号号失真，应应当避免。。1.串联谐振回回路(1)电路：r——固有损耗电电阻(2)分析式中，。称为谐振频率。此时，回路电流达到最大，并且与电压同相。引入参数——有载品质因数Qe越大，频率率选择性越越强，滤波波效果越好好。——固有品质因数由于R0、RC使Qe小于Q0，增加了通通频带宽，，要改善必必须增大Re，除选用Q0大的电压外外，还要电电压源RS小，并限制制RL。2.并联谐振回回路(1)电路(2)分析令回路总电电导为0，求得谐振角频率率，此时，输输出电压V最大，并与与I同相。令

——有载品质因数——固有品质因数要增大的电流源，的负载。2.3.2滤波匹配网网络1.位置：对交流通路路而言，滤滤波匹配网网络(Filter-MatchedNetwork)介于功率管管T和外接负载载RL之间。2.对滤波匹配配网络的要要求（3条条）(1)变换——将外接接负载RL变换为放大大管所要求求的负载Re，以保证放放大器高效效率地输出出所需功率率。(2)滤波——充分滤滤除不需要要的高次谐谐波分量，，以保证在在外接负载载上输出所所需基波功功率(在倍频器中中为所需的的倍频功率率)。工程上用谐波抑制度度Hn表示滤波性性能的好坏坏。设IL1m和ILnm分别为通过过外接负载载电流中基波和n次谐波分量的振幅幅，相应的的基波和n次谐波功率分别为PL和PLn，则对n次谐波的谐波抑制度度定义为Hn越小，网络络对n次谐波的抑抑制能力越越强。通常常n选2，即对二次谐波波的抑制度度。(3)高高效——将功率管给给出的信号号功率Po高效地传送送到外接负负载上，即即要求网络络的传输效率接近1。3.讨论(1)谐波抑制度度Hn和传输效率率ηK间的矛盾在实际滤波波匹配网络络中，提高高谐波抑制制度Hn，就会牺牲牲传输效率率ηK，反之亦然然。(2)说明通过LC并联谐振回回路来简要要说明。图中L和C为滤波网络络(在谐振振功放中，，简称L型网络络)，rL为L中的固有损耗电电阻，RL为外接负载电阻。令为回路固有品质因因数，在高Q条件下，它它的有载品质因因数Qe近似为显然，当Q0一定时，Qe越小，即RL越大于rL，相应的ηK就越大。但但Qe越小，回路路谐振曲线线越平坦，，对谐波的的抑制能力力就越差。。谐振功放匹配滤波网网络的基本形式式两种（F2-3-4，F2-1-4）。其作用：阻阻抗匹配、、选频滤波波。满足上述要要求的匹配配滤波网络络形式有多多种。不论形式有有何不同，，均可由下下述串-并并联阻抗变变换公式将将其等效为为上述两种种基本网络络的组合。。常用滤波匹匹配网络的的结构、组组成元件的的表达式参参阅教材表表2-3-1。4.串、并联阻阻抗转换公公式若将一个由由电抗和电电阻相串接接的电路与与相并接的的电路等效效转换，根根据等效原理，令两者的的端导纳相等等，即(1)串转并公式式由此得(2)并并转串公式式

(3)说明①式中，②Xp和Xs为实数③电容：：XＣ电感：XL＝L上述各式表表明，Qe取定后，Rp和Rs，Xp和Xs之间可以相相互转换。。转换前后后的电抗性性质不变(Xs和Xp有相同的正正负号)。5.滤波匹配网网络的设计计在谐振功率率放大器中中，为了提提高传输效效率，回路路的有载品品质因数都都较小，一一般在10以下。考虑虑到谐波抑抑制度，常常用的滤波波匹配网络络除了上述述最简单的的L型外，更多的的是由三个个电抗元件件组成的、T型以及由它们们组成的多多级混合网网络。下面面就介绍滤波匹配网网络的阻抗抗变换特性性。假设滤波匹匹配网络的的固有损耗耗电阻为零零，即回路传输效效率趋近于1，外接负载电电阻为RL，要求与Re和C0的串接或并并接阻抗相相匹配，C0为功率管的分