第二章谐振功率放大器

第二章谐振功率放大器要求：掌握谐振功率放大器的工作原理，负载特性，了解调制特性和放大特性，熟悉实际电路组成;2.1概述在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器按工作频带的宽窄可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器通常以LC并联谐振回路作负载，因此又称为谐振功率放大器。宽带高频功率放大器以传输线变压器为负载，因此又称为非谐振功率放大器。

在低频电子线路课程中，已经建立了一个很重要的概念,即功率放大器的实质是:将直流电源供给的直流功率转换为交流输出功率。在转换过程中，不可避免地存在着能量的损耗，这部分损耗的功率通常变成了热能。若损耗功率过大．就会使功率放大器因过热而损坏。高频功率放大电路对高频已调波信号进行功率放大,然后经天线将其辐射到空间,所以要求输出功率很大。

输出功率大,从节省能量的角度考虑,效率更加显得重要。因此，功率放大器研究的主要问题就是如何提高效率，减小损耗及获得大的输出功率。功率放大器的效率与什么有关？

功率放大器的效率与其放大器件的工作状态有直接关系，为了提高效率，高频功率放大器多选择在丙类或丁类，甚至戊类工作状态。晶体管放大电路有哪些工作状态？ECICEO

uCE

iCO••Q•••Q•截止区饱和区

对于谐波抑制度要求很高的高频功率放大器，通常选用甲类或甲乙类推挽工作状态，以使晶体管工作在线性放大区。显然，效率不高，且输出功率不可能太高。若要求输出功率高，可以采用功率合成的办法来提高。晶体管在这样的工作状态下，输出电流波形失真很大,怎么办？必须采用具有一定滤波特性的选频网络作为负载，以得到接近正弦波的输出电压波形，多用于推动级和末级作功率放大，其谐波抑制度不可能做得很高。高频功率放大器的主要指标是高频输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度等。这几项指标往往是相互矛盾的。在设计功率放大器时，总是根据放大器的待点，突出其中的一些指标，兼顾另外一些指标。例如，对于发射机的输出级，其特点是希望输出功率最高，对应的效率不一定会最高；对于单边带发射机，则要求功率放大器非线性失真尽可能小，也就是谐波抑制度是设计的主要问题。显然，在这类功率放大器中，效率是不很高的。高频功率放大器常用的有源器件是：晶体管、场效应管和电子管，输出功率在1KW以下的功率管常采用晶体管；而对1KW以上的则主要采用电子管，本章主要讨论晶体管谐振功率放大器，共工作原理亦适用于其他器件的谐振功率放大器。工作频率：几百千赫~几百兆赫，小结2.2高频功率放大器的工作原理+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效电路+uc1--UBBCECL+uS-+ub-(a)原理电路+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic2工作原理分析uBEic•-UBB•UBZubic•UbmgC+uBE_2工作原理分析vBEic•-UBB•-UBZvbic•VbmgCIcmax+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_(1)集电极电流icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxiC频谱(2)集电极输出电压LC回路阻抗Rp+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubUbmgC3.高频功放的功率关系

θcαoα1α3g11.02.0α2当晶体管允许的耗散功率一定时，

VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3D类和E类功率放大器简介

1.D类功率放大器的原理分析

D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路

uiub1ub2ic1ic2uLuA

ub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压

ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1）。

ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA=UCES2≈0

uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为ω的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高

uA为矩形方波，用傅里叶级数展开后可求得其基波分量的振幅为：

VT1管电流ic1(或VT2管电流ic2)的直流电流为：

ECEC-2UCESuAωtUCESic1ωtic2ωtuLωtID电源供给的直流功率：PD=EC

ID

放大器的输出功率Po为；效率η=Po／PD=100％

实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容、电路分布电容的影响(使管压降波形uA有一定上升沿和下降沿)，从而使D类功放的效率小于100％，典型值大于90％。

2.输出功率及效率计算2.2.4丙类倍频器

采用倍频器的目的是：

1．能降低电子设备的主振频率，对提高设备的频率稳定度有利。2．在通信机的主振器工作波段不扩展的条件下，可利用倍频器扩展发射机输出级的工作波段。3．在调频和调相发射机中，采用倍频器可加大频移或相移，即可加深调制深度。1、利用丙类放大器电流脉冲中的谐波经选频回路获得倍频。2、利用模拟乘法器实现倍频。3、利用PN结电容的非线性变化，得到输入信号频率的谐波，经选频回路获得倍频，称为参量倍频器。倍频器按其工作原理可分为三类：2.2.4丙类倍频器2.2.4丙类倍频器iC+uce--Ec

+-uc2+iciC1iC2ic频谱0ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC22.2.4晶体管倍频器在实际倍频器电路中，考虑到下述两个因素：首先，集电极电流脉冲中谐波分量幅度是随n的增大而迅速减小的，因而，倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低而导致不能正常工作。

其次，倍频器的输出回路需要滤除高于n和低于n的各次谐波分量。其中低于n的各次谐波分量幅度比有用分量大，要将它们滤除较为困难。倍频次数过高，倍频器对输出回路提出的滤波度要求就会过于苛刻而难以实现。所以，如果实际电路中需要增加倍频次数，可将m个倍频器级联起来工作或采用变容二极管、阶跃二极管构成的参量倍频器。2.3高频功率放大器的动态分析1.动态特性方程2.动态特征曲线的画法3.高频功放的工作状态2.3.2高频功率放大器的负载特性

2.3.3高频功率放大器的调制特性

2.3.4高频功率放大器的放大特性

2.3.5高频功率放大器的调谐特性

2.3.6高频功放的高频效应

2.3高频功率放大器的动态分析βo0.5fβfβ0.2fTfTuBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE_2.3.1高频功率放大器的动态特性

uceic2.3.1高频功率放大器的动态特性

Uo•A•BOEC•QUcmucmingdubemax2.3.2高频功率放大器的负载特性

uceicUo•gduBEic•-UBB•UBZubicgCUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUcesgd•ubemax•••uceminubemaxgcr•返回EC•QUcesUcm•uBEic•-UBB•UBZubicgCUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUcesgd•ubemax•••uceminubemaxgcr•uCEicgcrIcmaxubemaxicuce2.3.2高频功率放大器的负载特性PoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPcubemaxUc12.3.3高频功率放大器的调制特性

uceicubemax•QEC••QEC•QEC••••icEC欠压区过压区临界区EC欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPOPC2.3.3高频功率放大器的调制特性

进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢

UcmIcoIcml临界UBB过压欠压O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict饱和区放大区截止区当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角θc增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。

2.3.4高频功率放大器的放大特性uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict饱和区放大区截止区UcmIcmlIcoUbm过压临界欠压OOωticOωticUbm增大OωticωtOictUbm线性功率放大器tUcmUbmUcm振幅限幅器UcmtUbmUcm

固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情况类似，它们都使基极输入电压uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压进入过压。当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映输入信号振幅Ubm的变化，放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在Ubm变化的范围内工作在过压状态。2.3.5高频功率放大器的调谐特性

实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C时，功放的外部电流Ico、Icml和相应的Ucm等随C的变化特性称为调谐特性。

设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将下降。应该指出，回路失谐时直流输入功率PD=IcoEC随Ico的增加而增加，而输出功率Po=UcmIcmlcosφ将主要因cosφ因子而下降，因此失谐后集电极功耗PC将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。

UcmIcmlIco并联谐振：阻抗最大，电流最小，电压最大。回路失谐：阻抗减小，电流增大，电压减小。2.3.6高频功放的高频效应

ubet-UBBUBZ低频2.3.7高频功放的高频特性ucef1f2f2>f1小结（1）1．在欠压工作状态的大部分范围内，输出功率和集电极效率都较低，集电极损耗功率大，而且当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅将产生较大变化。2．在临界工作状态，输出功率最大，且集电极效率也高，为谐振功放的最佳工作状态。常用于发射机的功率输出级，以便获得最大输出功率。3．在过压工作状态，当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅变化较小，多用于需要维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。小结（2）

(1)若对等幅信号进行功率放大,应使功放工作在临界状态,此时输出功率最大,效率也接近最大。比如对调频信号进行功率放大。

(2)若对非等幅信号进行功率放大,应使功放工作在欠压状态,但线性较差。若采用甲类或乙类工作,则线性较好。比如对调幅信号进行功率放大。

(3)丙类谐振功放在进行功率放大的同时,也可进行振幅调制。若调制信号加在基极偏压上,功放应工作在欠压状态；若调制信号加在集电极电压上,功放应工作在过压状态。

(4)回路等效总电阻RΣ直接影响功放在欠压区内的动态线斜率,对功放的各项性能指标关系很大,在分析和设计功放时应重视负载特性。

根据以上对丙类谐振功放的性能分析,可得出以下几点结论:谐振功率放大器是由输入回路、晶体管和输出回路组成。输入、输出回路在谐振功率放大器中的作用是:提供放大器所需的正常偏置；实现滤波(调谐于基波频率)；保证阻抗匹配。可认为它是由直流馈电电路和匹配网络两部分组成。一、直流馈电电路晶体管高频功率放大器的直流馈电电路分为集电极馈电电路和基极馈电电路两类。

2.4高频功率放大器的电路组成直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。2.4高频功率放大器的电路组成

2.4.1高频功率放大器的电路组成IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.4.1高频功率放大器的电路组成

ICO直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC频谱LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT

串联馈电方式优点:1、是Lc和Cc处于高频地电位,它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率,稳定。2、可用于短波、超短波。缺点：回路两端都处于直流高电位，调谐电容器C的动片不能直接接地,必须与机架绝缘，安装调整不方便。并联馈电方式优点：1、回路处于直流地电位,L、C元件可接地,故安装调整方便。2、便于多级高功放振荡回路的同轴调谐；缺点：由于Lc和Cc1不处于高频地电位,它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率,；高频扼流圈对分流，使较小，只能用于中小发射机；CBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2基极馈电线路IBOUBBIBOIeo

+UBB-2.4.2高频功放的耦合回路RiRoR'LR'S功率放大器输入匹配网络输出匹配网络RLRSuS

(1)使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。

(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。

(3)在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。

输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载(4)要求匹配网络具有一定的通频带。使已调波通过网络时，不致产生失真.

LC阻抗变换网络

BX1RXR1AABX2R2BX1RXR1AABX2R2RL1CRSiSL2RpCRSiSRLN1N2M+u1-+u2-C二变压器阻抗变换电路RL'假设初级电感线圈的圈数为N1，次级圈数为N2，且初次间全耦合(k=1)，线圈损耗忽略不计，则等效到初级回路的电阻RL'上所消耗的功率应和次级负载RL上所消耗功率相等，即或变压器初次级电压比u1／u2等于相应圈数比N1／N2，故有

可通过改变比值调整RL'的大小。三回路抽头的阻抗变换L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RLL2L1CRLLC2C1RL设无耗根据功率相等原理：当时：当时可近似认为：

(a)L-I型网络;(b)L-Π型网络对于L—I型网络有：

对于L-Π型网络有：(b)为低阻变高阻L型匹配网络(a)高阻变低阻L型匹配网络几种常见的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)Π型一般在谐振功率放大器中，要求有较高的传输效率和较强的谐波抑制能力，但谐波抑制度与传输效率往往是矛盾的，以LC并联谐振回路为例,它的有载品质因数为：

L型匹配网络1、低阻变高阻L型匹配网络2、高阻变低阻L型匹配网络在大功率输出级，T型、Π型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。图中的R2一般代表终端(负载)电阻，R1则代表由R2折合到左端的等效电阻，现以(a)为例进行计算公式的推导滤波器型的匹配网络两种Π型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2将并联回路R1C1与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得L1C1'R1'C2'R2'网络匹配时，R1'=R2'由谐振条件得

:[例]有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求Π型匹配网络的元件值。

解

:(2)滤波器型的匹配网络L1R1C1R2=RLC2

R1应该是功率放大器所要求的匹配电阻

Rp,即L1C1'R1'C2'R2'网络匹配时，R1'=R2'改写为：

解之得：

由谐振条件得

:注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，C1应减去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当L1确定之后，用C2主要调匹配，用C1主要调谐振。

实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件(通常都是假定Q1值)，即可求出电路元件的数值。

2.4.3高频功放的实际线路举例2.4.3高频功放的实际线路举例2.4.3高频功放的实际线路举例解：两级功放的输入馈电方式均为自给负偏压,输出馈电方式均为并馈。此电路输入功率Pi=1W,输出功率Po=12W,信号源阻抗Rs=50Ω,负载RL=50Ω。其中第一级输出功率Po1=4W,电源电压VCC=135V。

两级功放管分别采用3DA21A和3DA22A,均工作在临界状态,饱和压降分别为1V和15V。各项指标满足安全工作条件。可以计算出各级回路等效总阻抗分别应该为:由于3DA21A和3DA22A的输入阻抗分别为R2=7Ω和R4=5Ω,故Rs≠R2,R1≠R4,R2≠RL,即不满足匹配条件,所以在信号源与第一级放大器之间、第一级放大器与第二级放大器之间分别加入T型选频匹配网络(C1、C2、L1和C3、C4、L2),在第二级放大器与负载之间加入倒L型选频匹配网络(C5、L3、C6)。三个选频匹配网络的输入阻抗分别是R1、R3和R5。匹配网络中各电感与电容的值可根据相应的公式计算得出。由于晶体管参数的分散性和分布参数的影响,C1～C6均采用可变电容器,其最大容量应为计算值的2～3倍。通过实验调整,最后确定匹配网络元件的精确值。电路中四个高扼圈的电感量为0.1μH～0.2μH,其中两个作为基极直流偏置的组成元件,另外两个在集电极并馈电路中对iC中的高次谐波分量起阻挡作用,并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容C7和C9的值均为0.05μF,穿心电容C8和C10为1500pF,它们使高次谐波分量短路接地。一般来说,在400MHz以下的甚高频(VHF)段,匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成,而在400MHz以上的超高频(UHF)段,则需使用分布参数的微带线组成匹配网络,或使用微带线和LC元件混合组成。

一般来说,在400MHz以下的甚高频(VHF)段,匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数LC元件组成,而在400MHz以上的超高频(UHF)段,则需使用分布参数的微带线组成匹配网络,或使用微带线和LC元件混合组成。

微带线又称微带传输线,是用介质材料把单根带状导体与接地金属板隔离而构成,图3.2.13给出了结构示意图。微带线的电性能,如特性阻抗、带内波长、损耗和功率容量等,与绝缘基板的介电系数、基板厚度H和带状导体宽度W有关。实际使用时,微带线是采用双面敷铜板,在上面作出各种图形,构成电感、电容等各种微带元件,从而组成谐振电路、滤波器以及阻抗变换器等。3.4集成高频功率放大电路及应用简介在VHF和UHF频段,已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件体积小,可靠性高,外接元件少,输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列便是其中的代表产品。表3.4.1列出了Motorola公司集成高频功率放大器MHW系列中部分型号的电特性参数。图3.4.1给出了其中一种型号的外形图。

MHW系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的,可用于移动通信系统中的功率放大,也可用于工商业便携式射频仪器。使用前,需调整控制电压,使输出功率达到规定值。在使用时,需在外电路中加入功率自动控制电路,使输出功率保持恒定,同时也可保证集成电路安全工作,避免损坏。控制电压与效率、工作频率也有一定的关系。三菱公司的M57704系列高频功放是一种厚膜混合集成电路,同样也包括多个型号,频率范围为335MHz～512MHz(其中M57704H为450MHz～470MHz),可用于频率调制移动通信系统。它的电特性参数为：当VCC=12.5V,Pin=0.2W,Zo=ZL=50Ω时,输出功率Po=13W,功率增益Gp=18.1dB,效率35%～40%。图3.4.2是M57704系列功放的等效电路图。由图可见,它包括三级放大电路,匹配网络由微带线和LC元件混合组成。