第二章谐振功率放大器20131

§2谐振功率放大器

一、概述二、丙类谐振功率放大器三、丙类谐振功放工作状态的分析四、谐振功率放大器线路五、晶体管倍频器谐振功率放大器

1、引入谐振功放的必要性2、谐振功率放大器的分类：●线性谐振功放(或或)

放大已调幅波

●丙类谐振功放()

放大高频等幅波——载波、调频波、调相波等

●高效率功放（,功率管工作在开关状态）一、概述甲类乙类甲乙类丙类开关状态，丁茂类按电流的流通角划分放大器种类二、丙类谐振功率放大器1.原理电路及各元件作用

●

原理电路

Lr、Cr：输出并谐回路谐振电阻C1、C2：高频旁路电容与隔直作用●

Lr、Cr并谐回路的作用：选频；完成阻抗匹配●实际电路输入回路中有输入谐振回路L1C1，并联谐振电阻为Re1Re●Lr、Cr并谐回路的作用：

1、选频；

2、完成阻抗匹配，把外界电抗性负载转为功率管的应配负载

●实际电路输入回路中有输入谐振回路L1C1，并联谐振电阻为Re12.工作原理：①在vs产生激励电流为is=Ismcosωt作用下,看各极电压电流波形:

●

ic的波形为一串余弦脉冲……称为电流分解分数●

ib的波形为一串余弦脉冲

●

工作原理描述：在is为余弦信号的激励下，丙类谐振

●

vce的波形为余弦波

因负载是具有选频作用的Lr、Cr并谐回路；

所以

vce=Vcm

cosωt

（其中Vcm=Ic1mRe）其中功放的ib，ic均是余弦脉冲，而vb,vc是完整的余弦波。（因为输入输出均为LC选频网络）●

管外特性方程：●

vb的波形为余弦波

vBE=VBB+vb=VBB+Vbmcosωt

②结论：高频功放的性能分析3.

能量关系

●●●●●若，则称波形系数，实现高效率功放的途径

PD和激励信号相同时，甲、乙、丙类功放比较：（PC为下图中υCE和ic的阴影部分乘积）

为进一步得到更大输出功率和更高效率，可利用管子工作在开关状态，使管子饱和导通期间始终维持VCE在最小值（VCE(sat)≈0，使PC趋于零）则大大提高效率，这种称为丁类高效率谐振功放，效率超过90%，它是两管工作，所以谐波输出小。但频率升高时效率下降。开关转换瞬间，两管可能同时导通或同时断开，造成二次击穿,易损坏管子。为克服其缺点，在电路上加以改进，提出了戊类高效率功放，是单管工作在开关状态，选择适当负载网络参数，使瞬态响应最佳。

丁类谐振功率放大器思考题谐振功放与非谐振功放相比，有哪些异同点？相同点：它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率。不同点：(1)在谐振功放中，为了提高效率都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形(2)为实现不失真放大，必须限定输人信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的己调波信号。例1工作在临界状态的某高频功率放大器，Vcc=24V，集电极电压利用系数ξ=0.9，集电极电流流通角功放管集电极电流的脉冲幅度计算：1、集电极电压Vcm、集电极电流Ic0、Ic12、输出功率Po、集电极转换效率η3、直流输入功率PD例2

三、丙类谐振功放工作状态的分析1.工作状态的划分方法按工作区划分欠压状态：管子导通时，动态线处于放大区临界状态：管子导通时，动态线达到临界饱和区过压状态：管子导通时，动态线进入饱和区动态线1、什么是动态线？在非谐振功率放大器中，为了分析放大器的性能，可以在三极管的输出特性曲线上作（三极管集电极的电压与电流的关系曲线）。由于集电极的负载为纯阻，负载线为一条直线。在谐振功率放大器中，由于集电极的负载为LC网络，三极管集电极的电压与电流是互相影响，互为确定的。精确的分析需要求解非线性微分方程。2.如何求动态线①依据：管外特性方程②方法：近似静态特性分析方法分析：1、动态线

2、集电极电流

3、所需负载Re=Vcm/Ic1m4、放大器功率性能取定四个值，由管外方程计算得到不同时间对应的VBE

和VCE值。根据各个对应的VBE和VCE值，在功率管的输出特性曲线上（将其中的参变量iB改为VBE），找出相应的各动态点，它们的连线即为放大器的动态线。可见，动态线是描述VBE和VCE的移动轨迹。

③动态线与波形：④结论：●

动态线由一根曲线（因负载是电抗性质）与一根线段构成，动态线与横轴交在小于VCC地方（因）●

集电极电流是一串余弦脉冲（或一串凹陷脉冲）●

过压状态电流出现凹陷原因是集电极负载是谐振回路所致●

定义：若

不变，放大器随

变化的特性3.工作状态分析讨论

对工作状态的影响①负载特性称为负载特性。●

负载特性分析●

画出负载特性曲线：●

结论：实际负载应取在弱过压状态。（因

趋近

可见Ic1m、IC0在欠压区下降慢，在过压区明显下降；Vcm变化趋势却相反最小值，功率管最安全，仍提高、P0

也较大）②调制特性i

集电极的调制特性

●

定义：若不变，放大器随的变化特性。

●

集电极调制特性分析●

画出调制特性曲线●

结论：欲想改变VCC能有效控制VCm实现集电极调制，则放大器应工作在过压状态；集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。（集电极调幅参阅高电平调制电路）ii基极的调制特性●

定义：若不变，放大器随的变化特性。●

基极调制特性分析●

画出调制特性曲线

改变欲想有效控制实现基极调制，则放大器应工作在欠压状态；基极调制特性是实现基极调幅的原理依据。（因基极调幅非线性失真大；需激励信号功率大；所以一般不采用）●

结论：iii集电极调幅与基极调幅a)集电极调幅电路：；丙类谐振功放的集电极调制特性是实现集电极调幅的原理依据。

▲

电压电流波形▲

电路工作原理

▲

平均功率b)基极调幅电路▲

电路与工作原理其中(PD)0

、(PO)0

、(PC)0是载波状态功率;丙类谐振功放的基极调制是基极调幅的原理依据③放大特性定义：若VCC、VBB、Re不变，放大器随Vbm变化特性。▲

平均功率式中(PD)0

、(P0)0、(PC)0是载波状态平均功率●●

放大特性分析●

画出放大特性曲线●

结论欲想改变Vbm有效控制Vcm实现放大，则放大器应工作在欠压状态；它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）欲想改变Vbm，使Vcm基本不变实现限幅，则放大器应工作在过压状态。例3：一个丙类谐振功放，设计在临界状态，现P0和ηc均不能达到设计要求，应如何进行调整？

P0不能达到设计要求，表明放大器没有工作在临界状态。放大器可能工作在欠压或过压状态下,增大Re，如果P0增加，则放大器工作在欠压，此时分别增加Re，Vbm，或VBB均可使放大器从欠压进入到临界状态。如果增大Re，P0反而减小，则放大器工作在过压状态，此时增大Vcc可以使放大器从过压进入到临界状态。例4：一谐振放大器，原来工作在临界状态，后来发现该放大器的输出功率下降，但效率反而提高，而VCC，Vcm及VBEmax不变，问是什么原因造成的，此时放大器工作在什么状态？

四、谐振功率放大器线路

1.

直流馈电

馈电原则：●

对直流呈短路●

对基波分量呈现最大阻抗●

对其他谐波分量基本呈现短路●

按电流流通路径划分馈电电路形式集电极馈电电路基电极馈电电路●

基极、集电极回路中，电流的直流分量和基波分量

有各自的正常通路●

高频信号不能流过直流电源①集电极馈电（串馈、并馈）若功率管C-E结、、

LC回路三者是串联(或并联)，则称为集电极串馈（或并馈）电路●

集电极串、并馈电路形式●

串并馈电电路的异同点ii不同点：

并馈：LC回路两端均是直流低电位端，且有一端接地；

串馈：LC回路两端均是直流高电位端，且没有一端接地；馈电附加元件（LC

、）

并馈：LC

、加在LC回路交流高电位端，造成分布参数并到LC回路上，影响频率稳定。串馈：LC

、加在LC回路交流低电位端，不影响频率稳定。▲▲▲▲i共同点：供电效果相同；均是接在高频电位的地电位端。●

常用基极馈电电路

②

基极馈电若功率管的发射结、vi、VBB三者是串联（或并联），则称为基极串馈（或并馈）电路。●

基极馈电形式:有串馈与并馈两种形式③自给反偏压电路的作用●

放大器中引入自给反偏压是稳定工作点。●丙类谐振功放引入基极自给反偏压是稳定工作状态，克服非线性失真●振荡器中自给偏压的作用是稳定输出电压的振幅。●

切不可在乙类变压器耦合推挽功率放大电路或线性谐振功率放大电路中加自给反偏压电路，否则可能导致非线性失真例5试画出一个两级谐振功率放大器的实际线路,要求:①两级均采用NPN管，发射极直接接地②第一级基极采用组合式偏置电路，提供负偏压，与前级互感耦合；第二级基极采用零偏电路③第一级集电极馈电采用并联形式，第二级集电极馈电采用串联形式④两级间回路为T型网络，输出回路采用∏型网络，负载为天线。匹配网络的种类∏型T型混合型2.

匹配网络①对输出匹配网络的要求●

将外接RL

转化成功率管集电极要求的匹配负载Re。●

选出基波分量，滤除谐波分量。用、

描述滤波性能。L型双调谐型②设计LC匹配网络的基本依据——串并支路阻抗变换公式③常用匹配网络设计iL形匹配网络●

定义：用两个异型电抗连接成L形●

结构：L网络阻抗变换讨论问题：1.

已知工作频率，欲将变换为，求：电路结构和、2.L网络的带宽②窄带网络－－两电抗元件不同性质，有选频滤波性能特征：①两电抗元件组成－－结构形式同L●

设计举例：（如图所示L形网络，已知，且求xs、xp）例6L网络缺点:

当两个要阻抗变换的源和负载电阻值确定后，

L网络的Q值也确定了，是不能选择的，因此，该窄带网络的滤波性能不能选择。L匹配网络支路的

Q值可以表示为注意：不一定是高QL网络阻抗变换总结：电路形式：当时>当<时由于

>

，则L网络如图示L网络串联支路电抗

L网络并联支路电抗

例1-3-2已知信号源内阻

=12，并串有寄生电感

=1.2。负载电阻为

=58并带有并联的寄生电容=1.8PF，工作频率为。设计

L

匹配网络，使信号源与负载达共轭匹配。解：先将信号源端的寄生电感和负载端的寄生电容归并到

L网络中。

2.带宽谐振阻抗谐振，开路谐振，短路谐振阻抗回路带宽回路Q=1/2支路Q回路有载回路Q=1/2支路Q回路有载1.3.4和T

型匹配网络引出：当对匹配网络有更高的滤波要求时，采用三电抗元件组成

和T

型匹配网络分析方法：分解为两个L网络，设置一个假想中间电阻两个L网络的Q分别是由于是未知数，因此可以假设一个Q1

或

Q2假设Q的原则：根据滤波要求，设置一个高Q当>时，Q2=Q当<时，Q1=Q网络的带宽：由高Q

决定例1-3-3：设计一个型匹配网络，完成源电阻和负载电阻间的阻抗变换。工作频率MHz，假设大的一个有载

。

对应L网络的Q为：解：用L网络是否可以？回路有载Q为：不满足题目要求，所以必须用三电抗元件的变换网络设网络由L和

C1、C2

组成，将L分成L1和L2

两个电感。网络源端L网络负载端L网络Rinter中间电阻首先确定此大的有载＝4是在源端还是负载端？必定是负载端的L网络的有载

因为设负载端L网络的Q

为Q2

，则由于，因此此设计方案是可行的负载端

L网络的并联电容支路为负载端串联电感支路为：对源端的L网络，其每条臂的Q值为：源端串联电感支路有 源端并联电容支路有总电感为：Rinter3.

谐振功放应用实例实例一

50MHz，25W谐振功放实例二

160MHz，10W谐振功放实例三

175MHz，10WVMOS管谐振功放实例四

470MHz，4～14W谐振功放4.

功率放大器调谐和调整①调谐调谐是把负载回路调到谐振状态为保护晶体管，把电源电压降到～，使放大器在过压状态下进行调谐，并适当减小输入激励信号幅度，待调好后再一一恢复到额定值。●●调谐电路举例●电路

方法▲▲五、晶体管倍频器1.

倍频器类型●

晶体管倍频器（几十MHz以下）●

参量倍频（100兆周以上）2.

晶体管倍频原理电路、工作状态及其特点

●

与丙类谐振功放相似

●

不同点在于LrCr谐振在②工作状态：a）需很大的激励功率，使功率管增益明显下降b）晶体管进入饱和区输出阻抗明显降低，致使●

应工作在欠压或临界状态●

一般不工作在过压状态的原因：①电路：下降，严重影响滤波能力

③特点：

●

谐振在nωs上，n

不宜过大，否则电流太小

●

LC选频网络选出nωs分量，滤除大于或小于nωs的分量，若若●

高的倍频可以用n个二倍频或三倍频电路级连●采用推挽电路：

a）若输出电流差分，可实现奇数倍频

b）若输出电流之和，可实现偶数倍频④电路：LC回路难以选择，所以n一般为2或3。要求滤波条件苛刻。n一般采取2或3，不宜过大，否则会导致：小结

1、放大器的效率决定放大器的工作状态。谐振功率放大器工作在丙类，流通角φ<90°，其效率η>80%。集电极电流ic为脉冲波，但由于谐振回路的选频滤波作用，输出电压仍为正弦波。

2．谐振功放的工作状态由VBB、Vbm、VCC和Re四个变量决定，工作状态分欠压，临界和过压三种。

VCC、Vbm、VBB不变，放大器特性随Re变化的特性称为负载特性。当Re=Reopt，工作在临界状态时，输出功率最大；工作在弱过压状态时，效率最高。

Vbm、Re不变，放大器特性随VCC或VBB变化的特性为调制特性。集电极调幅工作在过压状态，基极调幅工作在欠压状态。

VCC、VBB、Re不变，放大器特性随Vbm变化的特性为放大特性。要放大信号需工作在欠压状态，要达到限幅目的需工作在过压状态。

3、谐振功放的馈电线路包括集电极和基极两种馈电线路，而这两种馈电线路又都有串馈和并馈两种形式。不管何种类型的馈电线路，它们组成的原则是，要使直流分量、基波分量和各次谐波分量都有正确的流通路径。根据工程要求，正确选择馈电元件。

4、输出匹配网络包括L型、π型、T型和互感耦合双调谐回路等形式。对输出匹配网络的要求是，要有良好的阻抗匹配作用，传输效率要高，滤波效果要好。不管哪种形式的匹配网络，阻抗变换的基础是串并联网络转换，熟练掌握串并联网络的转换公式，这些网络的阻抗转换便可迎刃而解。

例7

有一谐振功率放大器，已知VCC＝12V，回路谐振阻抗Re＝130Ω，集电极效率η＝74.5％，输出功率P0＝500mW。现在为了提高η，在保持VCC、Re、