第二章谐振功率放大器

第二章谐振功率放大器第一页，共三十六页，2022年，8月28日1谐振功率放大器是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般在丙类工作，主要应用在无线电发射机中，用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大。特点：效率高，频带较窄

第二页，共三十六页，2022年，8月28日第一节

谐振功率放大器的工作原理ZL是外接负载，由CL和RL的串联等效电路组成；Lr和Cr是匹配负载，它们与外接负载共同组成并联谐振回路。调节Cr使回路工作在谐振频率上；调节VBB使T工作在截止区内；令v(t)＝Vbmcosωst

vBE＝VBB＋Vbmcosωst§丙类谐振功率放大器第三页，共三十六页，2022年，8月28日由静态转移特性曲线（iC～vBE）可画出集电极的电流波形

第四页，共三十六页，2022年，8月28日由傅里叶级数：iC＝IC0＋ic1＋ic2＋……

＝IC0＋Ic1mcosωst＋Ic2mcos2ωst＋……由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对iC中的基波分量呈现阻抗最大，且为纯电阻（称为谐振电阻）；这样，就可以近似认为回路上仅有由基波分量产生的电压；因而在负载上得到了所需的不失真功率。

第五页，共三十六页，2022年，8月28日利用谐振电路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。同时，谐振回路还可以将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re，而且调整Lr和Cr，还能保持回路谐振时Re等于放大管所需的集电极负载值，实现阻抗匹配。

谐振回路起到选频和阻抗匹配的双重作用。

第六页，共三十六页，2022年，8月28日

效率的讨论：丙类工作时，集电极效率随着管子导通时间的减小而增大；但是，随着导通时间的减小，会导致放大器输出功率的减小；可以采用增大输入激励电压Vbm，同时将基极偏置电压VBB向负方向增大的方法，但要注意功率管发射结有反向击穿的危险；通常采用开关工作的谐振功率放大器。第七页，共三十六页，2022年，8月28日§丁类和戊类谐振功率放大器vb1和vb2大小相等，极性相反vi为频率是ω的余弦波，且幅度足够大vA为A点对地的电位，VCE(sat)为两管的饱和压降vi正半周：T1饱和导通，T2截止vA＝VCC－VCE(sat)vi负半周：T2饱和导通，T1截止vA＝VCE(sat)

T1和T2为同型号配对功率管第八页，共三十六页，2022年，8月28日合成vA的幅值为VCC－2VCE(sat)该电压加在L、C、RL组成的串联谐振回路上，若谐振回路调谐在信号角频率上，这样，就可以近似认为回路上的电流iL是角频率为ω的余弦波，RL载上得到了所需的不失真功率。

第九页，共三十六页，2022年，8月28日§2.1.3倍频器

在丙类谐振功率放大器中，若将输出谐振回路调谐在输入信号频率的n次谐波上，则可近似认为，输出谐振回路上仅有iC的n次谐波分量产生的高频电压，而其他分量产生的电压均可忽略；因而，在负载RL上得到频率为输入频率n倍的输出信号功率。iC＝IC0＋ic1＋ic2＋……＝IC0＋Ic1mcosωst＋Ic2mcos2ωst＋……

第十页，共三十六页，2022年，8月28日第二节谐振功率放大器的性能特点

§近似分析法要精确分析谐振功率放大器的性能，需要求解非线性微分方程，十分复杂；实际上，根据谐振功率放大器的工作特点，可以采用近似分析方法，称准静态分析法（两个假设）。假设1：谐振回路具有理想的滤波特性，其上只能产生基波电压，而其它分量的电压均可忽略；因而虽然基极和集电极的电流是脉冲电流，但它们的电压均是余弦的。假设2：功率管的特性可用输入和输出静态特性曲线表示，其高频效应可忽略。但分析时，采用的输出特性曲线的参量是vBE，而不是iB（可根据输入特性曲线上iB与vBE的关系转换）。第十一页，共三十六页，2022年，8月28日用傅里叶级数对iC脉冲波进行分解，求出平均分量IC0和基波分量振幅Ic1m；根据Ic1m和设定的Vcm，可求出所需的集电极谐振回路的谐振电阻Re值：Re＝Vcm/Ic1m根据IC0和设定的VCC，可求出谐振功率放大器的功率性能，包括直流电源提供的功率PD，输出信号功率Po，集电极耗散功率PC和集电极效率ηCPD＝VCCIC0Po＝VcmIc1m/2PC＝PD－Po

ηC＝Po/PD第十二页，共三十六页，2022年，8月28日因此，要了解谐振功率放大器的性能变化特点，必须了解这四个量是如何影响放大器性能的。不同数值的VBB、Vbm、VCC、Vcm，画出的集电极电流波形及其数值就不同，所求得的Re值和相应的功率性能也不同。第十三页，共三十六页，2022年，8月28日§欠压、临界和过压状态集电极电流的脉冲宽度主要取决于VBB和Vbm的大小，当它们一定时，集电极电流脉冲宽度(取决于导电角VBB、Vbm)也就近似一定，几乎不随Vcm的大小而变化。

1、VBB、Vbm、VCC一定时，改变Vcm对集电极脉冲电流波形及其数值的影响。第十四页，共三十六页，2022年，8月28日2、集电极电流脉冲（取决于导电角、VCC、Vcm）在ωt＝0时的数值的变化。当ωt＝0时vBE＝vBEmax＝VBB＋VbmvCE＝vCEmin＝VCC－Vcm当VBB、Vbm（vBEmax）为定值时，随着Vcm由小增大，vCEmin将由大减小，对应的动态点A将沿vBE＝vBEmax的那条特性曲线向左移动（自A’移向A’’’）。其中A’’为放大区进入饱和区的临界点。①……动态点处于放大区称欠压区②……动态点处于临界区称临界区③……动态点处于饱和区称过压区

第十五页，共三十六页，2022年，8月28日§2.2.3四个电压量对性能影响的定性讨论1、负载特性(负载特性指VBB、Vbm、和VCC一定，放大器的性能随Re变化的特性)由于Re的增大必将引起Vcm的增大；因此，Re由小变大时，放大器将由欠压进入过压状态，相应的iC由接近余弦变化的电流脉冲变为中间凹陷的脉冲波。匹配负载电阻：第十六页，共三十六页，2022年，8月28日2、调制特性（调制特性有集电极调制和基极调制两种特性）由于VBB和Vbm一定，也就是vBEmax和iC脉冲宽度一定，因而对应于vCEmin的动态点必定在vBE＝vBEmax的那条特性曲线上移动；当VCC由大减小时，相应的vCEmin也由大减小，放大器的工作状态将由欠压进入过压，iC波形也将由接近余弦变化的脉冲波变为中间凹陷的脉冲波。

（1)集电极调制特性是指VBB、Vbm和Re一定，放大器性能随VCC变化的特性。第十七页，共三十六页，2022年，8月28日（2)基极调制特性是指VCC、Vbm和Re一定，放大器性能随VBB变化的特性。

当Vbm一定，VBB自负值向正方向增大，

集电极电流脉冲不仅宽度增大，而且还因vBEmax增大而使其高度增加，因而IC0和Ic1m（相应的Vcm）增大，结果使vCemin减小，放大器由欠压进入过压状态。

第十八页，共三十六页，2022年，8月28日3、放大特性

放大特性是指VBB、VCC和Re一定，放大器性能随vbm变化的特性。

固定VBB、增大Vbm和上述固定Vbm、增大VBB的情况类似，它们都使集电极电流脉冲的宽度和高度增大，放大器的工作状态有欠压进入过压；进入过压后，随着Vbm的增大，集电极的电流脉冲出现中间凹陷，且高度和宽度增加，凹陷加深。

4、四种特性的比较（略）第十九页，共三十六页，2022年，8月28日第三节

谐振功率放大器电路§直流馈电电路集电极直流馈电电路有两种连接方式，分别称为串馈和并馈。（a）集电极串馈电路：Lc:高频扼流圈(L值大)，通过直流Ico，阻止Vcc中的杂波。∵Vcc与LC与Vce串联连接∴称为集电极串联馈电电路

C1:高频旁路电容(C值大)，为回路建立高频地电位(A点)。第二十页，共三十六页，2022年，8月28日（b）集电极并联馈电电路：

Lc:高频扼流圈(L值大)。

C2:隔直电容(C值大)。∵Vcc与LC与Vce并联连接∴称为集电极并联馈电电路

第二十一页，共三十六页，2022年，8月28日讨论：并馈电路优点：①回路一端处于直流地电位，谐振电容上无高压(安全/易安装)。②回路对高频信号，一端直接接地，工作稳定。扼流圈Lc处于高频高电位，对地分布电容大，直接影响回路谐振频率的稳定性。(串馈电路优缺点，与并馈相反)并馈电路缺点：第二十二页，共三十六页，2022年，8月28日基极偏置电路：

（a）电路的基极偏置电压由VCC通过RB1、Rb2分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。（b)和（c）采用自给偏置电路，偏置电压有基极脉冲电流iB中的平均分量IB0在电阻RB或高频扼流圈LB中固有直流电阻上产生的压降。

第二十三页，共三十六页，2022年，8月28日必须指出，在丙类工作时，IB0随输入信号电压振幅的大小而变化。因此，上述基极偏置电路中，直流偏置电压均随输入信号电压振幅大小而变化；在未加信号时，除（a）电路提供静态起始正值外，其它电路的偏置均为零。

第二十四页，共三十六页，2022年，8月28日§2.3.2滤波匹配网络就交流通路而言，滤波匹配网络介于功率管和负载RL之间，因此要求：1、将外接负载RL变化为放大管所要求的Re（最大功率传输）；2、充分滤掉不需要的高次谐波（谐波抑制度）；3、要求有高的传输效率。

第二十五页，共三十六页，2022年，8月28日谐波抑制度的矛盾：令固有品质因数Q0＝ω0L/rL则有载品质因数显然，当Q0一定时，Qe越小（RL越大于rL），传输效率越高；但Qe越小，回路的谐波抑制能力就越差。为了提高抑制度，多采用混合匹配网络，下面讨论串并联匹配网络的变换。第二十六页，共三十六页，2022年，8月28日滤波匹配网络的阻抗匹配变化特性（假设匹配网络没有损耗）：如图2-3-5RL怎么与R0和C0（功率管的分布电容）的串接或并接阻抗相匹配第二十七页，共三十六页，2022年，8月28日先讨论常用的串、并联阻抗（2-3-6）转换公式根据等效原理，令两者的端导纳（阻抗）相等，且串联→并联的阻抗公式：

并联→串联的阻抗公式：利用串、并联阻抗转换公式，可导出各种滤波匹配网络的元件表达式。第二十八页，共三十六页，2022年，8月28日第四节高频功率放大器放大器在高频工作时，工程上通常采用的是借助功率管的大信号输入和输出电阻的一种设计方法。

§2.4.1高频功率管及其大信号输入输出电阻１、高频功率管的结构四引线结构：两条为发射极或基极，宜接成共发或共基组态，目的是减小电路中公共端点上的引线电感；二引线结构：发射极或基极直接连接到金属底座上，宜接成共发或共基组态。

第二十九页，共三十六页，2022年，8月28日２、大信号输入和输出电阻通过测量得到第三十页，共三十六页，2022年，8月28日将功率管接成（ａ）所示的测试电路：集电极采用并馈电路，基极为自给偏置电路，LB和LC为高频扼流圈，放大器的输入和输出均采用T型滤波匹配网络，输出负载为50Ω（通常为50Ω的功率计），输入端接内阻为50Ω的高频信号发生器；测试时，在指定频率上且特定幅值的输入信号电压的激励下，反复调整输入和输出滤波匹配网络，直到网络谐振，且达到匹配，输出功率最大，效率最高。将功率管和电源电压移去，并