第二章諧振功率放大器20131

§2諧振功率放大器

一、概述二、丙類諧振功率放大器三、丙類諧振功放工作狀態(tài)的分析四、諧振功率放大器線路五、晶體管倍頻器諧振功率放大器

1、引入諧振功放的必要性2、諧振功率放大器的分類：●線性諧振功放(或或)

放大已調(diào)幅波

●丙類諧振功放()

放大高頻等幅波——載波、調(diào)頻波、調(diào)相波等

●高效率功放（,功率管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)）一、概述甲類乙類甲乙類丙類開(kāi)關(guān)狀態(tài)，丁茂類按電流的流通角劃分放大器種類二、丙類諧振功率放大器1.原理電路及各元件作用

●

原理電路

Lr、Cr：輸出并諧回路諧振電阻C1、C2：高頻旁路電容與隔直作用●

Lr、Cr并諧回路的作用：選頻；完成阻抗匹配●實(shí)際電路輸入回路中有輸入諧振回路L1C1，并聯(lián)諧振電阻為Re1Re●Lr、Cr并諧回路的作用：

1、選頻；

2、完成阻抗匹配，把外界電抗性負(fù)載轉(zhuǎn)為功率管的應(yīng)配負(fù)載

●實(shí)際電路輸入回路中有輸入諧振回路L1C1，并聯(lián)諧振電阻為Re12.工作原理：①在vs產(chǎn)生激勵(lì)電流為is=Ismcosωt作用下,看各極電壓電流波形:

●

ic的波形為一串余弦脈沖……稱為電流分解分?jǐn)?shù)●

ib的波形為一串余弦脈沖

●

工作原理描述：在is為余弦信號(hào)的激勵(lì)下，丙類諧振

●

vce的波形為余弦波

因負(fù)載是具有選頻作用的Lr、Cr并諧回路；

所以

vce=Vcm

cosωt

（其中Vcm=Ic1mRe）其中功放的ib，ic均是余弦脈沖，而vb,vc是完整的余弦波。（因?yàn)檩斎胼敵鼍鶠長(zhǎng)C選頻網(wǎng)絡(luò)）●

管外特性方程：●

vb的波形為余弦波

vBE=VBB+vb=VBB+Vbmcosωt

②結(jié)論：高頻功放的性能分析3.

能量關(guān)系

●●●●●若，則稱波形系數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率功放的途徑

PD和激勵(lì)信號(hào)相同時(shí)，甲、乙、丙類功放比較：（PC為下圖中υCE和ic的陰影部分乘積）

為進(jìn)一步得到更大輸出功率和更高效率，可利用管子工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使管子飽和導(dǎo)通期間始終維持VCE在最小值（VCE(sat)≈0，使PC趨于零）則大大提高效率，這種稱為丁類高效率諧振功放，效率超過(guò)90%，它是兩管工作，所以諧波輸出小。但頻率升高時(shí)效率下降。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，兩管可能同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)斷開(kāi)，造成二次擊穿,易損壞管子。為克服其缺點(diǎn)，在電路上加以改進(jìn)，提出了戊類高效率功放，是單管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選擇適當(dāng)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使瞬態(tài)響應(yīng)最佳。

丁類諧振功率放大器思考題諧振功放與非諧振功放相比，有哪些異同點(diǎn)？相同點(diǎn)：它們都要求安全高效地輸出足夠大的不失真功率。不同點(diǎn)：(1)在諧振功放中，為了提高效率都在丙類工作狀態(tài)，或者工作在更高效率的丁類和戊類。在這種情況下，功率管集電極電流為嚴(yán)重失真的脈沖序列波形(2)為實(shí)現(xiàn)不失真放大，必須限定輸人信號(hào)為單一頻率的高頻正弦波（即載波信號(hào)）或者在高頻附近占有很窄頻帶的己調(diào)波信號(hào)。例1工作在臨界狀態(tài)的某高頻功率放大器，Vcc=24V，集電極電壓利用系數(shù)ξ=0.9，集電極電流流通角功放管集電極電流的脈沖幅度計(jì)算：1、集電極電壓Vcm、集電極電流Ic0、Ic12、輸出功率Po、集電極轉(zhuǎn)換效率η3、直流輸入功率PD例2

三、丙類諧振功放工作狀態(tài)的分析1.工作狀態(tài)的劃分方法按工作區(qū)劃分欠壓狀態(tài)：管子導(dǎo)通時(shí)，動(dòng)態(tài)線處于放大區(qū)臨界狀態(tài)：管子導(dǎo)通時(shí)，動(dòng)態(tài)線達(dá)到臨界飽和區(qū)過(guò)壓狀態(tài)：管子導(dǎo)通時(shí)，動(dòng)態(tài)線進(jìn)入飽和區(qū)動(dòng)態(tài)線1、什么是動(dòng)態(tài)線？在非諧振功率放大器中，為了分析放大器的性能，可以在三極管的輸出特性曲線上作（三極管集電極的電壓與電流的關(guān)系曲線）。由于集電極的負(fù)載為純阻，負(fù)載線為一條直線。在諧振功率放大器中，由于集電極的負(fù)載為L(zhǎng)C網(wǎng)絡(luò)，三極管集電極的電壓與電流是互相影響，互為確定的。精確的分析需要求解非線性微分方程。2.如何求動(dòng)態(tài)線①依據(jù)：管外特性方程②方法：近似靜態(tài)特性分析方法分析：1、動(dòng)態(tài)線

2、集電極電流

3、所需負(fù)載Re=Vcm/Ic1m4、放大器功率性能取定四個(gè)值，由管外方程計(jì)算得到不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的VBE

和VCE值。根據(jù)各個(gè)對(duì)應(yīng)的VBE和VCE值，在功率管的輸出特性曲線上（將其中的參變量iB改為VBE），找出相應(yīng)的各動(dòng)態(tài)點(diǎn)，它們的連線即為放大器的動(dòng)態(tài)線。可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)線是描述VBE和VCE的移動(dòng)軌跡。

③動(dòng)態(tài)線與波形：④結(jié)論：●

動(dòng)態(tài)線由一根曲線（因負(fù)載是電抗性質(zhì)）與一根線段構(gòu)成，動(dòng)態(tài)線與橫軸交在小于VCC地方（因）●

集電極電流是一串余弦脈沖（或一串凹陷脈沖）●

過(guò)壓狀態(tài)電流出現(xiàn)凹陷原因是集電極負(fù)載是諧振回路所致●

定義：若

不變，放大器隨

變化的特性3.工作狀態(tài)分析討論

對(duì)工作狀態(tài)的影響①負(fù)載特性稱為負(fù)載特性。●

負(fù)載特性分析●

畫(huà)出負(fù)載特性曲線：●

結(jié)論：實(shí)際負(fù)載應(yīng)取在弱過(guò)壓狀態(tài)。（因

趨近

可見(jiàn)Ic1m、IC0在欠壓區(qū)下降慢，在過(guò)壓區(qū)明顯下降；Vcm變化趨勢(shì)卻相反最小值，功率管最安全，仍提高、P0

也較大）②調(diào)制特性i

集電極的調(diào)制特性

●

定義：若不變，放大器隨的變化特性。

●

集電極調(diào)制特性分析●

畫(huà)出調(diào)制特性曲線●

結(jié)論：欲想改變VCC能有效控制VCm實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)制，則放大器應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)；集電極調(diào)制特性是實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅的原理依據(jù)。（集電極調(diào)幅參閱高電平調(diào)制電路）ii基極的調(diào)制特性●

定義：若不變，放大器隨的變化特性?！?/p>

基極調(diào)制特性分析●

畫(huà)出調(diào)制特性曲線

改變欲想有效控制實(shí)現(xiàn)基極調(diào)制，則放大器應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)；基極調(diào)制特性是實(shí)現(xiàn)基極調(diào)幅的原理依據(jù)。（因基極調(diào)幅非線性失真大；需激勵(lì)信號(hào)功率大；所以一般不采用）●

結(jié)論：iii集電極調(diào)幅與基極調(diào)幅a)集電極調(diào)幅電路：；丙類諧振功放的集電極調(diào)制特性是實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅的原理依據(jù)。

▲

電壓電流波形▲

電路工作原理

▲

平均功率b)基極調(diào)幅電路▲

電路與工作原理其中(PD)0

、(PO)0

、(PC)0是載波狀態(tài)功率;丙類諧振功放的基極調(diào)制是基極調(diào)幅的原理依據(jù)③放大特性定義：若VCC、VBB、Re不變，放大器隨Vbm變化特性?！?/p>

平均功率式中(PD)0

、(P0)0、(PC)0是載波狀態(tài)平均功率●●

放大特性分析●

畫(huà)出放大特性曲線●

結(jié)論欲想改變Vbm有效控制Vcm實(shí)現(xiàn)放大，則放大器應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)；它可以放大高頻等幅波（載波、調(diào)頻波、調(diào)相波）欲想改變Vbm，使Vcm基本不變實(shí)現(xiàn)限幅，則放大器應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)。例3：一個(gè)丙類諧振功放，設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)，現(xiàn)P0和ηc均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)如何進(jìn)行調(diào)整？

P0不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明放大器沒(méi)有工作在臨界狀態(tài)。放大器可能工作在欠壓或過(guò)壓狀態(tài)下,增大Re，如果P0增加，則放大器工作在欠壓，此時(shí)分別增加Re，Vbm，或VBB均可使放大器從欠壓進(jìn)入到臨界狀態(tài)。如果增大Re，P0反而減小，則放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)，此時(shí)增大Vcc可以使放大器從過(guò)壓進(jìn)入到臨界狀態(tài)。例4：一諧振放大器，原來(lái)工作在臨界狀態(tài)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)該放大器的輸出功率下降，但效率反而提高，而VCC，Vcm及VBEmax不變，問(wèn)是什么原因造成的，此時(shí)放大器工作在什么狀態(tài)？

四、諧振功率放大器線路

1.

直流饋電

饋電原則：●

對(duì)直流呈短路●

對(duì)基波分量呈現(xiàn)最大阻抗●

對(duì)其他諧波分量基本呈現(xiàn)短路●

按電流流通路徑劃分饋電電路形式集電極饋電電路基電極饋電電路●

基極、集電極回路中，電流的直流分量和基波分量

有各自的正常通路●

高頻信號(hào)不能流過(guò)直流電源①集電極饋電（串饋、并饋）若功率管C-E結(jié)、、

LC回路三者是串聯(lián)(或并聯(lián))，則稱為集電極串饋（或并饋）電路●

集電極串、并饋電路形式●

串并饋電電路的異同點(diǎn)ii不同點(diǎn)：

并饋：LC回路兩端均是直流低電位端，且有一端接地；

串饋：LC回路兩端均是直流高電位端，且沒(méi)有一端接地；饋電附加元件（LC

、）

并饋：LC

、加在LC回路交流高電位端，造成分布參數(shù)并到LC回路上，影響頻率穩(wěn)定。串饋：LC

、加在LC回路交流低電位端，不影響頻率穩(wěn)定?！鴌共同點(diǎn)：供電效果相同；均是接在高頻電位的地電位端?！?/p>

常用基極饋電電路

②

基極饋電若功率管的發(fā)射結(jié)、vi、VBB三者是串聯(lián)（或并聯(lián)），則稱為基極串饋（或并饋）電路。●

基極饋電形式:有串饋與并饋兩種形式③自給反偏壓電路的作用●

放大器中引入自給反偏壓是穩(wěn)定工作點(diǎn)?！癖愔C振功放引入基極自給反偏壓是穩(wěn)定工作狀態(tài)，克服非線性失真●振蕩器中自給偏壓的作用是穩(wěn)定輸出電壓的振幅。●

切不可在乙類變壓器耦合推挽功率放大電路或線性諧振功率放大電路中加自給反偏壓電路，否則可能導(dǎo)致非線性失真例5試畫(huà)出一個(gè)兩級(jí)諧振功率放大器的實(shí)際線路,要求:①兩級(jí)均采用NPN管，發(fā)射極直接接地②第一級(jí)基極采用組合式偏置電路，提供負(fù)偏壓，與前級(jí)互感耦合；第二級(jí)基極采用零偏電路③第一級(jí)集電極饋電采用并聯(lián)形式，第二級(jí)集電極饋電采用串聯(lián)形式④兩級(jí)間回路為T(mén)型網(wǎng)絡(luò)，輸出回路采用∏型網(wǎng)絡(luò)，負(fù)載為天線。匹配網(wǎng)絡(luò)的種類∏型T型混合型2.

匹配網(wǎng)絡(luò)①對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的要求●

將外接RL

轉(zhuǎn)化成功率管集電極要求的匹配負(fù)載Re?！?/p>

選出基波分量，濾除諧波分量。用、

描述濾波性能。L型雙調(diào)諧型②設(shè)計(jì)LC匹配網(wǎng)絡(luò)的基本依據(jù)——串并支路阻抗變換公式③常用匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)iL形匹配網(wǎng)絡(luò)●

定義：用兩個(gè)異型電抗連接成L形●

結(jié)構(gòu)：L網(wǎng)絡(luò)阻抗變換討論問(wèn)題：1.

已知工作頻率，欲將變換為，求：電路結(jié)構(gòu)和、2.L網(wǎng)絡(luò)的帶寬②窄帶網(wǎng)絡(luò)－－兩電抗元件不同性質(zhì)，有選頻濾波性能特征：①兩電抗元件組成－－結(jié)構(gòu)形式同L●

設(shè)計(jì)舉例：（如圖所示L形網(wǎng)絡(luò)，已知，且求xs、xp）例6L網(wǎng)絡(luò)缺點(diǎn):

當(dāng)兩個(gè)要阻抗變換的源和負(fù)載電阻值確定后，

L網(wǎng)絡(luò)的Q值也確定了，是不能選擇的，因此，該窄帶網(wǎng)絡(luò)的濾波性能不能選擇。L匹配網(wǎng)絡(luò)支路的

Q值可以表示為注意：不一定是高QL網(wǎng)絡(luò)阻抗變換總結(jié)：電路形式：當(dāng)時(shí)>當(dāng)<時(shí)由于

>

，則L網(wǎng)絡(luò)如圖示L網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)支路電抗

L網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)支路電抗

例1-3-2已知信號(hào)源內(nèi)阻

=12，并串有寄生電感

=1.2。負(fù)載電阻為

=58并帶有并聯(lián)的寄生電容=1.8PF，工作頻率為。設(shè)計(jì)

L

匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號(hào)源與負(fù)載達(dá)共軛匹配。解：先將信號(hào)源端的寄生電感和負(fù)載端的寄生電容歸并到

L網(wǎng)絡(luò)中。

2.帶寬諧振阻抗諧振，開(kāi)路諧振，短路諧振阻抗回路帶寬回路Q=1/2支路Q回路有載回路Q=1/2支路Q回路有載1.3.4和T

型匹配網(wǎng)絡(luò)引出：當(dāng)對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)有更高的濾波要求時(shí)，采用三電抗元件組成

和T

型匹配網(wǎng)絡(luò)分析方法：分解為兩個(gè)L網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置一個(gè)假想中間電阻兩個(gè)L網(wǎng)絡(luò)的Q分別是由于是未知數(shù)，因此可以假設(shè)一個(gè)Q1

或

Q2假設(shè)Q的原則：根據(jù)濾波要求，設(shè)置一個(gè)高Q當(dāng)>時(shí)，Q2=Q當(dāng)<時(shí)，Q1=Q網(wǎng)絡(luò)的帶寬：由高Q

決定例1-3-3：設(shè)計(jì)一個(gè)型匹配網(wǎng)絡(luò)，完成源電阻和負(fù)載電阻間的阻抗變換。工作頻率MHz，假設(shè)大的一個(gè)有載

。

對(duì)應(yīng)L網(wǎng)絡(luò)的Q為：解：用L網(wǎng)絡(luò)是否可以？回路有載Q為：不滿足題目要求，所以必須用三電抗元件的變換網(wǎng)絡(luò)設(shè)網(wǎng)絡(luò)由L和

C1、C2

組成，將L分成L1和L2

兩個(gè)電感。網(wǎng)絡(luò)源端L網(wǎng)絡(luò)負(fù)載端L網(wǎng)絡(luò)Rinter中間電阻首先確定此大的有載＝4是在源端還是負(fù)載端？必定是負(fù)載端的L網(wǎng)絡(luò)的有載

因?yàn)樵O(shè)負(fù)載端L網(wǎng)絡(luò)的Q

為Q2

，則由于，因此此設(shè)計(jì)方案是可行的負(fù)載端

L網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)電容支路為負(fù)載端串聯(lián)電感支路為：對(duì)源端的L網(wǎng)絡(luò)，其每條臂的Q值為：源端串聯(lián)電感支路有 源端并聯(lián)電容支路有總電感為：Rinter3.

諧振功放應(yīng)用實(shí)例實(shí)例一

50MHz，25W諧振功放實(shí)例二

160MHz，10W諧振功放實(shí)例三

175MHz，10WVMOS管諧振功放實(shí)例四

470MHz，4～14W諧振功放4.

功率放大器調(diào)諧和調(diào)整①調(diào)諧調(diào)諧是把負(fù)載回路調(diào)到諧振狀態(tài)為保護(hù)晶體管，把電源電壓降到～，使放大器在過(guò)壓狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)諧，并適當(dāng)減小輸入激勵(lì)信號(hào)幅度，待調(diào)好后再一一恢復(fù)到額定值?！瘛裾{(diào)諧電路舉例●電路

方法▲▲五、晶體管倍頻器1.

倍頻器類型●

晶體管倍頻器（幾十MHz以下）●

參量倍頻（100兆周以上）2.

晶體管倍頻原理電路、工作狀態(tài)及其特點(diǎn)

●

與丙類諧振功放相似

●

不同點(diǎn)在于LrCr諧振在②工作狀態(tài)：a）需很大的激勵(lì)功率，使功率管增益明顯下降b）晶體管進(jìn)入飽和區(qū)輸出阻抗明顯降低，致使●

應(yīng)工作在欠壓或臨界狀態(tài)●

一般不工作在過(guò)壓狀態(tài)的原因：①電路：下降，嚴(yán)重影響濾波能力

③特點(diǎn)：

●

諧振在nωs上，n

不宜過(guò)大，否則電流太小

●

LC選頻網(wǎng)絡(luò)選出nωs分量，濾除大于或小于nωs的分量，若若●

高的倍頻可以用n個(gè)二倍頻或三倍頻電路級(jí)連●采用推挽電路：

a）若輸出電流差分，可實(shí)現(xiàn)奇數(shù)倍頻

b）若輸出電流之和，可實(shí)現(xiàn)偶數(shù)倍頻④電路：LC回路難以選擇，所以n一般為2或3。要求濾波條件苛刻。n一般采取2或3，不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致：小結(jié)

1、放大器的效率決定放大器的工作狀態(tài)。諧振功率放大器工作在丙類，流通角φ<90°，其效率η>80%。集電極電流ic為脈沖波，但由于諧振回路的選頻濾波作用，輸出電壓仍為正弦波。

2．諧振功放的工作狀態(tài)由VBB、Vbm、VCC和Re四個(gè)變量決定，工作狀態(tài)分欠壓，臨界和過(guò)壓三種。

VCC、Vbm、VBB不變，放大器特性隨Re變化的特性稱為負(fù)載特性。當(dāng)Re=Reopt，工作在臨界狀態(tài)時(shí)，輸出功率最大；工作在弱過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，效率最高。

Vbm、Re不變，放大器特性隨VCC或VBB變化的特性為調(diào)制特性。集電極調(diào)幅工作在過(guò)壓狀態(tài)，基極調(diào)幅工作在欠壓狀態(tài)。

VCC、VBB、Re不變，放大器特性隨Vbm變化的特性為放大特性。要放大信號(hào)需工作在欠壓狀態(tài)，要達(dá)到限幅目的需工作在過(guò)壓狀態(tài)。

3、諧振功放的饋電線路包括集電極和基極兩種饋電線路，而這兩種饋電線路又都有串饋和并饋兩種形式。不管何種類型的饋電線路，它們組成的原則是，要使直流分量、基波分量和各次諧波分量都有正確的流通路徑。根據(jù)工程要求，正確選擇饋電元件。

4、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括L型、π型、T型和互感耦合雙調(diào)諧回路等形式。對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的要求是，要有良好的阻抗匹配作用，傳輸效率要高，濾波效果要好。不管哪種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)，阻抗變換的基礎(chǔ)是串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，熟練掌握串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換公式，這些網(wǎng)絡(luò)的阻抗轉(zhuǎn)換便可迎刃而解。

例7

有一諧振功率放大器，已知VCC＝12V，回路諧振阻抗Re＝130Ω，集電極效率η＝74.5％，輸出功率P0＝500mW?，F(xiàn)在為了提高η，在保持VCC、Re、