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1、1.3 谐振功率放大电路1.3.1 概述例：例：扩音系统扩音系统执行机构执行机构功率放大器的作用：功率放大器的作用：用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，以，以驱驱动动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表仪表指针偏转等。指针偏转等。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取高频功率放大器的位置功率放大器的特点：v仍是对输入电压、电流的放大。和之前学过的小信号放大器没有本质区别。v为获得足够大的功率，放大电路需要在大信号条件下工作引发许多新的问题。功率放大器的特点：v1.要求输出功率尽可能大为了获得尽可能大的输出，要求功放管往往要在接近极限的
2、状态下运行。v2.输出效率要高获得高效率需要的条件获得高效率需要的条件：直流电压供给的功率交流输出的信号功率集电极耗散功率降低集电极耗散功率提高效率+EE高频高频小信号谐振放大器工作状态：甲类小信号谐振放大器工作状态：甲类最大输出效率仅有50%！降低Q点，使信号等于零时，电源功率也趋于零高频高频谐振功放的工作状态：大信号丙类谐振功放的工作状态：大信号丙类w tw t丙类：静态工作点下移，使无信号输入时，功率管处于截止状态，不造成功率损耗。输出有明显截止失真。工作状态工作状态半导角半导角理想效率理想效率负载负载应用应用甲甲(A)=18050%电阻、变压器电阻、变压器低频低频乙乙(B)=9078.
3、5%电阻、变压器电阻、变压器低频低频甲乙甲乙(AB)90 18050%78.5%电阻、变压器电阻、变压器低频低频丙丙(C)78.5%选频回路选频回路高频高频丁丁(D)开关状态开关状态90%100%选频回路选频回路高频高频戊戊(E)开关状态开关状态90%100%选频回路选频回路高频高频功率放大器的特点：v3.非线性失真丙类状态工作下的功放电路，产生了非常明显的失真。正弦波脉冲负载接谐振回路，用以滤去谐波，仅保留基波。ictccic1ic2ic3IcoIcmaxv当集电极LC并联回路调谐在输入信号频率上时，集电极余弦电流脉冲iC的基波分量产生较大的压降；LC回路的电感L对直流呈现很小的阻抗并且可以
4、看作短路，各高次谐波对LC回路呈现的阻抗很小并且可以看作短路，因此直流分量、各高次谐波分量不会在LC回路两端产生压降。输出功率与效率输出功率与效率放大器的输出功率：放大器的输出功率：功率放大电路，本质上是依靠信号源的控制，把集电极电源提供的直流功率转化为负载回路的交流功率。关注：功率的大小转换效率的高低集电极输出的基波功率：集电极输出的基波功率：或：或：为集电极电压利用系数。为集电极电压利用系数。其中其中放大器的耗散功率放大器的耗散功率 集电极效率：集电极效率：集电极电源提供的直流功率：集电极电源提供的直流功率：1.3.3 丙类谐振放大电路的性能分析丙类谐振放大电路的性能分析晶体管转移特性曲线
5、晶体管转移特性曲线 晶体管输出特性曲线晶体管输出特性曲线晶体管输出电流为周期脉冲形状，将其命名为集电极余弦晶体管输出电流为周期脉冲形状，将其命名为集电极余弦脉冲电流，用傅里叶级数展开为脉冲电流，用傅里叶级数展开为Ic0：集电极余弦电流脉冲的直流分量：集电极余弦电流脉冲的直流分量 Ic1m：为集电极余弦电流脉冲的基波分量振幅：为集电极余弦电流脉冲的基波分量振幅 Icnm：为集电极余弦电流脉冲的：为集电极余弦电流脉冲的n次谐波分量振幅次谐波分量振幅 一、集电极余弦电流脉冲一、集电极余弦电流脉冲ic的分析的分析设输入信号是频率设输入信号是频率的单频余弦信号，即的单频余弦信号，即可得基极回路电压为可得
6、基极回路电压为 基极输出电流为：基极输出电流为：可知，当可知，当 时时则：则：当当 t=0时时 则则将上两式代入集电极电流的表达式，并整理得：将上两式代入集电极电流的表达式，并整理得：将将展开为傅里叶级数展开为傅里叶级数其中：其中：式中，式中，0()、1()、n()分别称为余弦电流脉冲分别称为余弦电流脉冲的直流分解系数、一次谐波分解系数以及的直流分解系数、一次谐波分解系数以及n次谐波分解系数，次谐波分解系数，其大小是半导角其大小是半导角的函数。的函数。定义波形系数为定义波形系数为(a)分解系数 (b)波形系数尖顶余弦脉冲的分解系数v当一定时，基本上符合123。即，基波分量最大，越高频的谐波振幅
7、越小。v对应某次谐波，有相对应的角，使得输出振幅最大。例如1在=120时最大。二次谐波2在=60时最大。可根据需要选取半导角。v同样的，也可以找到相对应的角，使某次谐波输出为零。v1/0:反映电路效率。v效率和输出功率的矛盾。为了兼顾功率与效率，为了兼顾功率与效率，最佳通角最佳通角 c 70二、高频功放管集电极的动态特性动态特性：当基极加上输入信号并且集电极接上负载阻抗时，晶体管集电极电流ic与集电极电压uce 之间的关系。动态特性曲线:功率放大器工作点变化的轨迹，也称动态交流负载线，由集电极电流ic与集电极电压uce曲线构成。由于晶体管的静态特性曲线是非线性的，所以实际动态特线性曲线也是非线
8、性的，但可以证明：当静态特性曲线折线化后，且放大器负载处于谐振状态，即负载为纯电阻，则动态特性曲线也为一条直线。下图所示为折线化转移特性和输出特性曲线：下图所示为折线化转移特性和输出特性曲线：gB动态线动态线由以下表达式：由以下表达式：则此时，得出ic与uce的关系，也即我们所要求的动态特性曲线。令iC=0，确定第一个特殊点。再令uCE=Ec，确定第二个特殊点。二者相连，即可确定动态线。也即，根据预先设定的EB,EC等值，可确定放大电路的动态特性。当当iC=Icm时，还可以写出斜率值时，还可以写出斜率值gd的另一种形式：的另一种形式：代入代入:则得：则得：因此：动态电导因此：动态电导gd与与R
9、、都有关系。都有关系。三、谐振电阻R对ic的影响改变负载电阻改变负载电阻R，即可改变交流负载线斜率。，即可改变交流负载线斜率。从而影响放大电路的工作状态。从而影响放大电路的工作状态。临界状态欠压状态过压状态（1）动动态态特特性性曲曲线线1代代表表R较较小小因因而而Ucm也也较较小小的的情情形形，称称为为欠欠压压工工作作状状态态。它它与与静静态态曲曲线线交交点点A1决决定定了了集集电电极极电电流流脉脉冲冲的高度。显然，这时电流波形为尖顶余弦脉冲；的高度。显然，这时电流波形为尖顶余弦脉冲；（2）随随着着R的的增增加加，动动态态线线斜斜率率逐逐渐渐减减小小，输输出出电电压压Ucm也也逐逐渐渐增增加加
10、。直直到到它它与与临临界界线线交交于于一一点点A2时时，放放大大器器工工作作于临界状态。此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲；于临界状态。此时电流波形仍为尖顶余弦脉冲；（3）负载电阻）负载电阻R继续增加，输出电压进一步增大，即进入继续增加，输出电压进一步增大，即进入过压工作状态。动态线过压工作状态。动态线3就是这种情形。其波形发生发生凹就是这种情形。其波形发生发生凹陷，是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。陷，是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。v当当放放大大器器直直流流电电源源电电压压EC和和EB以以及及激激励励电电压压Ubm固固定定不不变变，放放大大器器的的集集电电极极电电流流Ic0
11、、Ic1m、回回路路电电压压Ucm、输输出出功功率率Po、效效率率随随负负载载电电阻阻变变化化的的特特性性称称为为放放大大器器的的负负载载特特性。它是高频功率放大器的重要特性之一。性。它是高频功率放大器的重要特性之一。v通通过过研研究究负负载载特特性性，可可选选取取合合适适的的R，使使放放大大器器的的工工作作更更理想。理想。四、负载特性由图可以看出，在临界状态，由图可以看出，在临界状态，Po达到最大值。因此在设达到最大值。因此在设计高频功率放大器时，如果希望输出功率最大，就应使之工计高频功率放大器时，如果希望输出功率最大，就应使之工作在临界状态。作在临界状态。集电极功耗集电极功耗PC=PD-P
12、o，在欠压区内，当，在欠压区内，当R减小时，减小时，PC上升上升很快；当很快；当R 0时，时，PC达到最大值，可能使晶体管烧坏，必达到最大值，可能使晶体管烧坏，必须避免发生这种情况。须避免发生这种情况。效率效率C Po/PD，在欠压时，在欠压时，PD变化很小，所以随变化很小，所以随Po的增加的增加而增加；到达临界状态，开始时而增加；到达临界状态，开始时Po的下降没有的下降没有PD下降快，因下降快，因而继续增加，但增加缓慢。随着而继续增加，但增加缓慢。随着R 的继续增加，的继续增加，Po因因Ic1m的急的急剧下降而下降，因而略有减小。由此可知，在靠近临界的弱过剧下降而下降，因而略有减小。由此可知
13、，在靠近临界的弱过压状态出现最大值。压状态出现最大值。v三种三种工作状态的特点：工作状态的特点：v1）临界状态）临界状态v优点优点输出功率最大，效率也较高，可以说是谐振功输出功率最大，效率也较高，可以说是谐振功率放大器最佳工作状态。率放大器最佳工作状态。v主要用于发射机末端。主要用于发射机末端。v2）过压状态（强过压和弱过压）过压状态（强过压和弱过压）v优点优点当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。v经常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，例如发经常用于需要维持输出电压
14、比较平稳的场合，例如发射机的中间级放大器。射机的中间级放大器。3）欠压状态）欠压状态输出功率与效率都比较低，而且集电极消耗功率大，输出电输出功率与效率都比较低，而且集电极消耗功率大，输出电压又不够稳定，因此较少采用。但在某些场合，例如基极调压又不够稳定，因此较少采用。但在某些场合，例如基极调幅，就是工作在欠压状态。幅，就是工作在欠压状态。v例：坦克的天线（负载），碰地或者碰到装甲车壳会带来什么结果？v答：v1.天线为末端负载。则此时相应放大电路工作在临界状态。v2.天线碰地后，负载阻抗减小。则工作状态变化到欠压状态。v3.此时晶体管工作不安全，Pc急剧增加，易烧毁。2.下面的电路属于哪种电路（
15、）vA、共射放大电路 B、谐振功率放大电路vC、小信号谐振放大电路D、正弦波振荡电路LC+VCCRERB1RB2CECBRL+5 51 12 23 34 4+C由负载特性可知，要使谐振丙类功放的输出功率最大，其工作状态应为()若要效率最高，应工作在()vA、过压状态 B、欠压状态vC、临界状态D、弱过压状态CD1.3.4 直流馈电电路直流馈电电路作用：作用：1.输入回路与输出回路输入回路与输出回路加上合适的直流偏压加上合适的直流偏压，以使，以使放大器正常的工作；放大器正常的工作；2.由于电源是作为一个系统的公共部分，要求由于电源是作为一个系统的公共部分，要求高频高频信号不能通过直流电源信号不能
16、通过直流电源以免对其他的单元电路产生干以免对其他的单元电路产生干扰。扰。集电极馈电电路基极馈电电路集电极直流馈电电路集电极直流馈电电路 对于集电极电路，由于其电流是脉冲形状，包含各种频率成对于集电极电路，由于其电流是脉冲形状，包含各种频率成分，电路的分，电路的组成原则组成原则如下。如下。(1)由于直流由于直流Ic0是产生直是产生直流功率的，流功率的，Ic0由由VCC经过外经过外电路提供给集电极，应该电路提供给集电极，应该是除了晶体管的内阻外，是除了晶体管的内阻外，没有其他电阻消耗能量。没有其他电阻消耗能量。因此，要求外电路对直流因此，要求外电路对直流Ic0的等效电路如图的等效电路如图(a)所示
17、。所示。(a)直流等效电路直流等效电路(2)基波分量基波分量Ic1m应通应通过负载电路，以产生过负载电路，以产生所需要的高频输出功所需要的高频输出功率。因此，率。因此，Ic1m只应在只应在负载回路产生电压降，负载回路产生电压降，其余部分对于其余部分对于Ic1m来说，来说，都应该是短路的。所都应该是短路的。所以对于以对于Ic1m的等效电路的等效电路如图如图(b)所示。所示。(b)基波等效电路基波等效电路(3)外电路对外电路对高次谐波高次谐波Icnm为短路到地，为短路到地，如图如图(c)所示。所示。(c)高次谐波等效电路高次谐波等效电路 要满足以上几条原则，可以采用串联馈电电路与并联馈电要满足以上
18、几条原则，可以采用串联馈电电路与并联馈电电路两种电路。电路两种电路。串馈是指直流电源、晶体管以及谐振负载回路三者之间是串馈是指直流电源、晶体管以及谐振负载回路三者之间是串联连接的。并馈是将上述三部分并联连接。串联连接的。并馈是将上述三部分并联连接。(a)串馈串馈(b)并馈并馈 在图中，在图中，Lc是大电感，称为高频扼流圈，其对高频电流呈现是大电感，称为高频扼流圈，其对高频电流呈现很大的阻抗，阻止高频电流通过，近似为断路；很大的阻抗，阻止高频电流通过，近似为断路；Cc1、Cc2是大是大电容，分别称为高频旁路电容和耦合电容，其对高频电流呈现电容，分别称为高频旁路电容和耦合电容，其对高频电流呈现很小
19、的阻抗，近似为短路。很小的阻抗，近似为短路。Lc与与Cc1构成电源滤波电路，用以避构成电源滤波电路，用以避免高频信号通过直流电源而产生寄生干扰影响其他电路的正常免高频信号通过直流电源而产生寄生干扰影响其他电路的正常工作。不管是并馈还是串馈，交流电压与直流电压都是串联叠工作。不管是并馈还是串馈，交流电压与直流电压都是串联叠加在一起的，满足加在一起的，满足 。串馈：串馈：L、C高频地电位。谐振回路直流高电位，不接地。高频地电位。谐振回路直流高电位，不接地。并馈：谐振回路直流低电位，可接地。并馈：谐振回路直流低电位，可接地。L、C并联影响参数。并联影响参数。基极直流馈电电路基极直流馈电电路要使放大器
20、工作在丙类，功率管基极应加反向偏置电压或小要使放大器工作在丙类，功率管基极应加反向偏置电压或小于导通开启电压于导通开启电压Uon的正向偏置电压。当基极的偏置电压通过的正向偏置电压。当基极的偏置电压通过外加电压方式实现的，称为固定偏压方式；由基极直流电流或外加电压方式实现的，称为固定偏压方式；由基极直流电流或发射极电流流过电阻而产生的偏压，称为自给偏压方式。发射极电流流过电阻而产生的偏压，称为自给偏压方式。图图(a)是利用基极电流是利用基极电流脉冲脉冲iB中直流分量中直流分量IB0经经RB产生偏置电压，根据产生偏置电压，根据IB0的的流向，则该偏置电压给基流向，则该偏置电压给基极加了一个反向偏置
21、电压。极加了一个反向偏置电压。高频旁路电容高频旁路电容CB使使iB的基的基波以及各次谐波电流到地波以及各次谐波电流到地而不经过而不经过RB，从而使，从而使RB上上产生稳定的直流压降。通产生稳定的直流压降。通过改变过改变RB的大小可以调节的大小可以调节反向偏置电压的大小。反向偏置电压的大小。图图(b)利用发射极电流的利用发射极电流的直流分量直流分量IE0在发射极偏置在发射极偏置电阻电阻RE上产生所需要的上产生所需要的VBB。其分析方法与图。其分析方法与图(a)的分析类似，都是直流负的分析类似，都是直流负反馈电路，反馈电路，RB、RE都是负都是负反馈电阻，可以稳定输出反馈电阻，可以稳定输出电压振幅
22、。电压振幅。图图(c)是利用高频扼流是利用高频扼流圈圈LB中固有的直流电阻以中固有的直流电阻以及晶体管基区体电阻及晶体管基区体电阻Rbb对基极实现一个较对基极实现一个较小的反向偏置，其优点是小的反向偏置，其优点是简单、元件用得少；缺点简单、元件用得少；缺点是数值较小且不够稳定，是数值较小且不够稳定，因而一般只在需要小的因而一般只在需要小的VBB时才采用这种电路。时才采用这种电路。1.3.5 匹配网络匹配网络1.阻抗变换阻抗变换2.选频滤波选频滤波3.高效能量输出高效能量输出常用匹配网络的类型常用匹配网络的类型高阻变低阻高阻变低阻？低阻变高阻低阻变高阻？如果外接负载如果外接负载RL较大，而放大器
23、所要求的负载电阻较大，而放大器所要求的负载电阻RC较小，较小，可采用图示电路。将可采用图示电路。将XP与与RL并联形式等效变换为并联形式等效变换为Xs与与Rs的串联的串联形式。形式。(a)L形选频匹配网络形选频匹配网络 (b)等效电路等效电路高阻抗变低阻抗选频匹配网络高阻抗变低阻抗选频匹配网络【例例】已知一谐振功率放大器，其工作频率已知一谐振功率放大器，其工作频率f=20MHz，该放大，该放大器工作在临界状态所需要的等效阻抗为器工作在临界状态所需要的等效阻抗为 ，求：，求：当负载电阻当负载电阻 ，设计该选频匹配网络；，设计该选频匹配网络；解：由题意可知，匹配网络应该使负载值增大，故采用第一解：
24、由题意可知，匹配网络应该使负载值增大，故采用第一种网络。种网络。因此有因此有由由0.16H电感和电感和318pF电容组成的倒电容组成的倒L形匹配网络如图所示。形匹配网络如图所示。L型T型型1.3.5 谐振功率放大器电路举例谐振功率放大器电路举例图示是频率为图示是频率为160MHz的谐振功率放大器电路，该电路通过高的谐振功率放大器电路，该电路通过高频扼流圈频扼流圈Lb给基极提供自给偏压电路，集电极馈电采用并馈方式，给基极提供自给偏压电路，集电极馈电采用并馈方式，电源电源VCC通过高频扼流圈通过高频扼流圈Lc给集电极供电，电容给集电极供电，电容Cc为高频旁路电为高频旁路电容，滤除高次谐波以免其通过
25、电源形成寄生干扰。容，滤除高次谐波以免其通过电源形成寄生干扰。160 MHz谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路在高频功率放大器的输入端采用由在高频功率放大器的输入端采用由C1、C2、L1组成的组成的T形匹形匹配网络，通过调谐使该网络的谐振频率为配网络，通过调谐使该网络的谐振频率为160MHz，一方面起，一方面起滤波的作用，滤除滤波的作用，滤除160MHz以外信号的进入；另一方面起阻抗以外信号的进入；另一方面起阻抗变换的作用，即将放大器的输入阻抗变换为与前级阻抗相匹配。变换的作用，即将放大器的输入阻抗变换为与前级阻抗相匹配。高频功率放大器的输出端由高频功率放大器的输出端由C3、C4、L1组成的
26、倒组成的倒L形匹配网络，形匹配网络，通过调整通过调整C3、C4使该网络的谐振频率为使该网络的谐振频率为160MHz，一方面滤除，一方面滤除放大器工作在非线性状态所产生的高次谐波；另一方面进行放大器工作在非线性状态所产生的高次谐波；另一方面进行阻抗变换，将负载变换为放大器所要求的最佳阻抗。阻抗变换，将负载变换为放大器所要求的最佳阻抗。1.4 丙丙(C)类倍频器类倍频器倍频：使输出信号频率为输入信号频率的倍频：使输出信号频率为输入信号频率的n倍倍倍频电路谐振回路的中心频率不是调谐在输入信号的频率倍频电路谐振回路的中心频率不是调谐在输入信号的频率上，而是调谐在输入信号的高次谐波频率上，而是调谐在输入
27、信号的高次谐波频率n 上上 调谐在调谐在n 上上集电极输出电流集电极输出电流输出输出n次谐波的功率次谐波的功率当作为谐振功率放大器时，其导通角当作为谐振功率放大器时，其导通角 时输出功率最大；时输出功率最大；为最大时输出功率最大为最大时输出功率最大当作为二次倍频电路使用时，其导通角当作为二次倍频电路使用时，其导通角 时输出功率最大；时输出功率最大；当作为三次倍频电路使用时，其导通角当作为三次倍频电路使用时，其导通角 时输出功率最大。时输出功率最大。若保持集电极电流的最大值相同，则作为二倍频和三倍频若保持集电极电流的最大值相同，则作为二倍频和三倍频使用时，其获得的最大电流振幅分别为基波电流振幅的
28、使用时，其获得的最大电流振幅分别为基波电流振幅的1/2和和1/3。故在相同的情况下，倍频次数越高，获得的输出电流、。故在相同的情况下，倍频次数越高，获得的输出电流、输出电压以及输出功率越小。所以，丙类倍频器的倍频次数不输出电压以及输出功率越小。所以，丙类倍频器的倍频次数不能太大，一般为能太大，一般为23次，如果需要更高次数多倍频，可采用多次，如果需要更高次数多倍频，可采用多个倍频器级联的方式。个倍频器级联的方式。由于由于(1)对振荡器进行倍频，可得到更高频率的输出频率。对振荡器进行倍频，可得到更高频率的输出频率。倍频电路在通信系统以及其他电子系统中的应用：倍频电路在通信系统以及其他电子系统中的应用：(2)在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏。信号的最大线性频偏。