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1、第二章第二章 谐振功率放大器谐振功率放大器2.1谐振功率放大器的工作原理2.2谐振功率放大器的性能特点2.3谐振功率放大电路2.4高频功率放大器2.0小信号谐振放大器一学时安排一学时安排授课14学时实验4学时1谐振功率放大器的工作原理2学时2谐振功率放大器的性能特点4学时3谐振功率放大电路4学时4高频功率放大器2学时5习题课2学时6高频小信号谐振放大器实验2学时7丙类高频功率放大器实验2学时二二授课方式：授课方式：课堂教学方法为主课堂教学方法为主三三重点、难点重点、难点1重点讨论谐振电路的频率特性，难点、接入系数。2谐振功率放大器的三个工作状态，欠压、临界和过压状态。3重点讨论四个电压量对放大
2、器性能的影响。谐振功率放大器直流馈电电路及滤波匹配网络的分析与设计。四四教学内容及要求教学内容及要求要求学生了解谐振电路的频率特性及谐振放大器的工作原理，掌握谐振放大器的性能特点。特别是谐振放大器的三种工作状态要有清楚的认识，掌握四个电压量对谐振功率放大器的影响。了解谐振放大器的直流馈电方式，掌握滤波匹配网络的设计方法，了解高频功率放大器设计的基本步骤。五五教学方法：教学方法：首先补充谐振电路的基本内容。在此基础上引出小信号谐振放大器的工作原理。丙类谐振功率放大器的原理，而后，重点讨论谐振功率放大器的性能特点，工作状态以及谐振功率放大器的直流馈电方式、滤波匹配网络设计，最后简单介绍高频放大器的
3、设计步骤，用2学时时间上习题课讨论课，并安排4学时实验，用以加深巩固本堂课堂教学内容。第第2章谐振功率放大器章谐振功率放大器摘要：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，为了进一步提高效率也可采用开关方式工作。本章重点讨论丙类工作的谐振功率放大器，也对其它工作状态的谐振功率放大器作一简要的介绍。2-0小信号谐振功率放大器小信号谐振功率放大器2-0-1高频振荡回路。一简单振荡回路振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。只有一个回路的振荡回路称为简
4、单振荡回路或单振荡只有一个回路的振荡回路称为简单振荡回路或单振荡回路。简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最回路。简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为大或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。简单振荡回路具有谐振特性和频率选择作谐振频率。简单振荡回路具有谐振特性和频率选择作用，这是它在高频电子线路中得到广泛应用的重要原用，这是它在高频电子线路中得到广泛应用的重要原因。因。1 1串联谐振回路串联谐振回路图图图图2-0-12-0-1串联振荡回路及其特性串联振荡回路及其特性串联振荡回路及其特性串联振荡回路及其特性 RR电感线圈电感线圈
5、电感线圈电感线圈L L中的损耗电阻值较小，可以忽略；中的损耗电阻值较小，可以忽略；中的损耗电阻值较小，可以忽略；中的损耗电阻值较小，可以忽略；CC电容，当信号频率为时，其串联阻抗为：电容，当信号频率为时，其串联阻抗为：电容，当信号频率为时，其串联阻抗为：电容，当信号频率为时，其串联阻抗为：（1 1）当）当）当）当时，回路呈容性，时，回路呈容性，时，回路呈容性，时，回路呈容性，；（2 2）当）当）当）当时，回路呈感性，时，回路呈感性，时，回路呈感性，时，回路呈感性，；（3 3）当）当）当）当时，回路呈电阻性，时，回路呈电阻性，时，回路呈电阻性，时，回路呈电阻性，其值，其值，其值，其值最小；最小；
6、最小；最小；此时，电路发生串联谐振，串联谐振角频率为（2-0-1）若在串联谐振电路两端加一恒值信号，谐振时，流过电路的电流最大。设在任意频率下的电流为，则.式中，回路的品质因数。是指回路没有外加负载时的值，称为空载值或，当回路有外加负载时，品质因数要用有负载值或来表示，其中的电阻R应为考虑负载后的总损耗电路。图图2-0-22-0-2串联谐振回路的谐振曲线和电流、电压关系串联谐振回路的谐振曲线和电流、电压关系图2-0-2为串联谐振回路的谐振曲线。回路通频带也称为回路带宽：2并联谐振回路。串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗电路（如微波电路）。当频率不是非常高时，并联谐振回
7、路应用最广。并联谐振回路及其频率特性如图2-0-3所示p75.并联谐振频率当时,回路在谐振时的阻抗最大图图2-0-42-0-4几个常见抽头震荡回路几个常见抽头震荡回路为为电阻电阻为等效到回路两端的并联谐振电阻。为等效到回路两端的并联谐振电阻。通频带通频带二抽头并联振荡回路。二抽头并联振荡回路。图图2-0-42-0-4是几种常用的抽头振荡回路，采用抽头回路，是几种常用的抽头振荡回路，采用抽头回路，可以通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信可以通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信 号源的阻抗匹配，或者进行阻抗变换，对于抽头振荡号源的阻抗匹配，或者进行阻抗变换，对于抽头振荡 回路，除了参数
8、回路，除了参数和和外，还增加了一个可以调节外，还增加了一个可以调节 的因子的因子接入系数接入系数。定义：与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压定义：与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压 的同性质总电抗之比：的同性质总电抗之比：.接入系数（抽头系数）又称为电压比或变比。对于图(a)无互感时有互感时对于图（b）对于图（c）所以对于图（d）对于图（e）注：除了阻抗需要折合外,有时信号源也需要折合。对于电压源：对于电流源：图2-0-5图2-0-5电流源的折合对于信号源进行折合时的变比是而不是。图图图图2-0-52-0-5电流源的折合电流源的折合电流源的折合电流源的折合三耦合谐振回路三耦合谐振回路
9、双调谐回路双调谐回路图图2-0-62-0-6 图图2-0-62-0-6两种常见的耦合回路及其等效电路两种常见的耦合回路及其等效电路图（图（a a）互感耦合电路）互感耦合电路(b)(b)电容耦合电路电容耦合电路图（图（c c）为图（）为图（a a）的等效电路）的等效电路(d)(d)为为(b)(b)的等效电路的等效电路 1耦合系数定义：（耦合阻抗）与初次级中与同性两电抗的几何平均值之比，即图(a)图(b)2.耦合因子A设当时，称为临界耦合，临界耦合系数，。当时，过耦合，特性曲线出现双峰。当时，欠耦合，曲线较尖峰值小。注：与单回路的阻抗特性比，耦合回路特性顶部平缓，宽度要大，而且在频带之外，曲线下降
10、也更陡峭。从回路对临近无用信号频率的抑制来看，性能也更好。3.通频带.图图2-0-72-0-7耦合回路的耦合回路的频率性频率性.202高频小信号放大器一.对高频小信号放大器的主要要求：1.增益要求高。用于各种接收机中的中频放大器，其电压放大倍数可达，而电压的增益为dB,通常要倍高级放大器才能实现。2.频率选择性要好。3.工作稳定可靠。这要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。此外，在放大微弱信 号的接收机前级放大器中，还要求放大器内部号的接收机前级放大器中，还要求放大器内部 噪声要小，因为放大器本身的噪声越低，接噪声要小，因为放大器本身的噪声越低，接 收
11、微弱信号的能力越强。收微弱信号的能力越强。二高频小信号谐振放大器的工作原理二高频小信号谐振放大器的工作原理图图2-0-82-0-8 直流偏置与低频放大器完全相同，只是直流偏置与低频放大器完全相同，只是对高旁对高旁 路，其值比低频中小得多，路，其值比低频中小得多，(b)(b)为交流通路，为交流通路，时，时，抽头谐振回路谐振，完成阻抗匹配和选频滤波功能。抽头谐振回路谐振，完成阻抗匹配和选频滤波功能。由于输入的是高频信号，放大器工作在甲类状态。由于输入的是高频信号，放大器工作在甲类状态。二放大器的的性能1晶体管的高频等效电路图2-0-8(a)混等效电路(b)参数等效电路1)参数说明输出端交流短路时的
12、输入导纳。图2-0-8高频小信号谐振放大器（a）实际线路（b）交流等效电路输入端交流短路时的输出导纳。输出端交流短路时的正向传输导纳。输入端交流短路时的反向传输导纳。在忽略及满足的条件下，参数与参数的关系为：.注：注：参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，而且与工作频率有关，是频率的复函数，当放大器而且与工作频率有关，是频率的复函数，当放大器工作在窄带时，工作在窄带时，参数变化不大，可以将参数变化不大，可以将参数看参数看作常数。高频小信号谐振放大器一般是工作在窄带。作常数。高频小信号谐振放大器一般是工作在窄带。晶体管可以用晶体管可以用参数等效。其参数等
13、效。其参数方程为参数方程为.2）晶体管的高频特性、参数截止频率定义：下降到低频电流放大系数的倍时，所对应的频率称为的截止频率。特性频率定义：下降到1时，所对应的频率称为的特征频率。当时，最高振荡频率定义：晶体管的功率增益时,所对应的频率称为最高振荡频率表示一个晶体管所能适用的最高极限频率，在此频率，晶体管已不可能得到功率放大。任意的的计算：2放大器的性能参数图2-0-9为图2-0-1的高频小信号参数等效电路。图中包括谐振回路的导纳和负载电阻的等效导纳，忽略管子内部的反馈，令，电流源内电导。(1)电压放大倍数K图图2-0-92-0-9晶体三极管晶体三极管（a a）混）混 等效电路（等效电路（b
14、b）Y Y参数等效电路参数等效电路.(2)输入导纳（3）输出导纳（4）通频带，L为回路电感，为回路的总电容，包括回路本身的电容以及等效到回路中呈现的电容。为有载品质因数。为回路的总电导，包括回路本身的损耗以及、等效到回路中的损耗。203思考题1.高频小信号谐振放大选择谐振回路作为放大器负载的优点是什么？2.通频带的含义是什么？3.晶体管的高频参数包括哪些？2-1谐振放大器的工作原理211丙类谐振功率放大器p81图2-1-1一.工作原理1.元件说明：外接负载，用串联等效、匹配网络；、共同组成谐振回路。2.原理选择值使功率管静态工作于截止区内，调节使并联谐振回路谐振于信号频率上。忽略基区宽度调制效
15、应以及管子结电容的影响，若输入信号电压由3.在静态转移特性曲线上画出的波形。P82图2-1-2.由于集电极回路谐振于上，所以，中的基波分量呈现的阻抗最大,且为纯电阻,称为谐振阻抗在高值回路中。（2-1-1）式中，为回路总电容,回路有载品质因数。注；谐振回路对中其它分量呈现阻抗均很小，因此，认为仅为基波分量产生的电压，所以负载上可以得到不失真的信号功率，即为失真的脉冲波，而为完整正弦波。4谐振回路的作用1)利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。2)谐振回路可以将含有电抗分量的外接负载变换为谐振回路电阻，而且，调节、还能使其等于放
16、大器所需集电极电阻，实现阻抗匹配，所以，在谐振功率放大器中，谐振回路具有选频和匹配双重作用。4存在问题p83图2-1-3丙类工作时，随管子导通时间而增大，但放大器输出频率。为了实现而不变，脉冲高度，方法为BE可能反向击穿。因此，在维持的条件下，一味地减小管子导通时间来提高是不现实的，要解决这一问题，采用开关工作的谐振放大器丁类谐振功率放大器。213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，可认为输出谐振回路上仅有中的n次谐波分量产生的高频电压、而其它分量产生的电压均可忽略，因而在负载上得到了频率为输入信号为n倍的输出信号功率。214思考题11.为什么高频功率
17、放大器一般要工作于乙类或丙类状态？为什么采用调谐回路作负载？为什么要调谐在工作频率？22.为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高频功率放大器可以工作于丙类？简答：低频功率放大器信号频带宽，不能用谐振回路取出不同频率分量，而高频信号频带窄，采用一个谐振回路即可完成选频作用。22谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点211近似分析法一谐振功率放大器的动态线假设一谐振回路具有理想的滤波特性，其上只能产生基波电压（或n倍频)，为冲波，为余弦电压，若放大器输入端也接有谐振回路，为脉冲波，为余弦电压。(2-1-1a)(2-1-1b)假设二功率管的特性用输入和输出静态曲线表示，其高频效应可以忽略
18、，输出特性曲线的参变量为，即先将。1动态线的产生：先设定、的数值，将按等间隔给定不同的值，画出、的波形。然后在输出特性上找出对应的动态点和由此确定的值。其中动态点的连线称为谐振功率放大器的动态线。2谐振电阻（2-2-2）3谐振功率放大器的功率（2-2-3a）（2-2-3b）222欠压、临界、和过压状态一、一定时，改变对波形及数值的影响。的脉宽主要取决于和（图2-1-3），当和一定时,的脉宽也就近似一定,几乎不随的大小而变化。二在时的数值随变化的情况。图2-2-21.三种状态当时,即为定值时，随动态点A将沿线间右移。图图2-2-2改变改变对对脉冲波的影响脉冲波的影响其中为由放大区饱和区的临界点。
19、时，管子处于放大区，相应地值为脉冲电流的峰值，且随略；管子进入饱和区，出现凹陷，且随而加深。动态点处于放大区，称为欠压状态，为接近余弦的脉冲。处于饱和区时称为过压状态，中间凹陷。处于放大与饱和临界电时称为临界状态。2出现凹陷的原因完全是由于集电极负载性质造成的，在理想情况下，谐振回路上只能产生基波余弦电压，因而当向增大时，向减小，对应的动态点先达到临界点E，值最大，而后进入饱和区值，出现凹陷，直到点，值最小。3和脉冲波形之间的关系。(2-2-4a).(2-2-4b)越宽，高度越高，、越大，若出现凹陷，则凹陷越深，、越小。223四个电压量对性能影响的定性讨论。一负载特性负载特性是指、和一定，放大
20、器特性随变化的特性，随变化的波形。如图2-2-3所示。P89图2-2-31,随变化的特性欠压区特性近似线性增大，2过压区特性且比减小的慢3临界状态特性当时，管子处于临界状态，最大，较大，较小，放大器接近最佳性能。谐振功率放大器的匹配负载。（2-2-5）如图2-2-4（a）、和随变化的曲线如图2-2-4(b)所示二调制特性。1.集电极调制特性、和一定,2.放大器性能随变化的特性。图2-2-5、一定，即、脉宽一定的动态点在线上移动，当工作状态由欠压过压由余弦变为凹陷波。在欠压状态在过压态，凹陷加深2基极调制特性、一定，放大器性能随变化的特性。图2-2-6一定，自负向正值且因为放大器由欠压状态过压态
21、脉宽及，但凹陷加深,缓慢，近似不变。3集电极调幅电路图2-2-7(a)(b)p92图图2-2-7集电极调幅电路集电极调幅电路输入高频载波电压，为角频率。调制信号电压，为调制角频率。谐振回路上的输出电压。等效集电极电源电压。按的规律变化放大器必须在的变化范围内工作在过压状态。4基级调幅电路p92图2-2-8(a)(b)等效集电极偏置电压。放大器必须在的变化范围内工作在欠压状态。三放大特性图2-2-9p93、一定，放大器性能随变化的特性。1.放大特性固定，增大和上述固定，增大的情况类似，均使脉宽、放大器由欠压过压出现凹陷，且高度,宽度,凹陷加深。所以,、与基级调制特性类似。图图图图2-2-82-2
22、-8基级调幅电路基级调幅电路基级调幅电路基级调幅电路2.2.谐振功率放大器作为线性功率放大器。谐振功率放大器作为线性功率放大器。图图图图2-2-102-2-10线性功率放大器线性功率放大器线性功率放大器线性功率放大器(a)(a)和振幅限幅器和振幅限幅器和振幅限幅器和振幅限幅器(b)(b)的作用的作用的作用的作用 3功能：放大振幅按调制信号规律变化的调幅信号。按变化放大器工作在欠压状态。丙类工作时，及脉宽放大特性上翘，产生失真，为使放大特性接近特性，采取方法：负反馈乙类推挽电路让脉冲保持半个周期，仅随变化。3谐振功率放大器用作限幅器图2-2-10(b)功能：将振幅在较大范围变化的输入信号变换为振
23、幅恒定的输出信号。要求：放大器必须在变化范围内工作在过压状态。或者说：输入信号的最小值应大于临界状态所对应的值，常将其称为限幅门限值。四四个特性在调试中的应用。P94224思考题：11.丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲类功率放大器的负载特性有什么区别？为什么会产生这些区别？动态特性的含义是什么？2.高频功率放大器的欠压、临界、过压状态是如何区分的？各有什么特点？当、只改变其中一个元素时，功率放大器的工作状态如何变化？2-3谐振功率放大器谐振功率放大器讨论谐振功率放大器的谐振电路，直流馈电电路和滤波网络。231直流馈电电路一.集电极偏置电路1串馈指直流电源，滤波匹配网络和功率管在电路形式上为
24、串接的一种馈电方式。P95图2-3-1(a)高频扼流圈、电源滤波电路要求：在信号上，路，短路。目的：避免信号电流通过直流电源而产生极间反馈，造成工作不稳定。2.并馈指直流电源，滤波匹配网络和功率管在电路形式上为并接的一种馈电方式高频扼流圈隔直流电容电源滤波电容要求：在信号上，（），接近短路，接近开路。3两种电路特点分析：功率管直流通路相同串馈中，滤波网络处于直流高电位上，其元件不能直接接地。并馈中，由于隔直流作用，滤波网络处于直流地电位上，其元件可直接接地，比串馈安装方便，但、并接于滤波网络，它们的分布参数影响网络的调谐。二基极偏置图2-3-21.图(a)基级偏置电压由经、分压提供其值小于功率
25、管的导通电压，使之丙类工作。2.图(b)自给偏置电路。偏置电压由基级电流脉冲中的平均分量在电阻上产生的直流电压提供。用来避免、对输入滤波匹配网络的旁路影响。3.图(c)自给偏置电路，为功率管基级电路提供直流通路。注意：在丙类工作时，随输入信号电压振幅的大小而变化。加到BE间的直流偏置电压也随大小而变化，当未加输入信号时，除(a)可提供静态其始直流偏置，(b)(c)偏置均为零。当由小增大时，向直流负值方向。因为或偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应称为自给偏置效应。放大等幅信号有稳幅作用,放大调幅信号会产生失真。232滤波匹配网络一技术要求图2-3-3p961.阻抗变换器性质将负载变换为放大管
26、所需要的负载，以保证功率管输出高效率。2.滤波特性充分滤除不需要的高次分量，以保证外接上获得所需基波功率（或倍频功率）谐波抑制度（2-3-1）n次谐波功率，基波功率越小对n次谐波的抑制能力越强，常用表示滤波能力。3.传输效率将功率管给出的信号功率高效率地传送到外界负载上，即要求网络的传输效率二谐波抑制度和传输效率要求的矛盾性。在实际滤波网络中，谐波抑制度和传输效率的要求往往是矛盾的，提高就会牺牲，反之亦然。在谐振功率放大器中，为了有较高的传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般。三、匹配网络的阻抗变换特性。滤波匹配网络（FMN）有简单的L型，等由三个电抗元件组成的，、型以及多级混合网络。还有双
27、调谐耦合回路构成的。还有双调谐耦合回路构成的FHN。设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零，即，外接负载电阻为，要求与、的串接或并接阻抗相匹配。为功率管的分布电容。图2-3-5p971串、并联阻抗变换关系。图2-3-61）串并(2-3-2a)(2-3-2b)2)并串(2-3-3a).(2-3-3b)(2-3-4)一般为取顶值。2例题例1:图2-3-7(a)所示为型滤波匹配网络，要求与和串接阻抗匹配，试求各元件表达式。图2-3-7p99解：分解过程如图(b)(c)(d)注：而所以加负号，令与并联谐振。令所以，结论：式中设网络适用于的匹配要求？3常用滤波匹配网络的结构元件表达式。P101表2-3-123
28、3谐振功率放大器电路1.图2-3-950MHz谐振功率放大电路性能：外接负载50，提供70W功率，功率增益达11dB。T功率管，采用基级自给偏置，由产生偏置电压。、和组成T型，L型丙级混合网络，作为输入滤波匹配网络，调节、使前级要求的50匹配网络。集电极采用并馈电路，高频振流圈，、为电源滤波电容。、和组成T型两级混合网络。调节、使50外接负载在工作f上，变换为放大器所要求的匹配电阻。2图2-3-10150MHz谐振功率放大器。图图图图2-3-10150MHZ2-3-10150MHZ谐振功率放大电路谐振功率放大电路谐振功率放大电路谐振功率放大电路性能：外接负载50，提供3W功率，功率增益达10d
29、B。T负值自给偏压，由产生负压。高频扼流圈。滤波电容，集电极采用并馈电路。、电源滤波网络。、组成的T型网络，作为引导输入端滤波匹配网络。3 3图图2-3-11400MHz2-3-11400MHz场效应管谐振功率放大器。场效应管谐振功率放大器。图图图图2-3-112-3-11场效应管谐振功率放大器场效应管谐振功率放大器场效应管谐振功率放大器场效应管谐振功率放大器 性能：外接50负载，提供15W功率，功率增益达14dB效率54%。栅级采用分压式偏置电路，漏极采用并馈电路，、为高频扼流圈，放大器输入端采用T型FMN，输入端采用L、型两级混合。2-4高频功率放大器若谐振功率放大器的工作频率在几十MHz
30、几百MHz，称为高频或（射频）功率放大器。高频工作时，功率管的特性已不能仅由静态特性曲线表示，而必须考虑其间存在的非线性电容特性，引线电感等分布参数以及大注入效应等的影响。目前工程上广泛采用的是借助功率管的大信号输入和输出的一种设计方法。241高频功率管及其大信号输入和输出阻抗。一.高频功率管的结构。P104图2-4-1图2-4-2注：在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率管不宜丙类工作。否则，放大器达的功率增益将偏低。二.信号输入和输出阻抗实测后。P106图2-4-3测试方法：1定频率上且特定幅值的输入信号电压激励下，反复调节输入和输出，直到网络谐振，且达到匹配即输出功率最大，效率最
31、高。2将功率管和电源电压移去，并用50电阻取代输入信号发生器，用网络现阻抗的共扼值称为功率管大信号输出阻抗；B点呈现阻抗的共扼值称为功率管大信号输入阻抗。可见，这两种阻抗是在共扼匹配意义上确定的，与小信号工作时，管子输入、输出阻抗含义截然不同。注：器件手册中若仅给出功率管大信号输出阻抗中的电抗分量，则与电抗分量并联电抗分量可按（2-2-5）P90估算确定。242高频功率放大器设计一设计原则：1.首先根据工作频率和输出功率等要求，选择合适的高频功率管，并有器件手册或实测找到功率管的输入输出阻抗。2.根据谐波抑制度，回路传输效率和元件数值可实现性等要求选择滤波匹配网络。并根据转换的要求，确定网络个元件值。3.选定馈电电路，安装高频功率放大器，进行反复调试，直到达到设计要求。4.当单级放大器不能满足设计要求时，还必须根据输出功率、输入功率、效率等要求确定所需级数，分配各级增益，而后对每级放大器进行设计。三设计步骤：1.确定组成方案：主要是根据的高低确定FMN的要求,取一个值，由，据得确定几级功放。2.选定器件和电路。3.滤波匹配网络设计。4.安装调试。