西北工业大学高频电子线路讲义.docx

绪论0.1引言“高频电子线路”亦称“非线性电子线路”，是“低频电子线路”(线性电子线路)的后续课程。非线性电子线路广泛应用于各类通信系统和各种电子设备中，成为不可或抉的重要组成部分。电子线路的产生和发展源自于通信的需要。概括地说，一切将信息从发送者传送到接收者的过程都可称为通信。实现这种信息传送过程的系统称为通信系统。可以通过不同的媒介传送信息，例如，通过导线传送信息构成有线通信系统;通过电磁波传送信息构成无线通信系统；通过光波传送信息构成光通信系统等。通信系统的重要任务之一，就是如何有效地利用有限的媒介资源传送更多的信息。例如有线电话通信系统，从电话局端到本地用户电话端，是通过导线直接传送的，每个用户通过各自的导线与电话局端相连，相互之间不会产生干扰。即便如此，在当今的网络时代，利用本地电话线连接互联网，就必须解决语音和网络信息同时传输而互不干扰的问题，如ADSL接入系统；而对于城市之间的远程通信，采用一对导线传送一路话音的方式无疑将耗费大量的线材，如何利用尽量少的导线传送尽可能多的话音，产生了载波通信系统。无线通信系统遇到的问题更为复杂。除了上述有线通信系统需要解决的问题，还要考虑电磁波在自由空间的传播方式、电磁波有效发射和接收的问题。无线传播对于航空、航天以及地面移动设备的通信等几乎是无可替代的方式，具有十分重要的地位。根据电磁波的波长或频率范围的不同，电磁波在自由空间的传播方式也不同。波长在200m以上，即频率在1.5MHz以下的中、长波段的电磁波主要沿着地球表面传播(传输路径随地球表面可以弯曲)，称为地波传播，如图0-1-1(a)所示。更高频率的电磁波由于将被大地表面吸收产生损耗，因而不适于沿地面传播.波长为10m 200m,即频率为1.5MHz 30MHz的短波波段，电磁波主要依靠电离层的反射和折射传播，称为天波传播，如图0-1-1(b)所示.电离层处在大气上层，由于太阳和星际空间的辐射引起大气电离而形成。但当频率超过一定值后，电磁波就会穿过电离层，不再返回地面。因此，频率更高的电磁波不能依靠电离层进行地面通信传播.对应波长在10m以下，即频率在30MHz以上的超沿地球表面传播(a)地波传播(b)天波传播短波段，电磁波主要沿空间直线传播，称为直线传播，如图O-l-l(c)所示。由于地球表面的弯曲，这种传播的距离只能限制在视线范围内。三种传播方式中，依靠天波方式的传播距离最长，直线传播距离最短，而地波传播距离介于二者之间。常见的中波调幅广播利用地波传播，短波广播利用电离层传播，而电视广播主要是直线传播。当然卫星通信和导航等都是直线传播。表0-1给出了不同波段的传播方式和应用场合。可见，利用电磁波进行无线通信，必须根据不同的应用需要选择合适的电波波段，即工作频率。视距传播(c)直线传播图0-1-1无线电波的传播方式表0-1无线电波的波段划分表波段名称波长范围频率范围波段名称传播方式应用场合长波波段(LW)10010000m30300KHz低频(LF)地波远距离通信中波波段(MW)100-1000m3003000KHZ中频(MF)地波，天波广播，通信，导航短波波段(SW)10100m330MHz高频(HF)地波，天波广播，中距离通信超短波段(VSW)110m30300MHz甚高频(YHF)直线传播对流层散射移动通信，电视广播,调频广播，雷达，导航等分米波波段(USW)101000cm3003000MHz超高频(UHF)直线传播散射传播通信，中继通信，卫星通信，电视广播,雷达厘米波波段(SSW)110cm330GHz特高频(SHF)直线传播中继通信，雷达，卫星通信毫米波波段(ESW)110mm30300GHz极高频(EHF)直线传播微波通信，雷达电磁波需要通过天线进行发射和接收。并且，只有当馈送到天线上的电信号波长与天线的尺寸相比拟时，即信号波长与天线尺寸满足一定的匹配要求时，天线才能有效地辐射和接收电磁波。因此，不同频率的电磁波要求的天线尺寸是不相同的。一般来说，所要传送的信息频谱集中分布在低频区，如语音信息的频谱范围约为3003KHz,对应波长约为100Km lOOOKm,若直接转换成电磁波辐射和接收，需要上百公里长度的天线，实际上是不可能实现的.因此，要通过电磁波媒介无线传播，就必须采用实际可能实现的较小尺寸的天线，则相对应的辐射频率将远高于语音的频率。这就产生了相对立的结果：低频率的语音不能直接通过电磁波有效辐射和接收，而能够有效辐射和接收的信号频率又远高于需要传送的语音频率。要利用电磁波进行无线通信，就必须解决如何通过更高的频率信号传送较低频率语音的问题。上述问题都与频率相关，即涉及到频谱资源的利用问题。综合起来可归纳为以下三个方面：1,语音频谱的宽度有限，如何利用更宽的频谱传送更多的信息？2、语音频谱分布在低频区，如何利用更高的频率传送低频信息？3、语音信号自然产生，如何产生更高频率的电信号？第一个方面的问题可如图0-1-2(a)所示来说明。语音信号的频谱集中分布在低频区并且是有限的。利用更宽的频谱传送更多的信号，就是在更宽的频谱范围划分出多个语音宽度的区域，每个区域传送一路语音信号。正如多个人都要通过一路语音通道通话，只能按时间先后排队。而扩展到更宽的频谱范围，则可以通过多个语音通道同时通话，对于有线通信系统，就可以用单对导线同时传送更多的通话。然而，扩展频谱范围语音通道的语音频谱信息结构没有改变，但是所有频率分量的频率发生了改变。第二个方面的问题可如图0一1一2(b)所示来说明。根据不同的应用场合电磁波传播方式的要求，语音信号需要通过相应的更高频率传送；而传播过程中可能又需要采用不同的传播方式，例如地波传播转为天波传播，因而更高频率之间也需要转换。在这种频率转换过程中，语音信号的信息加载到了高频信号上|或人2上,语音信号的频谱信息结构不变，但所有频率分量的频率也发生了改变.第三个方面是高频信号的产生问题。语音信号可以通过微音器（俗称话筒）将人发出的声波信号转换成电信号，但更高频率的电信号不能如语音信号那样自然产生，必须由电路自身产生。前两个方面问题都关系到已有信号频率的改变，而后一个方面问题是新频率信号的产生.显然，不论是信号频率的改变还是频率信号的产生，其本质上都是有新的频率分量产生。联想到线性失真和非线性失真的定义，产生新的频率分量正是电路非线性特性作用的结果。图0-1-2语音信号的频谱变换0.2非线性电子线路的作用各种电子器件都是非线性器件，例如，二极管、双极性三极管和场效应管等，所以严格讲，包含电子器件的电子线路都是非线性电路。只有当满足一定性能指标要求，在信号足够小时才可近似为线性电子线路。线性电子线路主要用于对信号的线性放大和处理。而如前所述，非线性电子线路则主要用于改变频率和产生信号，即频率的变换。非线性电子线路的作用及在电子系统中的具体应用，可以中波调幅广播发射机和接收机（收音机）为例进一步说明。图0-2-1是发射机的组成方框图。图中：振荡器就是产生新的频率信号的电路，通常用来产生频率为Asc的正弦波信号，其频率一般在几十kHz以上。高频放大器由多级带有谐振系统的谐振放大器（包括倍频器）组成，用来放大振荡器产生的振荡信号，并使频率倍增到适合天线辐射和电磁波传播的载波频率人上，以提供足够大的载波功率传输到更远的距离。调制信号放大器（又称低频信号放大器）由线性放大器组成，用来放大微音器变换来的语音电信号，并提供足够功率的调制信号。振幅调制器被用来实现调幅功能，即用语音电信号去改变输入的人高频载波信号的幅值，使高频载波信号的幅值随语音信号的强弱线性变化，此过程称为幅度调制。经过幅度调制的载波信号，称为已调波或调幅波信号，随后被馈送到发射天线上去辐射电磁波。图0-2-2是接收机的组成方框图。图中：高频放大器由谐振于载波频率人的小信号谐振放大器组成，用来放大接收天线感生的高频调幅波信号。由于要能接收不同载波频率的已调波信号，即收听不同频率的电台节目，高频放大器必须是可调谐的。混频器用来改变调幅波载波频率，有二个输入信号，一个是高频放大器送来的载波频率为fc的调幅波信号，另一个是由本机振荡器产生的频率为尢的正弦波，称为本振信号。二个频率信号在混频器作用下，产生一个新的载波频率为力比（或犷人-无）的调幅波信号。中间频率力（简称中频）为一固定值，我国调幅广播接收机中的中频为465kHz。本机振荡器用来产生频率为九江+力（或九=人-力）的高频正弦波振荡信号。由于接收不同载波频率人的需要，为维持中频方为固定值，必须保证本振频率九随高频调幅波频率人同步变化，因而本机振荡频率九应该可调，正确跟踪人频率。中频放大器通常由多级固定调谐于中频力的小信号放大器组成，用来进一步放大中频调幅波信号。振幅检波器实现解调功能，即将中频调幅波的幅度变化转换为反映语音信号的调制信号.低频放大器由小信号放大器和功率放大器组成，用来放大解调出来的反映语音信息的调制信号，并向扬声器提供所需的推动功率。接收机中的混频器、本机振荡器和中频放大器不是必须的组成部分，但包含这些部分的接收机性能更好，不仅可以有效地提高接收微弱信号的能力，还可以通过多个频率的谐振系统提高从众多干扰中选取有用信号的能力。这种接收机也称为超外差式接收机，成为当前主流的高性能接收机模式。除了采用上述调幅方式的广播和通信系统外，还可以采用改变高频载波信号的频率或相位的调制方式，即调频或调相方式的广播通信系统，所不同就是调制和解调电路的不同。此外，对于目前迅猛发展的数字信号通信系统，如数字电视、手机移动通信、互联网无线接入等，除了调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制外，接收机组成结构基本相同。因此，图0-2-1和图0-2-2示意的中波广播发射机和接收机组成方框图，反映了广播和通信等系统的典型组成结构。其较为简单的频率变化关系，可以从图中各功能模块的输入输出波形的变化直观地看到。图中发射调制前调制信号放大器和接收解调后的低频放大器，从本质上没有什么大的区别，都是对反映语音信息的低频电信号的线性放大。如果不需要无线传播，原理上几乎两个低频放大器直接相连就可构成简单的语音放大器，其中只涉及到线性电子线路的作用。但是要实现无线传播,就必须依靠其它的功能电路，如图中的振荡器（包括本机振荡器）、倍频器、振幅调制器、振幅检波器、混频器、谐振功率放大器、中频放大器、高频放大器等。除了后三种放大器外，其它功能电路都产生了新的频率变化和产生，这无疑是非线性电子线路的作用。为了提高直流电源能量的有效利用，谐振功率放大器通常也是利用放大器件的非线性状态工作。由此可见，与线性电子线路相比较，非线性电子线路的作用更普遍，组成的各种类别的功能电路更多也更复杂，其应用范围也更广泛。作为课程学习来讲，其内容就包括上述的各种功能电路，学习难度和分析方法都与线性电子线路有较大的不同，这一点应该引起足够的重视。振荡器图0-2-1中波调幅广播发射机组成方框图本机 振荡器图0-2-2中波调幅广播接收机组成方框图0.3非线性电子线路的基本特点电子线路的性能特点取决于组成电路的各种电子器件的特性。各种晶体二极管、晶体三极管和场效应管等电子器件都是非线性器件，就在于其特性是非线性的。例如，晶体二极管的PN结、晶体三极管发射结的伏安特性是指数特性，场效应管的转移特性是平方率特性等。因此，包括这样的非线性器件组成的电路就是非线性电子线路。从数学的角度，非线性特性可以用泰勒级数表示。因此，电子器件的伏安特性在静态工作点Q附近，一般地可展开表示为i=f(yQ+v)=/（VQ）+/'（VQ）v +/"（VQ）v2+-+/（n,（VQ）vn=a0+fl1V + a2v2 H1-anvn式中VQ:器件两端所加直流静态工作点电压;V：器件两端所加交流信号电压；级数展开式各阶次项系数；/(n)(VQ)%=1-n假设所加交流信号电压为一余弦波，即令v=/cos口3则有一次项：av = cos 69/;二次项：a2v2= d2（Vm cos6）2=（14-cos2cot）;如果所加交流信号电压为二个余弦波，即令Vj = VmiCOSCO)/，也=Vm2COSft>2，故有 v= Vj4- v2= VmiCOSCO|f + Vm2cosc02，则一次项：QN = Q（匕+ V2）=。（嗫COS ?Z +嗫2 cosgz）;二次项：a2v2=。2（匕+ v2）2=2（y；+2VV2）二5。2（1+ COS 2（0t）+（1+ C0S 2G2，）+2。2VmynP cos 691/COS CO"=5 a2 Kl（1+ cos 2卯）+嚷（1+ cos 2（o2t）+ a2 Vmym2cos（q + g ）f + COS-0）2）t从结果中可以看到，一次项不产生新的频率分量，仅是所加信号本身涉及幅值的变换，而二次项将产生新的频率分量。当电子器件所加信号为单一频率的余弦波时，二次项将产生该信号频率的二倍频率分量；当所加信号为二个不同频率的余弦波时，除将产生各自频率的二倍频率分量外，还将产生两个频率信号的相乘项，因而产生了两个频率的相加（和频）分量和相减（差频）分量。实际上对于二倍频率分量的产生，也可以看成是两个相同频率信号的相乘。因此，非线性器件能产生新的频率分量，本质上就是其中具有相乘作用的结果，这是非线性电子线路具有频率变换作用的核心。当然，更高阶次的作用也会产生更多次的相乘。对于单一频率的余弦波信号，可以借此产生高阶次倍频的频率分量，如图发射机组成方框图中对振荡信号的倍频器。但对于二个或更多个频率的信号，高阶次项将产生更高阶次倍频以及相互间复杂得多的和频和差频分量，将可能严重干扰电路的正常工作，成为必须避免和尽量消除的不利因素。因此，非线性电子线路与线性电子线路相比，其特性和影响的因素有很大的不同。主要体现在器件的电路参数和分析方法等方面，具体可归纳为：一、非线性器件参数的特点线性器件的电路参数是固定常数，如电阻、电容和电感值，不随加在器件两端的电压和流过的电流大小而改变，也不论是直流量还是交流量。但是，非线性器件的电路参数就不具有这种不变性。以非线性电阻器件为例，其伏安特性如图0-3-1所示。常用的有直流电导、交流电导和平均电导三种参数。直流电导又称静态电导，是指伏安特性曲线上任一点与原点之间连线（O-Q线）的斜率，用1 .直流电导:go'VQ表示为,显然，其值随Vq （或/q ）大小变化，是（或/q ）的非线性函数。2 .交流电导：交流电导又称增量电导或微变电导，是指伏安特性曲线上Q点处的斜率或近似为该点出增量电流与增量电压的比值，用g表示为Idi Az IgQ V'Q1dv Av1显然，其值也是是Vq （或/q ）的非线性函数。非线性器件的直流电导和交流电导是不相等的，这在线性电子线路的分析中采用的直流大信号电路模型和交流小信号等效模型体现出来。但是，在非线性电子线路中，会遇到VQ （或/q）是受周期性电压或电流控制的时间变量，这时交流电导g的数值也将随时间作周期性变化。通常将这种电导称为时变增量电导。电路参数的时变性是非线性电子线路的特点之一.3.平均电导：图0-3-2 大信号作用下的电流波形平均电导是非线性电子线路的又一特点。当器件两端加上余弦电压v=Vmcoscoz时，由于特性的非线性，流过器件的电流波形必然是非余弦的，如图0-3-2所示。可用傅立叶级数将其分解为平均分量、基波分量及各次谐波分量之和，即/=/0+/Im cos cot +/2m cos Icot +则平均电导定义为基波电流振幅与外加电压振幅的比值，用gav表示为：o I=gav|Q.% y y m显然，其值是Lq （或/q ）和心的非线性函数。对于晶体三极管、场效应管，除了以上三种非线性电阻外，还有体现放大能力的直流跨导、增量跨导和平均跨导。上述三种电导（或跨导）各有不同的应用场合，可根据实际需要选择。直流电导（或跨导）适用于直流分析，时变增量电导（或跨导）适用于频率变换电路分析，而平均电导（或跨导）适用于功率放大和振荡电路的分析。二、非线性电路作用的特点线性电子线路的分析中采用的叠加原理，在非线性电子线路分析中却不能采用。此外，由于非线性特性的作用，交流电压还可能产生直流电流分量，这就增加了电路分析上的困难。例如，在式所表示的非线性特性中，如果器件两端所加的电压信号幅值很小，则可以忽略高次项的影响，近似为一次线性特性，即八的+田口当XVi+也时，则有i 才劭+%（匕+匕）=即+4- aiv2其中，代表直流电流分量；交流电流分量（丫1+也）=。1片+田丫2，显然满足叠加原理。并且，交流分量不产生额外的直流电流，这意味着电路中直流分量与交流分量互不相关。因此，在对线性电子线路分析时，可以将静态直流电路和交流电路区分开来分析，并且对交流小信号采用线性等效电路，如混合JI型等效电路。但对于二次项非线性特性，则有a2V2=。2（匕+丫2）2= a2Vl +a2V2+2。2Vly2* O2V+ O2V2显然不满足叠加原理。另外，从式中可以看到，交流余弦电压在二次项中还产生了额外的直流电流分量，例如一个频率的余弦电压产生额外的直流电流分量为：-ayl2二个频率的余弦电压产生额外的直流电流分量为：I喘+工喧可见，交流电压可产生额外的直流电流分量，其值大小随交流信号的幅值变化。这些直流电流分量无疑将作用到直流电路中，从而影响静态工作点Q。而如前所述，非线性器件的三个电导（或跨导）都与为（或幻）有关。因此，非线性特性使得交流信号影响直流静态工作点，反过来又影响电路对交流信号自身的放大等作用.这就使得对非线性电子线路的分析，不仅不能简单照搬线性电路叠加原理，而且还要考虑复杂得多的各种因素的影响。三、非线性电路分析的特点由于非线性电子线路中各种因素的影响，使得对电路的分析较之线性电子线路要复杂得多。例如，分析直流通路和交流通路时，要考虑交流信号对直流工作点Q的影响；分析交流通路时，要考虑高频通路和低频通路；分析信号通路时，要考虑有用信号通路和干扰信号通路;分析电路特性时，要考虑大信号和小信号；分析信号作用时，要考虑电路的时不变和时变特性等。在小信号条件范围内，信号大小变化不影响电路的线性特性。但在大信号条件下，器件的参数随信号大小变化。因此，对于非线性电子线路，主要利用器件的伏安特性分析信号在大范围内变化时，信号波形的变化以及对电路各种性能的影响，即侧重于图解分析。线性电子线路主要是对信号的放大作用，考虑的是信号的幅值变换。而非线性电子线路则侧重于信号的频率或频域变换。0.4本课程的学习由于非线性电路的诸多复杂性，要精确地分析非线性电路响应特性，必须建立复杂的电路模型，必须求解包括非线性代数方程和非线性微分方程，以及时变参数系数的线性微分方程。除了可借助电子计算机进行近似数值分析外，在工程上几乎不可能也没有必要。在实践和学习过程中，往往采用近似的分析方法简化电路模型，获得具有实用意义的结果，避免过分严格的数学求解。化繁为简是工程实践中常用的有效的分析方法。因此，在本课程的学习过程中，应该重点理解各种功能电路的基本原理和基本电路组成结构，其性能特点以及应用范围，并通过实险环节积累实践经脸增强感性认识，加深对理论的理解。各种电路的功能，实际上是数学处理的电路实现。因此，在分析电路时，首先从数学关系上介绍电路功能的原理，由此引出基本电路的组成结构，然后讨论具体电路实现的原理、性能特点等。由于实现特定功能的电路实例并不局限于一种，所以，学习重点应该放在对电路功能原理的理解、性能特点和应用范围。数学原理、电路工作原理，电路组成原理，电路性能特点。第二章谐振功率放大器（Resonate Power Amplifier）线性电子线路中的放大器以纯电阻为负载。谐振放大电路的负载是谐振电路，例如LC并联谐振回路，用来对载波信号或高频已调波信号进行放大。这些信号或是频率固定的正弦波信号（如振荡器产生的信号）或是频谱宽度远小于载波频率的窄带信号（如高频已调波信号），通常也称为窄带放大器。谐振功率放大器就是用于功率放大的谐振放大电路，主要应用在无线电发射机中，对上述高频信号进行功率放大后，通过谐振滤波电路匹配馈送到发射天线。本章主要讨论丙类谐振功率放大器的工作原理、性能特点和电路特点以及基本电路组成。通过讨论工作原理，了解放大器的输出功率、效率等性能特点以及与电路工作状态的关系，了解滤波匹配电路的作用等。对其它类型的谐振功率放大器也作简要介绍。除此之外，还要讨论功率传输中的合成技术有关内容。2.1 谐振功率放大器的工作原理根据放大器件的工作状态不同，谐振功率放大器也可分为甲、乙、丙、丁、戊或A、B、C、D、E五种类型。甲（A）类谐振功率放大器效率太低很少使用。丙（C）类和乙（B）在原理上相近且使用广泛，作为重点讨论。丁（D）和戊（E）类是新近发展的技术也做简要介绍。2.1.1 丙类谐振功率放大器图2-2-1所示是谐振功率放大器的原理电路。图2-1-1谐振功率放大器原理电路图中，Zl为外接负载(例如天线等)，一般为阻抗性质，用G.和心的串联等效电路表示。和G为匹配网络，与外接负载Q和Rl共同组成并联谐振回路。可以调节乙或G使回路谐振在输入信号频率上。为了实现丙类工作，基极偏置电压Vbb应设置在功率管的截止区内，如图2-1-2所示。图2-1-2丙类谐振功率放大器集电极电流和电压波形为了便于直观地了解丙类谐振功率放大器的工作原理，暂时忽略基区宽度调制效应和功率管结电容的影响。假设输入信号电压Vb(t)=VbmCOSOV，则加在功放管发射结上的电压为VBE=Vbb+ VbmCOSCOs九由于VbB设置在截止区，所以功放管仅在余弦波的正半周且导通角小于180。的部分导通。因此，集电极的电流波形是一串周期重复的的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期而不是完整的余弦波，如图2-1-2所示。可用傅立叶级数将该电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和二倍频及以上各次谐波分量之和，即ic =/co +储+ic2+=/co +cos 3st + a2 cos 2(0,+由于集电极并联谐振回路作为负载，将其谐振频率调谐在输入信号频率人上，则它对ic中的基波分量呈现的阻抗最大，表现为纯电阻性的谐振电阻。如果谐振回路的品质因数Q值足够高，则谐振回路对ic中的其它分量呈现的阻抗均很小。因此，可以近似认为回路上仅有由无基波分量产生的电压外，而平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。这样，在谐振回路上得到了与输入余弦波信号相同的不失真的信号电压。而在谐振回路中，实际负载/?L上得到不失真信号功率。在高Q值回路中，谐振电阻值近似为式中，'为谐振回路总电容，g为回路谐振角频率。cr + cL° s 乒Qe 为回路有载品质因数。可见，除了上述的滤波选频作用外，谐振回路 Rl还有阻抗变换作用，可将实际负载电阻/?L变换成谐振电阻对于一定的Rl,可以通过调节乙和&,在保持回路谐振在基波频率的同时，使Re等于放大管所需的集电极负载值，从而实现阻抗匹配。因此，谐振功率放大器中的谐振回路起到了选频和匹配的双重作用，是这类放大电路的重要特点。正因为谐振回路的滤波选频作用，使得放大管可以非线性工作，从而提高集电极效率。如图2-1-2所示，放大管集电极消耗的平均功率为Pc =五,&痴可见，有效的积分区域是ic的波形宽度，即放大管的导通时间。导通时间减小，集电极消耗的平均功率减小，因而效率提高。但是，导通时间减小的同时将导致 ic中的基波分量幅值/cml相应减小，使得放大器的输出信号功率减小。为了在减小导通时间的同时维持输出信号功率不变，就必须增大集电极脉冲电流波形的高度。这可以从图2-1-2中的ic电流的波形和集电极电压VCE的波形之间的关系来解释。对应ic的峰值区域正是VCE电压值的最低区域，即放大管趋于饱和，因而较大的电流值与较低的电压值相乘，其乘积可以较小，其积分值也就小。所以，减小导通时间而增大集电极脉冲电流波形的高度，就是将ic电流波形宽度集中到uce电压最小的区域，从而降低放大管的消耗功率。实现减小电流与电压乘积这个目标从而提高集电极效率的方法有两种。其一，在丙类谐振功率放大器中，提高基极偏置电压向负值方向增大同时加大输入信号的幅值Vbm，如图2-1-3所示。但是，这样加到发射结上的最大反向电压（%B-Vbm）就将迅速增大，有可能击穿功放管的发射结。因此，通过减小放大管导通时间来提高集电极效率的方法是受到实际限制的；其二，可以采用开关工作的谐振功率放大器，通常称为丁类和戊类谐振功率放大器。工作于开关状态，功率管饱和导通时VCE电压最低（接近于零伏的饱和电压）,此时即使Zc电流较大，二者的乘积很小；功率管截止时VcE电压最高（接近于电源电压），但此时 ic电流为零，结果二者乘积也很小。理想的开关状态将使二者乘积为零，从而理想效率将达到100%。图2-1-3集电极电流脉冲宽度随和Vbm变化示意图2.1.2 丁类和戊类谐振功率放大器丁类（Class D）谐振功率放大器的一种原理性电路及相应的波形如图2-1-4所示。Ti和为两个特性配对的同型功率管，分别由两个幅度相等极性相反的电压Vbi和Vb2控制饱和导通和截止关断。Vbi和Vb2电压由榆入电压通过变压器1；在两个匝数相同的次级绕组（注意同名端的区别）上产生。当输入激励电压%为固定频率的余弦波，并且幅值足够大，以保证使正半周时T管饱和导通，管截止关断；巧负半周时T2管饱和导通，T|管截止关断。则在此电压作用下，图中A点对地电压vA当T,管饱和导通时为（Vcc- VcE（sat），导通电流为r'ci； T2管饱和导通时为E（sat）（ VcEtsat）是T1和T2管的饱和压降），导通电流为因此，合成的以电压是幅值为（%C-2%E（sat）的矩形方波电压，该电压加到由L、C 和&一组成的串联谐振回路上。若谐振回路Q值足够高，且调谐在输入电压信号频率上，则可近似认为通过回路的电流九也是与输入信号频率相同的余弦波，在负载Rl上获得不失真的输出信号功率。也可看成是，谐振回路的滤波选频作用仅对方波电压以中的基波频率分量谐振，串联谐振电阻最小，因而在负载Rl上产生基频分量电流心实际上，电流无是由T1和T2管轮流导通时的电流合成的，所以，两管导通电流ici和，C2均为半个余弦波。图中可见，管子导通时流过集电极电流，但对应的管压降仅为饱和电压，所以管耗很小，放大器的效率也就很高（一般可达到90%以上）。Vi实际电路中，由于晶体管的结电容和电路分布电容等因素的影响，管子从导通到截止或从截止到导通都需要经历一段过渡时间，因而UA电压并不是理想的方波，而存在上升沿和下降沿，如图2-l-4（b）中va波形上的虚线所示。所以，在过渡时间内管子的压降就不是饱和压降，将产生一定的管耗，限制了丁类放大器的效率的提高。进一步提高效率的措施，是在开关工作的基础上，采用特殊设计的集电极回路，以保证VCE为最小值（饱和压降）的时间内，才允许集电极电流流通，如图2-1-5所示。这就是目前正在发展中的戊类（Class E）放大器。或者仅当管子完全截止即集电极电流ic为零后，才允许集电极电压vce升高。图2-1-6所示为一种戊类谐振功率放大器的原理图和波形。图中，0是功率管集电极分布电容，G是外接电容。L和C组成串联谐振回路，调谐在输入信号角频率他上。Rl为负载电阻。Q和G并联再与C串联和L、/?l又组成并联谐振回路。因此集电极负载回路有两个谐振角频率：串联谐振角频率为以=；并联谐振角频率为吗=,其中3为并联谐 VZcP 乒振回路总电容G =。显然，四<"p。Lc是大电感线圈，在信号变化周期内其电感电流/近似维持不变。当输入信号电压计使功率管饱和时，集电极电流ic=/；使功率管截止时ic=O，如图2-1-6中所示记电流为矩形方波，存在基频分量、二次及以上各次谐波分量。如果串联回路谐振频率口s=ft>i，叫=2幼，则并联谐振电阻最大，二次谐波电路产生二次谐波电压，而LC串联谐振电阻最小,负载/?l上获得基波电流产生的基波电压。更高次谐波电流分量在并联谐振回路上的压降很小可以忽略。图2-1-6一种戊类谐振功率放大器原理图及波形并联谐振回路上的电压V(jM =幅频 V 3)=-丫T;相频 tp、=- arctan gVj+F其中*Op二2；qS当<o=2coo，g =1.5q,如果 Qe=10,则 J =15V(2g)=/%=2，<P、=-86°Vl +152152.1.3倍频器上，则可近似认为，输出谐振回路上仅有ic中的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上得到了倍频于输入信号频率的输出信号功率，这种倍增榆入信号频率的电路称为倍频器，广泛应用于无线电发射机等电子设备中。显然，倍频器电路的一个主要性能参数就是倍频数根据所选用的器件组成的电路不同，倍频数有所局限。首先，由晶体三极管构成的倍频器，其倍频次数不能太高，一般只用作二倍频或三倍频。更高倍频次数的倍频器性能很难提高。因为集电极电流脉冲中包含的谐波分量幅度随谐波次数增大而迅速减小。倍频次数过高，输出的功率和效率会显著降低。另外，倍频器需要集电极回路滤除低于或高于的各次谐波，而低于n的谐波分量幅度都高于次分量（基波分量更高）,这对滤波性能提出了苛刻的要求而难以实现。因此，当倍频次数较高时，一般都采用变容二极管、阶跃二极管构成的参量倍频器，它们的倍频次数可以高达40倍以上。另外，利用锁相环的频率合成技术，可以得到更高的倍频次数。2.2谐振功率放大器的性能特点根据前述谐振功率放大器的工作原理，由于管子非线性特性和集电极谐振回路特性，精确地定量分析将变得非常困难。工程上通常采用近似的方法，着重定性的了解放大器的性能特点，获得电路设计制作和调试时的指导性参考。2.2.1 准静态近似分析法在线性功率放大电路中，集电极负载是纯电阻。负载电阻阻值确定后，在放大管输出特性曲线上可画出相应的负载线。当集电极电流随输入信号变化时，根据负载线可得到相应变化的集电极电压，从而求出放大器的功率性能。而在丙类谐振功率放大器中，集电极电流是非余弦电流脉冲序列，集电极电压却是由于集电极谐振回路的滤波作用得到的余弦波电压，二者截然不同。另外，在大信号范围工作，基区宽度调制效应的影响也较为明显，同时在高频率工作时，管子特性曲线不同于静态时的特性曲线。这些都对精确分析谐振功率放大器的性能带来较大的困难。近似的方法称为准静态分析法，它有两个近似假设条件：假设一：谐振回路具有理想的滤波特性，在其上只能产生基波电压，而其它各次分量均可忽略。所以，当输入为余弦电压时，尽管集电极电流为脉冲波，但集电极电压却是余弦波。输入输出相同的余弦波可为分析带来方便。它们分另I】表示为VBE = VBB + Vbm cos aVCE =VCC -Vcm COS 初假设二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲线表示，忽略高频效应的影响。另外，由于根据输入和输出的余弦波电压之间的关系分析电路性能，因此，将输出特性曲线上的参变量由曲电流转换成VBE电压。在上述两个假设条件下，分析谐振功率放大器性能时，主要讨论输入输出两个电压中的外B、Km、匕C、匕m四个电压对性能的影响。先设定这四个电压值，再通过取等间隔相角(例如，a)t=O°,15°,30°,),求出相同相角上vBe和vce的值，如图2-2-l(a)所示。然后，根据该值在输出特性曲线上找出对应的动态点并作出连线来确定ic电流，由此画出ic波形。例如，在对应VBEmax峰值时的输出特性曲线上，找到对应VcEmin最小峰值的点，由此可确定，Cmax峰值大小，如图2-2-1(b)所示。对ic电流脉冲波形进行傅里叶级数分解，可求出其中的平均分量/co和基波分量振幅Zcml,根据和设定的匕m就可确定所需的集电极谐振回路谐振电阻Re 的值谐振功率放大器的功率性能亦可计算出来，包括直流电源提供功率Pd、榆出信号功率P。、集电极耗散功率Pc以及集电极效率c1P= VccCO 5= Tcmcml 5%=一 ，7c =乙* nIBE(a)(b)图2-2-1谐振功率放大器的近似分析方法可见，设定不同的VbB> Vbm、Vcc、匕m值，画出的集电极电流脉冲波形及其数值大小就不同，由此求出所需的小值和相应的功率性能也就不同.设定不同的值也可理解为假定放大器的工作状态0因此，要了解谐振功率放大器的性能变化的特点，就必须了解这四个电量是如何影响放大器工作状态和相关性能的。2.2.2 谐振功率放大器的工作状态显然，前述四个电量的设定值不同，将影响放大器的工作状态，分别为欠压、临界和过压三个状态。首先，假设%B、vbm> Vcc为确定值，这时通过改变Xm 的大小，观察集电极电流脉冲波形的变化特点，主要是波形的宽度和高度。集电极电流脉冲的宽度主要取决于管子导通时间，与基极输入B、Vbm的大小有关。当Km 一定时，集电极电流脉冲宽度随Km的大小变化可以忽略，认为基本不变。集电极电流脉冲的高度主要对应而=0。时icmax的值。当Vcm变化时，icmax 值随之变化，如图2-2-2所示。对应，=0。时的电压分别为，VBE = VBEmax = VBB + Vbm，VCE = VCEmin =%C Km。随着Km由小增大，则UCEmin由大减小，与之对应的点将沿着VBE = VBEmax的那条特性曲线向左移动（如自4'移向A"）。由于基区宽度调制效应，这时处于放大区的集电极电流脉冲的峰值icmax随之略有减小。 A”为由放大区进入饱和区的临界点。当Km进一步增大，VCEmin对应的点将由A”移向4”进入饱和区。在饱和区内，集电极电流icmax迅速减小且波形出现凹陷，凹陷程度随匕m增大而加深。可见，VcEmin对应的点处于不同的工作区，集电极电流波形产生明显的变化，表明功率管的工作状态发生了变化。通常将该点处于放大区时称为欠压状态，处于饱和区时称为过压状态，处于放大区和饱和区之间的临界点时称为临界状态。过压状态下，无电流波形出现凹陷，是由于集电极负载性质不同于纯电阻负载。当集电极接纯电阻负载且阻值选定后，输出特性曲线上的负载线是一条确定的直线，集电极电流和集电极电压之间的变化关系是由这条负载线确定，与电流和电压大小本身无关。但在谐振功率放大器中，集电极负载是谐振回路，理想条件下，其上产生完整的基波余弦电压，与集电极电流波形截然不同，取决于谐振特性。而谐振特性又受到功率管集电极特性的影响。在放大区内，集电极呈现出电流源特性，输出电阻很大（见特性曲线的斜率），因而集电极输出回路主要取决于谐振回路负载。当VBE电压增大（或减小）时，VCE电压增大（或减小），电流也增大（或减小）；在饱和区内，集电极呈现电压源特性，输出电阻很小，因而集电极输出回路主要取决于集电极特性。当VBE电