第2章---高频功率放大器课件.ppt

第第2章章高频功率放大器高频功率放大器 2.1 概述概述2.2 谐振功率放大器基本工作原理谐振功率放大器基本工作原理2.3 丙类谐振功率放大器的工作状态分析丙类谐振功率放大器的工作状态分析2.4 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路2、高频功率放大器使用中需要解决的两个问题：、高频功率放大器使用中需要解决的两个问题：高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出联想对比：联想对比：谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；谐振功率放大器与低频功率放大器；2.1概述概述1、使用谐振功率放大器的目的、使用谐振功率放大器的目的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处：不同之处：激励信号幅度大小不同；激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 2c是在一周期内的集电极电流流通角，因此，c可称为半流通。为方便起见，以后将c简称为通角 2c谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图2c相同之处相同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。放大器的效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。4、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处、高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处不同之处：不同之处：工作频率与相对频宽不同；工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同。放大器的工作状态不同。三极管三极管四种工作状态四种工作状态 根根据据正正弦弦信信号号整整个个周周期期内三极管的导通情况划分内三极管的导通情况划分乙类：乙类：相角等于相角等于180甲类：甲类：一个周期内均导通一个周期内均导通甲乙类：甲乙类：相相角大于角大于180丙类：丙类：相角相角小于小于1805、工作状态：、工作状态：功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号,其工作状其工作状态通常选为丙类工作状态态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振功率放大器可分为非谐振功率放大器可分为低频功率放大器低频功率放大器和和宽带高频宽带高频功率放大器功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。线为负载。谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法谐振功率放大器的分析方法：图解法，解析法1、电路组成、电路组成谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路(1)晶体管的作用是在将供电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能电源的直流能量转变为交流能量的过程中量的过程中起开关控制作用起开关控制作用。(2)谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载(3)电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：2.2谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理根据晶体管的转移特性曲线可得：根据晶体管的转移特性曲线可得：谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：故得：必须强调指出：必须强调指出：集电极电流集电极电流ic虽然是脉虽然是脉冲状，但由于谐振回路冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。能得到正弦波形的输出。2、工作原理在丙类工作时，EBUB，在这种偏置条件下，集电极电流iC为余弦脉冲，其最大值为iCmax，电流流通的相角为2，通常称为集电极电流的通角，丙类工作时，/2。把集电极电流脉冲用傅氏级数展开，可分解为直流、基波和各次谐波，因此，集电极电流iC可写为 iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcost+Ic2mcos2t+上式中，IC0为直流电流，Ic1m、Ic2m分别为基波、二次谐波电流幅度。谐振功率放大器的集电极负载是一高Q的LC并联振荡回路，如果选取谐振角频率0等于输入信号ub的角频率，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压，即uc=Ucmcost=Ic1mRecost上式中，Ucm为uc的振幅；Re为LC回路的谐振电阻。晶体管集电极、发射极间电压uCE等于uCE=EC-uc=EC-cmcostub、iC、ic1、uc、uCE之间的时间关系波形如下图所示。电流、电压波形1.iC 与与uBE同相，与同相，与uCE反相；反相；2.iC 脉冲最大时，脉冲最大时，uCE最小；最小；LC回路能量转换过程回路能量转换过程回路是由回路是由L、C二个储能元件组成。二个储能元件组成。当晶体管由截止转入导电时，由于回路中当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容的大部分流过电容C，即使，即使C充电。充电电压充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的给出的能量储存在电容能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压接近电源电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。期到来重复以上过程。由于这种由于这种周期性的能量补充周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而因而维持了等幅的正弦波振荡。维持了等幅的正弦波振荡。3、LC回路的能量转换过程回路的能量转换过程4、谐振功率放大器的能量关系、谐振功率放大器的能量关系功率放大器的作用原理是功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。信号功率输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极耗散功率。为了表示晶体管放大器的转换能力引入集电极效率电极效率cPE=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：2）由式由式可知可知如果维持晶体管的集电极耗散功率如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，不超过规定值，那么提高集电极效率那么提高集电极效率 c，将使交流输出功率，将使交流输出功率Po大为增加。大为增加。谐振功率放大器就是从这两方面入手，来提高输出功谐振功率放大器就是从这两方面入手，来提高输出功率与效率的。率与效率的。1）设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率，则集电极效率 c自自然会提高。这样，在给定然会提高。这样，在给定PE时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；就会增大；（1）如何减小集电极耗散功率）如何减小集电极耗散功率Pc晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c90，集，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：因因此此，减减小小iCuCE及及通通角角可可减减小小PC，由由图图2.3可可看看出出，iC的的最最大大值值与与uCE的的最最小小值值对对应应，通通角角越越小小，iC越集中在越集中在uCEmin附近，集电极损耗也就越小。附近，集电极损耗也就越小。（2）如何提高集电极效率）如何提高集电极效率 c直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：Ucm -回路两端的基频电压回路两端的基频电压 Icm1-基频电流基频电流Re -回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：集电极电压利用系数集电极电压利用系数:为通角为通角 c的函数；的函数；c越小，越小，g1(c)越大越大波形系数波形系数:越大越大(即即Ucm越大或越大或uCEmin越小越小),c越小越小,效率效率 c越高。越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率因此，丙类谐振功率放大器提高效率 c的途径为：的途径为：1、减小、减小 c角；角；2、使、使LC回路谐振在信号的基频上，回路谐振在信号的基频上，即即ic的最大值应对应的最大值应对应uCE的最小值。的最小值。放大高频大信号放大高频大信号,属于非线性工作状态；属于非线性工作状态；基极偏置为负值基极偏置为负值,半通角半通角 c90，即丙类工作状态；，即丙类工作状态；电流脉冲是尖顶余弦脉冲；电流脉冲是尖顶余弦脉冲；负载为负载为LC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：故谐振功率放大器的工作特点：2.3谐振功率放大器的工作状态分析谐振功率放大器的工作状态分析2.3.1解析分析法解析分析法首先要解决的问题是找到器件的数学模型。由于晶体管处于大信号非线性工作区，特性曲线可用折线近似，如晶体管转移特性可用图2.4(a)表示，晶体管特性放大区的表示式可写为(2.31)截止区的表示式可写为图2.4理想化的转移特性和输出特性(a)转移特性；(b)输出特性晶体管的输出特性，在放大区忽略基调效应的情况下，可认为特性曲线是一组与横轴平行的水平线。在饱和区，用这些特性曲线从放大区进入饱和区的临界点相连起来的一条直线加以近似，这条直线叫临界线，其斜率用Scr表示，如图2.4(b)所示。这样，在饱和区晶体管特性的表示式可写为(2.32)晶体管外部电压为：uBE=EB+Ubmcost,uCE=EC-Ucmcost，因此放大区晶体管集电极电流为(a)(1)当t=时，iC=0，则(2.33)由上式可知（2）当t=0时，(2.34)（3）（a）/式2.3-4，可得集电极余弦脉冲电流的解析表示式为(2.35)(4)根据傅立叶级数展开公式，iC中的直流分量为(2.36a)基波分量的幅值为(2.36b)n次谐波分量的幅值为(2.36c)图2.5余弦脉冲分解系数与的关系曲线2.3.2动特性曲线图解分析法1、概念动特性曲线是在晶体管的特性曲线上画出的谐振功率放大器瞬时工作点的轨迹。小信号电压放大器是纯电阻负载，晶体管仅仅在放大区工作，因此可近似等效为一个线性元件。小信号电压放大器瞬时工作点的轨迹就是负载线，是一条直线。谐振功率放大器是非线性工作，各个区域的特性曲线方程不同，因此各个区域工作点的移动规律也不同，所以称其为动特性曲线，以示与负载线的区别。2、画法（1）在放大区又根据uCE=EC-Ucmcost写出这样，可得(2.37)可见，iC与uCE是直线关系，两点决定一条直线，因此只要在输出特性上求出谐振功率放大器的两个瞬时工作点，它们的连线就是晶体管放大区的动特性曲线。根据式uBE=EB+ub=EB+Ubmcost,uCE=EC-uc=EC-cmcost，取t=0，则有据此在图2.6所示的输出特性上确定C点。再取，则确定B点。在丙类状态工作时，EBUB，甚至可能为负值，因此B点的确定可以采用将放大区特性曲线按比例向下延伸，先找到假想的UBE=EB的特性曲线，从而确定B点(见图2.6)。连CB，与横轴交于A点，CA直线即为放大区的动特性。（2）在截止区截止区(iC=0)的动特性是横轴上的一段，其端点D可这样确定：取t=，则（3）折线CAD即为谐振功率放大器的动特性曲线。图2.6动特性曲线与集电极电流波形2.3.3谐振功率放大器的工作状态谐振功率放大器的工作状态是根据uBE=uBEmax、uCE=uCEmin时瞬时工作点C在静特性曲线上所处位置确定的。当C点落在输出特性(对应uBEmax的那条)的放大区时，为欠压状态；当C点正好落在临界点上时，为临界状态；当C点落在饱和区时，为过压状态。谐振功率放大器的工作状态必须由EC、EB、Ubm、Ucm四个参量决定，缺一不可，其中任何一个量的变化都会改变C点所处的位置，工作状态就会相应地发生变化。1、当Re比较小时，Ucm=Ic1mRe也比较小，C点处在输出特性的放大区，谐振功率放大器在欠压状态工作，集电极电流为余弦脉冲，相应的动特性、集电极电流iC波形如图2.7中所示。2、当Re增大时，Ucm增大，uCEmin减小，C点沿uBEmax的输出特性左移。若放大器仍处于欠压状态，集电极电流波形不变。Re继续增大，若C点正好移在特性的临界点C时，放大器处于临界状态工作，集电极电流仍为余弦脉冲，相应的动特性、集电极电流iC波形如图2.7中所示。图2.7三种状态下的动特性及集电极电流波形3、继续增大Re，Ucm继续增加，uCEmin继续减小，C点将移至uBEmax输出特性的饱和区(图中以C表示)，这时谐振功率放大器处于过压状态工作。过压状态下动特性可这样得出：将uBEmax输出特性曲线放大区扩展至纵轴，uCEmin与uBEmax交于E点，连接EB与临界饱和线交于F点，与横轴交于A点，FA是放大区的动特性，CF则为瞬时工作点落入饱和区后的动特性。工作点进入截止区后，动特性应以横轴代替。集电极电流iC波形为一凹陷脉冲，动特性曲线及iC波形如图2.7中所示。例例对高频功放电路，已知功放管的输出特性曲线如所示，EB0.8V，EC12V，ub0.3costV，uc10costV。(1)画出动特性曲线，并说明电路的工作状态及其特点；(2)画出ic和UCE的波形；(3)计算输出功率和效率。题意分析：题意分析：这是一道常规题，根据电路参数画动特性曲线，并确定性能指标。画动特性曲线的关键是确定3个特殊点，即 的A、B、D三点。解（1）AB连接ABD，即为动态特性线（2）由动特性曲线画出的ic和UCE波形（3）计算输出功率和效率 2.3.4负载特性负载特性是指当保持EC、EB、Ubm不变而改变Re时，谐振功率放大器的电流IC0、Ic1m，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率C随之变化的曲线。从上面动特性曲线随Re变化的分析可以看出，Re由小到大，工作状态由欠压变到临界再进入过压。相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲，如图2.8(a)所示。图2.8电流波形随Re的变化及其负载特性(a)电流波形；(b)、(c)负载特性图2.8电流波形随Re的变化及其负载特性(a)电流波形；(b)、(c)负载特性根据图2.8(b)所示关系曲线，各功率、效率随Re变化曲线很容易画出。由于PE=ECIC0，因此，PE的变化规律与IC0相同。又因为因此，在欠压状态，P0Ucm；在过压状态，PoIc1m。再根据表2.1三种工作状态的比较2.3.5EC、EB、Ubm对谐振功率放大器性能的影响1.集电极调制特性集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改变EC时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率随之变化的曲线。由于uBEmax=EB+Ubm不变，所以当EC由小增大时，uCEmin=EC-Ucm也将由小增大，因而由uCEmin、uBEmax决定的瞬时工作点将沿uBEmax这条输出特性由特性的饱和区向放大区移动，工作状态由过压变到临界再进入欠压，iC波形由iCmax较小的凹陷脉冲变为iCmax较大的尖顶脉冲，如图2.9(a)所示。由图2.9(a)，可定性画出IC0、Ic1m、Ucm与EC的关系曲线，如图2.9(b)所示。根据图2.9(b)，可定性画出PE、Po、C与EC的关系曲线，如图2.9(c)所示。由集电极调制特性可知，在过压区域，输出电压幅度Ucm与EC成正比。利用这一特点，可以通过控制EC的变化，实现电压、电流、功率的相应变化，这种功能称为集电极调幅，所以称这组特性曲线为集电极调制特性曲线。图2.9集电极调制特性图2.9集电极调制特性2.基极调制特性基极调制特性是指当EC、Ubm、Re保持不变而改变EB时，功放电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率的变化曲线。当EB增大时，会引起、iCmax增大，从而引起IC0、Ic1m、Ucm增大。由于EC不变，uCEmin=EC-Ucm则会减小，这样势必导致工作状态会由欠压变到临界再进入过压。进入过压状态后，集电极电流脉冲高度虽仍有增加，但凹陷也不断加深，iC波形如图2.10(a)所示。根据图2.10(a)，可定性画出IC0、Ic1m、Ucm随EB的变化曲线，如图2.10(b)所示。再根据图2.10(b)，可画出Po、PE、C随EB变化的曲线，如图2.10(c)所示。由图可见，在欠压区域，集电极电压的幅度Ucm与EB基本成正比，利用这一特点，可通过控制EB实现对电流、电压、功率的控制，称这种工作方式为基极调制，所以称这组特性曲线为基极调制特性曲线。图2.10基极调制特性图2.10基极调制特性3.放大特性放大特性是指当保持EC、EB、Re不变，而改变Ubm时，功率放大器电流IC0、Ic1m，电压Ucm以及功率、效率的变化曲线。Ubm变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性相似。iC波形及IC0、Ic1m、Ucm、Po、PE、C随Ubm的变化曲线如图2.11(a)、2.11(b)、2.11(c)所示。由图可见，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。利用这一特点可将谐振功率放大器用作电压放大器，所以称这组曲线为放大特性曲线。图2.11放大特性图2.11放大特性2.4 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 前面，我们对谐振功率放大器的原理电路进行了分析，但实际的谐振功率放大器电路，往往要比原理电路复杂得多。它通常包括直流馈电(包括集电极馈电和基极馈电)和匹配网络(包括输入匹配网络和输出匹配网络)两个部分，现分别介绍如下。2.4.1直流馈电线路1.馈电原则欲使谐振功率放大器正常工作，各电极必须接有相应的馈电电源。直流馈电必须遵循以下原则。(1)谐振功放的集电极馈电线路，应保证集电极电流iC中的直流分量IC0只流过集电极直流电源EC(即：对直流而言，EC应直接加至晶体管c、e两端)，以便直流电源提供的直流功率全部交给晶体管；(2)还应保证谐振回路两端仅有基波分量压降(即：对基波而言，回路应直接接到晶体c,e两端)，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；(3)另外也应保证外电路对高次谐波分量icn呈现短路，以免产生附加损耗。对上述这些原则的电路示意说明如图2.12所示。图2.12集电极馈电线路组成原则说明(a)直流通路；(b)基波通路；(c)高次谐波通路谐振功放的基极馈电线路的组成原则与集电极馈电线路相仿。第一，基极电流中的直流分量IB0只流过基极偏置电源(即EB直接加到晶体管b,e两端)。第二，基极电流中的基波分量ib1只流过输入端的激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大。这些原则的电路示意说明如图2.13所示。图2.13基极馈电线路组成原则说明(a)直流通路；(b)基波通路2.集电极馈电线路集电极馈电可分为两种形式，一种为串联馈电，另一种为并联馈电。(1)串联馈电。集电极串联馈电是一种在电路形式上直流电源EC，集电极谐振回路负载，晶体管c,e三者为串联连接的馈电方式，如图2.14(a)所示。图2.14集电极馈电线路(a)串联馈电形式；(b)并联馈电形式(2)并联馈电。与串馈相对应，集电极并馈线路是指直流电源EC，集电极谐振回路负载，晶体管c,e三者在电路形式上为并联连接的一种馈电方式，如图2.14(b)所示。图中，CC2为旁路电容，CC1为隔直流电容，LC为高频扼流圈。可以看出，由于LC、CC1、CC2这些阻隔元件和旁路元件的存在，使得该电路同样符合集电极馈电线路的组成原则。3.基极馈电线路基极馈电线路原则上和集电极馈电相同，也有串馈与并馈之分。基极串联馈电是指偏置电压EB，输入信号源ub及管子b,e三者在电路形式上为串联连接的一种馈电方式，而在电路形式上为并联连接的则称为并联馈电。(1)串联馈电。串联馈电如图2.15(a)所示。图中CB2为滤波旁路电容。由图可见，EB，ub，管子b,e三者为串联连接，基极电流中的直流分量IB0只流过偏置电压EB，而基波分量ib1只通过激励信号源ub，符合馈电线路原则。(2)并联馈电。基极并馈线路如图2.15(b)所示。图中，LB为基极高频扼流圈，CB1、CB2为耦合、旁路电容。由图可见，输入回路、EB、管子输入端三者相并联；ib1只通过激励信号源ub；IB0只通过偏置电压EB。图2.15基极馈电线路(a)串馈电路；(b)并馈电路(3)偏压EB的获得。在丙类谐振功率放大器中，基极偏置电压EB可为小的正偏压、负偏压及零偏压。正的EB可用分压获得，如图2.16(a),(b)所示。但应注意，分压电阻数值应适当选大些，以减小分压电路的功耗。负偏置电压不给出能量，只消耗能量，所以可用自给偏置电路获得。自偏置分为基极自给偏置及发射极自给偏置。基极自给偏置电路如图2.17(a),(b)所示。发射极自给偏置电路如图2.18所示。零偏压电路如图2.17(b)所示。图2.16分压偏置图2.17基极自给偏置电路图2.18发射极自给偏置电路2.4.2输出匹配网络高频功率放大器中都要采用一定形式的回路，以使它的输出功率能有效地传输到负载(下级输入回路或者天线回路)。这种保证外负载与谐振功率放大器最佳工作要求相匹配的网络常称为匹配网络。如果谐振功率放大器的负载是下级放大器输入阻抗，应采用“输入匹配网络”或“级间耦合网络”；如果谐振功率放大器的负载是天线或其他终端负载，应采用“输出匹配网络”。对输入匹配网络与输出匹配网络的要求略有不同，但基本设计方法相同，这里主要讨论输出匹配网络。输出匹配网络介于功率管和外接负载之间，如图2.19所示。对它的主要要求是：(1)匹配网络应有选频作用，充分滤除不需要的直流和谐波分量，以保证外接负载上仅输出高频基波功率。通常，滤波性能的好坏用滤波度n表示，即(2.41)图2.19匹配网络式中，Ic1m、Icnm分别表示集电极电流脉冲中基波分量及n次谐波分量的幅度；IL1m,ILnm则表示外接负载中电流基波分量及n次谐波分量的幅度。n越大，滤波性能越好。(2)匹配网络还应具有阻抗变换作用，即把实际负载ZL的阻抗转变为纯阻性，且其数值应等于谐振功率放大器所要求的负载电阻值，以保证放大器工作在所设计的状态。若要求大功率、高效率输出，则应工作在临界状态，因而需将外接负载变换到临界负载电阻。(3)匹配网络应能将功率管给出的信号功率高效率传送到外接负载RL上，即要求匹配网络的效率(称为回路效率k)高。(4)在有n个电子器件同时输出功率的情况下，应保证它们都能有效地传送功率给公共负载，同时又要尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。1.并联谐振回路型输出匹配网络并联谐振回路型输出匹配网络的一般形式如图2.20所示。可见，只要谐振回路的Q值足够大，它就具有很好的滤波作用；调整抽头位置或初、次级匝数比，即可完成阻抗变换。为便于理解，举例加以说明(有关LC并联回路的基础知识请参看附录三)。例题谐振功放电路如图2.21(a)所示。要求其工作状态如图2.21(b)所示。已知RL=100，f0=z，B=1.5MHz，C=100pF,EC=12V，N1+N2=60匝。求：N3,N1,N2。图2.20谐振回路型输出匹配电路图2.21例题图解由动特性可知，谐振功放工作在临界状态。变压器通过改变其线圈匝数比值，实现阻抗变换。由动特性可知由于所以查表可知a1()0.4，因此可见，须将RL=100变换为Re=250，才能保证放大器在临界状态工作。与此同时，还应保证谐振回路的谐振频率f0和带宽B符合要求。由电路理论知特性阻抗为因此，LC回路两端的谐振阻抗Re为而因此匝又由于所以匝2.滤波器型匹配网络用LC滤波器作匹配网络，有L型、型、T型等，各种匹配网络的阻抗变换特性，都是以串、并联阻抗转换为基础，下面作一介绍。(1)串、并联阻抗转换。若需将电阻、电抗串联电路(Rs、Xs串联)与它们相并联的电路(Rp、Xp并联)之间作恒等变换，如图2.22所示，则可根据端导纳相等的原则进行变换，即就可得到所需的串、并联阻抗转换公式，即(2.42)(2.43)式中因为品质因数一般都大于1。由(2.42)和式(2.43)可见，并联形式电阻Rp大于串联形式电阻Rs；转换前后电抗性质不变，且电抗值相差很小。图2.22(2)L型匹配网络。设有一谐振功放，要求的临界状态电阻为Re，负载为天线，呈现纯阻性rA，且rARe，应如何设计匹配网络呢?首先，因为rARe，故rA应为串联型电阻，令一电抗与rA相串联，则变为并联形式时，电阻可增大，若再进一步选取合适的Qe值，使并联电阻Rp=Re，则天线电阻rA就可变换为Re。但尚存有一电抗，只要另加一相反性质电抗与之并联，使之在信号频率上谐振，即可消除其影响。根据上述原则，就有如图2.23(a),(b)所示两种L型匹配网络。图2.23L型匹配网络进一步考察图2.23(a),(b)，显然图2.23(a)为高通网络，而图2.23(b)为低通网络，具有良好的滤波作用，应用更为广泛。图2.23(c)、(d)表示了图(b)L型网络的串、并联阻抗等效变换。L型匹配网络如何设计呢?若给定功率管要求的Re，则由式(2.42)可得(2.45)由式(2.44)可得(2.46)(2.47)(3)型匹配网络和T型匹配网络。型网络的形式如图2.24(a)所示。显然，它可以视作是两节L型匹配网络的级联，如图2.24(b)所示。型网络的阻抗变换特点是高低高。T型网络的形式如图2.24(c)所示。它同样可视作是两节L型匹配网络的级联，如图2.24(d)所示。与型匹配网络相反，T型匹配网络的阻抗变换特点是低高低。前面的讨论认为天线为纯电阻rA，但实际上天线常为阻容性负载。这时，可以把它的电容归入匹配网络电抗中去，按前面纯阻负载情况进行分析。表2.2列出了常用匹配网络及相应设计公式。图2.24型匹配网络和T型匹配网络表2.22.4.3谐振功率放大器的实用电路图2.25所示为一工作频率为160MHz的谐振功率放大器，它向50的外接负载提供13W功率，功率增益为9dB。由图可见，基极采用自给偏置，由高频扼流圈LB中的直流电阻产生很小的负偏压EB。集电极采用并馈，LC为高频扼流圈，CC为旁路电容。在放大器输入端采用T型匹配网络，调节C1、C2使得功率管的输入阻抗在工作频率上，变换为前级放大器所要求的50匹配电阻。放大器的输出端采用L型匹配网络，调节C3、C4，使得50的外接负载电阻在工作频率上，变换为放大器所要求的匹配电阻。图2.25实际谐振功放电路 一、掌握谐振功率放大器的作用、特点及其与高频小一、掌握谐振功率放大器的作用、特点及其与高频小信号放大器和低频功率放大的相同点和不同点。信号放大器和低频功率放大的相同点和不同点。1.1.谐振功率放大器主要用来放大高频大信号，其目的谐振功率放大器主要用来放大高频大信号，其目的是为了获得高功率和高效率输出的有用信号。是为了获得高功率和高效率输出的有用信号。2.2.谐振功率放大器的特点是晶体管基极为负偏压，即谐振功率放大器的特点是晶体管基极为负偏压，即工作在丙类工作状态，其集电极电流为余弦脉冲状，由于负工作在丙类工作状态，其集电极电流为余弦脉冲状，由于负载为载为LCLC回路，则输出电压为完整正弦波。回路，则输出电压为完整正弦波。本本 章章 小小 结结3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：放大的信号均为高频信号，相同之处：放大的信号均为高频信号，放大器的负载均为谐振回路。放大器的负载均为谐振回路。不同之处：激励信号幅度大小不同；不同之处：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。不同之处：工作频率与相对频宽不同；不同之处：工作频率与相对频宽不同；放大器的负载不同；放大器的负载不同；放大器的工作状态不同放大器的工作状态不同,分析方法不同分析方法不同高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处高频功率放大器与低频功率放大器的异同之处 丙类谐振功率放大器工作在非线性区，采用解析分析法和图丙类谐振功率放大器工作在非线性区，采用解析分析法和图解分析法进行分析，根据晶体管解分析法进行分析，根据晶体管C点在静特性曲线的位置而分点在静特性曲线的位置而分为欠压、临界和过压三种工作状态。为欠压、临界和过压三种工作状态。二、掌握谐振二、掌握谐振功率放大器的分析方法功率放大器的分析方法 当负载电阻当负载电阻Re变化时，其工作状态发生变化，由此引起放大变化时，其工作状态发生变化，由此引起放大器输出电压、功率、效率的变化特性称为负载特性。器输出电压、功率、效率的变化特性称为负载特性。三、掌握谐振三、掌握谐振功率放大器的负载特性、各极电压对工作状态功率放大器的负载特性、各极电压对工作状态 的影响的影响负载特性曲线负载特性曲线 各极电压的变化也会引起工作状态的变化。其中临界工作各极电压的变化也会引起工作状态的变化。其中临界工作时输出功率最大，效率也较高，欠压、过压工作状态主要用于时输出功率最大，效率也较高，欠压、过压工作状态主要用于调幅电路。过压工作状态也用于中间级放大。调幅电路。过压工作状态也用于中间级放大。四、掌握谐振四、掌握谐振功率放大器功率和效率的计算功率放大器功率和效率的计算五、提高效率的措施五、提高效率的措施 为了提高效率，常采用减小管子导通角和保证负载回路谐振为了提高效率，常采用减小管子导通角和保证负载回路谐振 六、六、掌握掌握丙类功率放大器的馈电电路，匹配网络分析和设计丙类功率放大器的馈电电路，匹配网络分析和设计