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第二章 谐振功率放大器第1页，共46页，编辑于2022年，星期二2.1 2.1 概述概述定义定义：是一种用谐振系统作为匹配网络的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工作状态：工作状态：丙类丙类应用：应用：无线电发射机无线电发射机输入信号：输入信号：载波信号、或高频已调波信号载波信号、或高频已调波信号 第2页，共46页，编辑于2022年，星期二2.2 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一、丙类谐振功率放大器一、丙类谐振功率放大器 +vo(t)_+vc_原理电路原理电路第3页，共46页，编辑于2022年，星期二导通角导通角，流通角流通角输入输入则则（根据晶体管转移特性曲线，可得到集电极电流波形（根据晶体管转移特性曲线，可得到集电极电流波形）导通时刻导通时刻A点点：电流波形电流波形 导通角计算导通角计算（余弦）（余弦）如图如图第4页，共46页，编辑于2022年，星期二 返回返回ub0AuBE返回返回Uj=VBE(on)第5页，共46页，编辑于2022年，星期二N次谐波的分解系数次谐波的分解系数 设谐振电阻为设谐振电阻为Re，则，则 ic ic为周期性脉冲电流为周期性脉冲电流 谐振回路谐振回路调谐在调谐在 上，谐振电阻上，谐振电阻 最大。最大。各次谐波分量产生的电压可以忽略。各次谐波分量产生的电压可以忽略。为余弦为余弦只有只有 分量分量 第6页，共46页，编辑于2022年，星期二 能量关系能量关系输出功率输出功率直流功率直流功率集电极耗散功率集电极耗散功率效率效率（兼顾功率、效率，选（兼顾功率、效率，选 左右）左右）（习题）第7页，共46页，编辑于2022年，星期二二、二、倍频器倍频器原理电路原理电路输入输入 fs fo=nfs第8页，共46页，编辑于2022年，星期二二倍频的主要波形二倍频的主要波形uCE第9页，共46页，编辑于2022年，星期二实际并联谐振回路实际并联谐振回路第10页，共46页，编辑于2022年，星期二谐振频率谐振频率 谐振阻抗谐振阻抗 固有（空载）品质因数固有（空载）品质因数 LC串联谐振回路：谐振频率、品质因数串联谐振回路：谐振频率、品质因数 同上同上 谐振电阻为谐振电阻为 r第11页，共46页，编辑于2022年，星期二2.3 2.3 谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点一、近似分析方法一、近似分析方法 1.准静态分析法准静态分析法 (P86)分析性能：分析性能：设定设定 ，确定确定 ，据据 ，值值找对应动态点找对应动态点，确定确定 动态线动态点的连线 画出画出 波形波形 第12页，共46页，编辑于2022年，星期二 对对 分解，求出分解，求出确定谐振电阻确定谐振电阻功率性能功率性能可见可见：不同的不同的 、集电极电流波形、数集电极电流波形、数值不同值不同，Re值不同，值不同，功率性能不同功率性能不同（作业：（作业：25）第13页，共46页，编辑于2022年，星期二 晶体管特性的折线化晶体管特性的折线化2.折线近似分析法折线近似分析法（只限于共发射极状态）（只限于共发射极状态）转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 uBEuCEuBE 斜率斜率 gcr第14页，共46页，编辑于2022年，星期二 临界线临界线是一条斜率为是一条斜率为gcr的通过原点的直线。的通过原点的直线。临界线方程临界线方程理想静态转移特性理想静态转移特性（这里，（这里，AB斜率为斜率为g，导通电压，导通电压 Uj=VBE(on)）激励信号激励信号uBE足够大，放大器工作在放大区和截止区，足够大，放大器工作在放大区和截止区，集电极电流是周期性的余弦集电极电流是周期性的余弦 脉冲脉冲（波形如下）（波形如下）第15页，共46页，编辑于2022年，星期二uBEuCEminuCE第16页，共46页，编辑于2022年，星期二时，时，ic=0，即，即 在在Uj-VBB一定时，激励越强（即一定时，激励越强（即Ubm大），则导通角愈大。大），则导通角愈大。通过调整通过调整VBB就可控制导通角到所需值。就可控制导通角到所需值。集电极电流集电极电流余弦脉冲电流的幅度余弦脉冲电流的幅度（当（当 时）时）导通角导通角将将uBE表达式代入得：表达式代入得：第17页，共46页，编辑于2022年，星期二【例】【例】已知某晶体管的转移特性如图。已知某晶体管的转移特性如图。已知已知Uj=0.6V，转移特性曲线斜率，转移特性曲线斜率g=10mA/V，Eb=1V，激励信号电，激励信号电压幅值压幅值Ubm=3.2V，求：电流，求：电流ic的的Ico、Ic1m、Ic2m分量的值。分量的值。【解】【解】求求 Icmax:=16mA余弦脉冲分解系数曲线如下图余弦脉冲分解系数曲线如下图0.63.2uBE(v)ub第18页，共46页，编辑于2022年，星期二第19页，共46页，编辑于2022年，星期二查曲线得：查曲线得：则：则：基波电流基波电流 ic1 为为第20页，共46页，编辑于2022年，星期二2.3 谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点一、近似分析方法一、近似分析方法 1.准静态分析法准静态分析法 据据 ，值值找对应动态点找对应动态点，确定确定 动态线动态点的连线 画出画出 波形波形 2.折线近似分析法折线近似分析法3.转移特性折线化、输出特性折线化转移特性折线化、输出特性折线化第21页，共46页，编辑于2022年，星期二uBEuCEmin第22页，共46页，编辑于2022年，星期二 工作状态工作状态 欠压状态欠压状态 晶体管在任何时刻都工作在放大状态晶体管在任何时刻都工作在放大状态 （集电极最大点电流在放大区，交流输出电压较低）（集电极最大点电流在放大区，交流输出电压较低）过压状态过压状态 晶体管工作时有部分时间进入饱和区晶体管工作时有部分时间进入饱和区 （集电极最大点电流在饱和区，交流输出电压较高）（集电极最大点电流在饱和区，交流输出电压较高）临界状态临界状态 刚刚进入饱和区的边缘刚刚进入饱和区的边缘 （集电极最大点电流落在临界线上）（集电极最大点电流落在临界线上）根据功放在工作时是否进入饱和区，可将放大器的工作状态分为根据功放在工作时是否进入饱和区，可将放大器的工作状态分为三种三种欠压、过压、临界工作状态欠压、过压、临界工作状态 这三种工作状态取决于：这三种工作状态取决于：电源电压电源电压Vcc（或（或Ec）、偏置电压）、偏置电压VBB（或（或EB）、）、激励电压激励电压Ubm、负载阻抗、负载阻抗RC（或（或RL）第23页，共46页，编辑于2022年，星期二二、动态特性和外部特性二、动态特性和外部特性（一）、动态特性（一）、动态特性 是实际放大器的工作特性（晶体管内部、外部特性结合起来）是实际放大器的工作特性（晶体管内部、外部特性结合起来）内部特性内部特性是无载情况下，晶体管的输出特性和转移特性是无载情况下，晶体管的输出特性和转移特性 外部特性外部特性是在有载情况下，晶体管输入、输出电压同时变化时，是在有载情况下，晶体管输入、输出电压同时变化时，集电极电流随电压变化的特性集电极电流随电压变化的特性 放大区动态特性方程：放大区动态特性方程：内部特性方程内部特性方程外部特性方程外部特性方程第24页，共46页，编辑于2022年，星期二将将uBE代入得代入得即即表明表明 放大器的动态特性放大器的动态特性 是一条直线（只需定两个点，如：静态工作点（只需定两个点，如：静态工作点Q和起始导通点和起始导通点B，绘动态线），绘动态线）静态工作点静态工作点Q，特征是：，特征是：代入得：代入得：Q点坐标为：点坐标为：Q （电流为负，不可能电流为负，不可能，是假想点是假想点）第25页，共46页，编辑于2022年，星期二起始导通点起始导通点B，特征是：特征是：代入得：代入得：解方程得解方程得（连接（连接Q、B点的延长线与点的延长线与ubemax相交于相交于C点，点，BC段就是晶体管处于放大区段就是晶体管处于放大区 的动态线。的动态线。AB段是晶体管处于截止状态的动态线。）段是晶体管处于截止状态的动态线。）动态线是由动态线是由AB、BC组成的折线组成的折线（负载、导通角的函数）（负载、导通角的函数）沿着动态线即可画出相应的集电极电流沿着动态线即可画出相应的集电极电流 ic 的波形的波形另：动态电阻（动态线的斜率的倒数）另：动态电阻（动态线的斜率的倒数）此时，此时，晶体管刚好处于截止到导通的转折点，晶体管刚好处于截止到导通的转折点，B点坐标为点坐标为：B 第26页，共46页，编辑于2022年，星期二QuCEuCEuBEmax第27页，共46页，编辑于2022年，星期二（二）、外部特性（二）、外部特性1.负载特性负载特性 一一定定，放放大大器器的的集集电电极极电电流流、电电压压、输输出出功功率率、效效率率等等性性能能随随晶晶体体管管等等效效负负载载电电阻阻Re（或或Rc）变化的特性。变化的特性。不同负载电阻时，做出不同不同负载电阻时，做出不同动态特性动态特性 负载特性负载特性指放大器的性能随放大器的外部参数变化的规律指放大器的性能随放大器的外部参数变化的规律第28页，共46页，编辑于2022年，星期二不同负载电阻时的动态特性不同负载电阻时的动态特性uCEuBEuCEA1欠压欠压A2临界临界A3过压过压第29页，共46页，编辑于2022年，星期二 临界状态临界状态最佳工作状态：最佳工作状态：Pomax，且效率较高；匹配负载，且效率较高；匹配负载Reopt 欠压状态：视为恒流源欠压状态：视为恒流源（负载不要太小，使（负载不要太小，使 Pc PCM）过压状态：视为恒压源过压状态：视为恒压源（但集电极电流波形下凹，谐波多，应用较少）（但集电极电流波形下凹，谐波多，应用较少）负载特性负载特性ReRe第30页，共46页，编辑于2022年，星期二2.调制特性调制特性（1）集电极调制特性）集电极调制特性指当指当Eb、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能随集保持恒定，放大器的性能随集电极电源电压电极电源电压Ec变化的特性。变化的特性。uBEmax =Eb +Ubm 不变不变 （因（因Eb、Ubm不变）不变）动态负载特性曲线斜率动态负载特性曲线斜率不变不变 （因（因Rc不变）不变）但但 uCEmin=Ec-Ucm 变化变化集电极电流脉冲宽度集电极电流脉冲宽度一定一定放大器工作状态放大器工作状态变化变化如图如图第31页，共46页，编辑于2022年，星期二uCEuBEmaxuCEmin Ec Ec改变对工作状态的影响改变对工作状态的影响返回返回第32页，共46页，编辑于2022年，星期二集集 电电 极极 调调 制制 特特 性性由图可见，只有在过压由图可见，只有在过压状态，状态，E Ec c对对U Ucmcm才能有较才能有较大的控制作用，所以，集大的控制作用，所以，集电极调幅应电极调幅应工作在过压状工作在过压状态态第33页，共46页，编辑于2022年，星期二（2）基极调制特性）基极调制特性指当指当Ec、Ubm、Rc保持恒定，放大器的性能随基极偏置保持恒定，放大器的性能随基极偏置电压电压Eb变化的特性。变化的特性。UBEmax =Eb +Ubm Eb从负值向正值方向增大时从负值向正值方向增大时 UBEmax随之增大随之增大集电极电流脉冲集电极电流脉冲宽度增大宽度增大、高度增加高度增加放大器工作状态放大器工作状态由欠压进入过压由欠压进入过压UBEmax 增大增大 AAicUCE第34页，共46页，编辑于2022年，星期二基基 极极 调调 制制 特特 性性由图可见，改变基极偏由图可见，改变基极偏置电压置电压E Eb b，即可控制输，即可控制输出电压振幅出电压振幅U Ucmcm的大小。的大小。只有工作在欠压状态，只有工作在欠压状态，E Eb b才对才对U Ucmcm有较强的控有较强的控制作用。所以，基极调制作用。所以，基极调幅应幅应工作于欠压状态工作于欠压状态第35页，共46页，编辑于2022年，星期二3.放大特性（振幅特性）放大特性（振幅特性）指当指当Eb、Ec、Rc保持恒定，放大器的性能随激励振幅保持恒定，放大器的性能随激励振幅Ubm变变化的特性。化的特性。uBEmax =Eb +Ubm改变改变Ubm的情况和改变的情况和改变Eb的情况类似的情况类似集电极电流脉冲集电极电流脉冲宽度增大宽度增大、高度增加高度增加放大器工作状态放大器工作状态由欠压进入过压由欠压进入过压Ubm增加增加第36页，共46页，编辑于2022年，星期二由图可见，在欠压区，高频振由图可见，在欠压区，高频振幅幅U Ucmcm基本随基本随U Ubmbm成线性变化，放成线性变化，放大器必须在大器必须在U Ubmbm变化范围内工作变化范围内工作在在欠压状态欠压状态。而当谐振功放用而当谐振功放用作作限幅器限幅器，将振幅，将振幅U Ubmbm在较大范在较大范围内变化的输入信号变化为围内变化的输入信号变化为振幅恒定的输出信号时，由振幅恒定的输出信号时，由图可以看出，放大器波形在图可以看出，放大器波形在U Ubmbm变化范围内，工作在变化范围内，工作在过压过压状态状态放放 大大 特特 性性第37页，共46页，编辑于2022年，星期二2.4 2.4 谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路一、直流馈电电路一、直流馈电电路保证保证 集电极回路电压集电极回路电压 uCE=Ec uc 基极回路电压基极回路电压 uBE=Eb+ub要求要求 直流有直流通路、交流有交流通路，直流有直流通路、交流有交流通路，且：高频信号不要流过直流电源（有内阻，损耗功率）且：高频信号不要流过直流电源（有内阻，损耗功率）需要需要 正确使用扼流圈、旁路电容正确使用扼流圈、旁路电容包括直流馈电电路，偏置电路，输入、输出匹配电路包括直流馈电电路，偏置电路，输入、输出匹配电路第38页，共46页，编辑于2022年，星期二并并 馈馈串串 馈馈（集电极）（集电极）第39页，共46页，编辑于2022年，星期二Re=Eb/Ieo二、自给偏压环节二、自给偏压环节1.射极电流自给偏压环节射极电流自给偏压环节第40页，共46页，编辑于2022年，星期二2.基极电流自给偏压环节基极电流自给偏压环节第41页，共46页，编辑于2022年，星期二三、输入、输出匹配网络三、输入、输出匹配网络1.并联谐振回路匹配电路并联谐振回路匹配电路ub第42页，共46页，编辑于2022年，星期二2.滤波器型匹配网络滤波器型匹配网络广泛利用广泛利用L、C变换网络实现调谐和阻抗匹配变换网络实现调谐和阻抗匹配第43页，共46页，编辑于2022年，星期二第44页，共46页，编辑于2022年，星期二四、高频四、高频功率放大器实用电路功率放大器实用电路实例实例1 工作频率：工作频率：140 180MHz，输出功率：，输出功率：30W L4、L5、C4、C5、L6T型网络，型网络，C6、L7、C7 型网络；型网络；双双T型匹配网络：型匹配网络：C10、C11、L10；L9、C9、L10。R1、C8组成反馈电路组成反馈电路稳定稳定 集电极通过高频扼流圈集电极通过高频扼流圈ZL1、ZL3、ZL4接到接到+13.5V的直流电源上。的直流电源上。第45页，共46页，编辑于2022年，星期二实例实例2 工作频率：工作频率：400MHz，输出功率：，输出功率：15W；功率增益：；功率增益：40dB；效率：；效率：54%输入端：输入端：T型滤波匹配网络；输出端：型滤波匹配网络；输出端：L型、型、型网络；型网络；栅极采用分压式偏置电路，漏极采用并馈电路；栅极采用分压式偏置电路，漏极采用并馈电路；ZL1、ZL2为高频扼流圈为高频扼流圈end第46页，共46页，编辑于2022年，星期二