諧振功率放大器課件

第二章諧振功率放大器2.1諧振功率放大器的工作原理2.2諧振功率放大器的性能特點2.3諧振功率放大電路2.4高頻功率放大器2.0小信號諧振放大器

一．學時安排授課14學時實驗4學時1．諧振功率放大器的工作原理2學時2．諧振功率放大器的性能特點4學時3．諧振功率放大電路4學時4．高頻功率放大器2學時5．習題課2學時6．高頻小信號諧振放大器實驗2學時7．丙類高頻功率放大器實驗2學時

二．

授課方式：課堂教學方法為主三．

重點、難點1．重點討論諧振電路的頻率特性，難點、接入系數(shù)。2．諧振功率放大器的三個工作狀態(tài)，欠壓、臨界和過壓狀態(tài)。3．重點討論四個電壓量對放大器性能的影響。諧振功率放大器直流饋電電路及濾波匹配網(wǎng)絡的分析與設計。

四．

教學內容及要求要求學生了解諧振電路的頻率特性及諧振放大器的工作原理，掌握諧振放大器的性能特點。特別是諧振放大器的三種工作狀態(tài)要有清楚的認識，掌握四個電壓量對諧振功率放大器的影響。了解諧振放大器的直流饋電方式，掌握濾波匹配網(wǎng)絡的設計方法，了解高頻功率放大器設計的基本步驟。

五．

教學方法：首先補充諧振電路的基本內容。在此基礎上引出小信號諧振放大器的工作原理。丙類諧振功率放大器的原理，而后，重點討論諧振功率放大器的性能特點，工作狀態(tài)以及諧振功率放大器的直流饋電方式、濾波匹配網(wǎng)絡設計，最后簡單介紹高頻放大器的設計步驟，用2學時時間上習題課討論課，并安排4學時實驗，用以加深鞏固本堂課堂教學內容。

第2章．諧振功率放大器摘要：諧振功率放大器是一種用諧振系統(tǒng)作為匹配網(wǎng)絡的功率放大器，一般丙類工作，主要應用在無線電發(fā)射機中，用來對載波信號或高頻已調波信號進行功率放大，為了進一步提高效率也可采用開關方式工作。本章重點討論丙類工作的諧振功率放大器，也對其它工作狀態(tài)的諧振功率放大器作一簡要的介紹。

2-0小信號諧振功率放大器2-0-1高頻振蕩回路。一．簡單振蕩回路振蕩回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個回路的振蕩回路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。簡單振蕩回路的阻抗在某一特定頻率上具有最大或最小值的特性稱為諧振特性，這個特定頻率稱為諧振頻率。簡單振蕩回路具有諧振特性和頻率選擇作用，這是它在高頻電子線路中得到廣泛應用的重要原因。

1．串聯(lián)諧振回路

圖2-0-1串聯(lián)振蕩回路及其特性

R—電感線圈L中的損耗電阻值較小，可以忽略；C—電容，當信號頻率為時，其串聯(lián)阻抗為：（1）當時，回路呈容性，；（2）當時，回路呈感性，；（3）當時，回路呈電阻性，，其值最??；

此時，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，串聯(lián)諧振角頻率為（2-0-1）若在串聯(lián)諧振電路兩端加一恒值信號，諧振時，流過電路的電流最大。設在任意頻率下的電流為，則

.式中，—回路的品質因數(shù)。是指回路沒有外加負載時的值，稱為空載值或，當回路有外加負載時，品質因數(shù)要用有負載值或來表示，其中的電阻R應為考慮負載后的總損耗電路。

圖2-0-2串聯(lián)諧振回路的諧振曲線和電流、電壓關系

圖2-0-2為串聯(lián)諧振回路的諧振曲線?；芈吠l帶也稱為回路帶寬：2．并聯(lián)諧振回路。串聯(lián)諧振回路適用于電源內阻為低內阻（如恒壓源）的情況或低阻抗電路（如微波電路）。當頻率不是非常高時，并聯(lián)諧振回路應用最廣。并聯(lián)諧振回路及其頻率特性如圖2-0-3所示p75

.并聯(lián)諧振頻率當時,,回路在諧振時的阻抗最大

圖2-0-4幾個常見抽頭震蕩回路

為—電阻為等效到回路兩端的并聯(lián)諧振電阻。通頻帶二．抽頭并聯(lián)振蕩回路。圖2-0-4是幾種常用的抽頭振蕩回路，采用抽頭回路，可以通過改變抽頭位置或電容分壓比來實現(xiàn)回路與信號源的阻抗匹配，或者進行阻抗變換，對于抽頭振蕩回路，除了參數(shù)和外，還增加了一個可以調節(jié)的因子—接入系數(shù)。定義：與外電路相連的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質總電抗之比：

.接入系數(shù)（抽頭系數(shù)）又稱為電壓比或變比。對于圖(a)無互感時有互感時

對于圖（b）對于圖（c）所以

對于圖（d）對于圖（e）注：除了阻抗需要折合外,有時信號源也需要折合。對于電壓源：對于電流源：圖2-0-5

圖2-0-5電流源的折合

對于信號源進行折合時的變比是而不是。

圖2-0-5電流源的折合

三．耦合諧振回路—雙調諧回路圖2-0-6

圖2-0-6兩種常見的耦合回路及其等效電路圖（a）互感耦合電路(b)電容耦合電路圖（c）為圖（a）的等效電路(d)為(b)的等效電路

1．耦合系數(shù)定義：（耦合阻抗）與初次級中與同性兩電抗的幾何平均值之比，即圖(a)圖(b)2.耦合因子A

設①當時，稱為臨界耦合，臨界耦合系數(shù)，。

②當時，過耦合，，特性曲線出現(xiàn)雙峰。③當時，欠耦合，，曲線較尖峰值小。

注：與單回路的阻抗特性比，耦合回路特性頂部平緩，寬度要大，而且在頻帶之外，曲線下降也更陡峭。從回路對臨近無用信號頻率的抑制來看，性能也更好。3.通頻帶

.圖2-0-7耦合回路的頻率性

.

2．0．2高頻小信號放大器一.對高頻小信號放大器的主要要求：1.增益要求高。用于各種接收機中的中頻放大器，其電壓放大倍數(shù)可達，而電壓的增益為dB,通常要倍高級放大器才能實現(xiàn)。2.頻率選擇性要好。3.工作穩(wěn)定可靠。這要求放大器的性能盡可能地不受溫度、電源電壓等外界因素變化的影響，不產生任何自激。此外，在放大微弱信

號的接收機前級放大器中，還要求放大器內部噪聲要小，因為放大器本身的噪聲越低，接收微弱信號的能力越強。二．高頻小信號諧振放大器的工作原理圖2-0-8直流偏置與低頻放大器完全相同，只是對高旁路，其值比低頻中小得多，(b)為交流通路，時，抽頭諧振回路諧振，完成阻抗匹配和選頻濾波功能。由于輸入的是高頻信號，放大器工作在甲類狀態(tài)。

二．放大器的的性能1．晶體管的高頻等效電路圖2-0-8(a)混等效電路(b)參數(shù)等效電路1)參數(shù)說明—輸出端交流短路時的輸入導納。

圖2-0-8高頻小信號諧振放大器（a）實際線路（b）交流等效電路

—輸入端交流短路時的輸出導納?！敵龆私涣鞫搪窌r的正向傳輸導納?！斎攵私涣鞫搪窌r的反向傳輸導納。在忽略及滿足的條件下，參數(shù)與參數(shù)的關系為：

.注：參數(shù)不僅與靜態(tài)工作點的電壓、電流值有關，而且與工作頻率有關，是頻率的復函數(shù)，當放大器工作在窄帶時，參數(shù)變化不大，可以將參數(shù)看作常數(shù)。高頻小信號諧振放大器一般是工作在窄帶。晶體管可以用參數(shù)等效。其參數(shù)方程為

.2）晶體管的高頻特性、參數(shù)

①截止頻率

定義：下降到低頻電流放大系數(shù)的倍時，所對應的頻率稱為的截止頻率。②特性頻率定義：下降到1時，所對應的頻率稱為的特征頻率。當時，

③最高振蕩頻率定義：晶體管的功率增益時,所對應的頻率稱為最高振蕩頻率表示一個晶體管所能適用的最高極限頻率，在此頻率，晶體管已不可能得到功率放大。

④任意的的計算：

2．放大器的性能參數(shù)圖2-0-9為圖2-0-1的高頻小信號參數(shù)等效電路。圖中包括諧振回路的導納和負載電阻的等效導納，忽略管子內部的反饋，令，電流源內電導。(1)電壓放大倍數(shù)K

圖2-0-9晶體三極管（a）混Ⅱ等效電路（b）Y參數(shù)等效電路

.(2)輸入導納

（3）輸出導納（4）通頻帶

，L為回路電感，為回路的總電容，包括回路本身的電容以及等效到回路中呈現(xiàn)的電容。為有載品質因數(shù)。

為回路的總電導，包括回路本身的損耗以及、等效到回路中的損耗。2．0．3思考題1.高頻小信號諧振放大選擇諧振回路作為放大器負載的優(yōu)點是什么？2.通頻帶的含義是什么？3.晶體管的高頻參數(shù)包括哪些？

2-1諧振放大器的工作原理2．1．1丙類諧振功率放大器p81圖2-1-1一.工作原理1.元件說明：—外接負載，用串聯(lián)等效、—匹配網(wǎng)絡；、、—共同組成諧振回路。2.原理

選擇值使功率管靜態(tài)工作于截止區(qū)內，調節(jié)使并聯(lián)諧振回路諧振于信號頻率上。忽略基區(qū)寬度調制效應以及管子結電容的影響，若輸入信號電壓由3.在靜態(tài)轉移特性曲線上畫出的波形。P82圖2-1-2

.由于集電極回路諧振于上，所以，中的基波分量呈現(xiàn)的阻抗最大,且為純電阻,稱為諧振阻抗在高值回路中。（2-1-1）式中，為回路總電容,

—回路有載品質因數(shù)。注；諧振回路對中其它分量呈現(xiàn)阻抗均很小，因此，認為僅為基波分量產生的電壓，所以負載上可以得到不失真的信號功率，即為失真的脈沖波，而為完整正弦波。

4．諧振回路的作用1)利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集電極電流脈沖變換為不失真的集電極電流脈沖變換為不失真的輸出余弦電壓。2)諧振回路可以將含有電抗分量的外接負載變換為諧振回路電阻，而且，調節(jié)、還能使其等于放大器所需集電極電阻，實現(xiàn)阻抗匹配，所以，在諧振功率放大器中，諧振回路具有選頻和匹配雙重作用。

4．存在問題p83圖2-1-3丙類工作時，隨管子導通時間而增大，但放大器輸出頻率。為了實現(xiàn)而不變，脈沖高度，方法為BE可能反向擊穿。

因此，在維持的條件下，一味地減小管子導通時間來提高是不現(xiàn)實的，要解決這一問題，采用開關工作的諧振放大器—丁類諧振功率放大器。

2．1．3倍頻器在丙類諧振功率放大器中，若將輸出諧振回路調諧在輸入信號頻率的n次諧波上，可認為輸出諧振回路上僅有中的n次諧波分量產生的高頻電壓、而其它分量產生的電壓均可忽略，因而在負載上得到了頻率為輸入信號為n倍的輸出信號功率。

2．1．4思考題11.為什么高頻功率放大器一般要工作于乙類或丙類狀態(tài)？為什么采用調諧回路作負載？為什么要調諧在工作頻率？22.為什么低頻功率放大器不能工作于丙類？而高頻功率放大器可以工作于丙類？簡答：低頻功率放大器信號頻帶寬，不能用諧振回路取出不同頻率分量，而高頻信號頻帶窄，采用一個諧振回路即可完成選頻作用。

2—2諧振功率放大器的性能特點2．1．1近似分析法一．諧振功率放大器的動態(tài)線假設一諧振回路具有理想的濾波特性，其上只能產生基波電壓（或n倍頻)，為沖波，為余弦電壓，若放大器輸入端也接有諧振回路，為脈沖波，為余弦電壓。(2-1-1a)(2-1-1b)

假設二功率管的特性用輸入和輸出靜態(tài)曲線表示，其高頻效應可以忽略，輸出特性曲線的參變量為，即先將。1．動態(tài)線的產生：先設定、、、的數(shù)值，將按等間隔給定不同的值，畫出、的波形。然后在輸出特性上找出對應的動態(tài)點和由此確定的值。其中動態(tài)點的連線稱為諧振功率放大器的動態(tài)線。

2．諧振電阻（2-2-2）3．諧振功率放大器的功率（2-2-3a）（2-2-3b）2．2．2欠壓、臨界、和過壓狀態(tài)一．、、一定時，改變對波形及數(shù)值的影響。的脈寬主要取決于和（圖2-1-3），當和一定時,的脈寬也就近似一定,幾乎

不隨的大小而變化。二．在時的數(shù)值隨變化的情況。圖2-2-21.三種狀態(tài)當時,即為定值時，隨動態(tài)點A將沿線間右移。

圖2-2-2改變對脈沖波的影響

其中為由放大區(qū)飽和區(qū)的臨界點。時，管子處于放大區(qū)，相應地值為脈沖電流的峰值，且隨略；管子進入飽和區(qū)，出現(xiàn)凹陷，且隨而加深。①動態(tài)點處于放大區(qū)，稱為欠壓狀態(tài)，為接近余弦的脈沖。②處于飽和區(qū)時稱為過壓狀態(tài)，中間凹陷。③處于放大與飽和臨界電時稱為臨界狀態(tài)。

2．出現(xiàn)凹陷的原因完全是由于集電極負載性質造成的，在理想情況下，諧振回路上只能產生基波余弦電壓，因而當向增大時，向減小，對應的動態(tài)點先達到臨界點E，值最大，而后進入飽和區(qū)值，出現(xiàn)凹陷，直到點，值最小。3．和脈沖波形之間的關系。(2-2-4a)

.(2-2-4b)越寬，高度越高，、越大，若出現(xiàn)凹陷，則凹陷越深，、越小。2．2．3四個電壓量對性能影響的定性討論。一．負載特性負載特性是指、和一定，放大器特性隨變化的特性，隨變化的波形。

如圖2-2-3所示。P89圖2-2-31．,隨變化的特性欠壓區(qū)特性

近似線性增大，2．過壓區(qū)特性

且比減小的慢3．臨界狀態(tài)特性當時，管子處于臨界狀態(tài)，最大，較大，較小，放大器接近最佳性能。

—諧振功率放大器的匹配負載。（2-2-5）如圖2-2-4（a）、、、和隨變化的曲線如圖2-2-4(b)所示二．調制特性。1.

集電極調制特性—、和一定,2.放大器性能隨變化的特性。

圖2-2-5、一定，即、脈寬一定的動態(tài)點在線上移動，當工作狀態(tài)由欠壓過壓由余弦變?yōu)榘枷莶?。在欠壓狀態(tài)在過壓態(tài)，凹陷加深

2．基極調制特性—、、一定，放大器性能隨變化的特性。圖2-2-6一定，自負向正值且因為放大器由欠壓狀態(tài)過壓態(tài)脈寬及，但凹陷加深,,緩慢，近似不變。

3．集電極調幅電路圖2-2-7(a)(b)p92

圖2-2-7集電極調幅電路

—輸入高頻載波電壓，為角頻率?！{制信號電壓，為調制角頻率?！C振回路上的輸出電壓?！刃Ъ姌O電源電壓。按的規(guī)律變化放大器必須在的變化范圍內工作在過壓狀態(tài)。4．基級調幅電路p92圖2-2-8(a)(b)

—等效集電極偏置電壓。放大器必須在的變化范圍內工作在欠壓狀態(tài)。三．放大特性圖2-2-9p93 、、一定，放大器性能隨變化的特性。1.放大特性固定，增大和上述固定，增大的情況類似，均使脈寬、

放大器由欠壓過壓出現(xiàn)凹陷，且高度,寬度,凹陷加深。所以,、、與基級調制特性類似。圖2-2-8基級調幅電路

2.諧振功率放大器作為線性功率放大器。圖2-2-10線性功率放大器(a)和振幅限幅器(b)的作用

3．功能：放大振幅按調制信號規(guī)律變化的調幅信號。按變化放大器工作在欠壓狀態(tài)。丙類工作時，及脈寬放大特性上翹，產生失真，為使放大特性接近特性，采取方法：①負反饋②乙類推挽電路③讓脈沖保持半個周期，僅隨變化。

3．諧振功率放大器用作限幅器圖2-2-10(b)功能：將振幅在較大范圍變化的輸入信號變換為振幅恒定的輸出信號。要求：放大器必須在變化范圍內工作在過壓狀態(tài)?；蛘哒f：輸入信號的最小值應大于臨界狀態(tài)所對應的值，常將其稱為限幅門限值。四．四個特性在調試中的應用。P94

2．2．4思考題：11.丙類高頻功率放大器的動態(tài)特性與低頻甲類功率放大器的負載特性有什么區(qū)別？為什么會產生這些區(qū)別？動態(tài)特性的含義是什么？2.高頻功率放大器的欠壓、臨界、過壓狀態(tài)是如何區(qū)分的？各有什么特點？當、、、只改變其中一個元素時，功率放大器的工作狀態(tài)如何變化？

2-3諧振功率放大器討論諧振功率放大器的諧振電路，直流饋電電路和濾波網(wǎng)絡。2．3．1直流饋電電路一.集電極偏置電路1．串饋—指直流電源，濾波匹配網(wǎng)絡和功率管在電路形式上為串接的一種饋電方式。P95圖2-3-1(a)

—高頻扼流圈、—電源濾波電路要求：在信號上，路，短路。目的：避免信號電流通過直流電源而產生極間反饋，造成工作不穩(wěn)定。2.并饋—指直流電源，濾波匹配網(wǎng)絡和功率管在電路形式上為并接的一種饋電方式—高頻扼流圈—隔直流電容—電源濾波電容

要求：在信號上，（），接近短路，，接近開路。3．兩種電路特點分析：①功率管直流通路相同②串饋中，濾波網(wǎng)絡處于直流高電位上，其元件不能直接接地。③并饋中，由于隔直流作用，濾波網(wǎng)絡處于直流地電位上，其元件可直接接地，比串饋安裝方便，但、并接于濾波網(wǎng)絡，它們的分布參數(shù)影響網(wǎng)絡的調諧。

二．基極偏置圖2-3-21.圖(a)基級偏置電壓由經(jīng)、分壓提供其值小于功率管的導通電壓，使之丙類工作。2.圖(b)自給偏置電路。偏置電壓由基級電流脈沖中的平均分量在電阻上產生的直流電壓提供。用來避免、對輸入濾波匹配網(wǎng)絡的旁路影響。3.圖(c)自給偏置電路，為功率管基級電路提供直流通路。

注意：在丙類工作時，隨輸入信號電壓振幅的大小而變化。加到BE間的直流偏置電壓也隨大小而變化，當未加輸入信號時，除(a)可提供靜態(tài)其始直流偏置，(b)(c)偏置均為零。當由小增大時，向直流負值方向。因為或偏置電壓隨輸入信號電壓振幅而變化的效應稱為自給偏置效應。放大等幅信號有穩(wěn)幅作用,

放大調幅信號會產生失真。2．3．2濾波匹配網(wǎng)絡一．技術要求圖2-3-3p961.阻抗變換器性質—將負載變換為放大管所需要的負載，以保證功率管輸出高效率。2.濾波特性—充分濾除不需要的高次分量，以保證外接上獲得所需基波功率（或倍頻功率）諧波抑制度（2-3-1）

—n次諧波功率，—基波功率越小對n次諧波的抑制能力越強，常用表示濾波能力。3.傳輸效率—將功率管給出的信號功率高效率地傳送到外界負載上，即要求網(wǎng)絡的傳輸效率二．諧波抑制度和傳輸效率要求的矛盾性。

在實際濾波網(wǎng)絡中，諧波抑制度和傳輸效率的要求往往是矛盾的，提高就會犧牲，反之亦然。在諧振功率放大器中，為了有較高的傳輸效率，回路的有載品質因數(shù)都較小，一般。三、匹配網(wǎng)絡的阻抗變換特性。濾波匹配網(wǎng)絡（FMN）有簡單的L型，等由

三個電抗元件組成的，、型以及多級混合網(wǎng)絡。還有雙調諧耦合回路構成的。還有雙調諧耦合回路構成的FHN。設濾波匹配網(wǎng)絡的固有損耗電阻為零，即，外接負載電阻為，要求與、的串接或并接阻抗相匹配。為功率管的分布電容。圖2-3-5p971．串、并聯(lián)阻抗變換關系。圖2-3-6

1）串并

(2-3-2a)(2-3-2b)2)并串(2-3-3a)

.(2-3-3b)(2-3-4)一般為取頂值。

2．例題例1:圖2-3-7(a)所示為型濾波匹配網(wǎng)絡，要求與和串接阻抗匹配，試求各元件表達式。圖2-3-7p99解：分解過程如圖(b)(c)(d)注：而

所以加負號，令與并聯(lián)諧振。令

所以，

結論：式中設網(wǎng)絡適用于的匹配要求？

3．常用濾波匹配網(wǎng)絡的結構元件表達式。P101表2-3-12．3．3諧振功率放大器電路

1.圖2-3-950MHz諧振功率放大電路性能：外接負載50，提供70W功率，功率增益達11dB。 T—功率管，采用基級自給偏置，由產生偏置電壓。

、、和組成T型，L型丙級混合網(wǎng)絡，作為輸入濾波匹配網(wǎng)絡，調節(jié)、使前級要求的50匹配網(wǎng)絡。集電極采用并饋電路，高頻振流圈，、為電源濾波電容。 、、、和組成T型兩級混合網(wǎng)絡。

調節(jié)、、使50外接負載在工作f上，變換為放大器所要求的匹配電阻。2．圖2-3-10150MHz諧振功率放大器。