第二章諧振功率放大器

第二章諧振功率放大器要求：掌握諧振功率放大器的工作原理，負載特性，了解調(diào)制特性和放大特性，熟悉實際電路組成;2.1概述在無線電廣播和通信發(fā)射機中，為了獲得大功率的高頻信號，必須采用高頻功率放大器。高頻功率放大器按工作頻帶的寬窄可分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。窄帶高頻功率放大器通常以LC并聯(lián)諧振回路作負載，因此又稱為諧振功率放大器。寬帶高頻功率放大器以傳輸線變壓器為負載，因此又稱為非諧振功率放大器。

在低頻電子線路課程中，已經(jīng)建立了一個很重要的概念,即功率放大器的實質(zhì)是:將直流電源供給的直流功率轉(zhuǎn)換為交流輸出功率。在轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地存在著能量的損耗，這部分損耗的功率通常變成了熱能。若損耗功率過大．就會使功率放大器因過熱而損壞。高頻功率放大電路對高頻已調(diào)波信號進行功率放大,然后經(jīng)天線將其輻射到空間,所以要求輸出功率很大。

輸出功率大,從節(jié)省能量的角度考慮,效率更加顯得重要。因此，功率放大器研究的主要問題就是如何提高效率，減小損耗及獲得大的輸出功率。功率放大器的效率與什么有關？

功率放大器的效率與其放大器件的工作狀態(tài)有直接關系，為了提高效率，高頻功率放大器多選擇在丙類或丁類，甚至戊類工作狀態(tài)。晶體管放大電路有哪些工作狀態(tài)？ECICEO

uCE

iCO??Q???Q?截止區(qū)飽和區(qū)

對于諧波抑制度要求很高的高頻功率放大器，通常選用甲類或甲乙類推挽工作狀態(tài)，以使晶體管工作在線性放大區(qū)。顯然，效率不高，且輸出功率不可能太高。若要求輸出功率高，可以采用功率合成的辦法來提高。晶體管在這樣的工作狀態(tài)下，輸出電流波形失真很大,怎么辦？必須采用具有一定濾波特性的選頻網(wǎng)絡作為負載，以得到接近正弦波的輸出電壓波形，多用于推動級和末級作功率放大，其諧波抑制度不可能做得很高。高頻功率放大器的主要指標是高頻輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度等。這幾項指標往往是相互矛盾的。在設計功率放大器時，總是根據(jù)放大器的待點，突出其中的一些指標，兼顧另外一些指標。例如，對于發(fā)射機的輸出級，其特點是希望輸出功率最高，對應的效率不一定會最高；對于單邊帶發(fā)射機，則要求功率放大器非線性失真盡可能小，也就是諧波抑制度是設計的主要問題。顯然，在這類功率放大器中，效率是不很高的。高頻功率放大器常用的有源器件是：晶體管、場效應管和電子管，輸出功率在1KW以下的功率管常采用晶體管；而對1KW以上的則主要采用電子管，本章主要討論晶體管諧振功率放大器，共工作原理亦適用于其他器件的諧振功率放大器。工作頻率：幾百千赫~幾百兆赫，小結2.2高頻功率放大器的工作原理+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效電路+uc1--UBBCECL+uS-+ub-(a)原理電路+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic2工作原理分析uBEic?-UBB?UBZubic?UbmgC+uBE_2工作原理分析vBEic?-UBB?-UBZvbic?VbmgCIcmax+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_(1)集電極電流icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxiC頻譜(2)集電極輸出電壓LC回路阻抗Rp+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic?-UBB?UBZubUbmgC3.高頻功放的功率關系

θcαoα1α3g11.02.0α2當晶體管允許的耗散功率一定時，

VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3D類和E類功率放大器簡介

1.D類功率放大器的原理分析

D類功率放大器有電壓開關型和電流開關型兩種基本電路，電壓開關型D類功率放大器是已推廣應用的電路

uiub1ub2ic1ic2uLuA

ub1和ub2是由ui通過變壓器T1產(chǎn)生的兩個極性相反的輸入激勵電壓

ui正半周時VT1管飽和導通，VT2管截止，電源EC對電容C充電，電容上的電壓很快充至（EC-UCES1）值，A點對地的電壓uA=（EC-UCES1）。

ui負半周時VT2管飽和導通，VT1管截止。VT2管的直流電源由電容C上充的電荷供給，uA=UCES2≈0

uA近似為矩形波電壓，幅值為（EC-2UCES）。若L、C和RL串聯(lián)諧振回路調(diào)諧在輸入信號的角頻率ω上，且回路的Q值足夠高，則通過回路的電流ic1或ic2是角頻率為ω的余弦波，RL上可得相對輸入信號不失真的輸出功率。ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt盡管每管飽和導通時的電流很大，但相應的管壓降很小，這樣，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高

uA為矩形方波，用傅里葉級數(shù)展開后可求得其基波分量的振幅為：

VT1管電流ic1(或VT2管電流ic2)的直流電流為：

ECEC-2UCESuAωtUCESic1ωtic2ωtuLωtID電源供給的直流功率：PD=EC

ID

放大器的輸出功率Po為；效率η=Po／PD=100％

實際晶體管的飽和壓降不可能為零，又考慮到管子結電容、電路分布電容的影響(使管壓降波形uA有一定上升沿和下降沿)，從而使D類功放的效率小于100％，典型值大于90％。

2.輸出功率及效率計算2.2.4丙類倍頻器

采用倍頻器的目的是：

1．能降低電子設備的主振頻率，對提高設備的頻率穩(wěn)定度有利。2．在通信機的主振器工作波段不擴展的條件下，可利用倍頻器擴展發(fā)射機輸出級的工作波段。3．在調(diào)頻和調(diào)相發(fā)射機中，采用倍頻器可加大頻移或相移，即可加深調(diào)制深度。1、利用丙類放大器電流脈沖中的諧波經(jīng)選頻回路獲得倍頻。2、利用模擬乘法器實現(xiàn)倍頻。3、利用PN結電容的非線性變化，得到輸入信號頻率的諧波，經(jīng)選頻回路獲得倍頻，稱為參量倍頻器。倍頻器按其工作原理可分為三類：2.2.4丙類倍頻器2.2.4丙類倍頻器iC+uce--Ec

+-uc2+iciC1iC2ic頻譜0ICOIC1IC2IC3IC4LC諧振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC22.2.4晶體管倍頻器在實際倍頻器電路中，考慮到下述兩個因素：首先，集電極電流脈沖中諧波分量幅度是隨n的增大而迅速減小的，因而，倍頻次數(shù)過高，倍頻器的輸出功率和效率就會過低而導致不能正常工作。

其次，倍頻器的輸出回路需要濾除高于n和低于n的各次諧波分量。其中低于n的各次諧波分量幅度比有用分量大，要將它們?yōu)V除較為困難。倍頻次數(shù)過高，倍頻器對輸出回路提出的濾波度要求就會過于苛刻而難以實現(xiàn)。所以，如果實際電路中需要增加倍頻次數(shù)，可將m個倍頻器級聯(lián)起來工作或采用變?nèi)荻O管、階躍二極管構成的參量倍頻器。2.3高頻功率放大器的動態(tài)分析1.動態(tài)特性方程2.動態(tài)特征曲線的畫法3.高頻功放的工作狀態(tài)2.3.2高頻功率放大器的負載特性

2.3.3高頻功率放大器的調(diào)制特性

2.3.4高頻功率放大器的放大特性

2.3.5高頻功率放大器的調(diào)諧特性

2.3.6高頻功放的高頻效應

2.3高頻功率放大器的動態(tài)分析βo0.5fβfβ0.2fTfTuBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE_2.3.1高頻功率放大器的動態(tài)特性

uceic2.3.1高頻功率放大器的動態(tài)特性

Uo?A?BOEC?QUcmucmingdubemax2.3.2高頻功率放大器的負載特性

uceicUo?gduBEic?-UBB?UBZubicgCUbm?ubemaxicmaxuceicEC?QuceminUcesgd?ubemax???uceminubemaxgcr?返回EC?QUcesUcm?uBEic?-UBB?UBZubicgCUbm?ubemaxicmaxuceicEC?QuceminUcesgd?ubemax???uceminubemaxgcr?uCEicgcrIcmaxubemaxicuce2.3.2高頻功率放大器的負載特性PoRp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Rp欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoPDPcubemaxUc12.3.3高頻功率放大器的調(diào)制特性

uceicubemax?QEC??QEC?QEC????icEC欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)EC欠壓區(qū)過壓區(qū)臨界區(qū)Ic1IcoPDPOPC2.3.3高頻功率放大器的調(diào)制特性

進入過壓狀態(tài)后，隨著UBB向正值方向增大，集電極脈沖電流的寬度增加，幅度幾乎不變，但凹陷加深，結果使Ico、Icml和相應的Ucm增大得十分緩慢

UcmIcoIcml臨界UBB過壓欠壓O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)當Ubm固定，UBB自負值向正值方向增大時，集電極脈沖電流ic的導通角θc增大，從而集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，狀態(tài)由欠壓區(qū)進入過壓區(qū)。

2.3.4高頻功率放大器的放大特性uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)UcmIcmlIcoUbm過壓臨界欠壓OOωticOωticUbm增大OωticωtOictUbm線性功率放大器tUcmUbmUcm振幅限幅器UcmtUbmUcm

固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情況類似，它們都使基極輸入電壓uBEmax隨之增大，對應的集電極脈沖電流ic的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進入過壓。當諧振功率放大器作為線性功率放大器，為了使輸出信號振幅Ucm反映輸入信號振幅Ubm的變化，放大器必須在Ubm變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。當諧振功率放大器用作振幅限幅器時，放大器必須在Ubm變化的范圍內(nèi)工作在過壓狀態(tài)。2.3.5高頻功率放大器的調(diào)諧特性

實際回路在調(diào)諧過程中，其負載是一阻抗Zp，當改變回路的元件數(shù)值，如改變回路的電容C時，功放的外部電流Ico、Icml和相應的Ucm等隨C的變化特性稱為調(diào)諧特性。

設諧振時功放工作在弱過壓狀態(tài)，當回路失諧后，由于阻抗Zp的模值減小，根據(jù)負載特性可知，功放的工作狀態(tài)將向臨界及欠壓狀態(tài)變化，此時Ico和Icml要增大，而Ucm將下降。應該指出，回路失諧時直流輸入功率PD=IcoEC隨Ico的增加而增加，而輸出功率Po=UcmIcmlcosφ將主要因cosφ因子而下降，因此失諧后集電極功耗PC將迅速增加。這表明高頻功放必須經(jīng)常保持在諧振狀態(tài)。

UcmIcmlIco并聯(lián)諧振：阻抗最大，電流最小，電壓最大?；芈肥еC：阻抗減小，電流增大，電壓減小。2.3.6高頻功放的高頻效應

ubet-UBBUBZ低頻2.3.7高頻功放的高頻特性ucef1f2f2>f1小結（1）1．在欠壓工作狀態(tài)的大部分范圍內(nèi)，輸出功率和集電極效率都較低，集電極損耗功率大，而且當諧振電阻變化時，輸出信號電壓振幅將產(chǎn)生較大變化。2．在臨界工作狀態(tài)，輸出功率最大，且集電極效率也高，為諧振功放的最佳工作狀態(tài)。常用于發(fā)射機的功率輸出級，以便獲得最大輸出功率。3．在過壓工作狀態(tài)，當諧振電阻變化時，輸出信號電壓振幅變化較小，多用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場合，如發(fā)射機的中間放大級。小結（2）

(1)若對等幅信號進行功率放大,應使功放工作在臨界狀態(tài),此時輸出功率最大,效率也接近最大。比如對調(diào)頻信號進行功率放大。

(2)若對非等幅信號進行功率放大,應使功放工作在欠壓狀態(tài),但線性較差。若采用甲類或乙類工作,則線性較好。比如對調(diào)幅信號進行功率放大。

(3)丙類諧振功放在進行功率放大的同時,也可進行振幅調(diào)制。若調(diào)制信號加在基極偏壓上,功放應工作在欠壓狀態(tài)；若調(diào)制信號加在集電極電壓上,功放應工作在過壓狀態(tài)。

(4)回路等效總電阻RΣ直接影響功放在欠壓區(qū)內(nèi)的動態(tài)線斜率,對功放的各項性能指標關系很大,在分析和設計功放時應重視負載特性。

根據(jù)以上對丙類諧振功放的性能分析,可得出以下幾點結論:諧振功率放大器是由輸入回路、晶體管和輸出回路組成。輸入、輸出回路在諧振功率放大器中的作用是:提供放大器所需的正常偏置；實現(xiàn)濾波(調(diào)諧于基波頻率)；保證阻抗匹配?？烧J為它是由直流饋電電路和匹配網(wǎng)絡兩部分組成。一、直流饋電電路晶體管高頻功率放大器的直流饋電電路分為集電極饋電電路和基極饋電電路兩類。

2.4高頻功率放大器的電路組成直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；交流匹配網(wǎng)絡：將交流功率信號有效地傳輸。2.4高頻功率放大器的電路組成

2.4.1高頻功率放大器的電路組成IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.4.1高頻功率放大器的電路組成

ICO直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC頻譜LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT

串聯(lián)饋電方式優(yōu)點:1、是Lc和Cc處于高頻地電位,它們對地的分布電容不會影響回路的諧振頻率,穩(wěn)定。2、可用于短波、超短波。缺點：回路兩端都處于直流高電位，調(diào)諧電容器C的動片不能直接接地,必須與機架絕緣，安裝調(diào)整不方便。并聯(lián)饋電方式優(yōu)點：1、回路處于直流地電位,L、C元件可接地,故安裝調(diào)整方便。2、便于多級高功放振蕩回路的同軸調(diào)諧；缺點：由于Lc和Cc1不處于高頻地電位,它們對地的分布電容直接影響回路的諧振頻率,；高頻扼流圈對分流，使較小，只能用于中小發(fā)射機；CBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2基極饋電線路IBOUBBIBOIeo

+UBB-2.4.2高頻功放的耦合回路RiRoR'LR'S功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡RLRSuS

(1)使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡的作用。

(2)抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波作用。

(3)在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送功率到公共負載，同時又盡可能地使這幾個電子器件彼此隔離，互不影響。

輸入匹配網(wǎng)絡或級間耦合網(wǎng)絡:是用以與下級放大器的輸入端相連接輸出匹配網(wǎng)絡:是用以輸出功率至天線或其他負載(4)要求匹配網(wǎng)絡具有一定的通頻帶。使已調(diào)波通過網(wǎng)絡時，不致產(chǎn)生失真.

LC阻抗變換網(wǎng)絡

BX1RXR1AABX2R2BX1RXR1AABX2R2RL1CRSiSL2RpCRSiSRLN1N2M+u1-+u2-C二變壓器阻抗變換電路RL'假設初級電感線圈的圈數(shù)為N1，次級圈數(shù)為N2，且初次間全耦合(k=1)，線圈損耗忽略不計，則等效到初級回路的電阻RL'上所消耗的功率應和次級負載RL上所消耗功率相等，即或變壓器初次級電壓比u1／u2等于相應圈數(shù)比N1／N2，故有

可通過改變比值調(diào)整RL'的大小。三回路抽頭的阻抗變換L2L1CL2L1CRLC2C1LLC2C1RLL2L1CRLLC2C1RL設無耗根據(jù)功率相等原理：當時：當時可近似認為：

(a)L-I型網(wǎng)絡;(b)L-Π型網(wǎng)絡對于L—I型網(wǎng)絡有：

對于L-Π型網(wǎng)絡有：(b)為低阻變高阻L型匹配網(wǎng)絡(a)高阻變低阻L型匹配網(wǎng)絡幾種常見的LC匹配(a)L型;(b)T型;(c)Π型一般在諧振功率放大器中，要求有較高的傳輸效率和較強的諧波抑制能力，但諧波抑制度與傳輸效率往往是矛盾的，以LC并聯(lián)諧振回路為例,它的有載品質(zhì)因數(shù)為：

L型匹配網(wǎng)絡1、低阻變高阻L型匹配網(wǎng)絡2、高阻變低阻L型匹配網(wǎng)絡在大功率輸出級，T型、Π型等濾波型的匹配網(wǎng)絡就得到了廣泛的應用。圖中的R2一般代表終端(負載)電阻，R1則代表由R2折合到左端的等效電阻，現(xiàn)以(a)為例進行計算公式的推導濾波器型的匹配網(wǎng)絡兩種Π型匹配網(wǎng)絡(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2將并聯(lián)回路R1C1與R2C2變換為串聯(lián)形式，由串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式可得L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡匹配時，R1'=R2'由諧振條件得

:[例]有一個輸出功率為2W的高頻功率放大器、負載電阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求Π型匹配網(wǎng)絡的元件值。

解

:(2)濾波器型的匹配網(wǎng)絡L1R1C1R2=RLC2

R1應該是功率放大器所要求的匹配電阻

Rp,即L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡匹配時，R1'=R2'改寫為：

解之得：

由諧振條件得

:注意，考慮到晶體管的輸出電容Co后，C1應減去Co之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，當L1確定之后，用C2主要調(diào)匹配，用C1主要調(diào)諧振。

實際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡。分析方法都很類似，即從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上一個假設條件(通常都是假定Q1值)，即可求出電路元件的數(shù)值。

2.4.3高頻功放的實際線路舉例2.4.3高頻功放的實際線路舉例2.4.3高頻功放的實際線路舉例解：兩級功放的輸入饋電方式均為自給負偏壓,輸出饋電方式均為并饋。此電路輸入功率Pi=1W,輸出功率Po=12W,信號源阻抗Rs=50Ω,負載RL=50Ω。其中第一級輸出功率Po1=4W,電源電壓VCC=135V。

兩級功放管分別采用3DA21A和3DA22A,均工作在臨界狀態(tài),飽和壓降分別為1V和15V。各項指標滿足安全工作條件?？梢杂嬎愠龈骷壔芈返刃Э傋杩狗謩e應該為:由于3DA21A和3DA22A的輸入阻抗分別為R2=7Ω和R4=5Ω,故Rs≠R2,R1≠R4,R2≠RL,即不滿足匹配條件,所以在信號源與第一級放大器之間、第一級放大器與第二級放大器之間分別加入T型選頻匹配網(wǎng)絡(C1、C2、L1和C3、C4、L2),在第二級放大器與負載之間加入倒L型選頻匹配網(wǎng)絡(C5、L3、C6)。三個選頻匹配網(wǎng)絡的輸入阻抗分別是R1、R3和R5。匹配網(wǎng)絡中各電感與電容的值可根據(jù)相應的公式計算得出。由于晶體管參數(shù)的分散性和分布參數(shù)的影響,C1～C6均采用可變電容器,其最大容量應為計算值的2～3倍。通過實驗調(diào)整,最后確定匹配網(wǎng)絡元件的精確值。電路中四個高扼圈的電感量為0.1μH～0.2μH,其中兩個作為基極直流偏置的組成元件,另外兩個在集電極并饋電路中對iC中的高次諧波分量起阻擋作用,并為集電極直流電源提供通路。高頻旁路電容C7和C9的值均為0.05μF,穿心電容C8和C10為1500pF,它們使高次諧波分量短路接地。一般來說,在400MHz以下的甚高頻(VHF)段,匹配網(wǎng)絡通常采用第1章介紹的集總參數(shù)LC元件組成,而在400MHz以上的超高頻(UHF)段,則需使用分布參數(shù)的微帶線組成匹配網(wǎng)絡,或使用微帶線和LC元件混合組成。

一般來說,在400MHz以下的甚高頻(VHF)段,匹配網(wǎng)絡通常采用第1章介紹的集總參數(shù)LC元件組成,而在400MHz以上的超高頻(UHF)段,則需使用分布參數(shù)的微帶線組成匹配網(wǎng)絡,或使用微帶線和LC元件混合組成。

微帶線又稱微帶傳輸線,是用介質(zhì)材料把單根帶狀導體與接地金屬板隔離而構成,圖3.2.13給出了結構示意圖。微帶線的電性能,如特性阻抗、帶內(nèi)波長、損耗和功率容量等,與絕緣基板的介電系數(shù)、基板厚度H和帶狀導體寬度W有關。實際使用時,微帶線是采用雙面敷銅板,在上面作出各種圖形,構成電感、電容等各種微帶元件,從而組成諧振電路、濾波器以及阻抗變換器等。3.4集成高頻功率放大電路及應用簡介在VHF和UHF頻段,已經(jīng)出現(xiàn)了一些集成高頻功率放大器件。這些功放器件體積小,可靠性高,外接元件少,輸出功率一般在幾瓦至十幾瓦之間。日本三菱公司的M57704系列、美國Motorola公司的MHW系列便是其中的代表產(chǎn)品。表3.4.1列出了Motorola公司集成高頻功率放大器MHW系列中部分型號的電特性參數(shù)。圖3.4.1給出了其中一種型號的外形圖。

MHW系列中有些型號是專為便攜式射頻應用而設計的,可用于移動通信系統(tǒng)中的功率放大,也可用于工商業(yè)便攜式射頻儀器。使用前,需調(diào)整控制電壓,使輸出功率達到規(guī)定值。在使用時,需在外電路中加入功率自動控制電路,使輸出功率保持恒定,同時也可保證集成電路安全工作,避免損壞?？刂齐妷号c效率、工作頻率也有一定的關系。三菱公司的M57704系列高頻功放是一種厚膜混合集成電路,同樣也包括多個型號,頻率范圍為335MHz～512MHz(其中M57704H為450MHz～470MHz),可用于頻率調(diào)制移動通信系統(tǒng)。它的電特性參數(shù)為：當VCC=12.5V,Pin=0.2W,Zo=ZL=50Ω時,輸出功率Po=13W,功率增益Gp=18.1dB,效率35%～40%。圖3.4.2是M57704系列功放的等效電路圖。由圖可見,它包括三級放大電路,匹配網(wǎng)絡由微帶線和LC元件混合組成。