電子線路非線性部分(第四版)謝嘉奎第2章諧振功率放大器課件

第2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

諧振功率放大器電路2.4高頻功率放大器第2章諧振功率放大器諧振功放：一種用諧振系統(tǒng)作為匹配網(wǎng)絡(luò)的功率放大器。圖2-2-1(a)諧振功率放大器原理電路特點：負載匹配網(wǎng)絡(luò)為諧振系統(tǒng)應用狀態(tài)：丙類(或丁類、乙類)用途：對載波或已調(diào)波進行功率放大

種類：丙類諧振功放丁類、戊類諧振功放倍頻器

本章內(nèi)容：工作原理、性能分析、電路。

第2章諧振功率放大器2.1

諧振功率放大器的工作原理2.1.1丙類諧振功率放大器2.1.2丁類和戊類諧振功率放大器2.1.3倍頻器2．集電極電流

iC

圖2–1–2輸入vb(t)=Vbmcos

st

據(jù)vBE=VBB+vb(t)=VBB+vbmcos

st由靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性(iC-vBE)，得集電極電流iC波形：脈寬小于半個周期的脈沖序列。傅里葉級數(shù)展開為平均分量、基波分量和各次諧波分量之和。3．輸出電壓

vo

(1)對基波分量阻抗最大，為諧振電阻Re(諧振回路調(diào)諧在輸入信號頻率上，因而對iC

中的基波分量呈現(xiàn)的阻抗最大，且為純電阻)。在高Q回路中，其Re

近似為式中，

——回路總電容

——回路諧振角頻率

——回路有載品質(zhì)因數(shù)

(2)對非基波分量

阻抗很小(諧振回路對

iC

中的其他分量呈現(xiàn)的)，產(chǎn)生的電壓均可忽略。

既然僅有由基波分量產(chǎn)生的電壓vc

輸出，負載獲得的信號功率不失真。因此，丙類諧振功率放大器諧振回路的功能：

①選頻：利用諧振回路的選頻作用，可將失真的集電極電流脈沖變換為不失真的輸出電壓。

②阻抗匹配：調(diào)節(jié)

Lr

和Cr，諧振回路將含有電抗分量的外接負載變換為諧振電阻Re，并阻抗匹配。所以，諧振功率放大器中，諧振回路起到選頻和匹配負載的雙重作用。

2.1.2丁類和戊類諧振功率放大器1．丁類諧振功率放大器

(1)電路

Tr二次側(cè)兩繞組相同，極性相反。T1和T2特性配對，為同型管。(2)原理

若vi足夠大，則

vi<

0時，T1

飽和導通，T2截止，vA1=VCC–VCE(sat)

vi>0時，T2

飽和導通，T1

截止，vA2=VCE(sat)A點最大振幅值：

vA=vA1vA2=VCC2VCE(sat)

加到串聯(lián)諧振回路，若諧振回路工作在輸入信號角頻率上，可近似認為輸出電流iL

是角頻率為

的余弦波，RL上獲得不失真輸出功率。(3)討論

①

VCE(sat)小，管耗小，放大器的效率高(90%以上)

；②因結(jié)電容、分布電容等影響，實際波形不理想，使管耗增大，丁類功放效率受限。2．戊類放大器

為了克服這個缺點，在開關(guān)工作的基礎(chǔ)上采用一個特殊設(shè)計的集電極回路，保證vCE

為最小值的一段期間內(nèi)，才有集電極電流流通——戊類放大器。

3．實現(xiàn)辦法

(1)晶體管倍頻器倍頻次數(shù)不能太高，一般為二倍或三倍頻。原因：

①效率。集電極電流脈沖中包含的諧波分量的幅度隨著n

的增加而迅速減小。倍頻次數(shù)過高，倍頻器的輸出功率和效率就會過低。

②濾波。諧振回路需濾除高于n

和低于n

的各次分量。低于n

的分量幅度較大，濾除較難。倍頻次數(shù)越高，對諧振回路提出的濾波要求越苛刻，不易實現(xiàn)。

(2)變?nèi)荻O管、階躍二極管構(gòu)成參量倍頻器，適用于倍頻次數(shù)較高時。第2章諧振功率放大器2.2

諧振功率放大器的性能特點2.2.1近似分析方法2.2.2欠壓、臨界和過壓狀態(tài)2.2.3四個電壓量對性能影響的定性討論2.2.1近似分析方法非諧振功放丙類諧振功放集電極負載純電阻諧振回路，含電抗元件求功率性能圖解法準靜態(tài)分析法要點求負載線求動態(tài)線1．使用條件——兩假設(shè)

①

諧振回路濾波特性理想，即盡管集電極、基極電流為脈沖波，但兩回路只產(chǎn)生基波(余弦)電壓，其他分量的電壓均可忽略。有

②

功率管特性用輸入和輸出靜態(tài)特性曲線表示，其參變量采用

vBE(而不是通常的

iB)。2．分析步驟

圖2–2–1諧振功率放大器的近似分析方法(b)①求動態(tài)點，畫波形；②連動態(tài)線，畫iC波形；③圖解積分求分量；④計算功率性能。諧振功率放大器的分析(2)連動態(tài)線，畫iC

波形：圖2–2–1諧振功率放大器的近似分析方法(b)

根據(jù)vBE

和vCE值，在輸出特性曲線上(以vBE為參變量)找對應的動態(tài)點，畫動態(tài)線(動態(tài)點的連線)，由此可確定

iC的波形。不到VCC，因為導通角小于(3)

圖解積分求得分量

IC0和Ic1m

諧振電阻(4)

計算功率性能

四變量VBB、Vbm、VCC、Vcm

不同，iC

的波形和數(shù)值就不同，由此求得的Re

及相應的功率性能就不同。應了解四變量的影響。2.2.2欠壓、臨界和過壓狀態(tài)1．當VBB、Vbm、VCC

不變，Vcm

由小變大，動態(tài)點左移

①欠壓狀態(tài)

Vcm

的取值，使所對應的動態(tài)點均處在放大區(qū)。

②臨界狀態(tài)

Vcm

增大，使

t=

0所對應的動態(tài)點A處在臨界點，iCmax

略微減小。

③過壓狀態(tài)

Vcm繼續(xù)增大，使A(t=

0)動態(tài)點處在飽和區(qū)，iC

迅速減小，電流脈沖出現(xiàn)凹陷，Vcm

增大，凹陷加深。諧振功放的工作狀態(tài)2.2.3四個電壓量對性能影響的定性討論一、負載特性

1．定義

指VBB、Vbm

和

VCC

一定，放大器性能隨Re的變化特性。2．特性Re的增加勢必將引起

Vcm

增大(Vcm=ReIcm)

Re

Vcm

vCEmin

功放欠壓過壓

iC

波形出現(xiàn)凹陷。據(jù)此可以畫出

Ic0和Ic1m隨Re變化的特性。

諧振功放的負載特性3．

Vcm、Po、PD、PC、C

隨Re變化的曲線圖2-2-4負載特性

Vcm=ReIc1m，Po=VcmIc1m/2

PD=VCCIC0，PC=PD－Po

C=Po/PD3．討論

(1)欠壓區(qū)

Re，iC脈沖高度略有減小，相應的IC0、Ic1m也略有減小，因而Vcm(=ReIc1m)和Po(

)近似線性增大，而PD(=VCCIC0)略有減小，C增大，PC

減小。

(2)過壓區(qū)

Re

，電流脈沖高度減小，凹陷加深，相應的IC0、Ic1m

減小，結(jié)果使Vcm略有增加，Po、PD

減小，且

Po比

PD減小的慢，從而C

略有增加，PC

略有減小。

(3)匹配負載

Reopt

Re

=

Reopt

時，管子工作在臨界狀態(tài)，Po

最大，C

較大，PC

較小，放大器性能接近最佳。此時的Re

稱為諧振功放的匹配負載。二、調(diào)制特性圖2–2–5集電極調(diào)制特性兩種調(diào)制特性：集電極調(diào)制和基極調(diào)制特性。

1．集電極調(diào)制特性

(1)含義

VBB、Vbm

和Re一定，放大器性能隨VCC

變化的特性。(2)調(diào)制特性集電極調(diào)制特性與調(diào)幅電路

①欠壓狀態(tài)：隨VCC減小，集電極電流脈沖高度略有減小，因而IC0和Ic1m

也將略有減小，Vcm(=ReIc1m)也略有減小。

②過壓狀態(tài)：隨VCC

減小，集電極電流脈沖的高度降低，凹深加深，因而IC0、Ic1m、Vcm將迅速減小。

(3)

集電極調(diào)幅原理電路

圖中：

——載波——調(diào)制信號為諧振回路上的輸出電壓。

與諧振功放區(qū)別：集電極回路接入調(diào)制信號電壓。圖2–2–7集電極調(diào)幅電路令VCC(t)=VCC0+v(t)

作為放大器的等效集電極電源電壓。若要求Vcm(t)按VCC(t)的規(guī)律變換，根據(jù)集電極調(diào)制特性，放大器必須在VCC(t)的變化范圍內(nèi)工作在過壓狀態(tài)。

(3)基極調(diào)幅原理電路

圖2–2–8基極調(diào)幅電路——基極偏置電壓

使

Vcm

按VBB(t)的規(guī)律變化，放大器工作在欠壓狀態(tài)。三、放大特性圖2–2–9放大特性

1．含義當VBB、VCC和Re

一定，放大器性能隨

Vbm

變化的特性。2．特性

固定VBB，增大Vbm

與上述固定Vbm增大VBB

的情況類似，它們都使iC

的寬度和高度增大，放大器由欠壓進入過壓，圖2–2–9(a)。諧振功放的放大特性(1)諧振功放作為線性功放圖2–2–10(a)線性功率放大器的作用

為了使輸出信號振幅Vcm

反映輸入信號Vbm

的變化，放大器必須在Vbm

變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。(2)諧振功放作為振幅限幅器(AmplitudeLimiter)圖2–2–10(b)

振幅限幅器的作用

作用：將Vbm在較大范圍內(nèi)的變化轉(zhuǎn)換為振幅恒定的輸出信號。

特點：根據(jù)放大特性，放大器必須在Vbm的變化范圍內(nèi)工作在過壓狀態(tài)，或Vbm

的最小值應大于臨界狀態(tài)對應的Vbm限幅門限電壓。

若增大Re，Po減小，放大器實際工作在過壓狀態(tài)，可增大VCC(同時，適當增大

Re或Vbm

或VBB)，需注意管子安全。

實際上放大器的工作狀態(tài)除了改變

Re

外還可以根據(jù)實際情況通過改變VCC、Vbm、VBB

來判斷，不過改變Re

較普遍，但不論改變哪個量都必須保證回路諧振在工作頻率上。四、四個特性在調(diào)試中的應用

在調(diào)試諧振功放時，上述四個特性十分有用。

例如，設(shè)一個丙類諧振功率放大器，設(shè)計在臨界狀態(tài)，若制作出后，Po和C

均不能達到要求，則應如何進行調(diào)整。

Po

達不到要求，表明放大器沒在臨界。若增大Re

能使Po

增大，則根據(jù)負載特性，斷定放大器工作在欠壓狀態(tài)，此時分別增大Re、Vbm

和VBB

或同時或兩兩增大均可使放大器由欠壓進入臨界。第2章諧振功率放大器2.3

諧振功率放大器電路2.3.1直流饋電電路2.3.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)2.3.3

諧振功率放大器電路諧振功放管外電路：①直流饋電電路②濾波匹配網(wǎng)絡(luò)2.3.1直流饋電電路

考慮因素：濾波匹配網(wǎng)絡(luò)安裝方便；饋電電路(PowerSupplyCircuit)對濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的影響。直流饋電電路分為串饋并饋1．串饋與并饋

(1)串饋

三者(直流電源VCC、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管)在電路形式上為串接的饋電方式。(a)圖2–3–1集電極直流饋電電路

LC——高頻扼流圈，與CC構(gòu)成電源濾波電路。

在信號頻率上LC

的感抗很大，接近開路；CC的容抗很小，接近短路，避免信號電流通過直流電源而產(chǎn)生級間反饋，造成工作不穩(wěn)定。

(2)并饋

三者(直流電源VCC、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管)在電路形式上為并接的饋電方式。

(b)圖2–3–1集電極直流饋電電路LC

——高頻扼流圈；CC1

——隔直電容；CC2

——電源濾波電容。

在信號頻率上，LC

感抗很大，接近開路，CC1、CC2的容抗很小，接近短路。

雖然電源與濾波匹配網(wǎng)絡(luò)在形式上是并聯(lián)的，但濾波匹配網(wǎng)絡(luò)兩端電壓vc(t)直接反映在LC

上，因而vCE=VCC+vc。與串饋電路相同。(3)串饋與并饋的比較相同點：兩種饋電方式，VCC都能全部加到集電極上。不同點：濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的接入方式。(a)(b)圖2–3–1集電極直流饋電電路

①串饋：濾波匹配網(wǎng)絡(luò)處于直流高電位上，網(wǎng)絡(luò)元件不能直接接地。

②并饋：

CC1隔直流，匹配網(wǎng)絡(luò)處于直流地電位上，網(wǎng)絡(luò)元件可直接接地，安裝比串饋方便。但LC

和CC1與匹配網(wǎng)絡(luò)相并聯(lián)，它們的分布參數(shù)影響網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧。2．基極偏置電路

(1)作用

為放大電路提供合適的偏置電壓，使功率管工作在丙類。(2)常用類型三種。圖2–3–2基極偏置電路

①圖2–3–2(a)，基極偏置電壓由

VCC通過RB1和

RB2

分壓提供，為保證丙類工作，其值應小于功率管的導通電壓。②

圖2–3–2

(b)、(c)，自給偏置電路。

圖2–3–2

(b)偏置電路：LB、RB、CB1。

RB

：產(chǎn)生壓降，提供自偏電壓；LB：避免RB、CB1

對輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的旁路影響。3．自給偏置電路ibi2i1(1)自給偏壓IB0

的產(chǎn)生

圖2–3–2

(b)，vb0

ib

0，為脈沖電流，可分解為IB0、Ib1m、Ib2m、···由基爾霍夫定律

ib=i1+i2

i2

通路有高扼圈

LB，僅直流電流可以通過，ib中的直流分量為IB0，故i2為IB0。

(2)自給偏置

Vb(t)=0，VBE=0；Vb(t)由小至大

IB0

隨之增大

VBE=IB0RB負向增大。自給偏置效應：這種偏置電壓隨輸入信號電壓振幅而變化的效應。(3)

自給偏置電路的作用

①

用于載波功放，可以在輸入信號振幅變化時起到自動穩(wěn)定輸出電壓振幅的作用。②

用于正弦波振蕩器，可以穩(wěn)定振蕩幅度。

③

若用于線性功率放大器，會使放大器偏離乙類工作，造成輸出信號失真，應當避免。2.3.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

1．位置

對交流通路而言，濾波匹配網(wǎng)絡(luò)(Filter-MatchedNetwork)介于功率管T和外接負載RL之間。2．對濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的要求(2+1條)

(1)變換

將外接負載RL

變換為放大管所要求的負載Re，以保證放大器高效率地輸出所需功率。圖2–3–3基極偏置電路

(2)濾波

充分濾除不需要的高次諧波分量，以保證在外接負載上輸出所需基波功率(在倍頻器中為所需的倍頻功率)。諧波抑制度Hn：工程上表示濾波性能好壞的參數(shù)。設(shè)

IL1m

和ILnm分別為通過外接負載電流中基波和n

次諧波分量的振幅，相應的基波和n

次諧波功率分別為PL和PLn，則對n

次諧波的諧波抑制度定義為

Hn

越小，網(wǎng)絡(luò)對n

次諧波的抑制能力越強。通常n

選2，即對二次諧波的抑制度。

(3)高效

將功率管給出的信號功率Po高效地傳送到外接負載上，即要求網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率K=PL/Po

接近1。

3．討論

(1)諧波抑制度Hn和K間的矛盾

在實際濾波匹配網(wǎng)絡(luò)中，提高Hn，就會犧牲傳輸效率K，反之亦然。(2)說明圖2–3–4LC諧振回路如圖2–3–4

所示，L和C

為濾波網(wǎng)絡(luò)(簡稱L型網(wǎng)絡(luò))，rL

為L

中的固有損耗電阻，RL

為外接負載電阻。令為回路固有品質(zhì)因數(shù)，在高Q

條件下，它的有載品質(zhì)因數(shù)

顯然，當Q0一定時，RL越大于rL，相應的K

就越大。但RL越大，Qe越小，回路諧振曲線越平坦，對諧波的抑制能力就越差。(3)諧振功放匹配濾波網(wǎng)絡(luò)的基本形式

LC并聯(lián)諧振回路LC串聯(lián)諧振回路具體電路形式有多種。作用：阻抗匹配、選頻濾波。不論形式有何不同，均可由串-并聯(lián)阻抗變換公式將其等效為上述兩種基本網(wǎng)絡(luò)的組合。常用濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、組成元件的表達式參閱教材表2-3-1(p101)。4．串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式

若將一個由電抗和電阻相串接的電路與相并接的電路等效轉(zhuǎn)換，根據(jù)等效原理，令兩者的端導納相等，即

由此得(1)串轉(zhuǎn)并公式(2)并轉(zhuǎn)串公式

(3)說明

①式中，②

Xp

和Xs為實數(shù)

③電容：XＣ

電感：XL

=L

上述各式表明，Qe

取定后，Rp和

Rs，Xp和Xs

之間可以相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換前后的電抗性質(zhì)不變(

Xs

和Xp有相同的正負號)。5．濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

在諧振功率放大器中，為了提高傳輸效率，回路的有載品質(zhì)因數(shù)都較小，一般在10以下。考慮到諧波抑制度，常用的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)除了上述最簡單的L型外，更多的是由三個電抗元件組成的、T型以及由它們組成的多級混合網(wǎng)絡(luò)。下面就介紹濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換特性。

假設(shè)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的固有損耗電阻為零，即回路傳輸效率趨近于1，外接負載電阻為RL，要求與Re和C0

的串接或并接阻抗相匹配，C0

為功率管的分布電容。利用串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式，就可以導出各種濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的元件表達式。圖2–3–7基極偏置電路

例1：圖2-3-7(a)為T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，要求與Re

和

C0

串接阻抗匹配，求各元件表達式。

解：將T型網(wǎng)絡(luò)分割成兩個串接的L型網(wǎng)絡(luò)，圖中。再對這兩個L型網(wǎng)絡(luò)進行分析。在后一個L型網(wǎng)絡(luò)中，將XC2

和RL的串接阻抗轉(zhuǎn)換為Xp2

和Rp2

的并接阻抗，分別取值為(注意XC2含負號)

(b)圖2–3–7基極偏置電路

令

，回路并聯(lián)諧振，則L型網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的諧振電阻為其中，且網(wǎng)絡(luò)元件的表達式為

XC2=-

Qe2RL，再來分析前一個L型網(wǎng)絡(luò)，它的負載電阻為。將和的并接阻抗轉(zhuǎn)換為Xs1和Rs1的串接阻抗，分別為

其中。令，回路串聯(lián)諧振，則L型網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的諧振電阻

或

，由于

Qe2為正實數(shù)，因而根號內(nèi)的值應大于零，故有相應網(wǎng)絡(luò)元件的表達式為所以，若已知Re、C0

與RL，并選定Qe1，則

T

型網(wǎng)絡(luò)的各元件值由下列各式確定式中，討論：該網(wǎng)絡(luò)僅適用于的匹配要求。但由于Re

越接近RL，A

越趨近Qe1，XC1

就越大，相應

C1

就越小，而過小的C1，在實踐上是難以實現(xiàn)的，故此處，Re不易接近RL。

例2：圖2-3-8示

型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，要求與Re、C0

的并接阻抗匹配，求各元件表達式。圖2–3–8形濾波匹配電路

解：首先取XL1+XC0=0，L1和C0

并聯(lián)諧振，網(wǎng)絡(luò)得到簡化，然后將XL2

用虛線分成兩個串聯(lián)電感，即

在由

與XC2

組成的L型網(wǎng)絡(luò)中，它的負載為RL，現(xiàn)將XC2

與RL

并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)阻抗Xs2

和Rs2。并令，網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)諧振。結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的諧振電阻為且

在由XC1

和

組成的網(wǎng)絡(luò)中，它的負載為

，現(xiàn)令，回路串聯(lián)諧振，因而

或

由于Qe2恒為正實數(shù)，故有RL>Re設(shè)，則，，若已知Re、C0

和RL，并選定Qe1，則網(wǎng)絡(luò)元件值由下列各式確定該網(wǎng)絡(luò)適用于

RL>Re的匹配要求。2.3.3諧振功率放大器電路

1．電路(p102~103)2．分析

①直流饋電(集電極、基極)電路，元件作用

②濾波、匹配網(wǎng)絡(luò)(輸入、輸出)第2章諧振功率放大器2.4高頻功率放大器2.4.1高頻功率管及大信號輸入和輸出阻抗2.4.2高頻功率放大器設(shè)計舉例工作頻率在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲范圍的諧振功率放大器統(tǒng)稱為高頻功率放大器。功率管的特性已不能僅用靜態(tài)特性曲線表示。還需要考慮非線性電容，引線電感等分布參數(shù)和大注入效應等。工程上廣泛采用借助功率管的大信號輸入和輸出阻抗的設(shè)計方法。

2.4.1高頻功率管及大信號輸入和輸出阻抗

一、高頻功率管結(jié)構(gòu)高頻功率管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4-1所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)外部結(jié)構(gòu)

(a)和(b)為四引線結(jié)構(gòu)，其中兩