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1、第 3 章 高频功率放大器,3.1 谐振功率放大器的工作原理 3.2 谐振功率放大器的特性分析 3.3 谐振功率放大器电路 3.4 丁类谐振功率放大器与丙类倍频器 3.5 宽带高频功率放大器 本章小结,3.1 谐振功率放大器的工作原理,掌握谐振功率放大器的电路组成、工作原理和 工作特点。,掌握谐振功率放大器输出功率和效率的估算。,主要要求：,3.1.1 基本工作原理,一、 电路组成,VBB 使放大器工作于丙类。 LC 回路调谐于输入信号的中心频率，构成滤波匹配网络。,RL为功放外接等效负载电阻,二、 电压、电流波形,可见：,设置VBB UBE(on) ，使晶体管工作于丙类。当输入信号较大时，可
2、得集电极余弦电流脉冲。将LC 回路调谐在信号频率上，就可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。,在一个信号周期内，只有小于半个信号周期的时间内有集电极电流流通（丙类放大），形成余弦脉冲电流。iCmax是余弦脉冲电流的最大值，是导通角（90o ）。,LC谐振回路的作用：（1）选频。滤除余弦脉冲电流中的直流和各次谐波，输出不失真的余弦波电压；（2）阻抗匹配。通过调节L、C 可将 RL 转换成功放管所需的负载值Re。,uc与 ui 反相 。当uBE为uBEmax时，iC 为iCmax ，而uCE为uCEmin。 ic不仅出现时间短，而且只在uCE很小的时段内出现，因此集电极损耗很小，功放效率较高
3、。,谐振功率放大电路与小信号谐振放大电路有何区别？,（1）作用与要求不同。小信号谐振放大器主要用于高频小信号的选频放大，要求有较高的选择性和谐振增益；谐振功放主要用于高频信号的功率放大，要求效率高，输出功率大。,（2）工作状态不同。小信号谐振放大器输入信号很小，要求失真小，故工作在甲类状态；谐振功放为大信号放大器，为了提高效率，工作在丙类状态。,（3）对谐振回路要求不同。小信号谐振放大器主要用来选择有用信号抑制干扰信号，要求它有较高的选择，故回路的Q值较高；而谐振功放谐振回路主要用于抑制谐波，实现阻抗匹配，输出大功率，所以回路的Q值低。,3.1.2 余弦电流脉冲的分解,可证明,可将iC的脉冲序
4、列展开为,查看证明过程,3.1.3 输出功率与效率,集电极电压利用系数，在尽限使用时，,甲类工作状态：,乙类工作状态：,丙类工作状态：,设,例 下图所示电路中，VCC = 24 V，Po = 5W， = 70 ， = 0.9, 求该功放的 C、 PD、PC、iCmax 和回路谐振阻抗Re,解：,解：,作业：,说明：谐振回路谐振电阻Re比较小，是因为功放需要输出较大功率。 Re小会使回路等效Qe值下降。,例 下图所示电路中，VCC = 24 V，Po = 5W， = 70 ， = 0.9, 求该功放的 C、 PD、PC、iCmax 和回路谐振阻抗Re,3.2 谐振功率放大器的特性分析,理解谐振功
5、放过压、欠压、临界工作状态的概念与特点。,掌握丙类谐振功放的负载特性。,了解VCC、VBB 、Uim对谐振功放工作状态及性能的影响。,了解谐振功放的应用及调试方法。,主要要求：,3.2.1 谐振功率放大器工作状态与负载特性,一、 欠压、临界和过压工作状态,欠压,临界,过压,欠压：输出电压幅值Ucm 较小，uCEmin 较大，晶体管不会工作到饱和区。 iC 为尖顶余弦脉冲。,临界：增大Ucm，uCEmin 就减小，放大器在uCE=uCEmin 时工作于放大和饱和的临界点上。 iC 为顶端变化平缓的余弦脉冲。,过压： Ucm 过大，使uCEmin UCE(sat),在t=0附近，晶体管工作在饱和区
6、， iC 为凹陷余弦脉冲。 iC 凹陷的原因是谐振回路作负载。饱和时， uBE 对iC 的影响很小，但回路选出的uc 值继续增大，使uCE 继续减小，使iC 迅速减小，从而出现凹陷。Ucm 越大， uCEmin 越小，凹陷越深，脉冲高度越小。,二、 负载特性,VCC 、VBB 、Uim 不变时，放大器的电流、电压、功率和效率等随谐振回路的谐振电阻 Re 变化的特性称为放大器的负载特性。,Re，使Ucm ， uCEmin ，放大器从欠压区经临界状态过渡到过压区。,电流、电压变化曲线,功率、效率变化曲线,PD 与c0 变化规律相同。,PO 在临界时最大。,PC 在回路阻抗很小时很大！因此，回路失谐
7、大时易损坏功率管，须加以注意。,临界状态时PO最大、PC较小、效率较高，谐振功放接近最佳性能相应的Re值称为谐振功放的匹配负载，由下式确定：,Ucm=Ic1mRe,3.2.2 VCC对放大器工作状态的影响,Re、VBB 、Uim 不变， VCC 时，使uCEmin ，使放大器从过压区经临界状态过渡到欠压区。,过压,欠压,把Re 、VBB 、Uim 不变时， Ucm 随VCC 变化的特性称为集电极调制特性。,谐振功放用作集电极调制电路时，必须工作于过压区。,过压区 变化明显,3.2.3 Uim和VBB对放大器工作状态的影响,一、 Uim对放大器工作状态的影响 把Re 、VBB 、VCC 不变时，
8、 Ucm 随Uim 变化的特性称为放大特性或振幅特性。,过压,欠压,欠压区 变化明显,谐振功放用作线性放大器时应工作于欠压区，若工作于过压区，则成为限幅器。,二、 VBB对放大器工作状态的影响 把Re 、Uim 、VCC 不变时， Ucm随VBB变化的特性称为基极调制特性。,过压,欠压,欠压区 变化明显,谐振功放用作基极调制电路时，必须工作于欠压区。,思考讨论题,1. 谐振功放原工作于临界状态，若集电极回路稍有失谐， 放大器的IC0、 IC1m、 PC 将如何变化？有何危险？,答案：回路阻抗减小，使放大器工作于欠压区，IC0 和IC1m 略增大； PC增大；失谐大时可能烧坏晶体管。,2 某谐振
9、功放，当增大VCC时，发现输出功率增大，则 为什么？若发现输出功率增大不明显，则又为什么？,答案：Po增大明显，则表明谐振功放原来工作于过压区；否则 表明谐振功放原来工作于欠压区（或临界状态）。,3.3 谐振功率放大器电路,主要要求：,了解谐振功放的常用直流馈电电路及其特点。,了解谐振功放滤波匹配网络的作用，了解常用滤波匹配网络的组成、分析与设计方法。,3.3.1 直流馈电电路,一、 集电极直流馈电电路,串馈电路,并馈电路,虽然电路结构形式不同，但都实现了：,串馈电路特点： LC 回路处于直流高电位， 回路元件不能直接接地,并馈电路特点： LC 回路处于直流低电位，回路元件能直接接 地，易安装
10、。但LC 、CC1 并联于回路，其分 布参数直接影响谐振回路的调谐。,LC 、CC1构成电源滤波器，避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈。,二、 基极偏置电路,要使晶体管工作于丙类，基极应加反向偏压或小于UBE(on)的正向偏压。,自给偏置电路,利用IB0 在RB产生的直流电压获得偏压电压：VBB= IB0 RB 调节RB ，可调节反偏电压大小。,利用IB0在LB的固有直流电阻上产生的直流电压获得偏置电压。,自给偏置电路中，未加输入信号时，iB=0，因此偏置电压也为零。当输入信号幅度由小加大时，iB增大，其直流分量 IB0 也增大，反向偏压随之增大。这种偏置电压随输入信号幅度而变化的现象称为
11、自给偏置效应。,二、 基极偏置电路,要使晶体管工作于丙类，基极应加反向偏压或小于UBE(on)的正向偏压。,分压式基极偏置电路,两个电阻分压，取RB2上的压降作为功率管基极正向偏置电压，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。,由于自给偏压效应，该图中基极偏置电压动态值要比静态值小。,思考讨论题,放大电路中自给偏置电路有何特点?说明产生自偏压的条件。,解：在三极管谐振功率放大器中，利用基极或发射极脉冲电流的直流成分产生基极偏压的电路称自偏压电路，其主要特点是三极管电路工作在非线性状态，只能提供反向偏压，而且自偏压的大小与输入电压的幅度有关。 自偏压形成的条件是电路中存在非线性导通现象。,3
12、.3.2 滤波匹配网络,一、滤波匹配网络的作用和要求,滤波和匹配,注意： 在丙类谐振功放中，把RL变换为Reopt ，以获得最大输出功率的作用，称为阻抗匹配。 而线性电路中的阻抗匹配，指负载阻抗与信号源的输出阻抗相等时，负载可从信号源取得最大功率。,二、LC网络的阻抗变换作用,1. 串、并联网络的阻抗转换,串并联网络变换后，电抗性质不变。,解：,= 102.5 nH,解：,= 55 pF,2. L 形滤波匹配网络的阻抗变换,当工作频率为并联谐振频率时，,应用中，根据阻抗匹配要求确定Qe，即,低阻变高阻型,例3.3.3,已知某谐振功放的f = 50 MHz，RL= 10 ，所需的 匹配负载为Re
13、 = 200 ，试确定L型滤波匹配网络 的参数。,=139 nH,=146 nH,应采用低阻变高阻型L型滤波匹配网络，其参数设计如下,解：,高阻变低阻型,当工作频率为串联谐振频率时，,Qe根据阻抗匹配要求确定，即,3. 形和T形滤波匹配网络,恰当选择两个L 型网络的Q 值，就可兼顾滤波和阻抗匹配的要求。,低阻变高阻,高阻变低阻,形,T形,作业：,3.3.3 谐振功率放大器应用电路,T形和L形输入滤波匹配网络,输出滤波匹配网络网络：L形和T形网络,使功率管的输入阻抗在工作频率上变换为前级要求的50匹配电阻。,使外接负载阻抗在工作频率上变换为功率管所要求的最佳负载阻抗。,自给偏压,并馈,输出滤波匹
14、配网络等效电路,就可使RL变换成放大器所要求的最佳负载阻抗Reopt。,经过三个L形网络并恰当选择Qe值，使：,3.4 丁类谐振功率放大器与丙类倍频器,主要要求：,了解提高放大器效率的方法。,了解丁类谐振功放的工作原理。,了解丙类倍频器的工作原理。,3.4.1 丁类谐振功率放大器,如何提高功放效率？,提高功放效率的方法：,1.减小,2.减小 iC uCE,丙类； 有限制,各种高效率谐振功放的设计基础 例如丁类,要减小PC,如何提高功放效率呢？,提高功放效率的方法：,1.减小,2.减小 iC uCE,要减小PC,思路,丁类谐振功率放大器,（有电压开关型和电流开关型两类）,丁类放大器原理图,工作原
15、理：,设ui 为足够大的正弦波，则两管轮流饱和导通。,当V1管饱和导通时，uA = VCC UCE(Sat),当V2管饱和导通时，uA = UCE(Sat),因此uA为方波电压，其幅值为 VCC 2UCE(Sat) ,VCC,丁类谐振功率放大器,UCE(sat),工作原理：,当回路调谐于输入信号频率，且Q 值足够高时， 只有uA中的基波分量能在回路中产生电流io，因此负载RL上得到不失真的输出电压 uo 。,VCC,UCE(sat),丁类谐振功率放大器,工作原理：,io只能由V1和V2管分别导通时的iC1 、iC2 合成。 iC1 、iC2 为半波电流,VCC,UCE(sat),丁类谐振功率放
16、大器,工作原理：,可见：丁类谐振功放中的两管均工作于开关状态，它们均为半周导通、半周截止。导通时，电流为半个正弦波，但管压降约为零；截止时，管压降很大，当电流为零，因此管耗很小，功放效率很高。,VCC,UCE(sat),丁类谐振功率放大器,将丙类谐振功放集电极谐振回路调谐在二次或三次谐波频率上，就可以构成二倍或三倍频器。通常丙类倍频器工作在欠压或临界状态，其输出功率和效率均低于基波放大器。,3.4.2 丙类倍频器,输出信号的频率比输入信号频率高整数倍的电子电路，称为倍频器。,串联谐振回路L1、C1调谐在基波，抑制基波输出。,串联谐振回路L2、C2调谐在二次谐波，抑制二次谐波输出。,并联谐振回路L3、C3调谐在三次谐波频率上,三倍频输出,带有陷波电路的三倍频器,3.5 宽带高频功率放大器,主要要求：,了解传输线变压器的工作原
