第 2 章 谐振功率放大器2.1 谐振功率放大器的工作原理2.2 谐振功率放大器的性能特点2.3 谐振功率放大器电路第 2 章 谐振功率放大器谐振功放是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般工作在丙类（或丁类），主要用在无线电发射机中，用来对载波或已调波进行功率放大 用途：对载波或已调波进行功率放大 构成：匹配网络为谐振系统应用状态：丙类（或丁类）2.1 谐振功率放大器的工作原理在谐振功率放大器中，它的管外电路由直流馈电电 路和滤波匹配网络两部分组成 2.1.1 丙类谐振功率放大器 1. 电路组成 ZL —— 外接负载，呈阻抗性，用 CL 与 RL 串联等 效电路表示 Lr 和 Cr ——匹配网络，与 ZL 组成并联谐振回路 调节 Cr 使回路谐振在输入信号频率 VBB——基极偏置电压，设置在功率管的截止区， 以实现丙类工作2. 集电极电流 ic 若忽略基区宽度调制效应及管子结电 容的影响，则在静态转移特性曲线 (ic～vBE)上画出的 集电极电流波形是一串周期重复的脉冲 序列，脉冲宽度小于半个周期用付里叶级数可将电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和各次谐波分量之和，即 3. 输出电压 vc (1) 对基波分量 由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而 它对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻,基波电流分量产生的相应基波电压的幅度将很大(2) 对非基波分量 谐振回路对 iC 中的其它分量呈现的阻抗均很小，平 均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。
结论：回路上仅有由基波分量产生的电压vc，因而 在负载上可得到所需的基本不失真的信号功率 式中， —— 回路总电总电 容 —— 回路谐谐振角频频率 —— 回路有载载品质质因数 小结：丙类谐振功率放大器的功能 (1) 选频：利用谐振回路的选频作用，可将失真的 集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压 (2) 阻抗匹配：谐振回路将含有电抗分量的外接负 载变换为谐振电阻 Re，而且调节 Lr 和 Cr 还能保持回 路谐振时使 Re 等于放大管所需的集电极负载值，实现 阻抗匹配 所以，谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹 配负载的双重作用 4. 丙类功放的功率特性分析 (1) 丙类功放效率提升问题 若提高集电极效率，可使 管子导通时间减小；但引起 iC 中基波分量幅度 Icm 减小，从而导致输出功率减小 (2) 解决方法 ① 将基极偏置电压 VBB 向负值方向增大，减少管子导通时间② 增大集电极脉冲高度，即提高输入激励电压幅 度 Vbm，使减小导通时间的同时维持输出功率不变③ 后果：加到基极 上的最大反向电压(VBB －Vbm)可能使功率管发射结反向击穿 在维持输出功率的条件下，一味地减 管子导通时间来提高集电极效率的做法往往是不现实的。
为进一步提高效率，可采用开关工作的谐振功率放大器——丁类 2.1.2 丁类和戊类谐振功率放大器 1. 丁类简介 (1) 电路 Tr 次级两绕组相同，极性相反T1 和 T2 特性配对，为同型管2) 原理 若 vi 足够大，则vi ＞ 0时，T1 饱饱和导导通，T2 截止，vi ＜ 0，T2 饱饱和导导通，T1 截止，A 点幅值： vA = vA1 vA2 =该电压加到 L、C、R 串联谐振回路上，若谐振回路工作在输入信号角频率上， 且其 Q 值足够高，则可近似认为通过回路的电流 iL 是角频率为 的余弦波，RL 上获得基本不失真输出功率 (3) 性能特点 ① T1、T2 尽管导导通电电流很大，但相应应的管压压降很 小( ) ，管耗小，放大器的效率高 ② 考虑结电容、分布电容等影响，实际波形如 vA 虚线所示，管子动态管耗增大，丁类功放效率受限 2. 戊类放大器 为了克服这个缺点，在开关工作的基础上采用一个特殊设计 的集电极，保证 vCE 为最小值的一段期间内，才有集电极电流流 通。
2. 实现原理 在丙类谐振放大器中，将输出谐振回路调谐在输入 信号频率的 n 次谐波上，则输出谐振回路上仅有 iC 中 的 n次谐波分量产生的高频电压，而其它分量产生的 电压均可忽略，因而 RL 上得到了频率为输入信号频率 n 倍的输出信号功率 2.1.3 倍频器 1. 概念倍频器 (Frequency Multiplier)：将输入信号的频 率倍增 n 倍的电路3. 倍频电路 ② 滤波谐振回路需滤除高于 n 和低于n 的各次分 量低于 n 的分量幅度较大，滤除较难倍频次数越高，对谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现 (2) 变容二极管等构成参量倍频器，适用于倍频次数较高时 (1) 三极管倍频器 倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频原因 ： ① 效率集电极电流脉冲中包含的谐波分量的幅度 随着 n 的增加而迅速减小倍频次数过高，倍频器的输出功率和效率就会过低 2.2 谐振功率放大器的性能特点2.2.1 近似分析方法 1. 概述 非谐谐振功率放大器：集电电极负载负载 为纯电纯电 阻，在特 性曲线线上作负载线负载线 ，画出激励信号下的集电电极电电流和 电压电压求出功率性能丙类谐振功率放大器：集电极负载为包含电抗元件的谐振回路，使得集电极电压，电流波形不同。
但二者 又互为确定要精确分析谐振功放，要解非线性方程，繁琐 2. 谐振功放的近似分析方法——准静态分析法 (1) 方法基于下面的两个假设假设一：谐振回路具有理想的滤波特性，只能产生基波电压（在倍频器中，只能产生特定次数的谐波 电压），其它分量的电压均可忽略 所以，尽管集电极电流为脉冲波，但集电极电压却是余弦的同理， 放大器输入端也有谐振回路，尽管基极电流为脉冲波 ，但基极电压是余弦的，可表示为：(2-2-1)假设二：功率管的特性用输入和输出静态特性曲 线表示，其高频效应可忽略分析时的输出特性曲线 ，其参变量采用 vBE，而不是通常的 iB (2) 分析步骤 ① 由式 2-2-1 确定 vBE 和 vCE：先设定VBB、Vbm、VCC、Vcm 四个电量数值，并将ωt 按等间隔 (ωt = 0º，±15º，±30 º，……) 给定不同的数值 ，则 vBE 和 vCE 便确定(图 a) (2-2-1)②由输出特性画 iC：根据不同间隔上的 vBE 和vCE 值 ，在输出特性曲线上（以 vBE 为参变量）找到对应的动 态点，由此可以确定 iC 值的波形，其中动态点的连线称 为谐振功率放大器的动态线。
(a) (b)不到VCC，因为 导通角小于 .(3) 功率性能分析 ① 谐振电阻 用付里叶变换对 iC 脉冲波进行分解，求出其中的 平均分量 IC0 和基波分量 Ic1m由此可以确定所需的集 电极谐振回路谐振电阻 Re ② 功率性能 2.2.2 欠压、临界和过压状态 1. VBB、Vbm、VCC 不变，iC 随 Vcm 的变化规律 (1) iC 的宽度：由图所示，主要取决于 VBB、Vbm， VBB、Vbm 一定，iC 脉宽近似确定，与 Vcm 关系不大 (2) iC 的值： 由 当 t = 0 时， 当 VBB、Vbm 即 vBEmax 为定值时，Vcm↑→vCEmin↓ 动态点A左移情况 ① ——A：Vcm 的取值，使所对应的动态点处在放大区 情况 ② ——A：Vcm 增大，使 t = 0 所对应的动 态点处在临界点，iCmax 略微减小 情况 ③——A：Vcm 继 续增大，使 t = 0 所对应的 动态点处在饱和区，iC 迅速减 小，电流脉冲出现凹陷，且随 Vcm 增大，凹陷加深。
2. 欠压、临界、过压欠压 (Undervoltage)：vCEmin 对应的动态点处于放 大区 临界 (Critical)：vCEmin 对应的动态点处于放大区和 饱和区之间的临界点 过压(Overvoltage)：vCEmin 对应的动态点处于饱和区 3. iC平均分量IC0 与基波分量Ic1m iC 脉冲越宽，高度越高，IC0 和 Ic1m 就越大如果出 现凹陷，则凹陷越深，IC0 和 Ic1m 就越小2.2.3 四个电量对性能影响的定性讨论 一、负载特性 1. 含义：谐振功放的负载特性是指 VBB、Vbm 和 VCC 一定，放大器性能随 Re 的变化特性 2. 特性 Re 的增加势势必将引起 Vcm 增大( )Re↑→Vcm↑→vCEmin↓→放大器欠压→过压→ iC 由接近余弦变化的电流脉冲转变为中间有凹陷的脉冲波据此可以画出 Ic0 和 Ic1m 随 Re 变化的特性 Vcm = ReIc1m Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0PC = PD－PoC = Po/ PD由 IC0 和 Ic1m 的变化就可以画出 Vcm、Po、PD、PC 、C 随 Re 变化的曲线。
3. 讨论 (1) 欠压压区：由图图(a)，Re 由小增大时时，iC 脉冲的高 度略有减小，相应应的 IC0、Ic1m 也略有减小，因而由图图 (b)，Vcm (＝ReIc1m)和 Po()近似线线性增大，而PD(= VCCIC0) 略有减小，ηC 增大，PC 减小 (2) 过压区：随 Re 增大，电流脉冲高度减小，凹陷 加深，相应的 IC0、Ic1m 减小，结果使 Vcm 略有增加，Po 、PD 减小，且Po比PD减小的慢，从而 C 略有增加，PC 略有减小 (3) 匹配负载：如果 Re 的取值使管子工作在临界 状态，则 Po 最大，且 C 较大，PC 较小，放大器性 能接近最佳性能将此时的 Re 称为谐振功放的匹配 负载，用 Reopt 表示 二、调制特性 包括集电极调制和基极调制两种特性 1. 集电极调制特性 (1) 含义：VBB、Vbm 和 Re一定，放大器性能随 VCC变化的特性2) 调制特性：VBB、 Vbm一定，则 VBEmax 和 iC脉宽一定而对应于 VCEmin 的动态点必定在 vBE = VBEmax 的那条输出特性曲线上移动① 欠压状态：随 VCC 减小，集电极电流脉冲高度略 有减小，因而 IC0 和 Ic1m 也将略有减小，Vcm( = ReIc1m)也略有减小。
② 过压状态：随 VCC减小，集电极电流脉冲的高 度降低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将迅速减小 2. 基极调制特性 (1) 含义：Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随 VBB 变化的特性 (2) 调制特性：当 Vbm 一定，VBB 由负向正增大时 ，iC不仅宽度增加，而且其 高度增加（因 VBEmax 增大 ），因而 IC0 和 Ic1m、Vcm 增大，结果使 VCEmin 减小，放大器由欠压进入过压 状态进入过压状态 后，随VBB 向正值方向增大，集电极 电流的宽度和高度 均增加，使凹陷加 深，结果使 IC0 和 Ic1m、Vcm 均将增大，但增大得十分缓 慢，可认为近似不 变 3. 调幅电路 调制特性是晶体三极管调幅电路的基本特性 (1) 集电极调幅原理电路 图中： —— 输入高频载波电压，ωc —— 载波频率—— 调制信号电压， 为调制频率 它们与谐振功放电路的不同仅是集电极回路接入了调制信号电压 为谐振回路上的输出电压 令 作为为放大器的等效集电电极电电 源电压电压 。
若要求 Vcm 按调调制信号规规律变变化，即 Vcm(t) 按 。