电子线路非线性部分(第四版)谢嘉奎第2章谐振功率放大器

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1、第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.1谐振功率放大器的工作原理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谐振功率放大器的性能特点2.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路2.4高频功率放大器高频功率放大器第第 2 章章 谐振功率放大器谐振功率放大器谐谐振振功功放放：一一种种用用谐谐振振系系统统作作为为匹匹配配网网络络的的功功率率放放大大器器。 图图 2- -2- -1( (a) )谐振功率放大器谐振功率放大器原理电路原理电路 特点特点：负载负载匹配网络为谐振系统匹配网络为谐振系统应用状态：应用状态：丙类丙类( (或丁类、乙类或丁类、乙类) )用途：用途：对载波或已调波进行

2、功率放大对载波或已调波进行功率放大 种类：种类：丙类谐振功放丙类谐振功放 丁类、戊类谐振功放丁类、戊类谐振功放 倍频器倍频器 本本章章内内容容：工工作作原原理理、性性能能分分析析、电路。电路。 第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.1谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理2.1.1丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器2.1.3倍频器倍频器2.1.1丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器1电路组成电路组成 图图 211谐振功率放大器原理电路谐振功率放大器原理电路ZL 外外接接负负载载，呈呈阻阻抗抗性性，用用 CL 与与 R

3、L 串串联联等等效效电路表示。电路表示。Lr 和和 Cr 匹匹配配网网络络，与与 ZL 组组成成并并联联谐谐振振回回路路。调调节节 Cr 使使回回路路谐谐振在输入信号频率。振在输入信号频率。 VBB 基基极极偏偏置置电电压压，使使功功率率管管 Q 点点设设在在截截止止区区，以实现丙类工作。以实现丙类工作。2集电极电流集电极电流 iC 图图 212输入输入vb(t) = Vbmcos st 据据vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st由由静静态态转转移移特特性性( (iC-vBE) )，得得集集电电极极电电流流 iC 波波形形：脉脉宽宽小小于于半半个个周周期期的的脉

4、脉冲序列冲序列。傅里叶级数展开。傅里叶级数展开为为平均分量、基波分量平均分量、基波分量和和各次谐波分量各次谐波分量之和之和。3输出电压输出电压 vo ( (1) )对基波分量对基波分量阻阻抗抗最最大大，为为谐谐振振电电阻阻 Re( (谐谐振振回回路路调调谐谐在在输输入入信信号号频频率率上上，因因而而对对 iC 中中的的基基波波分分量量呈呈现现的的阻阻抗抗最最大大，且且为为纯纯电电阻阻) )。在高在高 Q 回路中，其回路中，其 Re 近似为近似为式中，式中， 回路回路总电容容 回路回路谐振角振角频率率 回路有回路有载品品质因数因数( (2) )对非基波分量对非基波分量阻阻抗抗很很小小( (谐谐振

5、振回回路路对对 iC 中中的的其其他他分分量量呈呈现现的的) )，产产生生的电压均可忽略。的电压均可忽略。既既然然仅仅有有由由基基波波分分量量产产生生的的电电压压 vc 输输出出，负负载载获获得得的的信号功率信号功率不失真不失真。 因此，因此，丙类谐振功率放大器丙类谐振功率放大器谐振回路谐振回路的功能：的功能： 选选频频：利利用用谐谐振振回回路路的的选选频频作作用用，可可将将失失真真的的集集电电极电流脉冲变换为不失真的输出电压。极电流脉冲变换为不失真的输出电压。 阻阻抗抗匹匹配配：调调节节 Lr 和和 Cr ，谐谐振振回回路路将将含含有有电电抗抗分分量的外接负载变换为谐振电阻量的外接负载变换为

6、谐振电阻 Re，并阻抗匹配。并阻抗匹配。 所所以以，谐谐振振功功率率放放大大器器中中，谐谐振振回回路路起起到到选选频频和和匹匹配配负负载载的双重作用。的双重作用。 4功率特性分析功率特性分析 ( (1) )丙类功放的问题丙类功放的问题 图图 213脉冲宽度变化的示意图脉冲宽度变化的示意图若若提提高高 C，管管子子导导通通角角 c 应应继继续续减减小小；但但引引起起 iC 中中基基波波分分量量 Icm1 减小，导致输出功率减小。减小，导致输出功率减小。 ( (2) )解决方法解决方法 VBB 负负向向增增大大( ( c 减减小小) )同同时时，提提高高输输入入激激励励电电压压 Vbm，以以维维持

7、持输输出出功功率率不不变变。但但需需警警惕惕管管发发射射结结反向击穿。反向击穿。为为进进一一步步提提高高效效率率，可可采采用用开开关关工工作作的的丁丁类类、戊戊类类谐谐振功率放大器。振功率放大器。2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器丁类和戊类谐振功率放大器1丁类谐振功率放大器丁类谐振功率放大器 ( (1) )电路电路 Tr 二次侧两绕组相同，极性相反。二次侧两绕组相同，极性相反。T1 和和 T2 特性配对，为特性配对，为同型管同型管。( (2) )原理原理 若若 vi 足够大，则足够大，则vi 0 时时，T2 饱和和导通，通，T1 截止，截止，vA2 = VCE(sat)A 点最大振幅值：点最大

8、振幅值： vA = vA1 vA2 = VCC 2VCE(sat)加加到到串串联联谐谐振振回回路路，若若谐谐振振回回路路工工作作在在输输入入信信号号角角频频率率上上，可可近近似似认认为为输输出出电电流流 iL 是是角角频频率率为为 的的余余弦弦波波，RL 上获得不失真输出功率。上获得不失真输出功率。 ( (3) ) 讨论讨论 VCE(sat)小，小，管耗小，放大器的效率高管耗小，放大器的效率高 ( (90% 以上以上) ) ； 因因结结电电容容、分分布布电电容容等等影影响响，实实际际波波形形不不理理想想，使使管耗增大，丁类功放效率受限。管耗增大，丁类功放效率受限。 2戊类放大器戊类放大器 为为

9、了了克克服服这这个个缺缺点点，在在开开关关工工作作的的基基础础上上采采用用一一个个特特殊殊设设计计的的集集电电极极回回路路，保保证证 vCE 为为最最小小值值的的一一段段期期间间内内，才才有有集集电电极极电电流流通流流通戊类放大器戊类放大器。 3实现办法实现办法 ( (1) )晶体管倍频器晶体管倍频器 倍频次数不能太高，一般为倍频次数不能太高，一般为二倍或三倍频二倍或三倍频。原因：原因： 效效率率。集集电电极极电电流流脉脉冲冲中中包包含含的的谐谐波波分分量量的的幅幅度度随随着着 n 的的增增加加而而迅迅速速减减小小。倍倍频频次次数数过过高高，倍倍频频器器的的输输出出功功率和效率就会过低。率和效

10、率就会过低。 滤滤波波。谐谐振振回回路路需需滤滤除除高高于于 n 和和低低于于n 的的各各次次分分量量。低低于于 n 的的分分量量幅幅度度较较大大，滤滤除除较较难难。倍倍频频次次数数越越高高，对对谐谐振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。振回路提出的滤波要求越苛刻，不易实现。 ( (2) )变变容容二二极极管管、阶阶跃跃二二极极管管构构成成参参量量倍倍频频器器，适适用用于于倍频次数较高时。倍频次数较高时。 2.1.3倍频器倍频器1概念概念倍倍频频器器( (Frequency Multiplier) )：将将输输入入信信号号的的频频率率倍倍增增 n 倍的电路。倍的电路。2原理原理 在在丙丙类类谐

11、谐振振放放大大器器中中，将将输输出出谐谐振振回回路路调调谐谐在在输输入入信信号号频频率率的的 n 次次谐谐波波上上，则则输输出出谐谐振振回回路路上上仅仅有有 iC 中中的的 n 次次谐谐波波分分量量产产生生的的高高频频电电压压，而而其其他他分分量量产产生生的的电电压压均均可可忽忽略略，因因而而 RL 上上得得到到了了频频率率为为输输入入信信号号频频率率 n 倍倍的的输输出出信信号功率。号功率。 第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.2谐振功率放大器的性能特点谐振功率放大器的性能特点2.2.1近似分析方法近似分析方法2.2.2欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态2.2.3四个电四个电

12、压压量对性能影响的定性讨论量对性能影响的定性讨论2.2.1近似分析方法近似分析方法非非谐振功放振功放丙类丙类谐振功放振功放集集电极极负载纯电阻阻谐振回路，含电抗元件谐振回路，含电抗元件求求功率性能功率性能图解法图解法准静态分析法准静态分析法要要 点点求求负载线负载线求求动态线动态线 1使用条件使用条件两假设两假设 谐谐振振回回路路滤滤波波特特性性理理想想，即即尽尽管管集集电电极极、基基极极电电流流为为脉脉冲冲波波，但但两两回回路路只只产产生生基基波波( (余余弦弦) )电电压压，其其他他分分量量的的电压均可忽略。电压均可忽略。有有 功功率率管管特特性性用用输输入入和和输输出出静静态态特特性性曲

13、曲线线表表示示，其其参参变量采用变量采用 vBE( (而而不是通常的不是通常的 iB) ) 。 2分析步骤分析步骤 图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法( (b) ) 求动态点，画波形；求动态点，画波形； 连动态线，画连动态线，画 iC 波形；波形； 图解积分求分量；图解积分求分量； 计算功率性能。计算功率性能。谐振功率放大器的分析谐振功率放大器的分析 ( (1) )求动态点，画波形求动态点，画波形图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法( (a) )设设定定 VBB、Vbm、VCC、Vcm ，将将 t 按按等等间间隔隔( ( t =

14、 0， 15， 30， ) ) 给定数值，给定数值，由由便可确定便可确定 vBE 和和 vCE ( (图图 a) )。( (2) )连动态线，连动态线，画画 iC 波形波形：图图 221谐振功率放大器的近似分析方法谐振功率放大器的近似分析方法( (b) )根根据据 vBE 和和vCE 值值，在在输输出出特特性性曲曲线线上上( (以以 vBE 为为参参变变量量) )找找对对应应的的动动态态点点，画画动动态态线线( (动动态态点点的的连连线线) )，由由此此可可确确定定 iC 的波形。的波形。 不不到到 VCC，因因为为导通角小于导通角小于 ( (3) ) 图解积分求得分量图解积分求得分量 IC0

15、 和和 Ic1m谐振电阻谐振电阻( (4) ) 计算功率性能计算功率性能四四变变量量 VBB、Vbm、VCC、Vcm 不不同同，iC 的的波波形形和和数数值值就就不不同同，由由此此求求得得的的 Re 及及相相应应的的功功率率性性能能就就不不同同。应应了了解解四四变量的影响。变量的影响。2.2.2欠压、临界和过压状态欠压、临界和过压状态1当当 VBB、Vbm、VCC 不变，不变， Vcm 由由小小变大，大，动态点点左移左移 欠压欠压状态状态Vcm 的取值，使所对应的动态点均处在放大区。的取值，使所对应的动态点均处在放大区。 临界临界状态状态Vcm 增增大大，使使 t = 0 所所对对应应的的动动

16、态态点点 A 处处在在临临界界点点，iCmax 略微减小。略微减小。 过压过压状态状态Vcm 继继续续增增大大，使使 A ( ( t = 0) )动动态态点点处处在在饱饱和和区区，iC 迅迅速速减减小小，电电流流脉脉冲冲出出现现凹凹陷陷，Vcm 增大，凹陷加深。增大，凹陷加深。谐振功放的工作状态谐振功放的工作状态2 iC 的的平均分量平均分量 IC0 与与基波分量基波分量 Ic1m iC 脉脉冲冲越越宽宽，高高度度越越高高，IC0 和和 Ic1m 就就越越大大。如如果果出出现现凹陷，则凹陷越深，凹陷，则凹陷越深，IC0 和和 Ic1m 就越小就越小。由此可求功率性能由此可求功率性能2.2.3四

17、个电压量对性能影响的定性讨论四个电压量对性能影响的定性讨论一、负载特性一、负载特性 1定义定义指指 VBB、Vbm 和和 VCC 一一定定，放放大大器器性性能能随随 Re 的的变变化化特特性。性。 2特性特性 Re 的增加的增加势必将引起必将引起 Vcm 增大增大( (Vcm = ReIcm)Re Vcm vCEmin 功功放放欠欠压压 过过压压 iC 波波形出现形出现凹陷凹陷。据此可以画出据此可以画出 Ic0 和和 Ic1m 随随 Re 变化的特性。变化的特性。 谐振功放的负载特性谐振功放的负载特性3 Vcm、Po、PD、PC、 C 随随 Re 变化的曲线变化的曲线图图 2- -2- -4负

18、载特性负载特性 Vcm = ReIc1m ， Po = VcmIc1m/2 PD = VCCIC0 ， PC = PDPo C = Po/ PD3讨论讨论( (1) ) 欠欠压区区Re ，iC 脉脉冲冲高高度度略略有有减减小小，相相应的的 IC0、Ic1m 也也略略有有减减小小，因因而而 Vcm( (= ReIc1m) )和和 Po( ( ) )近近似似线性性增增大大，而而 PD( (= VCCIC0) )略有减小，略有减小， C 增大，增大，PC 减小。减小。( (2) )过压区过压区Re ，电电流流脉脉冲冲高高度度减减小小，凹凹陷陷加加深深，相相应应的的 IC0、Ic1m 减减小小，结结果

19、果使使 Vcm 略略有有增增加加，Po、PD 减减小小，且且 Po 比比 PD 减减小小的慢，从而的慢，从而 C 略有增加，略有增加，PC 略有减小。略有减小。( (3) )匹配负载匹配负载 ReoptRe = Reopt 时时，管管子子工工作作在在临临界界状状态态， Po 最最大大， C 较较大大，PC 较较小小，放放大大器器性性能能接接近近最最佳佳。此此时时的的 Re 称称为为谐谐振振功功放放的的匹配负载。匹配负载。 3讨论讨论( (3) )匹配负载匹配负载 ReoptRe = Reopt 时时，管管子子工工作作在在临临界界状状态态， Po 最最大大， C 较较大大，PC 较较小小，放放大

20、大器器性性能能接接近近最最佳佳。此此时时的的 Re 称称为为谐谐振振功功放放的的匹配负载。匹配负载。 二、调制特性二、调制特性 图图 225集电极调制特性集电极调制特性两种调制特性：两种调制特性：集电极调制集电极调制和和基极调制特性基极调制特性。 1集电极调制特性集电极调制特性 ( (1) )含义含义VBB、Vbm 和和 Re一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VCC 变化的特性。变化的特性。( (2) )调制特性调制特性集电极调制特性与调幅电路集电极调制特性与调幅电路 欠欠压压状状态态：随随 VCC 减减小小，集集电电极极电电流流脉脉冲冲高高度度略略有有减减小小，因因而而 IC0 和和 I

21、c1m 也也将将略略有有减减小小，Vcm( (= ReIc1m) )也也略略有有减小减小。 过过压压状状态态：随随 VCC 减减小小，集集电电极极电电流流脉脉冲冲的的高高度度降降低，凹深加深，因而低，凹深加深，因而 IC0、Ic1m、Vcm 将将迅速减小迅速减小。 ( (3) ) 集电极调幅原理电路集电极调幅原理电路 图中：图中： 载波载波 调制信号调制信号为为谐振回路上的输出电压谐振回路上的输出电压。 与谐振功放区别：与谐振功放区别：集电极回路接入调制信号电压集电极回路接入调制信号电压。图图 227集电极调幅电路集电极调幅电路令令 VCC(t) = VCC0 + v (t) 作作为放放大大器

22、器的的等等效效集集电极极电源源电压。若若要要求求 Vcm(t) 按按 VCC(t) 的的规律律变换，根根据据集集电极极调制制特特性性，放放大大器器必必须在在 VCC(t) 的的变化化范范围内内工工作作在在过压状状态。 2基极调制特性基极调制特性 图图 226基极调制特性基极调制特性( (1) )含义含义Vbm、VCC、Re 一定，放大器性能随一定，放大器性能随 VBB 变化的特性。变化的特性。 ( (2) )调制特性调制特性基极调制特性与调制电路基极调制特性与调制电路当当 Vbm 一一定定，VBB ，iC宽宽度度、高高度度 ， IC0 Ic1m 、Vcm ，VCEmin ，放放大大器器欠欠压压

23、 过过压压。过过压压后后，随随 VBB ，iC 宽宽度度、高高度度 ，凹凹陷陷加加深深，IC0 和和 Ic1m、Vcm 均均增增加加缓缓慢慢，可可认认为为近近似似不变。不变。( (3) )基极调幅原理电路基极调幅原理电路 图图 228基极调幅电路基极调幅电路 基极偏置基极偏置电压 使使 Vcm 按按 VBB(t) 的规律变化，放大器工作在的规律变化，放大器工作在欠压状态欠压状态。三、放大特性三、放大特性图图 229放大特性放大特性1含义含义当当 VBB、VCC 和和 Re 一一定定，放大器性能随放大器性能随 Vbm 变化的特性。变化的特性。2特性特性固固定定 VBB，增增大大 Vbm 与与上上

24、述述固固定定 Vbm 增增大大 VBB 的的情情况况类类似似，它它们们都都使使 iC 的的宽宽度度和和高高度度增增大大，放放大大器器由由欠欠压压进进入入过过压压，图图 229( (a) )。谐振功放的放大特性谐振功放的放大特性( (1) )谐振功放作为线性功放谐振功放作为线性功放图图 2210 ( (a) ) 线性线性功率放大器的功率放大器的作用作用为为了了使使输输出出信信号号振振幅幅 Vcm 反反映映输输入入信信号号 Vbm 的的变变化化，放放大大器器必必须须在在 Vbm 变变化化范范围围内内工工作作在在欠欠压状态压状态。( (2) ) 谐振功放作为振幅限幅器谐振功放作为振幅限幅器( (Am

25、plitude Limiter) )图图 2210 ( (b) ) 振幅限幅器的振幅限幅器的作用作用作作用用：将将 Vbm 在在较较大大范范围围内内的的变变化化转转换换为为振振幅幅恒恒定定的的输出信号输出信号。 特特点点：根根据据放放大大特特性性，放放大大器器必必须须在在 Vbm 的的变变化化范范围围内内工工作作在在过过压压状状态态，或或 Vbm 的的最最小小值值应应大大于于临临界界状状态态对对应应的的 Vbm 限幅门限电压。限幅门限电压。 第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路2.3.1直流馈电电路直流馈电电路2.3.2滤波匹配网络滤波匹配网络2

26、.3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路谐振功放管外电路：谐振功放管外电路： 直流馈电电路直流馈电电路 滤波匹配网络滤波匹配网络2.3.1直流馈电电路直流馈电电路考考虑虑因因素素：滤滤波波匹匹配配网网络络安安装装方方便便；馈馈电电电电路路( (Power Supply Circuit) )对滤波匹配网络的影响。对滤波匹配网络的影响。直流直流馈电电路分路分为串串馈并并馈1串馈与并馈串馈与并馈( (1) )串馈串馈三三者者( (直直流流电电源源 VCC、滤滤波波匹匹配配网网络络和和功功率率管管) )在在电电路路形式上为形式上为串接串接的馈电方式。的馈电方式。 ( (a) )图图 231集电极直

27、流馈电电路集电极直流馈电电路LC高高频频扼扼流流圈圈，与与 CC 构构成成电源滤波电路。电源滤波电路。在在信信号号频频率率上上 LC 的的感感抗抗很很大大，接接近近开开路路；CC 的的容容抗抗很很小小，接接近近短短路路，避避免免信信号号电电流流通通过过直直流流电电源源而而产生级间反馈，造成工作不稳定。产生级间反馈，造成工作不稳定。( (2) )并馈并馈三三者者( (直直流流电电源源 VCC、滤滤波波匹匹配配网网络络和和功功率率管管) )在在电电路路形式上为形式上为并接并接的馈电方式。的馈电方式。 ( (b) )图图 231集电极直流馈电电路集电极直流馈电电路LC 高频扼流圈；高频扼流圈；CC1

28、 隔直电容；隔直电容；CC2 电源滤波电容。电源滤波电容。在在信信号号频频率率上上，LC 感感抗抗很很大大，接接近近开开路路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。的容抗很小，接近短路。虽然电源与滤波匹配网络虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并联的，但滤波匹在形式上是并联的，但滤波匹配网络两端电压配网络两端电压 vc (t) 直接反映在直接反映在 LC 上，因而上，因而vCE = VCC + vc。与与串串馈电路路相同。相同。( (3) )串馈与并馈的比较串馈与并馈的比较相同点：相同点：两种馈电方式，两种馈电方式，VCC 都能全部加到集电极上。都能全部加到集电极上。不同点：不同点：滤波匹配网络的

29、接入方式。滤波匹配网络的接入方式。( (a) () (b) )图图 231集电极直流馈电电路集电极直流馈电电路 串串馈馈：滤滤波波匹匹配配网网络络处处于于直直流流高高电电位位上上，网网络络元元件件不能直接接地。不能直接接地。 并并馈馈： CC1 隔隔直直流流，匹匹配配网网络络处处于于直直流流地地电电位位上上，网网络络元元件件可可直直接接接接地地，安安装装比比串串馈馈方方便便。但但 LC 和和 CC1 与与匹配网络匹配网络相并联，它们的分布参数影响网络调谐。相并联，它们的分布参数影响网络调谐。2基极偏置电路基极偏置电路( (1) )作用作用为为放放大大电电路路提提供供合合适适的的偏偏置置电电压压

30、，使使功功率率管管工工作作在在丙丙类。类。( (2) )常用类型常用类型三种三种。图图 232基极偏置电路基极偏置电路 图图 232( (a) )，基基极极偏偏置置电电压压由由 VCC 通通过过 RB1 和和 RB2 分分压压提提供供，为为保保证证丙丙类类工工作作，其其值值应应小小于于功功率率管管的的导导通通电电压。压。 图图 232 ( (b) )、( (c) )，自给偏置电路。自给偏置电路。图图 232 ( (b) )偏置电路：偏置电路：LB、RB、CB1。RB ：产产生生压压降降，提提供供自自偏偏电电压压；LB ：避避免免 RB、CB1 对对输入滤波匹配网络的旁路影响。输入滤波匹配网络的

31、旁路影响。3自给偏置电路自给偏置电路ibi2i1( (1) )自给偏压自给偏压 IB0 的产生的产生图图 232 ( (b) )，vb 0 ib 0，为为脉脉冲冲电电流流，可可分分解解为为 IB0、Ib1m、Ib2m 、由基由基尔尔霍夫定律霍夫定律ib = i1 + i2i2 通通路路有有高高扼扼圈圈 LB，仅仅直直流流电电流流可可以以通通过，过， ib 中的直流分量为中的直流分量为 IB0，故故 i2 为为 IB0。( (2) )自给偏置自给偏置Vb(t) = 0， VBE = 0；Vb(t) 由由小小至至大大 IB0 随随之之增增大大 VBE = IB0RB 负向增大。负向增大。自自给给偏

32、偏置置效效应应：这这种种偏偏置置电电压压随随输输入入信信号号电电压压振振幅幅而而变化的效应。变化的效应。( (3) ) 自给偏置电路的作用自给偏置电路的作用 用用于于载载波波功功放放，可可以以在在输输入入信信号号振振幅幅变变化化时时起起到到自自动稳定输出电压振幅的作用。动稳定输出电压振幅的作用。 用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。 若若用用于于线线性性功功率率放放大大器器，会会使使放放大大器器偏偏离离乙乙类类工工作作，造成输出信号失真，应当避免。造成输出信号失真，应当避免。2.3.2滤波匹配网络滤波匹配网络1位置位置对对交交流流通通路路而而言言，滤滤波波匹

33、匹配配网网络络( (Filter-Matched Network) )介于功率管介于功率管 T 和外接负载和外接负载 RL 之间。之间。2对滤波匹配网络的要求对滤波匹配网络的要求( ( 2 + 1 条条) )( (1) )变换变换将将外外接接负负载载 RL 变变换换为为放放大大管管所所要要求求的的负负载载 Re，以以保保证放大器高效率证放大器高效率地输出所需功率。地输出所需功率。图图 233基极偏置电路基极偏置电路( (2) )滤波滤波充充分分滤滤除除不不需需要要的的高高次次谐谐波波分分量量，以以保保证证在在外外接接负负载载上上输输出出所所需需基基波波功功率率( (在在倍倍频频器器中中为为所所

34、需的倍频功率需的倍频功率) )。谐波抑制度谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。工程上表示滤波性能好坏的参数。设设 IL1m 和和 ILnm 分分别别为为通通过过外外接接负负载载电电流流中中基基波波和和 n 次次谐谐波波分分量量的的振振幅幅，相相应应的的基基波波和和 n 次次谐谐波波功功率率分分别别为为 PL 和和 PLn，则对则对 n 次谐波的次谐波的谐波抑制度谐波抑制度定义为定义为Hn 越越小小，网网络络对对 n 次次谐谐波波的的抑抑制制能能力力越越强强。通通常常n 选选 2，即，即对二次谐波的抑制度对二次谐波的抑制度。( (3) )高效高效将将功功率率管管给出出的的信信号号功功

35、率率 Po 高高效效地地传送送到到外外接接负载上上，即要求网即要求网络的的传输效率效率 K = PL/ Po 接近接近 1。 3讨论讨论 ( (1) )谐波抑制度谐波抑制度 Hn 和和 K 间的矛盾间的矛盾 在在实实际际滤滤波波匹匹配配网网络络中中，提提高高 Hn，就就会牺牲传输效率会牺牲传输效率 K，反之亦然。反之亦然。 ( (2) )说明说明 图图 234LC 谐振回路谐振回路如如图图 234 所所示示，L 和和 C 为滤波波网网络( (简称称 L 型型网网络) )，rL 为 L 中的中的固有固有损耗耗电阻阻，RL 为外接外接负载电阻阻。令。令为回路回路固有品固有品质因数因数，在高，在高

36、Q 条件下，它的条件下，它的有有载品品质因数因数 显显然然，当当 Q0 一一定定时时， RL 越越大大于于 rL，相相应应的的 K 就就越越大大。但但 RL 越越大大，Qe 越越小小，回回路路谐谐振振曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。 ( (3) )谐振功放匹配滤波网络的基本形式谐振功放匹配滤波网络的基本形式LC 并联并联谐振回路谐振回路LC 串联串联谐振回路谐振回路具体电路形式有多种。具体电路形式有多种。作用：作用：阻抗匹配阻抗匹配、选频滤波选频滤波。不不论论形形式式有有何何不不同同，均均可可由由串串- -并并联联阻阻抗抗变变换换公公式式将将其等效为上述

37、两种基本网络的组合。其等效为上述两种基本网络的组合。常常用用滤滤波波匹匹配配网网络络的的结结构构、组组成成元元件件的的表表达达式式参参阅阅教教材表材表 2- -3- -1( (p101) )。4串、并联阻抗转换公式串、并联阻抗转换公式 若若将将一一个个由由电电抗抗和和电电阻阻相相串串接接的的电电路路与与相相并并接接的的电电路路等效转换，根据等效转换，根据等效原理等效原理，令两者的，令两者的端导纳相等端导纳相等，即即 由此得由此得( (1) ) 串转并公式串转并公式( (2) )并转串公式并转串公式 ( (3) )说明说明 式中式中， Xp 和和 Xs 为实数为实数 电容：容： X 电感：感：

38、XL = L 上上述述各各式式表表明明，Qe 取取定定后后，Rp 和和 Rs，Xp 和和 Xs 之之间间可可以以相相互互转转换换。转转换换前前后后的的电电抗抗性性质质不不变变( ( Xs 和和 Xp 有有相相同同的的正负号正负号) )。 5滤波匹配网络的设计滤波匹配网络的设计 在在谐谐振振功功率率放放大大器器中中，为为了了提提高高传传输输效效率率，回回路路的的有有载载品品质质因因数数都都较较小小，一一般般在在 10 以以下下。考考虑虑到到谐谐波波抑抑制制度度，常常用用的的滤滤波波匹匹配配网网络络除除了了上上述述最最简简单单的的 L 型型外外，更更多多的的是是由由三三个个电电抗抗元元件件组组成成

39、的的 、T 型型以以及及由由它它们们组组成成的的多多级级混混合网络。下面就介绍合网络。下面就介绍滤波匹配网络的阻抗变换特性滤波匹配网络的阻抗变换特性。 假假设设滤滤波波匹匹配配网网络络的的固固有有损损耗耗电电阻阻为为零零，即即回回路路传传输输效效率率趋趋近近于于 1，外外接接负负载载电电阻阻为为 RL，要要求求与与 Re 和和 C0 的的串串接接或或并并接接阻阻抗抗相相匹匹配配，C0 为为功率管的分布电容功率管的分布电容。利利用用串串、并并联联阻阻抗抗转转换换公公式式，就就可可以以导导出出各各种种滤滤波波匹匹配网络的元件表达式。配网络的元件表达式。图图 237基极偏置电路基极偏置电路例例 1：

40、图图 2- -3- -7( (a) )为为 T 型型滤滤波波匹匹配配网网络络，要要求求与与 Re 和和 C0 串接阻抗匹配，串接阻抗匹配，求各元件表达式求各元件表达式。 解解 ： 将将 T 型型 网网 络 分分 割割 成成 两两 个个 串串 接接 的的 L 型型 网网 络 ， 图 中中 。再再对这两个两个 L 型网型网络进行分析。进行分析。在在后后一一个个 L 型型网网络络中中，将将 XC2 和和 RL 的的串串接接阻阻抗抗转转换换为为 Xp2 和和 Rp2 的并接阻抗的并接阻抗，分别取值为分别取值为( (注意注意 XC2 含含负号号) ) (b)图图 237基极偏置电路基极偏置电路令令 ，回

41、回路路并并联谐振振，则 L 型型网网络呈呈现的的谐振振电阻阻为其中，其中，且网络元件的表达式为且网络元件的表达式为 XC2 = - - Qe2RL，再再来来分分析析前前一一个个 L型型网网络络，它它的的负负载载电电阻阻为为 。将。将和和的的并并接接阻阻抗抗转转换换为为 Xs1 和和 Rs1 的的串串接接阻阻抗抗，分分别为别为其其中中。令令，回回路路串串联谐振，振，则 L 型网型网络呈呈现的的谐振振电阻阻 或或，由于由于 Qe2 为正正实数，因而数，因而根号内的值应大于零，故根号内的值应大于零，故有有相应网络元件的表达式相应网络元件的表达式为为所所以以，若若已已知知 Re、C0 与与 RL，并并

42、选定定 Qe1，则 T 型型网网络的各元件的各元件值由下列各式确定由下列各式确定式中式中，讨论：讨论：该网络仅适用于该网络仅适用于 的的匹匹配配要要求求。但但由由于于 Re 越越接接近近 RL，A 越越趋趋近近 Qe1，XC1 就就越越大大，相相应应 C1 就就越越小小，而而过过小小的的 C1，在在实实践践上上是是难难以以实实现现的的，故此处，故此处，Re 不易接近不易接近 RL。 例例 2：图图 2- -3- -8 示示 型型滤滤波波匹匹配配网网络络，要要求求与与 Re、C0 的并接阻抗匹配，求各元件表达式。的并接阻抗匹配，求各元件表达式。 图图 238 形滤波匹配电路形滤波匹配电路解解：首

43、首先先取取 XL1 + XC0 = 0，L1 和和 C0 并并联谐振振，网网络得得到到简化，然后将化，然后将 XL2 用虚用虚线分成两个串分成两个串联电感，即感，即在在由由与与 XC2 组成成的的 L 型型网网络中中，它它的的负载为 RL，现将将 XC2 与与 RL 并并联阻抗阻抗转换为串串联阻抗阻抗 Xs2 和和 Rs2。并令并令，网网络串串联谐振振。结果是网络呈现的结果是网络呈现的谐振电阻谐振电阻为为且且2.3.3谐振功率放大器电路谐振功率放大器电路 1电路电路( (p102 103) )2分析分析 直流馈电直流馈电( (集电极、基极集电极、基极) )电路，元件作用电路，元件作用 滤波、匹

44、配网络滤波、匹配网络( (输入、输出输入、输出) )第第 2 章章谐振功率放大器谐振功率放大器2.4高频功率放大器高频功率放大器2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗高频功率管及大信号输入和输出阻抗2.4.2高频功率放大器设计举例高频功率放大器设计举例工工作作频频率率在在几几十十兆兆赫赫兹兹至至几几百百兆兆赫赫兹兹范范围围的的谐谐振振功功率率放放大大器器统统称称为为高高频频功功率率放放大大器器。功功率率管管的的特特性性已已不不能能仅仅用用静静态态特特性性曲曲线线表表示示。还还需需要要考考虑虑非非线线性性电电容容，引引线线电电感感等等分分布布参参数数和和大大注注入入效效应应等等。工工程程上上

45、广广泛泛采采用用借借助助功功率率管管的的大信号输入和输出阻抗的设计方法。大信号输入和输出阻抗的设计方法。 2.4.1高频功率管及大信号输入和输出阻抗高频功率管及大信号输入和输出阻抗 一、高频功率管结构一、高频功率管结构 高频功率管的内部结构如图高频功率管的内部结构如图 2- -4- -1 所示。所示。内部结构内部结构外部结构外部结构( (a) )和和( (b) )为为四四引引线线结结构构，其其中中两两条条引引线线为为发发射射极极( (宜宜接接成成共共发发组组态态) )或或基基极极( (宜宜接接成成共共基基组组态态) )，目目的的是是减减小小输输入入和和输出公共极端点上的引线电感。输出公共极端点

46、上的引线电感。( (c) )和和( (d) )为为两两线线结结构构，金金属属底底座座为为基基极极或或发发射射极极，宜宜接接成共基组态或共发组态。成共基组态或共发组态。 在在器器件件手手册册中中，指指定定用用作作线线性性功功率率放放大大器器的的高高频频功功率率管管不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。不宜丙类工作，否则放大器功率增益将偏低。 二、大信号输入和输出阻抗二、大信号输入和输出阻抗 大信号输入和输出阻抗可以通过实测得到。大信号输入和输出阻抗可以通过实测得到。 1将功率管接入谐振电路将功率管接入谐振电路在在指指定定频频率率上上且且特特定定幅幅值值的的输输入入信信号号电电压压激激励励下下，

47、调调整整输输入入和和输输出出滤滤波波网网络络，使使其其谐谐振振，输输出出功功率率最最大大，效率较高。效率较高。2测试输入、输出阻抗测试输入、输出阻抗移移去去功功率率管管、电电压压源源。用用 50 电电阻阻代代替替信信号号源源。用用阻阻抗抗测测试试仪仪测测得得得得 B-E 之之间间阻阻抗抗为为输输入入端端要要求求外外接接的的匹匹配配阻阻抗抗，C-E 之之间间阻阻抗抗为为输输出出要要求求外外接接的的匹匹配配阻阻抗抗。其其阻阻抗的共轭值分别称为功率管的输入阻抗和输出阻抗。抗的共轭值分别称为功率管的输入阻抗和输出阻抗。 2.4.2高频功率放大器设计举例高频功率放大器设计举例一、设计步骤一、设计步骤选选

48、择择晶晶体体管管 确确定定打打信信号号阻阻抗抗 确确定定滤滤波波匹匹配配网网络络 确定馈电电路确定馈电电路 安装调试安装调试二、设计举例二、设计举例 例例： 设设计计一一个个高高频频功功率率放放大大器器，用用于于调调频频发发射射机机，输输入入和和输输出出负负载载均均为为 50 ，输输入入信信号号频频率率为为 80 MHz，输输出出信信号号频频率率为为 160 MHz，要要求求输输入入功功率率为为 4 mW 时时，输输出出负负载载上上得得功功率率 700 mW，二二次次谐谐波波抑抑制制度度小小于于 30 dB，放放大器总效率大于大器总效率大于 50，电源电压为，电源电压为 15 V。 。解：一、

49、确定组成方案解：一、确定组成方案 。通通过过计计算算效效率率和和增增益益确确定定组组成成方方案案并并选选择择工工作作状状态态。 根据二次谐波抑制度与传输效率的关系取根据二次谐波抑制度与传输效率的关系取 c = 0.7。 通通常常丙丙类类功功率率放放大大器器功功率率增增益益小小于于 12 dB，效效率率大大于于60，所以分三级来完成，所以分三级来完成。 二、选定器件和电路二、选定器件和电路 fT = = (2 10)fc PCM PcV(BR)CEO 2Vcc根据工作状态、指标要求确定电路。根据工作状态、指标要求确定电路。 三、滤波匹配网络设计三、滤波匹配网络设计 以末级输出网络为例，分为三个网

50、络的组合进行分析。以末级输出网络为例，分为三个网络的组合进行分析。网络网络：取：取 Qe1 = 3，设设 Re1 = 150 。 网络网络：取：取 Qe2 = 2，Ce10 = 10 pF，并设并设 Re2 = 35 。网网络络：取取 Qe3 = 3，功功率率管管的的大大信信号号输输出出阻阻抗抗 Re( (= 98 ) ) 和和 C0( (= 20 pF) )。四、安装调试四、安装调试 1调调整整输输入入滤滤波波网网络络达达到到谐谐振振与与匹匹配配，IC0 显显示示最最大大，功率计显示也由小增大。功率计显示也由小增大。 2调整输出滤波网络达到谐振与匹配，调整输出滤波网络达到谐振与匹配，IC0 减为最小，减为最小，功率计显示达到最大值。功率计显示达到最大值。