谐振功率放大器

图 2–3–1
(a) 集电极直流馈电电路
三者(直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管 )在电路
形式上为并接的馈电方式。
LC —— 高频扼流圈； CC1 —— 隔直电容； CC2 ——电源滤波电容。 在信号频率上， LC 感抗 很 大 ， 接近 开路 ， CC1 、 CC2 的容抗很小，接近短路。 虽然电源与滤波匹配网络 (b) 图 2–3–1 集电极直流馈电电路 在形式上是并联的，但滤波匹 配网络两端电压 vc (t) 直接反映在 LC 上，因而 vCE = VCC + vc。与串馈电路相同。 (3)串馈与并馈的比较 相同点：两种馈电方式，VCC 都能全部加到集电极上。 不同点：滤波匹配网络的接入方式。
rL Qe Q0 ( ) rL RL rL RL
0 L
rL Qe Q0 ( ) rL RL rL RL 显然，当 Q0 一定时， RL 越大于 rL，相应 的 K 就越大。但 RL 越大，Qe 越小，回路谐 振曲线越平坦，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
第2章
2.3
谐振功率放大器
谐振功率放大器电路
2.3.1 直流馈电电路
2.3.2 滤波匹配网络 2.3.3 谐振功率放大器电路
谐振功放管外电路： ① 直流馈电电路 ② 滤波匹配网络
2.3.1 直流馈电电路
考虑因素：滤波匹配网络安装方便；馈电电路(Power Supply Circuit)对滤波匹配网络的影响。
X L1 X p2 Rp2 / Qe2
(b) 图 2–3–7 基极偏置电路
再来分析前一个 L 型网络，它的负载电阻 为 Re 1 和 Re 。将 X C 的并接阻抗转换为 Xs1 和 Rs1 的串接阻抗，分 别为
Re Rs1 2 1 Qe1
Rs1 Re1 X s1 Qe1 Rs1 1 XC
/ XC 1 。令 X C 0 X L1 X s1 0 ，回路串 其中 Qe1 Re 联谐振，则 L 型网络呈现的谐振电阻 2 Re 1 Qe2 Re Rs1 RL 2 2 1 Qe1 1 Qe1
或 Qe2
由于 Qe2 为正实数，因而 根号内的值应大于零，故 2 有 Re (1 Qe1 ) RL
直流馈电电路分为
串馈 并馈
1．串馈与并馈
(1)串馈 三者(直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管)在电路 形式上为串接的馈电方式。
vCE VCC vc
LC——高频扼流圈，与 CC 构成 电源滤波电路。 在信号频率上 LC 的感抗很大， 接近开路；CC 的容抗很小，接近短 路，避免信号电流通过直流电源而 产生级间反馈，造成工作不稳定。 (2)并馈
X C1
式中，
( B / Qe1 )( B / A) B 1 // X XC L1 ( B / A) ( B / Qe1 ) Qe1 A
A
Re 2 (1 Qe1 )1 RL
2 B Re (1 Qe1 )
讨论：该网络仅适用于 2 Re RL /(1 Qe1 ) 的匹配要 求。但由于 Re 越接近 RL， A 越趋近 Qe1 ， XC1 就越大， 相应 C1 就越小，而过小的 C1，在实践上是难以实现的， 故此处，Re 不易接近 RL。
(3)高效 将功率管给出的信号功率 Po 高效地传送到外接负载上， 即要求网络的传输效率 K = PL/ Po 接近 1。
3．讨论 (1)谐波抑制度 Hn 和 K 间的矛盾 在实际滤波匹配网络中，提高 Hn ， 就会牺牲传输效率 K，反之亦然。 (2)说明
图 2–3–4 LC 谐振回路
如图 2–3–4 所示，L 和 C 为滤波网络(简称 L 型网络)， rL 为 L 中的固有损耗电阻，RL 为外接负载电阻。令 0 L Q0 rL 为回路固有品质因数，在高 Q 条件下，它的有载品质因数
(3) 自给偏置电路的作用 ① 用于载波功放，可以在输入信号振幅变化时起到自 动稳定输出电压振幅的作用。 ② 用于正弦波振荡器，可以稳定振荡幅度。 ③ 若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作， 造成输出信号失真，应当避免。
2.3.2 滤波匹配网络
1．位置 对 交 流 通 路 而 言 ， 滤 波 匹 配 网 络 (Filter-Matched Network)介于功率管 T 和外接负载 RL 之间。 2．对滤波匹配网络的要求( 2 + 1 条) (1)变换 将外接负载 RL 变换为放大管所要求的负载 Re，以保 证放大器高效率地输出所需功率。 (2)滤波 充分滤除不需要的高次谐波 分量，以保证在外接负载上输出 所需基波功率 ( 在倍频器中为所 图 2–3–3 基极偏置电路 需的倍频功率)。
① 式中， Qe
Xs Rs Rp Xp
Rp
② Xp 和 Xs 为实数 电感： XL = L
1 ③ 电容： XＣ C
上述各式表明，Qe 取定后，Rp 和 Rs，Xp 和 Xs 之间可 以相互转换。转换前后的电抗性质不变( Xs 和 Xp 有相同的 正负号)。
5．滤波匹配网络的设计 在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路的有 载品质因数都较小，一般在 10 以下。考虑到谐波抑制度， 常用的滤波匹配网络除了上述最简单的 L 型外，更多的是 由三个电抗元件组成的 、T 型以及由它们组成的多级混 合网络。下面就介绍滤波匹配网络的阻抗变换特性。
即 由此得
Rs2 X s2 2 R R ( 1 Q s e ) p Rs (1) 串转并公式 2 2 2 2 X Rs X s Rs (1 Qe ) Rp Rs p Xs Xs Xs
1 1 1 Rp jX p Rs jX s
Rs 1 Q 2 e (2)并转串公式 X Rs Rp s Xp (3)说明
假设滤波匹配网络的固有损耗 电阻为零，即回路传输效率趋近于 1，外接负载电阻为 RL，要求与 Re 和 C0 的串接或并接阻抗相匹配， C0 为功率管的分布电容。
利用串、并联阻抗转换公式，就可以导出各种滤波匹 配网络的元件表达式。 例 1：图 2-3-7(a)为 T 型滤波匹配网络，要求与 Re 和 C0 串接阻抗匹配，求各元件表达式。
X p2
源自文库
Rp2 RL XC2

Rp2 Qe2
(注意 XC2 含负号)
令 X L1 X p2 0 ，回路并联谐振，则 L 型网络呈现 的谐振电阻为 其中，Qe2 X C 2
2 Rp2 RL (1 Qe2 Re ) / RL
且网络元件的表达式为 XC2 = - Qe2RL，
(a) 图 2–3–1
(b) 集电极直流馈电电路
① 串馈：滤波匹配网络处于直流高电位上，网络元件 不能直接接地。 ② 并馈： CC1 隔直流，匹配网络处于直流地电位上， 网络元件可直接接地，安装比串馈方便。但 LC 和 CC1 与 匹配网络相并联，它们的分布参数影响网络调谐。
2．基极偏置电路
(1)作用
为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙
类。 (2)常用类型 三种。
图 2–3–2
基极偏置电路
① 图 2–3–2(a)，基极偏置电压由 VCC 通过 RB1 和 RB2 分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电 压。
② 图 2–3–2 (b)、(c)，自给偏置电路。 图 2–3–2 (b)偏置电路：LB、RB、CB1。 RB ：产生压降，提供自偏电压；LB ：避免 RB、CB1 对 输入滤波匹配网络的旁路影响。
Re 2 (1 Qe1 ) 1， RL
相应网络元件的表达式为
1 Re / Qe1 XC
X L1 X C 0 X s1 Qe1 Rs1 Qe1 Re
所以，若已知 Re、C0 与 RL，并选定 Qe1，则 T 型网络 的各元件值由下列各式确定
X L1 Qe1 Re X C 0 X C 2 ARL
3．自给偏置电路 (1)自给偏压 IB0 的产生 图 2–3–2 (b)，vb 0 ib 0，为 脉 冲 电 流 ， 可 分 解 为 IB0 、 Ib1m 、 Ib2m 、· · ·
由基尔霍夫定律 ib = i1 + i2
i1 ib
i2
i2 通路有高扼圈 LB，仅直流电流可以通 过， ib 中的直流分量为 IB0，故 i2 为 IB0。 (2)自给偏置 Vb(t) = 0， VBE = 0；Vb(t) 由小至大 IB0 随之增大 VBE = IB0RB 负向增大。 自给偏置效应：这种偏置电压随输入信号电压振幅而 变化的效应。
例 2：图 2-3-8 示 型滤波匹配网络，要求与 Re、 C0 的并接阻抗匹配，求各元件表达式。
图 2–3–8
形滤波匹配电路
解：首先取 XL1 + XC0 = 0，L1 和 C0 并联谐振，网络得 到简化，然后将 XL2 用虚线分成两个串联电感，即 X L2 X L2 X L2 在由 X 与 XC2 组成的 L 型网络中，它的负载为 RL， L2 现将 XC2 与 RL 并联阻抗转换为串联阻抗 Xs2 和 Rs2。并令 ，网络串联谐振。 X L 2 X s2 0
谐波抑制度 Hn：工程上表示滤波性能好坏的参数。 设 IL1m 和 ILnm 分别为通过外接负载电流中基波和 n 次谐波分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波功率分别为 PL 和 PLn，则对 n 次谐波的谐波抑制度定义为
PLn I Lnm H n 10lg 20lg PL I L1m
Hn 越小，网络对 n 次谐波的抑制能力越强。通常n 选 2，即对二次谐波的抑制度。
0 L
LC 并联谐振回路
LC 串联谐振回路
具体电路形式有多种。 作用：阻抗匹配、选频滤波。 不论形式有何不同，均可由串 -并联阻抗变换公式将 其等效为上述两种基本网络的组合。 常用滤波匹配网络的结构、组成元件的表达式参阅教 材表 2-3-1(p101)。
4．串、并联阻抗转换公式 若将一个由电抗和电阻相串接的电路与相并接的电路 等效转换，根据等效原理，令两者的端导纳相等，
图 2–3–7
基极偏置电路
解：将 T 型网络分割成两个串接的 L 型网络，图 1 // X 中 X C1 X C L1 。
再对这两个 L 型网络进行分析。 在后一个 L 型网络中，将 XC2 和 RL 的串接阻抗转换 为 Xp2 和 Rp2 的并接阻抗，分别取值为
2 Rp2 RL (1 Qe2 )
结果是网络呈现的谐振电阻为
RL Rs2 Re 1 Qe22
且
XC2
RL Re RL X s2 Qe2
RL Re X Qe2 RL L2 XC2
2.3.3 谐振功率放大器电路
1．电路(p102 ~ 103) 2．分析
① 直流馈电(集电极、基极)电路，元件作用 ② 滤波、匹配网络(输入、输出)