第二章谐振功率放大器_1

由静态转移特性(iC-vBE)，得 集电极电流 iC 波形： 脉宽小于半个周期的脉冲序列。
傅里叶级数展开iC
i C I C 0 I c1m cos s t I c2m cos2 s t
电流为平均分量、基波分量和各次谐波 分量之和。
3．输出电压 vo
(1)对基波分量 若在基频谐振，对该频率为纯电阻
v B E v B Emax VB B Vbm 百度文库 v CE VCEmin VCC Vcm
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。
4. 丙类功放的功率特性分析 (1) 丙类功放的问题 若提高集电极效率，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提高输入激励电压幅度 Vbm
② 将基极偏置电压 VBB 向 负值方向增大。
图 2–1–3 脉冲宽度变化的示意图
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，一味地减小管子导通时 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。
2.2.3 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。
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 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。
v B E VB B Vbm cos t v CE VCC Vcm cos t
.
不到VCC，因为 导通角小于
(a)
(b)
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。 (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 R e V cm / I c1m
vA = vA1 vA2 = VCC 2VCE(sat)
加到串联谐振回路，若 谐 振 回 路工 作 在 输入 信 号 角 频 率 上 ， 可 近似 认 为输出电流 iL 是角频率 为 的余弦波，RL 上获 得不失真输出功率。
(3) 性能特点 ① T1、T2 尽管导通电流很大，但相应的管压降很 小(VCE(sat) )，效率很高。 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 保证 vCE 为最小值的一段期间 内，才有集电极电流流通—— 戊类放大器。
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
输入信号电压 则
vb(t) = Vbmcos st
vBE = VBB + vb(t) = VBB + vbmcos st
② 功率性能
PD VCC I C 0 Po Vcm I C1m / 2 PC PD Po C Po / PD
功率性能需要计算各量的值。
如果将输入信号在一个周期内 的导通情况用 对应的导通角度2θ来表示, 则称θ为半通角，为方便称为通角。
带入2-2-1得到
iC g VBB Vbm cos t Von
2sin n cos 2n sin cos n ic max n 2 n n 1 1 cos
通角小，效率高； 但是信号功率也 小。通角选择要 兼顾应用，不能 一概而论。 放大基频信号， 兼顾功率、效 率等因素，通 角常选在70度 左右。
Vc1m I c1m 1 1 ( ) c 2VCC I c 0 2 0 ( )
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、乙类），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。 构成：匹配网络为谐振系统 应用状态：丙类（或丁类、乙类） 用途：对载波或已调波进行功率放大，使发射机末级获 得足够大的功率。
特 点 (1)工作频率高，相对频带窄; (2)采用选频网络作为负载回路; (3)放大器一般工作在C（丙）类工作状 态，属 于非线性电路; (4)不能用线性模型电路分析，一般采用图 解法 分析和折线法.

1 0
余弦脉冲分解系数的关系
已知 VBB、Vbm、Vcc、Vcm 和跨导
Von VBB arccos Vbm
iC max gVbm 1 cos
I c1m
sin cos ic max 1 cos
PD VCC I c 0 Vcm I c1m P01 2
0 Lr Re 1 Q RL Q RL RL Rl
2 2 2
0 Lr Lr Re RL C t RL
2 2
式中，
Cr C L Ct —— 回路总电容 Cr C L 0 s 1 —— 回路谐振角频率 Lr C t Qe
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： 当t=0时
v BE VBB Vbm cos t； v CE VCC Vcm cos t
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 饱和导通，T2 截止， vA1 = VCC – VCE(sat) vi > 0 时，T2 饱和导通，T1 截止， vA2 = VCE(sat) A 点最大振幅值：
I c 0 ic max
sin cos 1 cos
P01 PD
根据
2 1 Vcm 1 (VCC )2 Po 2 Rp 2 Rp
可求得最佳负载电阻：
(VCC ) Rp 2 Po
2
四变量VBB、Vbm、VCC、Vcm 不同，iC 的波形和数值就不 同，由此求得的Rp 及相应的功率性能就不同。应了解 四变量的影响。
可见电流为周期性的尖顶余弦脉冲，可按傅里叶级数展开:
iC I c 0 I c1m cos t I 2cm cos 2t I 3cm cos3t
各分量幅度
1 Ic0 2 I cnm 1
i d t
c

i


c
cos ntdt
可见，各次谐波是基极输入信号幅度和通角的函数。 利用上式可以求出各次谐波的幅值，在功率性能计 算中十分重要。
0 Lr
RL
—— 回路有载品质因数
(2)对非基波分量 阻抗很小，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不失真信号功率。
因此，丙类谐振功率放大器谐振回路的功能：
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电压。
② 阻抗匹配：调节 Lr 和 Cr ，谐振回路将含有电抗分 量的外接负载变换为谐振电阻 Re，并等于集电极需要的负 载，实现阻抗匹配。
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
非谐振功放 集电极负载 求功率性能 要 点 纯电阻 图解法 求负载线 丙类谐振功放 谐振回路，含电抗元件
准静态分析法
求动态线
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(vCE 由 iC 产生，而 vCE 通过基极宽度调制效应影 响 iC ) 。
直流分量为
I c 0 ic max sin cos ic max 0 1 cos
基波分量幅度
I c1m
sin cos ic max ic max1 1 cos
N次（N>1）谐波幅度
I cnm ic max
3. 倍频电路 (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。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 滤波。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、阶跃二极管构成参量倍频器，适用于 倍频次数较高时。
结论：当VBB、Vbm、VCC固定不变， Vcm由小增大时: vCE 由大变小，故动态线左移。
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。
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
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。
(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。
(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)。
2.1.3 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。
2．原理
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。
利用电流最小值可以求出通角：
arccos
Von VBB Vbm
电流最大值为
iC max g VBB Vbm Von gVbm 1 cos
任意时间集电极电流
iC g VBB Vbm cos t Von gVbm cos t cos iC max cos t cos 1 cos