第二章谐振功率放大器

第二章谐振功率放大器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谐振功率放大电路2.4高频功率放大器2.0小信号谐振放大器一．学时安排授课14学时实验4学时1．谐振功率放大器的工作原理2学时2．谐振功率放大器的性能特点4学时3．谐振功率放大电路4学时4．高频功率放大器2学时5．习题课2学时6．高频小信号谐振放大器实验2学时7．丙类高频功率放大器实验2学时二．授课方式：课堂教学方法为主三．重点、难点1．重点讨论谐振电路的频率特性，难点、接入系数。2．谐振功率放大器的三个工作状态，欠压、临界和过压状态。3．重点讨论四个电压量对放大器性能的影响。谐振功率放大器直流馈电电路及滤波匹配网络的分析与设计。四．教学内容及要求要求学生了解谐振电路的频率特性及谐振放大器的工作原理，掌握谐振放大器的性能特点。特别是谐振放大器的三种工作状态要有清楚的认识，掌握四个电压量对谐振功率放大器的影响。了解谐振放大器的直流馈电方式，掌握滤波匹配网络的设计方法，了解高频功率放大器设计的基本步骤。五．教学方法：首先补充谐振电路的基本内容。在此基础上引出小信号谐振放大器的工作原理。丙类谐振功率放大器的原理，而后，重点讨论谐振功率放大器的性能特点，工作状态以及谐振功率放大器的直流馈电方式、滤波匹配网络设计，最后简单介绍高频放大器的设计步骤，用2学时时间上习题课讨论课，并安排4学时实验，用以加深巩固本堂课堂教学内容。第2章．谐振功率放大器摘要：谐振功率放大器是一种用谐振系统作为匹配网络的功率放大器，一般丙类工作，主要应用在无线电发射机中，用来对载波信号或高频已调波信号进行功率放大，为了进一步提高效率也可采用开关方式工作。本章重点讨论丙类工作的谐振功率放大器，也对其它工作状态的谐振功率放大器作一简要的介绍。2-0小信号谐振功率放大器2-0-1高频振荡回路。一．简单振荡回路振荡回路就是由电感和电容串联或并联形成的回路。只有一个回路的振荡回路称为简单振荡回路或单振荡回路。简单振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最大或最小值的特性称为谐振特性，这个特定频率称为谐振频率。简单振荡回路具有谐振特性和频率选择作用，这是它在高频电子线路中得到广泛应用的重要原因。1．串联谐振回路图2-0-1串联振荡回路及其特性R—电感线圈L中的损耗电阻值较小，可以忽略；C—电容，当信号频率为时，其串联阻抗为：（1）当时，回路呈容性，；（2）当时，回路呈感性，；（3）当时，回路呈电阻性，，其值最小；)1(1CLjRCjLjRZS0RZS00RZSRZS此时，电路发生串联谐振，串联谐振角频率为（2-0-1）若在串联谐振电路两端加一恒值信号，谐振时，流过电路的电流最大。设在任意频率下的电流为，则LC10。URUIO。。I）（。。0011jQIIO.式中，—回路的品质因数。是指回路没有外加负载时的值，称为空载值或，当回路有外加负载时，品质因数要用有负载值或来表示，其中的电阻R应为考虑负载后的总损耗电路。200211）（QIIORCRLQ001Q0QQLQ图2-0-2串联谐振回路的谐振曲线和电流、电压关系图2-0-2为串联谐振回路的谐振曲线。回路通频带也称为回路带宽：2．并联谐振回路。串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗电路（如微波电路）。当频率不是非常高时，并联谐振回路应用最广。并联谐振回路及其频率特性如图2-0-3所示p75QfB0.并联谐振频率当时,,回路在谐振时的阻抗最大CjLjRCjLjRZP11)(20111QLCCRRLQ0011QLC10图2-0-4几个常见抽头震荡回路为—电阻为等效到回路两端的并联谐振电阻。通频带二．抽头并联振荡回路。图2-0-4是几种常用的抽头振荡回路，采用抽头回路，可以通过改变抽头位置或电容分压比来实现回路与信号源的阻抗匹配，或者进行阻抗变换，对于抽头振荡回路，除了参数和外，还增加了一个可以调节的因子—接入系数。定义：与外电路相连的那部分电抗与本回路参与分压的同性质总电抗之比：0R0RQfB000Rp.接入系数（抽头系数）又称为电压比或变比。对于图(a)无互感时有互感时TVVp0202)(RpRVVRTiLLp1LMLp1NNp1对于图（b）对于图（c）所以TiZpZ2211CCCVVpTTRCCCR)(21211211RpRT121222221)(RppRpRLLRTTii12122RppRi对于图（d）对于图（e）注：除了阻抗需要折合外,有时信号源也需要折合。对于电压源：对于电流源：图2-0-5TRLLR211)(121RpRTTRCCCR22111)(121RpRTTPVVPIIT图2-0-5电流源的折合对于信号源进行折合时的变比是而不是。图2-0-5电流源的折合2pp三．耦合谐振回路—双调谐回路图2-0-6图2-0-6两种常见的耦合回路及其等效电路图（a）互感耦合电路(b)电容耦合电路图（c）为图（a）的等效电路(d)为(b)的等效电路1．耦合系数定义：（耦合阻抗）与初次级中与同性两电抗的几何平均值之比，即图(a)图(b)2.耦合因子AkMmXmX21LLMk))((21CCCCCCCCk设①当时，称为临界耦合，临界耦合系数，。②当时，过耦合，，特性曲线出现双峰。③当时，欠耦合，，曲线较尖峰值小。LLL21CCC21QQQ21kQA1AQk101A1A0kk0kk注：与单回路的阻抗特性比，耦合回路特性顶部平缓，宽度要大，而且在频带之外，曲线下降也更陡峭。从回路对临近无用信号频率的抑制来看，性能也更好。3.通频带QfB07.02.图2-0-7耦合回路的频率性.2．0．2高频小信号放大器一.对高频小信号放大器的主要要求：1.增益要求高。用于各种接收机中的中频放大器，其电压放大倍数可达，而电压的增益为dB,通常要倍高级放大器才能实现。2.频率选择性要好。3.工作稳定可靠。这要求放大器的性能尽可能地不受温度、电源电压等外界因素变化的影响，不产生任何自激。此外，在放大微弱信5410~10100~80号的接收机前级放大器中，还要求放大器内部噪声要小，因为放大器本身的噪声越低，接收微弱信号的能力越强。二．高频小信号谐振放大器的工作原理图2-0-8直流偏置与低频放大器完全相同，只是对高旁路，其值比低频中小得多，(b)为交流通路，时，抽头谐振回路谐振，完成阻抗匹配和选频滤波功能。由于输入的是高频信号，放大器工作在甲类状态。ebCC、0二．放大器的的性能1．晶体管的高频等效电路图2-0-8(a)混等效电路(b)参数等效电路1)参数说明—输出端交流短路时的输入导纳。YebCC'cCCbM'ieY图2-0-8高频小信号谐振放大器（a）实际线路（b）交流等效电路—输入端交流短路时的输出导纳。—输出端交流短路时的正向传输导纳。—输入端交流短路时的反向传输导纳。在忽略及满足的条件下，参数与参数的关系为：oeYfeYreYebr'CCY'1bbierCjCjY''1bbmbbMoerCjgrCjCjY.注：参数不仅与静态工作点的电压、电流值有关，而且与工作频率有关，是频率的复函数，当放大器工作在窄带时，参数变化不大，可以将参数看作常数。高频小信号谐振放大器一般是工作在窄带。晶体管可以用参数等效。其参数方程为'bbmferCjgYibbrerCjCjY1YYYYY.2）晶体管的高频特性、参数①截止频率crebiebVYVYI。。。coebfecVYVYI。。。f定义：下降到低频电流放大系数的倍时，所对应的频率称为的截止频率。②特性频率定义：下降到1时，所对应的频率称为的特征频率。当时，21f)(21'''bcbebeCCrfTfTf10ffT0③最高振荡频率定义：晶体管的功率增益时,所对应的频率称为最高振荡频率表示一个晶体管所能适用的最高极限频率，在此频率，晶体管已不可能得到功率放大。maxf1PAmaxfcbebbbmCCrgf'''421maxmaxffffTmax④任意的的计算：fffT020)(1ff2．放大器的性能参数图2-0-9为图2-0-1的高频小信号参数等效电路。图中包括谐振回路的导纳和负载电阻的等效导纳，忽略管子内部的反馈，令，电流源内电导。(1)电压放大倍数K'LYLR0reYSYbSSbVYII。。。。‘。CLCVYI图2-0-9晶体三极管（a）混Ⅱ等效电路（b）Y参数等效电路.(2)输入导纳’。。LoefebcYYYVVKiY‘。。LoefereiebbiYYYYYVIY（3）输出导纳（4）通频带OYieSfereoeIcOYYYYYVIcYS0。。707.0B，L为回路电感，为回路的总电容，包括回路本身的电容以及等效到回路中呈现的电容。为有载品质因数。LQfB0707.0LCf210CoeYLQLgQL01为回路的总电导，包括回路本身的损耗以及、等效到回路中的损耗。2．0．3思考题1.高频小信号谐振放大选择谐振回路作为放大器负载的优点是什么？2.通频带的含义是什么？3.晶体管的高频参数包括哪些？goeYLR2-1谐振放大器的工作原理2．1．1丙类谐振功率放大器p81图2-1-1一.工作原理1.元件说明：—外接负载，用串联等效、—匹配网络；、、—共同组成谐振回路。2.原理LZLCLR1LrrC1LrrCLZ选择值使功率管静态工作于截止区内，调节使并联谐振回路谐振于信号频率上。忽略基区宽度调制效应以及管子结电容的影响，若输入信号电压由3.在静态转移特性曲线上画出的波形。P82图2-1-2BBVrCtVtvSbmbcos)(tVVvVvSbmBBbBBBEcosBEcvi~210cccCIIIi.由于集电极回路谐振于上，所以，中的基波分量呈现的阻抗最大,且为纯电阻,称为谐振阻抗在高值回路中。（2-1-1）式中，为回路总电容,tItIISmcSmcc2coscos210SCiQLtrLreRCLRLR220LrLrtCCCCCtrSCL10—回路有载品质因数。注；谐振回路对中其它分量呈现阻抗均很小，因此，认为仅为基波分量产生的电压，所以负载上可以得到不失真的信号功率，即为失真的脉冲波，而为完整正弦波。LreRLQ0CiCvCiCv4．谐振回路的作用1)利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。2)谐振回路可以将含有电抗分量的外接负载变换为谐振回路电阻，而且，调节、还能使其等于放大器所需集电极电阻，实现阻抗匹配，所以，在谐振功率放大器中，谐振回路具有选频和匹配双重作用。eRrLrC4．存在问题p83图2-1-3丙类工作时，随管子导通时间而增大，但放大器输出频率。为了实现而不变，脉冲高度，方法为BE可能反向击穿。CtmcI1OPtOPCi''''''BBBBBBbmmbbmVVVVVV'''bmBBBBVVV反因此，在维持的条件下，一味地减小管子导通时间来提高是不现实的，要解决这一问题，采用开关工作的谐振放大器—丁类谐振功率放大器。OPC2．1．3倍频器在丙类谐振功率放大器中，若将输出谐振回路调谐在输入信号频率的n次谐波上，可认为输出谐振回路上仅有中的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，因而在负载上得到了频率为输入信号为n倍的输出信号功率。CiLR2．1．4思考题11.为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态？为什么采用调谐回路作负载？为什么要调谐在工作频率？22.为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高