谐振功率放大器概述

顾名思义,高频功率放大器用于放大器高频信号并获得足够大的输出功率,常又称为射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier)。它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电子设备中。

根据相对工作频带的宽窄不同，高频功率放大器可分为窄带型和宽带型两大类。

1. 窄带型高频功率放大器

通常采用谐振网络作负载，又称为谐振功率放大器。

为了提高效率，谐振功率放大器一般工作于丙类状态或乙类状态，近年来出现了工作在开关状态的丁类状态的谐振功率放大器。

2. 宽带型高频功率放大器

采用传输线变压器作负载。

传输线变压器的工作频带很宽，可以实现功率合成。

1.采用谐振网络作负载。

2.一般工作在丙类或乙类状态。

3.工作频率和相对通频带相差很大。

4.技术指标要求输出功率大、效率高。

1.输出功率:PO

2.效率:η

3.功率增益:Ap

1.2 谐振功率放大器的工作原理

一、丙类谐振功率放大器电路

电路图如1-1所示

图1-1 丙类谐振功率放大器

LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。

谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。

作用:滤波、匹配。

VBB:基极直流电压

作用:保证三极管工作在丙类状态。

VBB的值应小于放大管的导通电压Uon;通常取VBB≤0。

VCC:集电极直流电压

作用:给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。

二、丙类谐振功率放大器的工作原理

ui→uBE→iB→iC→uC

ui为余弦电压， 可表示为ui=UimCOSωct

则:uBE= VBB+ui= VBB+ UimCOSωct

根据三极管的转移特性可得到集电极电流iC，为余弦脉冲波，如图4-2所示:

图1-2 iC波形

根据傅立叶级数的理论，iC可分解为:

ic=Ico+iC1+iC2+iC3+………+iCn+………

式中:Ico为直流电流分量

iC1为基波分量;iC1=Icm1COSωct

iC2为二次谐波分量;iC2=Icm2COS2ωct

iCn为n次谐波分量;iCn=IcmnCOSnωct

其中，它们的大小分别为:

Ico=iCmax·α0(θ)

Icm1=iCmax·α1(θ)

Icmn=iCmax·αn(θ)

iCmax是ic波形的脉冲幅度。

αn(θ)的大小可根据余弦脉冲分解系数表查。

Ic信号的导电角可以用下面的公式进行计算

当iC信号通过谐振网络时，由于谐振网络的作用，可得其谐振网络压降为:

uc=RIcm1COSωct=UcmCOSωct

uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSωct

各信号的波形如图1-3所示:

图1-3 波形图

三、功率关系

直流功率:PV=VCCICO

输出功率:PO= Icm1Ucm

放大管功耗:PT=PV-PO

效率:η= PO/PV

丙类谐振功率放大器的性能分析

一、丙类谐振功率放大器的工作状态

欠压状态:管子导通时均处于放大区;

临界状态:管子导通时从放大区进入临界饱和;

过压状态:管子导通时将从放大区进入饱和区;

在实际工作中，丙类放大器的工作状态不但与Ubm有关，还与VCC、VBB和R有关。

在丙类谐振功放中，工作状态不同，放大器的输出功率和管耗就大不相同，因此必须分析各种工作状态的特点，以及Ubm、VCC、VBB和R的变化对工作状态的影响，即对丙类谐振功放的特性进行分析。

二、丙类谐振功率放大器的动态线

1.基本概念:

大信号的功率放大器一般采用图解法进行分析，为此就要在输出特性曲线上作出交流负载线。

由于谐振功放的集电极负载是谐振回路，且共集电极电压与集电极电流的波形截然不同，因此其交流负载线已不是直线了，是一条曲线，又称为动态线。

2.动态线的作法:

三极管的输出特性曲线转上的参变量iB换成uBE，在VBB、VCC、Ucm和Ubm保持不变的情况下，假设ωct取不同的值，根据式uBE=VBB+ UbmCOSωct和uCE=VCC-uc=VCC-UcmCOSωct可得以相对应的uBE和uCE值，从而确定输出特性曲线上的各个"动态点"，然后依次连接各个"动态点"就可以得到动态线。其图形如1-4所示。

图1-4 动态线

3.不同工作状态的动态线

如图1-5所示

图1-5 不同状态的动态线

丙类谐振功放在不同状态的动态线动画演示请点击

4.根据动态线分析放大器的特性

(1)放大器工作在过压状态时，ic波形会出现下凹。

(2)动态线、放大器的工作状态与VBB、VCC、Ucm和Ubm的大小有关系。

三、丙类谐振功率放大器的特性

负载特性:

基极调制特性:

调制特性

集电极调制特性:

放大特性:

1.负载特性:

负载特性是指放大器在VBB、VCC和Ubm不变时，随R变化的特性

(1)工作状态的变化

随着R从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化

(2)ic波形的变化

随着R增大，ic的变化如图1-6所示

图1-6 ic随R变化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性

如图1-7所示

图1-7 Ucm、Ico、Icm1随R的变化

(4)PO、PV、Pc、η的变化特性

如图1-8所示

图1-8 PO、PV、Pc、η的变化特性

负载特性动画演示请点击

2.基极调制特性

基极调制特性是指放大器在R、VCC和Ubm不变时，随VBB变化的特性

(1)工作状态的变化

随着VBB从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化

(2)ic波形的变化

如图4-9所示

图1-9 ic随VBB的变化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性 如图1-10所示

图1-10 Ucm、Ico、Icm1的变化特性

基极调制特性动画演示请点击

3.集电极调制特性

集电极调制特性是指放大器在VBB、R和Ubm不变时，随VCC变化的特性

(1)工作状态的变化

随着VCC从小变大，放大器将由过压状态→临界状态→欠压状态变化

(2)ic波形的变化

如图1-11所示

图1-11 ic随VCC变化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性

如图1-12所示

图1-12 Ucm、Ico、Icm1的变化特性

集电极调制特性动画演示请点击

4.放大特性

放大特性是指放大器在VBB、VCC和R不变时，随Ubm变化的特性

(1)工作状态的变化

随着Ubm从小变大，放大器将由欠压状态→临界状态→过压状态变化

(2)ic波形的变化

如图1-13所示

图1-13 ic随Ubm的变化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性

如图1-14所示

图1-14 Ucm、Ico、Icm1的变化特性

基极调制特性动画演示请点击

放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。

①高效率输出 ②高功率输出

相同之处:它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。

不同之处:为激励信号幅度大小不同;放大器工作点不同;晶体管动态范围不同。

高频放大器的工作状态是由负载阻抗Rp、激励电压vb、供电电压VCC、VBB等4个参量决定的。如果VCC、VBB、vb 3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随Rp而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。

欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。

过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。

临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。

高频功放和其它放大器一样，其输入和输出端的管外电路均由直流馈线电路和匹配网络两部分组成。谐振功放的实际电路包括有馈电电路、输入输出端的匹配电路。无是直流电路还是高频电路，都应符论合下述三条原则:(1)对直流电源不能被短路，直流电路必须有通路，以保证将能加到集电极;

(2)负载电压基波不能被短路，且电流也必须有通路，以保证回路输出有高频功率;

(3)高频电流不能通过直流电源(但直流可通过线圈回路)，以免产生寄生偶合与高频损耗。

要满足上述原则，可在电路中接入一些辅助元件，以构成谐振功率放大器的实际电路。