谐振功率放大器（用谐振系统作为匹配网络的装置）

作用

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。

分类

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。

特点

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。

技术指标

1.输出功率:PO

谐振功率放大器

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：u

BE=

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1-2iC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1-6ic随R变化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性

如图1-7所示

图1-7Ucm、Ico、Icm1随R的变化

(4)PO、PV、Pc、η的变化特性

如图1-8所示

图1-8PO、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1-9ic随VBB的变化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性如图1-10所示

图1-10Ucm、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1-11ic随VCC变化的特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性

如图1-12所示

图1-12Ucm、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1-13ic随Ubm的变化特性

(3)Ucm、Ico、Icm1的变化特性

如图1-14所示

图1-14Ucm、Ico、Icm1的变化特性

基极调制特性动画演示请点击

电路组成

该电路由高频大功率晶体管VT、LC谐振回路和直流馈电电源组成。改变基极的直流电源电压UBB可以改变放大器的工作类型，该电路设置在丙类工作状态。实际负载RL通过变压器耦合到谐振回路。滤波匹配网络L、C构成并联谐振回路，调谐在输入信号频率上，作为晶体管集电极负载，滤除高频脉冲电流ic中的谐波分量，同时实现阻抗匹配。

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。

UBB:基极直流电压

作用:保证三极管工作在丙类状态。

UBB的值应小于放大管的导通电压UBZ；通常取UBB≤0。

UCC：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。

工作原理

谐振高频功率放大器的发射结在UBB的作用下处于负偏压状态，当无输入信号电压时，晶体管处于截止状态，集电极电流ic=0。当输入信号为ui=Ubmcoswt时，基极与发射极之间的电压uBE=UBB+Ubmcoswt，为分析电路的工作波形，先对晶体管的特性曲线进行折线化处理。处理后分析与计算大大简化，但误差也大，所以实际电路工作时需要调整。

特性曲线的折线化

对于高频谐振功率放大器进行精确计算是十分困难的，为了研究谐振功率放大器的输出功率、管耗、效率，并指出一个大概变化规律，可采用近似估算的方法，即对特性曲线进行折线化处理：

①忽略高频效应，晶体管按照低频特性分析；特性曲线的折线化

②忽略基区宽变效应，输出特性水平、平行且等间隔；

③忽略管子结电容和载流子基区渡跃时间；忽略穿透电流，在截止区ICEO=0。

晶体管输出电流、电压波形

当基极输入一余弦高频信号ui=Ubmcoswt时，基极与发射极之间的电压为uBE=UBB+ui=UBB+Ubmcoswt

当uBE的瞬时值大于晶体管的导通电压UBZ时，晶体管导通，产生基极脉冲电流，由转移特性可得集电极流过的电流ic也为脉冲波形。将ic用傅里叶级数展开可得：

其中，Ic0为集电极电流直流分量，Ic1m、Ic2m、···、Icnm分别为集电极电流的基波、二次谐波及高次谐波分量的幅度。

当集电极回路调谐于高频输入信号频率w时，由于LC回路的选择性，对集电极的基波分离来说，回路等效为纯电阻Re；对各次谐波来说，回路失谐，呈现很小的阻抗，回路两端可近似认为短路；二直流分量只能通过回路电感支路，其直流电阻很小，也可近似认为短路。这样，脉冲形状的集电极电流ic经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，因此LC谐振回路两端输出不失真的高频信号电压uc=-ReIc1mcoswt=-Ucmcoswt

其中Ucm=ReIc1m，为基波电压幅度

所以晶体管的输出电压为uCE=UCC-Ucmcoswt

丙类放大器在一个信号周期内只有小于半个周期的时间内有集电极电流流过，形成了余弦脉冲电流，将icmax称为余弦脉冲电流的最大值。丙类放大器的导通角θ小于90°。余弦脉冲电流依靠LC谐振回路的选频作用，滤除直流及各次谐波，输出电压uc与基极输入电压ui相反。ic只在uCE很低的时间内出现，故集电极损耗很小，功率放大器的效率比较高。