第 7 章 高频谐振放大器

高频谐振功率放大器有三个主要任务：

① 输出足够的功率；

② 具有高效率的功率转换；

③ 减小非线性失真。

7.2 高频谐振功率放大器

7.2.1 谐振功率放大器的基本工作原理

1. 工作原理

谐振功率放大器的原理电路如图 7.1 所示。

图 7.1 谐振功率放大器的原理电路

iB

iC

R L

C cC

b

ub

U BB U CC

uBE＋

－－

＋

u CE

V

LC

－

＋

uo

θ=180° ，为甲类工作状态

θ=90° ，为乙类工作状态

θ ＜ 90° ，为丙类工作状态

图 7.2 所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态。在丙类工作状态下， uBE=UBB+Ubmcosωt 较小，且 uBE ＞Uon 时才有集电极电流流过，故集电极耗散功率小、效率高。

图 7.1 中，输出回路中用ＬＣ谐振电路作选频网络。这时，谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压，如图 7.2(e) 所示。由于晶体管工作在丙类状态，晶体管的集电极电流 iC 是一个周期性的余弦脉冲，用傅氏级数展开 iC ，则得

iC =Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt

(7―1)

图 7.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形

(a )

(b )

(c )

(d )

t

iC

Uon

转移特性

0

iC

t

t

t

t

t

U bm

£

uBE

ub

£

iCmax

U on

UBB

u BE

i B

iC

u CE

U CC

U CEmin

£

£

U bm

U BB

(e )

2. 电路的性能分析 准线性折线分析法的条件如下： (1) 忽略晶体管的高频效应。 (2) 输入和输出回路具有理想滤波特性。 uBE=UBB+Ubmcosωt (7―2)

uCE=UCC-Ucmcosωt (7―3)

(3) 晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。

图 7.3 晶体管折线化后的转移特性曲线及 ic 电流

t

iC

£

i

Cmax

U BBu

BE

uB

E

iC

0

0

U on

t

0

Ubm

1) 余弦脉冲分解 图 7.3 所示是用晶体管折线化后的转移特

性曲线绘出的丙类工作状态下的集电极电流脉冲波形，折线的斜率用 G 表示。

设输入信号为 ub=Ubmcosωt ，发射结电压为 uBE=UBB+Ubmcosωt, 晶体管折线化后的转移特性为

BE on

BE on

0 u U

( ) u >U{

BE onC

G u Ui

(7―4)

将 uBE=UBB+Ubmcosωt 代入上式，可得

iC=G(UBB+Ubmcosωt-Uon) (7―5)

由图 7.3 可得，当 ωt=θ 时， iC=0, 代入式 (7―5) ，可求得

  0=G(UBB+Ubmcosθ-Uon ) (7―6)

cos

arccos

on BB

bm

on BB

bm

U U

U

U U

U

(7―7)

(7―8)  

式 (7―5) 减式 (7―6) ，得

iC=GUbm(cosωt-cosθ) (7―9)

当 ωt=0 时 , 将 iC=iCmax 代入式 (7―9) ，可得

 iCmax=GUbm(1-cosθ) (7―10)

式 (7―9) 与式 (7―10) 相比，可得  max

cos cos

1 cosC C

ti i

(7―11)

式 (7―11) 是集电极余弦脉冲电流的解析表达式，

它取决于脉冲高度 iCmax 和导通角 θ 。利用傅里叶级数

将 iC 展开

1 2

1

cos cos2 cos

cos

C co c m c m cnm

co cmn

i I I t I t I n t

I I n t

(7―12)

求得上式中各次谐波分量

max

0 max

max1

1 max

max2

max

1 1 sin cos( ) ( )

2 1 cos( )

1 sin coscos ( )

1 cos( )

1 2 sin cos sin coscos ( )

( 1)(1 cos )

( )

co C C

C

Cc C

C

Ccn C

n C

I i d t i

a i

iI i td t

a i

i nI i n td t

n n

a i

(7―13)

(7―14)

(7―15)

图 7.4 余弦脉冲分解系数

1

0

2

3

20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

n,

1/

0

/ (°)

g1(θ)

放大器的输出功率 Po 等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻 RP 上的功率，即

22

1 1

1 1 1

2 2 2cm

o c cm c PP

UP I U I R

R (7―16)

集电极直流电源供给功率 PDC 等于集电极电流直流

分量与 UCC 的乘积

0DC CC cP U I (7―17)

放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给

功率之比，即

1 11

0

1 1 ( ) 1( )

2 2 ( ) 2o cm c

cDC CC co

P U I ag

P U I a

(7―18)

由式 (7―18) 可求得不同工作状态下放大器效率分别为：

甲类工作状态， θ=180° ， g1(θ)=1 ， ηc=50% ；

乙类工作状态， θ=90° ， g1(θ)=1.57 ， ηc=78.5% ；

丙类工作状态， θ=60° ， g1(θ)=1.8 ， ηc=90%

7.2.2 谐振功率放大器的调制特性 1. 谐振功率放大器的动态线 当放大器工作在谐振状态时，由图 7.5 可得，电路的外部关系 uBE=UBB+Ubmcosωt

uCE=UCC-Ucmcosωt

由上两式可得

 CC CE

BE BB bmcm

U uu U U

U

(7―19)

将式 (7―19) 代入式 (7―4) ，得动态线方程式

( )CC CEC c BB bm on

cm

U ui G U U U

U

(7―20)

令 uCE=UCC 时， iC=Gc(UBB-Uon) 为图 7.6 中的 Q 点；再令 iC=0 时， 为图 7.6 中的 B 点。

BB onCE CC cm

bn

U Uu U U

U

图 7.5 谐振功率放大器

u b

£«

£

UBB

UCC

CV L

uCE

£«

£«

£

u o

£

iC

iB

uBE

图 7.6 谐振动率放大器的动态线和集电极 iC 电流波形

Uon

iC

uBE

£

i Cmax

U BB

iC i C

Gc

uB

E

0

0

Ubm

t

UC

Emin

Ucm

O

0

uCE

uC

E

u BE £½U BEmaxA

C B D

Qt

t

Ucm (1£ cos

)

谐振功率放大器的动态负载电阻 Rc 可用动态线斜率的倒数求得：

11( ) (1 cos )c pcm

c pc bm c bm

I RUR R

G U G U (7―21)

2. 谐振功率放大器的三种工作状态

1) 欠压状态

2) 临界状态

3) 过压状态

图 7.7 三种工作状态

t

i C i C i C i C

0 0 0 0

0

u CE

uCE

R P 增大

A 1A2

A 4

A 3

A 5U

cm3

Ucm

2

Ucm

1

3. RP 、 UCC 、 Ubm 、 UBB 变化对工

作状态的影响

1) RP 变化对工作状态的影响

图 7.8 RP 变化时的 iC 波形

i C

t0

i C

tt

iC

t

iC

0 0 o

RP增大

图 7.9 谐振功率放大器的负载特性

U , I

Ucm

Ic1m

I c0

R P临界 过压欠压

P , P

DC

P o

R P临界 过压欠压

c

P c

由图 7.9 可以得到以下结论：（ 1 ）在欠压工作状态下 （ 2 ）在临界工作状态下

(3) 在过压工作状态下

22(min)( )1 1

2 2CC CEcm

Po o

U UUR

P P

(7―22)

2) UCC 变化对工作状态的影响

3) Ubm 变化对工作状态的影响

4) UBB 变化对工作状态的影响

图 7.10 UCC 变化对工作状态的影响

图 7.11 Ubm 变化对工作状态的影响

图 7.12 UBB 变化对工作状态的影响

7.2.3 谐振功率放大器电路 谐振功率放大器的管外电路由两部分组成：直流

馈电电路部分和滤波匹配网络部分。 1. 直流馈电电路

图 7.13 集电极馈电电路

C c

LC

－

＋

uo

(a )

Lc

V

LC

－

＋

uo

V

C c

UCC

U CC

(b )

L c

C c¡ä

图 7.14 基极馈电电路

LC

V

C1U

BB

L ¡ä

(a )

LC V

C 2U

BB

C1

(b )

图 7.15 自给偏置电路

V

Cb2

L b

(a )

C b1

Rb

VC b

Re

Ce

L b

(b )

2. 滤波匹配网络 功率放大器通过耦合电路与前后级连接。这种耦

合电路叫匹配网络，如图 7.16 所示，对它提出如下要求：

(1) 匹配：使外接负载阻抗与放大器所需的最佳负载电阻相匹配，以保证放大器输出功率最大。

(2) 滤波：滤除不需要的各次谐波分量，选出所需的基波成分。

(3) 效率：要求匹配网络本身的损耗尽可能小，即匹配网络的传输效率要高。

图 7.16 滤波匹配网络在电路中的位置

V 滤波匹配网络

R P

P oP L R L

I L1m

根据等效原理，由于图 7.17(a) 、 (b) 的端导纳相等，即 

1 1 1

P P s sR jX R jR

由上式可以得到从串联转换为并联阻抗的公式，即2 2

2

2 2

2

(1 )

1(1 )

s sp s T

s

s sp s

s T

R XR R Q

R

R XX X

X Q

(7―23)

式中 ,QT 为两个网络的品质因数，其值为

psT

s p

RXQ

R X (7―24)

图 7.17 串并联阻抗变换

(a )

R PX P

X s

R s

(b )

1) Ｌ型匹配网络

图 7.18 （ａ）是Ｌ型匹配网络，其串臂为感抗 Xs ，并臂为容抗 XP ， RL 是负载电阻。 Xs 和 RL 是串联支路，根据串并联阻抗变换原理，可以将 Xs 和 RL 变为并联元件 X′P 和 RP ，如图 7.18 （ b ）所示。

图 7.18 L型网络的阻抗变换

(a )

V

Ro

R LX P

X s

(b )

V

Ro

R PX PX P¡ä

令 XP+X ′P=0 ，即电抗部分抵消，回路两端呈现2(1 )o p TR R Q (7―25)

由式 (7―25) 求出 QT ，再代入式 (7―23) ，便可求出Ｌ型网络各元件参数的计算公式（图 7.18 中的 RL 相当于式 (7―23) 中的 Rs ）：

２ )Ｔ型匹配网络 图 7.19 （ａ）是Ｔ型匹配网络，其中两个串臂为

同性电抗元件，并臂为异性电抗元件。为了求出Ｔ型匹配网络的元件参数，可以将它分成两个Ｌ型网络，如图 7.19 （ b ）所示。然后利用Ｌ型网络的计算公式，经整理便可最终得到计算公式。

RP=RL(1+Q2T2) (7―27)

2 2

22

( )a T L L P L

P Lp P

T P L

X Q R R R R

R RX R

Q R R

(7―28)

图 7.19 T型网络的阻抗变换

(a )

V

R o

RLX P

X s1 X s2

(b )

V

R o

X P 1

X s1

R P

RL

X s2

X P 2

图（ b ）中的第一个Ｌ型网络与图 7.18(a) 的网络是相反的，因此，可以将Ｒ o视为Ｒ L ，即

2P L T1

1 1

11

R =R (1+Q )

( )a T o o P o

P op P

T P o

X Q R R R R

R RX R

Q R R

(7―30)

(7―29)

３ )Π型匹配网络

Π型匹配网络如图 7.20 所示，分析过程也是将Π

型网络分成两个基本的Ｌ型网络，如图 7.20(b) 所示，

然后按Ｌ型网络进行求解。

图 7.20 Π型网络的阻抗变换

(a )

V

Ro

R LX P 1

X s

(b )

V

Ro

X P 1

X s1

R L

X s2

X P 2X P 2

11

222

1

21 1

1 2 21

11

1

22 1

2

(1 ) 1

(1 ) 1

1

(1 ) 1

op

T

L Lp

T LT

o

LT T

os s s

T

soT

pp

L LT T

op

RX

Q

R RX

Q RQ

R

RQ Q

RX X X

Q

XRQ

RX

R RQ Q

RX

式中

(7―31)

(7―32)

Ｒ s 是并联转换成串联的等效电阻。由式 (7―23) 求得

221

Ls

T

RR

Q

3. 谐振功率放大器的调谐与调配 谐振功率放大器在设计组装之后，还需要进行调

整，以达到预期的输出功率和效率。谐振功率放大器的调整包括调谐与调配，下面分别进行讨论。

1) 调谐 2) 调配 3) 调谐与调配的方法

图 7.21 谐振功率放大器在不同负载状态下的电压电流波形

u BE

t

ub

i C

u CE u c

u CEmin

U CC

(a )

u BE uBE

i C

u CE

(b )

U BB

u BE

t

i C

t

u CE

t

(c )

t

t

t

tt

图 7.22 调谐放大器调整电路

LC 1

Cc

天线

C2

I AACb

ub

V

－ ＋

UCC

Rb

Lc

Cc¡ä

A

图 7.23 谐振功率放大器的调谐与调配特性

Ic0

(a ) (b )

谐振点 谐振点0 0

C 1 C 2

Ib0 I

AI

c0

I

Ib0

I A

I c0

4. 谐振功率放大电路 (1) 图 7.24 所示是一个工作频率为 160MHz 的谐振

功率放大电路。

图 7.24 工作频率为 160MHz 的谐振功率放大电路

17 pF

50

C 45 pF

L

16 nHL28 nH

£ 28 V

C c

V L280 nH

L

97 nH

C

16 pF

10 pF

50

C

(2) 图 7.25 所示是一个工作频率为 150MHz 的谐振功率放大电路。其 50Ω 外接负载提供３Ｗ功率，功率增益达 10dB 。

图 7.25 工作频率为 150MHz 的谐振功率放大电路

£ 39 pF

50

C 220 pF

V L2

47 nH - 47 pFC 1

C 2

39 pF C b

L1

Lb

Rb

20

0.01 F

Cc1

R c 100 C

c2

C4

40 pF L3

100 F

Cc3

C 5C

6

10 pF

C7

22 pF

10.8 V

C8

22 pF

L4

L5

2匝

3匝 2匝 2匝

0.01 F 0.01 F

L c4.7