2.3 谐振功率放大器电路,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。,2.3.1 直流馈电电路,1. 串馈与并馈,考虑到滤波匹配网络元件的安装方便，馈电电路(Power Supply Circuit) 对滤波匹配网络的影响。,直流馈电电路分为,(1) 串馈：直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为串接的一种馈电方式。,LC高频扼流圈，与 CC 构成电源滤波电路。,在信号频率上 LC 的感抗很大，接近开路；CC 的容抗很小，接近短路，目的是避免信号电流通过直流电源而产生级间反馈，造成工作不稳定。,(2) 并馈：直流电源 VCC、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为并接的一种馈电方式。,LC 高频扼流圈，CC1 隔直电容， CC2 电源滤波电容,要求在信号频率上，LC 的感抗很大，接近开路，CC1、CC2 的容抗很小，接近短路。,此时，虽然电源与滤波匹配网络在形式上是并联的，但滤波匹配网络两端电压 vc (t) 直接反映在 LC 上，因而有,。与串馈电路相同。,2. 基极偏置电路,(1) 作用：为放大电路提供合适的偏置电压，使功率管工作在丙类。,(2) 常用类型：三种常用的基极偏置电路。,图(a)，基极偏置电压由 VCC 通过 RB1 和 RB2 分压提供，为保证丙类工作，其值应小于功率管的导通电压。,图 (b)、（c），自给偏置电路。,图 (b) 偏置电路：LB、RB、CB1。RB 产生压降，提供自偏电压；LB 避免 RB、CB1 对输入滤波匹配网络的旁路影响,图 (c) 偏置电路：LB 产生压降，提供自偏电压；,3. 自给偏置电路,(1) 自给偏压 IB0 的产生,以图(b) 为例，ib 为脉冲电流，可分解为 IB0、Ib1m、Ib2m,由基尔霍夫定律得,电流 i2 通路有高频扼流圈 LB，只有直流电流可以通过，而 ib 中的直流分量为 IB0，故 i2 为 IB0。,ib,i2,i1,(2) 称为自给偏置的原因：当未加输入信号时，偏置为零；当输入信号由小增大时，由于 IB0 相应增大，加到 B-E 间的偏置电压 VBE = IB0RB 均将向负值方向增大。这种偏置电压随输入信号电压振幅而变化的效应称为自给偏置效应。,(3) 自给偏置电路的作用：, 用于放大等幅载波信号的功率放大器，可以在输入信号振幅变化时起到自动稳定输出电压振幅的作用。, 用于正弦振荡器，可以提高振荡幅度的稳定性。, 若用于线性功率放大器，会使放大器偏离乙类工作，造成输出信号失真，应当避免。,1. 串联谐振回路,(1) 电路：,r 固有损耗电阻,(2) 分析,Qe 越大，频率选择性越强，滤波效果越好。, 固有品质因数,由于 R0、RC 使 Qe 小于 Q0，增加了通频带宽，要改善必须增大 Re，除选用 Q0 大的电压外，还要电压源 RS 小，并限制 RL。,2. 并联谐振回路,(1) 电路,(2) 分析,令回路总电导为 0，求得谐振角频率,，此时，输出电压 V 最大，并与 I 同相。,令, 有载品质因数, 固有品质因数,2.3.2 滤波匹配网络,1. 位置：对交流通路而言，滤波匹配网络(Filter-Matched Network)介于功率管 T 和外接负载 RL 之间。,2. 对滤波匹配网络的要求（3条）,(1) 变换将外接负载 RL 变换为放大管所要求的负载 Re，以保证放大器高效率地输出所需功率。,(2) 滤波充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证在外接负载上输出所需基波功率(在倍频器中为所需的倍频功率)。,工程上用谐波抑制度Hn表示滤波性能的好坏。,设 IL1m 和 ILnm 分别为通过外接负载电流中基波和 n 次谐波分量的振幅，相应的基波和 n 次谐波功率分别为 PL 和 PLn，则对 n 次谐波的谐波抑制度定义为,Hn 越小，网络对 n 次谐波的抑制能力越强。通常n 选 2，即对二次谐波的抑制度。,(3) 高效将功率管给出的信号功率 Po 高效地传送到外接负载上，即要求网络的传输效率,接近 1。,3. 讨论,(1) 谐波抑制度Hn和传输效率K 间的矛盾,在实际滤波匹配网络中，提高谐波抑制度 Hn，就会牺牲传输效率K，反之亦然。,(2) 说明,通过 LC 并联谐振回路来简要说明。,图中 L 和 C 为滤波网络(在谐振功放中，简称 L 型网络)，rL 为 L 中的固有损耗电阻，RL 为外接负载电阻。令,为回路固有品质因数，在高 Q 条件下，它的有载品质因数 Qe 近似为,显然，当 Q0 一定时，Qe 越小，即 RL 越大于rL，相应的K就越大。但 Qe 越小，回路谐振曲线越平坦，对谐波的抑制能力就越差。,谐振功放匹配滤波网络的基本形式两种（F2-3-4，F2-1-4）。 其作用：阻抗匹配、选频滤波。 满足上述要求的匹配滤波网络形式有多种。 不论形式有何不同，均可由下述串-并联阻抗变换公式将其等效为上述两种基本网络的组合。 常用滤波匹配网络的结构、组成元件的表达式参阅教材表2-3-1。,4. 串、并联阻抗转换公式,若将一个由电抗和电阻相串接的电路与相并接的电路等效转换，根据等效原理，令两者的端导纳相等，,即,(1) 串转并公式,由此得,(2) 并转串公式,(3) 说明, 式中，, Xp 和 Xs 为实数, 电容： X,电感： XLL,上述各式表明，Qe 取定后，Rp 和 Rs，Xp 和 Xs 之间可以相互转换。转换前后的电抗性质不变( Xs 和 Xp 有相同的正负号)。,5. 滤波匹配网络的设计,在谐振功率放大器中，为了提高传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般在 10 以下。考虑到谐波抑制度，常用的滤波匹配网络除了上述最简单的 L 型外，更多的是由三个电抗元件组成的 、T 型以及由它们组成的多级混合网络。下面就介绍滤波匹配网络的阻抗变换特性。,假设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零，即回路传输效率趋近于 1，外接负载电阻为 RL，要求与 Re 和 C0 的串接或并接阻抗相匹配，C0 为功率管的,分布电容。利用串并联阻抗转换公式，就可以导出各种滤波匹配网络的元件表达式。,例 1: 图(a)为 T 型滤波匹配网络，要求与 Re 和 C0 串接阻抗匹配，求各元件表达式。,(注意 XC2 含负号),解：将 T 型网络分割成两个串接的 L 型网络，图中 。,再对这两个 L 型网络进行分析。,在后一个 L 型网络中，将 XC2 和 RL 的串接阻抗转换为 Xp2 和 Rp2 的并接阻抗，分别取值为,其中，,令，回路并联谐振，则 L 型网络呈现的谐振电阻为,且网络元件的表达式为,，,或,，由于 Qe2 为正实数，因而,根号内的值应大于零，故有,相应网络元件的表达式为,若已知 Re、C0 与 RL，并选定 Qe1，则 T 型网络的各元件值由下列各式确定：,式中，,例 2：图示 型滤波匹配网络，要求与 Re、C0的并接阻抗匹配，求各元件表达式。,结果是网络呈现的谐振电阻为：,且,在由 XC1 和,组成的网络中，它的负载为,，现令,回路串联谐振，因而,或,设,，则,，,160MHz、13W谐振功率放大器,该功率放大器功率增益达9dB，向负载提供13W功率。 基极采用近似零偏压电路（IB0在Lb直流电阻上产生很小的反偏压），使放大器工作在丙类，集电极采用并馈电路。 LC为高频扼流圈，CC为高频旁路电容。C1、C2、L1构成输入T型匹配网络，调节C1和C2可使本级输入阻抗等于前级放大器要求的50匹配电阻，以传输最大功率。 L2、C3、C4构成输出L型匹配网络，调节C3、C4可使50的负载阻抗变换为功率放大器所要求的匹配电阻Re。,175MHzVMOS场效晶体管谐振功放电路,该电路功率增益10dB，效率大于60%，可向负载提供10W功率。 栅极采用并馈，漏极采用串馈。 栅极采用C1、C2、C3、L1组成的T形匹配网络。 漏极采用L2、L3、C5、C7、C8组成的形匹配网络。 电路优点：a)动态范围大，其转移特性线性范围大。b）输入阻抗高（可达108），要求输入信号功率小，栅偏流小。c)工作频率高（多子导电，不存在少子储存效应）。d）漏极电流的负温度系数可以防止二次击穿。 谐振功率放大器可以用作倍频器。如实现n倍频，只要将输出LC回路调谐在n频率上（为输入信号频率）。,