第二章 谐振功率放大器 2.0小信号谐振放大器 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 第二章 谐振功率放大器 2.0小信号谐振放大器 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

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。 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；

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

. 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。

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 p75

. 并联谐振频率 当 时, ,回路在谐振时的阻抗最大

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：

. 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

对于图（b） 对于图（c） 所以

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2-0-5

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

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 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 A

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。

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

. 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

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。

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。

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：

. 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

. 2）晶体管的高频特性、参数 ①截止频率

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，

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。

④任意 的 的计算：

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

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

（3）输出导纳 （4）通频带

，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。

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？

2-1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

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2-1-2

. 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 ,

—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。

4．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。

4．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。

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。

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。

2．1．4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 高频功率放大器可以工作于丙类？ 简答：低频功率放大器信号频带宽，不能用谐 振回路取出不同频率分量，而高频信号频带窄， 采用一个谐振回路即可完成选频作用。

2—2谐振功率放大器的性能特点 2．1．1近似分析法 一．谐振功率放大器的动态线 假设一 谐振回路具有理想的滤波特性，其上只 能产生基波电压（或n倍频)， 为冲波， 为余 弦电压，若放大器输入端也接有谐振回路，为 脉冲波， 为余弦电压。 (2-1-1a) (2-1-1b)

假设二 功率管的特性用输入和输出静态曲线表示，其高频效应可以忽略，输出特性曲线的参变量为 ，即先将 。 1．动态线的产生： 先设定 、 、 、 的数值，将按 等间 隔给定不同的值，画出 、 的波形。然后 在输出特性上找出对应的动态点和由此确定的 值。其中动态点的连线称为谐振功率放大器 的动态线。

2．谐振电阻 （2-2-2） 3．谐振功率放大器的功率 （2-2-3a） （2-2-3b） 2．2．2欠压、临界、和过压状态 一． 、 、 一定时，改变 对 波形 及数值的影响。 的脉宽主要取决于 和 （图2-1-3），当 和 一定时 , 的脉宽也就近似一定,几乎

不随 的大小而变化。 二． 在 时的数值随 变化的情况。 图2-2-2 1.三种状态 当 时 , 即 为定值时，随 动态点A将 沿线间右移 。

图2-2-2 改变 对 脉冲波的影响

其中 为由放大区 饱和区的临界点。 时， 管子处于放大区，相应地值为脉冲电流的峰值， 且随 略 ； 管子进入饱和 区 ， 出现凹陷，且随 而加深。 ①动态点处于放大区，称为欠压状态， 为接近余弦的脉冲。 ②处于饱和区时称为过压状态， 中间凹陷。 ③处于放大与饱和临界电时称为临界状态。

2．出现凹陷的原因 完全是由于集电极负载性质造成的，在理想情况下，谐振回路上只能产生基波余弦电压，因而当 向 增大时， 向 减小，对应的动态点先达到临界点E， 值最大，而后进入饱和区 值 ，出现凹陷，直到 点， 值最小。 3． 和 脉冲波形之间的关系。 ( 2-2-4a)

. (2-2-4b) 越宽，高度越高， 、 越大，若出现凹陷， 则凹陷越深， 、 越小。 2．2．3四个电压量对性能影响的定性讨论。 一．负载特性 负载特性是指 、 和 一定，放大器特性 随 变化的特性， 随 变化的波形。

如图2-2-3所示。P89 图2-2-3 1． , 随 变化的特性欠压区特性 近似线性增大， 2．过压区特性

且 比 减小的慢 3．临界状态特性 当 时，管子处于临界状态， 最大，较大， 较小，放大器接近最佳性能。

—谐振功率放大器的匹配负载。 （2-2-5） 如图2-2-4（a） 、 、 、 和 随 变 化的曲线如图2-2-4(b)所示 二．调制特性。 1.  集电极调制特性— 、 和 一定, 2.放大器性能随 变化的特性。

图2-2-5 、 一定，即 、 脉宽一定 的动态点在 线上移动，当 工作状态由欠压 过压 由余弦变为凹陷 波。在欠压状态 在过压态 ， 凹陷加深

2．基极调制特性— 、 、 一定，放大 器性能随 变化的特性。图2-2-6 一定， 自负向正值 且因为 放大器由欠压状态 过压态 脉宽 及 ，但凹陷加深 , , 缓慢 ，近似不变。

3．集电极调幅电路 图2-2-7(a) (b) p92

图2-2-7 集电极调幅电路 —输入高频载波电压，为角频率。 —调制信号电压，为调制角频率。 —谐振回路上的输出电压。 —等效集电极电源电压。 按 的规律变化 放大器必须在 的变化范围内工作在过压状态。 4．基级调幅电路 p92 图2-2-8(a) (b)

—等效集电极偏置电压。 放大器必须在 的变 化范围内工作在欠压状态。 三．放大特性 图2-2-9 p93 、 、 一定，放大器性能随 变 化的特性。 1.放大特性 固定 ，增大 和上述固定 ，增大 的情况类似，均使 脉宽 、

放大器由欠压 过压 出现凹陷，且 高度 ,宽度 ,凹陷加深。所以, 、 、 与基级调制特性类似。 图2-2-8 基级调幅电路

2.谐振功率放大器作为线性功率放大器。 图2-2-10 线性功率放大器(a)和振幅限幅器(b)的作用

3．功能：放大振幅按调制信号规律变化的调幅信号。 按 变化 放大器工作在欠 压状态。 丙类工作时， 及脉宽 放大特性上翘，产生失真，为使放大特性接近特性，采取方法： ①负反馈②乙类推挽电路③让 脉冲保持半个周期，仅 随 变化。

3．谐振功率放大器用作限幅器 图2-2-10(b) 功能：将振幅 在较大范围变化的输入信号 变换为振幅恒定的输出信号。 要求：放大器必须在 变化范围内工作在过压状态。或者说：输入信号的最小值应大于临界状态所对应的 值，常将其称为限幅 门限值。 四．四个特性在调试中的应用。 P94

2．2．4思考题： 11. 丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲 类功率放大器的负载特性有什么区别？为 什么会产生这些区别？动态特性的含义是 什么？ 2. 高频功率放大器的欠压、临界、过压状态是 如何区分的？各有什么特点？当 、 、 、 只改变其中一个元素时，功率放大器的 工作状态如何变化？

2-3谐振功率放大器 讨论谐振功率放大器的谐振电路，直流馈电电 路和滤波网络。 2．3．1直流馈电电路 一.集电极偏置电路 1．串馈—指直流电源 ，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。 P95 图2-3-1(a)

—高频扼流圈 、 —电源滤波电路 要求：在信号 上， 路， 短路。 目的：避免信号电流通过直流电源而产生极间 反馈，造成工作不稳定。 2.并馈—指直流电源 ，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 —高频扼流圈 —隔直流电容 —电源滤波电容

要求：在信号 上，（ ） ，接近短路， ，接近开路。 3．两种电路特点分析： ①功率管直流通路相同 ②串馈中，滤波网络处于直流高电位上，其 元件不能直接接地。 ③ 并馈中，由于 隔直流作用，滤波网络 处于直流地电位上，其元件可直接接地， 比串馈安装方便，但 、 并接于滤波 网络，它们的分布参数影响网络的调谐。

二．基极偏置 图2-3-2 1. 图(a)基级偏置电压由 经 、 分压提供其值小于功率管的导通电压，使之丙类工作。 2. 图(b) 自给偏置电路。偏置电压由基级电流脉冲 中的平均分量 在电阻 上产生的直流电压提供。 用来避免 、 对输入滤波匹配网络的旁路影响。 3. 图(c)自给偏置电路， 为功率管基级电路提供直流通路。

注意：在丙类工作时， 随输入信号电压振幅 的大小而变化。加到BE间的直流偏置电压也 随 大小而变化，当未加输入信号时，除(a) 可提供静态其始直流偏置 ，(b) (c)偏置均为零。 当 由小增大时， 向直流负值方 向 。 因为 或 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。放大等幅信号有稳幅作用,

放大调幅信号会产生失真。 2．3．2滤波匹配网络 一．技术要求 图2-3-3 p96 1.阻抗变换器性质—将负载 变换为放大管所需要的负载 ，以保证功率管输出高效率。 2.滤波特性—充分滤除不需要的高次分量，以保证 外接上获得所需基波功率（或倍频功率） 谐波抑制度 （2-3-1）

—n次谐波功率， —基波功率 越小对n次谐波的抑制能力越强，常用 表示滤波能力。 3.传输效率—将功率管给出的信号功率 高效率地传送到外界负载上，即要求网络的传输效率 二．谐波抑制度和传输效率要求的矛盾性。

在实际滤波网络中，谐波抑制度和传输效率的要求往往是矛盾的，提高 就会牺牲 ，反之亦然。 在谐振功率放大器中，为了有较高的传输效率，回路的有载品质因数都较小，一般 。 三、匹配网络的阻抗变换特性。 滤波匹配网络（FMN）有简单的L型， 等由

三个电抗元件组成的， 、 型以及多级混合网络。还有双调谐耦合回路构成的。还有双调谐耦合回路构成的FHN。 设滤波匹配网络的固有损耗电阻为零， 即 ，外接负载电阻为 ，要求与 、 的串接或并接阻抗相匹配。 为功率管的分布电容。图2-3-5 p97 1．串、并联阻抗变换关系。 图2-3-6

1）串 并 (2-3-2a) (2-3-2b) 2)并 串 (2-3-3a)

. (2-3-3b) (2-3-4) 一般 为取顶值。

2．例题 例1:图2-3-7(a)所示为型滤波匹配网络，要求 与 和串接阻抗匹配，试求各元件表达式。图2-3-7 p99 解：分解过程如图(b)(c)(d) 注： 而

所以加负号， 令 与 并联谐振。 令

所以，

结论： 式中 设网络 适用于的匹配要求？

2．3．3谐振功率放大器电路 3．常用滤波匹配网络的结构元件表达式。P101 表2-3-1 1.图2-3-9 50MHz谐振功率放大电路 性能：外接负载50 ，提供70W功率，功率增 益达11dB。 T—功率管，采用基级自给偏置，由 产生 偏置电压。

、 、 和 组成 T 型，L型丙级混合网络，作为输入滤波匹配网络， 调节 、 使 前级要求的50 匹配网络。 集电极采用并馈电路， 高频振流圈， 、 为电源滤波电容。 、 、 、 和 组成T型两级混合网络。

调节 、 、 使50 外接负载在工作f上，变换为放大器所要求的匹配电阻。 2．图2-3-10 150MHz谐振功率放大器。

  性能：外接负载50 ，提供3W功率，功率增益达10dB。 T—负值自给偏压，由 产生负压。 —高频扼流圈。 —滤波电容，集电极采用并馈电路。 、 、 、 、 —电源滤波网络。 、 、 、 组成的T型网络，作为 引导输入端滤波匹配网络。

3．图2-3-11 400MHz场效应管谐振功率放大器。 图2-3-11 场效应管谐振功率放大器

性能：外接50 负载，提供15W功率，功率 增益达14dB效率54%。 栅级采用分压式偏置电路，漏极采用并馈电 路， 、 为高频扼流圈，放大器输入端采 用T型FMN，输入端采用 L、 型两级混合。 2-4高频功率放大器 若谐振功率放大器的工作频率在几十MHz~几 百MHz，称为高频或（射频）功率放大器。

高频工作时，功率管的特性已不能仅由静 态特性曲线表示，而必须考虑其间存在的非线 性电容特性，引线电感等分布参数以及大注入 效应等的影响。目前工程上广泛采用的是借助 功率管的大信号输入和输出的一种设计方法。

2．4．1高频功率管及其大信号输入和输出阻抗。 一. 高频功率管的结构。 P104图 2-4-1 图2-4-2 注：在器件手册中，指定用作线性功率放大器的高频功率管不宜丙类工作。否则，放大器达的功率增益将偏低。 二. 信号输入和输出阻抗—实测后。 P106 图2-4-3

测试方法： 1．定频率上且特定幅值的输入信号电压激励下，反复调节输入和输出，直到网络谐振，且达到匹配—即输出功率最大，效率最高。 2．将功率管和电源电压移去，并用50 电阻取代输入信号发生器，用网络现阻抗的共扼值称为功率管大信号输出阻抗；B点呈现阻抗的共扼值称为功率管大信号输入阻抗。可见，这两种阻抗是在共扼匹配意义上确定的，与小信号工作时，管子输入、输出阻抗含义截然不同。

注：器件手册中若仅给出功率管大信号输出阻 抗中的电抗分量，则与电抗分量并联电抗 分量可按（2-2-5）P90 估算确定。

2．4．2高频功率放大器设计 一．设计原则： 1.首先根据工作频率和输出功率等要求，选择 合适的高频功率管，并有器件手册或实测找到 功率管的输入输出阻抗。 2.根据谐波抑制度，回路传输效率和元件数值 可实现性等要求选择滤波匹配网络。并根据转 换的要求，确定网络个元件值。

3.选定馈电电路，安装高频功率放大器，进行反复调试，直到达到设计要求。 4.当单级放大器不能满足设计要求时，还必须根据输出功率、输入功率、效率等要求确定所需级数，分配各级增益，而后对每级放大器进行设计。 三．设计步骤： 1.确定组成方案： 主要是根据 的高低确定FMN的要求,取一个

值，由 ，据 得确定 几级功放。 2.选定器件和电路。 3.滤波匹配网络设计。 4.安装调试。