西北工业大学高频电子线路讲义

1、绪论0.1引言“高频电子线路”亦称“非线性电子线路” ，是“低频电子线路”（线性电子线路）的后续课程。非线性电子线路广泛应用于各类通信系统和各种电子设备中，成为不可或缺的重要组成部分。电子线路的产生和发展源自于通信的需要。概括地说，一切将信息从发送者传送到接收者的过程都可称为通信。实现这种信息传送过程的系统称为通信系统。可以通过不同的媒介传送信息， 例如，通过导线传送信息构成有线通信系统；通过电磁波传送信息构成无线通信系统；通过光波传送信息构成光通信系统等。通信系统的重要任务之一， 就是如何有效地利用有限的媒介资源传送更多的信息。例如有线电话通信系统， 从电话局端到本地用户电话端，是通过导线直

2、接传送的，每个用户通过各自的导线与电话局端相连，相互之间不会产生干扰。 即便如此，在当今的网络时代， 利用本地电话线连接互联网，就必须解决语音和网络信息同时传输而互不干扰的问题，如ADSL 接入系统； 而对于城市之间的远程通信，采用一对导线传送一路话音的方式无疑将耗费大量的线材，如何利用尽量少的导线传送尽可能多的话音，产生了载波通信系统。 无线通信系统遇到的问题更为复杂。除了上述有线通信系统需要解决的问题，还要考虑电磁波在自由空间的传播方式、 电磁波有效发射和接收的问题。无线传播对于航空、 航天以及地面移动设备的通信等几乎是无可替代的方式，具有十分重要的地位。根据电磁波的波长或频率范围的不同，

3、电磁波在自由空间的传播方式也不同。波长在 200m 以上，即频率在 1.5MHz 以下的中、长波段的电磁波主要沿着1地球表面传播（传输路径随地球表面可以弯曲），称为地波传播，如图0-1-1 (a)所示。更高频率的电磁波由于将被大地表面吸收产生损耗，因而不适于沿地面传播。波长为10m200m，即频率为1.5MHz 30MHz 的短波波段，电磁波主要依靠电离层的反射和折射传播，称为天波传播，如图0-1-1 (b)所示。电离层处在大气上层，由于太阳和星际空间的辐射引起大气电离而形成。但当频率超过一定值后，电磁波就会穿过电离层，不再返回地面。因此，频率更高的电磁波不能依靠电离层进行地面通信传播。对应波

4、长在10m 以下，即频率在 30MHz 以上的超短波段，电磁波主要沿空间直线传播，称为直线传播，如图0-1-1(c)所示。由于地球表面的弯曲， 这种传播的距离只能限制在视线范围内。三种传播方式中， 依靠天波方式的传播距离最长， 直线传播距离最短，而地波传播距离介于二者之间。常见的中波调幅广播利用地波传播，短波广播利用电离层传播， 而电视广播主要是直线传播。当然卫星通信和导航等都是直线传播。表0-1 给出了不同波段的传播方式和应用场合。 可见，利用电磁波进行无线通信， 必须根据不同的应用需要选择合适的电波波段，即工作频率。2图 0-1-1 无线电波的传播方式表 0-1 无线电波的波段划分表波段名

5、称波长范围频率范围波段名称长波波段低频10010000m30 300KHz(LW)(LF)中波波段中频100 1000m 300 3000KHz(MW)(MF)短波波段高频10 100m3 30MHz(SW)(HF)超短波段甚高频1 10m30 300MHz(VSW)(YHF)分米波波段超高频10 1000cm 300 3000MHz(USW)(UHF)厘米波波段特高频1 10cm3 30GHz(SSW)(SHF)毫米波波段极高频1 10mm30 300GHz(ESW)(EHF)传播方式应用场合地波远距离通信广播，通信，地波，天波导航广播，地波，天波中距离通信移动通信， 电视广播，直线传播调频

6、广播，雷达，导对流层散射航等通信，中继通信，直线传播卫星通信， 电视广播，散射传播雷达中继通信，雷达，直线传播卫星通信直线传播微波通信，雷达电磁波需要通过天线进行发射和接收。并且，只有当馈送到天线上的电信号波长与天线的尺寸相比拟时， 即信号波长与天线尺寸满足一定的匹配要求时，天3线才能有效地辐射和接收电磁波。因此，不同频率的电磁波要求的天线尺寸是不相同的。一般来说， 所要传送的信息频谱集中分布在低频区，如语音信息的频谱范围约为 3003KHz ，对应波长约为 100Km1000Km，若直接转换成电磁波辐射和接收，需要上百公里长度的天线，实际上是不可能实现的。因此，要通过电磁波媒介无线传播， 就

7、必须采用实际可能实现的较小尺寸的天线，则相对应的辐射频率将远高于语音的频率。 这就产生了相对立的结果： 低频率的语音不能直接通过电磁波有效辐射和接收， 而能够有效辐射和接收的信号频率又远高于需要传送的语音频率。 要利用电磁波进行无线通信， 就必须解决如何通过更高的频率信号传送较低频率语音的问题。上述问题都与频率相关， 即涉及到频谱资源的利用问题。综合起来可归纳为以下三个方面：1、语音频谱的宽度有限，如何利用更宽的频谱传送更多的信息？2、语音频谱分布在低频区，如何利用更高的频率传送低频信息？3、语音信号自然产生，如何产生更高频率的电信号？第一个方面的问题可如图0-1-2 (a)所示来说明。 语音

8、信号的频谱集中分布在低频区并且是有限的。 利用更宽的频谱传送更多的信号，就是在更宽的频谱范围划分出多个语音宽度的区域， 每个区域传送一路语音信号。 正如多个人都要通过一路语音通道通话， 只能按时间先后排队。 而扩展到更宽的频谱范围， 则可以通过多个语音通道同时通话， 对于有线通信系统， 就可以用单对导线同时传送更多的通话。然而，扩展频谱范围语音通道的语音频谱信息结构没有改变，但是所有频率分量的频率发生了改变。第二个方面的问题可如图0-1-2 (b)所示来说明。 根据不同的应用场合电磁波4传播方式的要求， 语音信号需要通过相应的更高频率传送；而传播过程中可能又需要采用不同的传播方式， 例如地波传

9、播转为天波传播， 因而更高频率之间也需要转换。在这种频率转换过程中， 语音信号的信息加载到了高频信号fc1 或 fc2 上，语音信号的频谱信息结构不变，但所有频率分量的频率也发生了改变。第三个方面是高频信号的产生问题。语音信号可以通过微音器（俗称话筒）将人发出的声波信号转换成电信号，但更高频率的电信号不能如语音信号那样自然产生，必须由电路自身产生。前两个方面问题都关系到已有信号频率的改变，而后一个方面问题是新频率信号的产生。 显然，不论是信号频率的改变还是频率信号的产生，其本质上都是有新的频率分量产生。 联想到线性失真和非线性失真的定义，产生新的频率分量正是电路非线性特性作用的结果。0Of0-

10、Lf0-Hf01n-1nf0-Lfff1-Hfff0-H1-Ln-Ln-HO(a) 语音通道的频率扩展50Of0-Lf0-HfOfC1fOfC2f(b) 语音信号的高频传输图 0-1-2 语音信号的频谱变换0.2非线性电子线路的作用各种电子器件都是非线性器件， 例如，二极管、双极性三极管和场效应管等，所以严格讲，包含电子器件的电子线路都是非线性电路。只有当满足一定性能指标要求，在信号足够小时才可近似为线性电子线路。线性电子线路主要用于对信号的线性放大和处理。 而如前所述，非线性电子线路则主要用于改变频率和产生信号，即频率的变换。 非线性电子线路的作用及在电子系统中的具体应用，可以中波调幅广播发

11、射机和接收机（收音机）为例进一步说明。图 0-2-1 是发射机的组成方框图。图中：振荡器就是产生新的频率信号的电路，通常用来产生频率为fosc 的正弦波信号，其频率一般在几十kHz 以上。高频放大器 由多级带有谐振系统的谐振放大器（包括倍频器） 组成，用来放大振荡器产生的振荡信号， 并使频率倍增到适合天线辐射和电磁波传播的载波频6率 fc 上，以提供足够大的载波功率传输到更远的距离。调制信号放大器 （又称低频信号放大器） 由线性放大器组成， 用来放大微音器变换来的语音电信号，并提供足够功率的调制信号。振幅调制器 被用来实现调幅功能， 即用语音电信号去改变输入的fc 高频载波信号的幅值，使高频载

12、波信号的幅值随语音信号的强弱线性变化，此过程称为幅度调制。经过幅度调制的载波信号，称为已调波或调幅波信号，随后被馈送到发射天线上去辐射电磁波。图 0-2-2 是接收机的组成方框图。图中：高频放大器 由谐振于载波频率fc 的小信号谐振放大器组成， 用来放大接收天线感生的高频调幅波信号。 由于要能接收不同载波频率的已调波信号，即收听不同频率的电台节目，高频放大器必须是可调谐的。混频器用来改变调幅波载波频率， 有二个输入信号， 一个是高频放大器送来的载波频率为fc 的调幅波信号，另一个是由本机振荡器产生的频率为fL 的正弦波，称为本振信号。二个频率信号在混频器作用下， 产生一个新的载波频率为fI =

13、 fL fc（或 fI= fc fL ）的调幅波信号。中间频率 fI（简称中频）为一固定值，我国调幅广播接收机中的中频为 465kHz。本机振荡器 用来产生频率为 fL = fcfI（或 fL = fcfI）的高频正弦波振荡信号。由于接收不同载波频率 fc 的需要，为维持中频 fI 为固定值，必须保证本振频率 fL随高频调幅波频率fc 同步变化，因而本机振荡频率fL 应该可调，正确跟踪 fc 频率。中频放大器 通常由多级固定调谐于中频fI 的小信号放大器组成， 用来进一步放大中频调幅波信号。7振幅检波器 实现解调功能，即将中频调幅波的幅度变化转换为反映语音信号的调制信号。低频放大器 由小信号放

14、大器和功率放大器组成， 用来放大解调出来的反映语音信息的调制信号，并向扬声器提供所需的推动功率。接收机中的混频器、 本机振荡器和中频放大器不是必须的组成部分，但包含这些部分的接收机性能更好， 不仅可以有效地提高接收微弱信号的能力，还可以通过多个频率的谐振系统提高从众多干扰中选取有用信号的能力。这种接收机也称为超外差式接收机，成为当前主流的高性能接收机模式。除了采用上述调幅方式的广播和通信系统外，还可以采用改变高频载波信号的频率或相位的调制方式， 即调频或调相方式的广播通信系统，所不同就是调制和解调电路的不同。 此外，对于目前迅猛发展的数字信号通信系统，如数字电视、手机移动通信、 互联网无线接入

15、等， 除了调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制外，接收机组成结构基本相同。因此，图0-2-1 和图 0-2-2 示意的中波广播发射机和接收机组成方框图，反映了广播和通信等系统的典型组成结构。其较为简单的频率变化关系， 可以从图中各功能模块的输入输出波形的变化直观地看到。图中发射调制前调制信号放大器和接收解调后的低频放大器，从本质上没有什么大的区别， 都是对反映语音信息的低频电信号的线性放大。如果不需要无线传播，原理上几乎两个低频放大器直接相连就可构成简单的语音放大器，其中只涉及到线性电子线路的作用。 但是要实现无线传播，就必须依靠其它的功能电路，如图中的振荡器（包括本机振荡器） 、倍频器、

16、振幅调制器、振幅检波器、混频器、谐振功率放大器、中频放大器、高频放大器等。除了后三种放大器外，其它8功能电路都产生了新的频率变化和产生，这无疑是非线性电子线路的作用。为了提高直流电源能量的有效利用， 谐振功率放大器通常也是利用放大器件的非线性状态工作。由此可见，与线性电子线路相比较， 非线性电子线路的作用更普遍，组成的各种类别的功能电路更多也更复杂，其应用范围也更广泛。作为课程学习来讲，其内容就包括上述的各种功能电路，学习难度和分析方法都与线性电子线路有较大的不同，这一点应该引起足够的重视。9fCfCfCfOSC高频谐振功率F振荡器放大器振幅放大器调制器(倍频器 )FF调制信号微音器放大器图

17、0-2-1中波调幅广播发射机组成方框图FF扬声器低频放大器FFfIFfIf Coot振幅中频混频器高频检波器放大器放大器fL本机振荡器发射天线接收天线图 0-2-2中波调幅广播接收机组成方框图0.3非线性电子线路的基本特点电子线路的性能特点取决于组成电路的各种电子器件的特性。各种晶体二极管、晶体三极管和场效应管等电子器件都是非线性器件，就在于其特性是非线性10的。例如，晶体二极管的PN 结、晶体三极管发射结的伏安特性是指数特性，场效应管的转移特性是平方率特性等。因此，包括这样的非线性器件组成的电路就是非线性电子线路。从数学的角度， 非线性特性可以用泰勒级数表示。因此，电子器件的伏安特性在静态工

18、作点Q 附近，一般地可展开表示为i f (VQ v)f (VQ )f (VQ )vf (VQ )v2f (n) (VQ )v na0a va2v 2anvn1式中VQ：器件两端所加直流静态工作点电压；v：器件两端所加交流信号电压；an：级数展开式各阶次项系数；f ( n) (VQ )ann!假设所加交流信号电压为一余弦波，即令v=Vmcost，则有一次项： a1 va1Vm cos t ；二次项： a2 v2a2(Vm cos t) 2 1 a2Vm2 (1 cos2 t) ；2如果所加交流信号电压为二个余弦波，即令v1=Vm1cos1t，v2=Vm2cos2t，故有 v= v1 + v2=

19、Vm1cos1t + Vm2cos2t，则一次项： a1 va1 (v1v2 )a1 (Vm1 cos1tVm2cos2t ) ；二次项： a2 v2a2 (v1v2 )2a2 (v12v222v1v2 )1 a2 Vm21 (1cos2 1 t)Vm22 (1cos22t) 2a2Vm1Vm2 cos 1t cos 2 t2111a2 Vm21 (1 cos21 t)Vm22 (1 cos22 t )2a2Vm1Vm2 cos(12 )tcos( 12 )t从结果中可以看到， 一次项不产生新的频率分量， 仅是所加信号本身涉及幅值的变换，而二次项将产生新的频率分量。当电子器件所加信号为单一频率

20、的余弦波时，二次项将产生该信号频率的二倍频率分量；当所加信号为二个不同频率的余弦波时，除将产生各自频率的二倍频率分量外，还将产生两个频率信号的相乘项，因而产生了两个频率的相加（和频）分量和相减（差频）分量。实际上对于二倍频率分量的产生， 也可以看成是两个相同频率信号的相乘。因此，非线性器件能产生新的频率分量， 本质上就是其中具有 相乘作用的结果，这是非线性电子线路具有频率变换作用的核心。当然，更高阶次的作用也会产生更多次的相乘。对于单一频率的余弦波信号，可以借此产生高阶次倍频的频率分量，如图发射机组成方框图中对振荡信号的倍频器。但对于二个或更多个频率的信号，高阶次项将产生更高阶次倍频以及相互间

21、复杂得多的和频和差频分量，将可能严重干扰电路的正常工作，成为必须避免和尽量消除的不利因素。因此，非线性电子线路与线性电子线路相比，其特性和影响的因素有很大的不同。主要体现在器件的电路参数和分析方法等方面，具体可归纳为：一、非线性器件参数的特点线性器件的电路参数是固定常数，如电阻、电容和电感值，不随加在器件两端的电压和流过的电流大小而改变，也不论是直流量还是交流量。 但是，非线性器件的电路参数就不具有这种不变性。以非i iQI QvOVQv 12线性电阻器件为例，其伏安特性如图0-3-1 所示。常用的有直流电导、交流电导和平均电导三种参数。1 直流电导：直流电导又称静态电导，是指伏安特性曲线上任

22、一点与原点之间连线（O-Q线）的斜率，用g0 表示为，g 0 QI QVQ显然，其值随 VQ（或 IQ）大小变化，是 VQ（或 IQ）的非线性函数。2 交流电导：交流电导又称增量电导或微变电导，是指伏安特性曲线上Q 点处的斜率或近似为该点出增量电流与增量电压的比值，用g 表示为g Qdiidvv Q显然，其值也是是VQ（或 IQ）的非线性函数。非线性器件的直流电导和交流电导是不相等的，这在线性电子线路的分析中采用的直流大信号电路模型和交流小信号等效模型体现出来。但是，在非线性电子线路中，会遇到VQ（或 IQ）是受周期性电压或电流控制的时间变量，这时交流电导 g 的数值也将随时间作周期性变化。i

23、i通常将这种电导称为时变增量电导。电路参数的时变性是非线性电子线路的特点之一。3 平均电导：平均电导是非线性电子线路O QI QOVQvtVmOvt13图 0-3-2大信号作用下的电流波形的又一特点。当器件两端加上余弦电压v=Vmcost 时，由于特性的非线性，流过器件的电流波形必然是非余弦的，如图0-3-2 所示。可用傅立叶级数将其分解为平均分量、基波分量及各次谐波分量之和，即iI 0I 1m costI 2m cos2t则平均电导定义为基波电流振幅与外加电压振幅的比值，用gav 表示为：gavQ,V mI 1mVm显然，其值是 VQ（或 IQ）和 Vm 的非线性函数。对于晶体三极管、 场效

24、应管， 除了以上三种非线性电阻外，还有体现放大能力的直流跨导、增量跨导和平均跨导。上述三种电导（或跨导）各有不同的应用场合，可根据实际需要选择。直流电导（或跨导）适用于直流分析，时变增量电导（或跨导）适用于频率变换电路分析，而平均电导（或跨导）适用于功率放大和振荡电路的分析。二、非线性电路作用的特点线性电子线路的分析中采用的叠加原理，在非线性电子线路分析中却不能采用。此外，由于非线性特性的作用，交流电压还可能产生直流电流分量，这就增加了电路分析上的困难。例如，在式所表示的非线性特性中， 如果器件两端所加的电压信号幅值很小，则可以忽略高次项的影响，近似为一次线性特性，即ia0+a1v。当 v=v

25、1 +v2时，则有ia0a1 (v1v2 )a0a1 v1a1v2其中， a0 代表直流电流分量；交流电流分量a1(v1 +v2)= a1v1+ a1v2，显然满足叠加14原理。并且，交流分量不产生额外的直流电流，这意味着电路中直流分量与交流分量互不相关。 因此，在对线性电子线路分析时，可以将静态直流电路和交流电路区分开来分析，并且对交流小信号采用线性等效电路，如混合型等效电路。但对于二次项非线性特性，则有a2 v2a2 (v1v2 ) 2a2 v12a2 v222a2 v1v2a2 v12a2v22显然不满足叠加原理。 另外，从式中可以看到， 交流余弦电压在二次项中还产生了额外的直流电流分量

26、，例如一个频率的余弦电压产生额外的直流电流分量为：1 a2Vm22二个频率的余弦电压产生额外的直流电流分量为：1 a2Vm211 a2Vm2222可见，交流电压可产生额外的直流电流分量，其值大小随交流信号的幅值变化。这些直流电流分量无疑将作用到直流电路中，从而影响静态工作点Q。而如前所述，非线性器件的三个电导（或跨导）都与VQ（或 I Q）有关。因此，非线性特性使得交流信号影响直流静态工作点，反过来又影响电路对交流信号自身的放大等作用。这就使得对非线性电子线路的分析，不仅不能简单照搬线性电路叠加原理，而且还要考虑复杂得多的各种因素的影响。三、非线性电路分析的特点由于非线性电子线路中各种因素的影

27、响，使得对电路的分析较之线性电子线路要复杂得多。 例如，分析直流通路和交流通路时，要考虑交流信号对直流工作点 Q 的影响；分析交流通路时，要考虑高频通路和低频通路；分析信号通路时，要考虑有用信号通路和干扰信号通路； 分析电路特性时，要考虑大信号和小信号；分析信号作用时，要考虑电路的时不变和时变特性等。在小信号条件范围内， 信号大小变化不影响电路的线性特性。 但在大信号条15件下，器件的参数随信号大小变化。因此，对于非线性电子线路，主要利用器件的伏安特性分析信号在大范围内变化时，信号波形的变化以及对电路各种性能的影响，即侧重于图解分析。线性电子线路主要是对信号的放大作用，考虑的是信号的幅值变换。

28、 而非线性电子线路则侧重于信号的频率或频域变换。0.4本课程的学习由于非线性电路的诸多复杂性，要精确地分析非线性电路响应特性，必须建立复杂的电路模型， 必须求解包括非线性代数方程和非线性微分方程，以及时变参数系数的线性微分方程。 除了可借助电子计算机进行近似数值分析外，在工程上几乎不可能也没有必要。 在实践和学习过程中， 往往采用近似的分析方法简化电路模型，获得具有实用意义的结果， 避免过分严格的数学求解。化繁为简是工程实践中常用的有效的分析方法。因此，在本课程的学习过程中， 应该重点理解各种功能电路的基本原理和基本电路组成结构， 其性能特点以及应用范围， 并通过实验环节积累实践经验增强感性认

29、识，加深对理论的理解。各种电路的功能，实际上是数学处理的电路实现。因此，在分析电路时，首先从数学关系上介绍电路功能的原理，由此引出基本电路的组成结构，然后讨论具体电路实现的原理、 性能特点等。由于实现特定功能的电路实例并不局限于一种，所以，学习重点应该放在对电路功能原理的理解、性能特点和应用范围。数学原理、电路工作原理，电路组成原理，电路性能特点。16第二章谐振功率放大器（ Resonate Power Amplifier ）线性电子线路中的放大器以纯电阻为负载。谐振放大电路的负载是谐振电路，例如 LC 并联谐振回路， 用来对载波信号或高频已调波信号进行放大。这些信号或是频率固定的正弦波信号（

30、如振荡器产生的信号）或是频谱宽度远小于载波频率的窄带信号（如高频已调波信号），通常也称为窄带放大器。谐振功率放大器就是用于功率放大的谐振放大电路，主要应用在无线电发射机中，对上述高频信号进行功率放大后，通过谐振滤波电路匹配馈送到发射天线。本章主要讨论丙类谐振功率放大器的工作原理、性能特点和电路特点以及基本电路组成。通过讨论工作原理，了解放大器的输出功率、效率等性能特点以及与电路工作状态的关系，了解滤波匹配电路的作用等。对其它类型的谐振功率放大器也作简要介绍。除此之外，还要讨论功率传输中的合成技术有关内容。2.1 谐振功率放大器的工作原理根据放大器件的工作状态不同，谐振功率放大器也可分为甲、乙、

31、丙、丁、戊或 A 、B、C、D、E 五种类型。甲（ A ）类谐振功率放大器效率太低很少使用。丙（ C）类和乙（ B）在原理上相近且使用广泛， 作为重点讨论。 丁（D）和戊（E）类是新近发展的技术也做简要介绍。2.1.1 丙类谐振功率放大器图 2-2-1 所示是谐振功率放大器的原理电路。17T+Cr+CLCrCLvc Lr ZLvo(t)Lrvb(t)_RLRLVBBVCC图 2-1-1谐振功率放大器原理电路图中， ZL 为外接负载（例如天线等） ，一般为阻抗性质，用CL 和 RL 的串联等效电路表示。 Lr 和 Cr 为匹配网络，与外接负载CL 和 RL 共同组成并联谐振回路。可以调节Lr 或

32、 Cr 使回路谐振在输入信号频率上。为了实现丙类工作，基极偏置电压 VBB应设置在功率管的截止区内，如图2-1-2 所示。i Ci Ci Ci c1i c2I C0VBBOvBEOtOvBEvCEVCCOtvCOtt图 2-1-2丙类谐振功率放大器集电极电流和电压波形为了便于直观地了解丙类谐振功率放大器的工作原理，暂时忽略基区宽度调制效应和功率管结电容的影响。假设输入信号电压vb(t)=Vbmcosst，则加在功放18管发射结上的电压为vBE=VBB+ Vbmcosst。由于 VBB 设置在截止区，所以功放管仅在余弦波的正半周且导通角小于180 的部分导通。因此，集电极的电流波形是一串周期重复

33、的的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期而不是完整的余弦波，如图 2-1-2 所示。可用傅立叶级数将该电流脉冲序列分解为平均分量、基波分量和二倍频及以上各次谐波分量之和，即iCI C0i c1ic2I C0I cm1 cos st I cm2 cos 2st由于集电极并联谐振回路作为负载，将其谐振频率调谐在输入信号频率fs上，则它对 iC 中的基波分量呈现的阻抗最大，表现为纯电阻性的谐振电阻。如果谐振回路的品质因数Q 值足够高，则谐振回路对iC 中的其它分量呈现的阻抗均很小。因此，可以近似认为回路上仅有由iC 基波分量产生的电压 vc，而平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略。这样，在谐振回路上得

34、到了与输入余弦波信号相同的不失真的信号电压。而在谐振回路中，实际负载RL 上得到不失真信号功率。在高 Q 值回路中，谐振电阻值近似为Re02 L2rLrRLCt RLC r C L为谐振回路总电容，1为回路谐振角频率。式中， C tC L0sLr CtC rQe0 Lr 为回路有载品质因数。可见，除了上述的滤波选频作用外，谐振回路RL还有阻抗变换作用，可将实际负载电阻RL 变换成谐振电阻Re。对于一定的 RL ，可以通过调节 Lr 和 Cr，在保持回路谐振在基波频率的同时，使Re 等于放大管所需的集电极负载值，从而实现阻抗匹配。19因此，谐振功率放大器中的谐振回路起到了选频和匹配的双重作用，是

35、这类放大电路的重要特点。正因为谐振回路的滤波选频作用，使得放大管可以非线性工作， 从而提高集电极效率。如图2-1-2 所示，放大管集电极消耗的平均功率为PC1i C vCE d t2可见，有效的积分区域是iC 的波形宽度，即放大管的导通时间。导通时间减小，集电极消耗的平均功率减小，因而效率提高。 但是，导通时间减小的同时将导致i C 中的基波分量幅值I cm1 相应减小，使得放大器的输出信号功率减小。为了在减小导通时间的同时维持输出信号功率不变，就必须增大集电极脉冲电流波形的高度。这可以从图2-1-2 中的 iC 电流的波形和集电极电压vCE 的波形之间的关系来解释。对应 iC 的峰值区域正是

36、vCE 电压值的最低区域，即放大管趋于饱和，因而较大的电流值与较低的电压值相乘，其乘积可以较小，其积分值也就小。所以，减小导通时间而增大集电极脉冲电流波形的高度，就是将iC 电流波形宽度集中到 vCE 电压最小的区域，从而降低放大管的消耗功率。实现减小电流与电压乘积这个目标从而提高集电极效率的方法有两种。其一，在丙类谐振功率放大器中， 提高基极偏置电压VBB 向负值方向增大同时加大输入信号的幅值Vbm，如图 2-1-3 所示。但是，这样加到发射结上的最大反向电压（ VBB- Vbm）就将迅速增大，有可能击穿功放管的发射结。因此，通过减小放大管导通时间来提高集电极效率的方法是受到实际限制的；其二

37、，可以采用开关工作的谐振功率放大器， 通常称为丁类和戊类谐振功率放大器。工作于开关状态，功率管饱和导通时vCE 电压最低（接近于零伏的饱和电压） ，此时即使 iC 电流较大，二者的乘积很小；功率管截止时vCE 电压最高（接近于电源电压） ，但此时20i C 电流为零，结果二者乘积也很小。理想的开关状态将使二者乘积为零，从而理想效率将达到 100%。i Ci Ci CmaxiCmaxV BB VBBOvBEOtOVbmV bm图 2-1-3集电极电流脉冲宽度随VBB 和 Vbm 变化示意图2.1.2丁类和戊类谐振功率放大器丁类（ Class D）谐振功率放大器的一种原理性电路及相应的波形如图2-

38、1-4所示。 T1 和 T2 为两个特性配对的同型功率管，分别由两个幅度相等极性相反的电压 vb1 和 vb2 控制饱和导通和截止关断。 vb1 和 vb2 电压由输入电压vi 通过变压器Tr 在两个匝数相同的次级绕组（注意同名端的区别）上产生。当输入激励电压vi 为固定频率的余弦波，并且幅值足够大，以保证使vi 正半周时 T1 管饱和导通，T2 管截止关断； vi 负半周时 T2 管饱和导通， T1 管截止关断。则在此电压作用下，图中 A 点对地电压 vA 当 T1 管饱和导通时为（ VCC VCE(sat)），导通电流为 iC1；T2管饱和导通时为VCE(sat)（VCE(sat)是 T1

39、 和 T2 管的饱和压降），导通电流为 i C2。因此，合成的 vA 电压是幅值为（ VCC 2VCE(sat)）的矩形方波电压，该电压加到由L、 C21和 RL 组成的串联谐振回路上。若谐振回路 Q 值足够高，且调谐在输入电压信号频率上，则可近似认为通过回路的电流 iL 也是与输入信号频率相同的余弦波， 在负载 RL 上获得不失真的输出信号功率。也可看成是，谐振回路的滤波选频作用仅对方波电压 vA 中的基波频率分量谐振，串联谐振电阻最小，因而在负载RL 上产生基频分量电流 iL 。实际上，电流 iL 是由 T1 和 T2 管轮流导通时的电流合成的，所以，两管导通电流 i C1 和 iC2 均

40、为半个余弦波。图中可见，管子导通时流过集电极电流，但对应的管压降仅为饱和电压， 所以管耗很小， 放大器的效率也就很高（一般可达到 90%以上）。i C1CCVCC +T 1vib1-AL+Lvii+C2C-+T 2 vARLvLb2v- -(a)22viVImOtvAVCCVCC 2VCE(sat)VCE(sat)OtiC1iCmaxOtiC2iCmaxOtvLVLmOt(b)图 2-1-4丁类谐振功率放大器的原理电路和波形实际电路中，由于晶体管的结电容和电路分布电容等因素的影响，管子从导通到截止或从截止到导通都需要经历一段过渡时间，因而vA 电压并不是理想的方波，而存在上升沿和下降沿，如图2-1-4(b)中 vA 波形上的虚线所示。所以，在过渡时间内管子的压降就不是饱和压降，将产生一定的管耗， 限制了丁类放大器的效率的提高。 进一步提高效率的措施， 是