西北工業(yè)大學高頻電子線路講義

1、緒論0.1 引言“高頻電子線路”亦稱“非線性電子線路”，是“低頻電子線路”（線性電子線路）的后續(xù)課程。非線性電子線路廣泛應用于各類通信系統(tǒng)和各種電子設(shè)備中，成為不可或缺的重要組成部分。電子線路的產(chǎn)生和發(fā)展源自于通信的需要。概括地說，一切將信息從發(fā)送者傳送到接收者的過程都可稱為通信。實現(xiàn)這種信息傳送過程的系統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^不同的媒介傳送信息，例如，通過導線傳送信息構(gòu)成有線通信系統(tǒng)；通過電磁波傳送信息構(gòu)成無線通信系統(tǒng)；通過光波傳送信息構(gòu)成光通信系統(tǒng)等。通信系統(tǒng)的重要任務之一，就是如何有效地利用有限的媒介資源傳送更多的信息。例如有線電話通信系統(tǒng)，從電話局端到本地用戶電話端，是通過導線直接傳送

2、的，每個用戶通過各自的導線與電話局端相連，相互之間不會產(chǎn)生干擾。即便如此，在當今的網(wǎng)絡(luò)時代，利用本地電話線連接互聯(lián)網(wǎng)，就必須解決語音和網(wǎng)絡(luò)信息同時傳輸而互不干擾的問題，如ADSL接入系統(tǒng)；而對于城市之間的遠程通信，采用一對導線傳送一路話音的方式無疑將耗費大量的線材，如何利用盡量少的導線傳送盡可能多的話音，產(chǎn)生了載波通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)遇到的問題更為復雜。除了上述有線通信系統(tǒng)需要解決的問題，還要考慮電磁波在自由空間的傳播方式、電磁波有效發(fā)射和接收的問題。無線傳播對于航空、航天以及地面移動設(shè)備的通信等幾乎是無可替代的方式，具有十分重要的地位。根據(jù)電磁波的波長或頻率范圍的不同，電磁波在自由空間的傳

3、播方式也不同。波長在200m以上，即頻率在1.5MHz以下的中、長波段的電磁波主要沿著地球表面?zhèn)鞑ィ▊鬏斅窂诫S地球表面可以彎曲），稱為地波傳播，如圖0-1-1 (a)所示。更高頻率的電磁波由于將被大地表面吸收產(chǎn)生損耗，因而不適于沿地面?zhèn)鞑ァ２ㄩL為10m200m，即頻率為1.5MHz30MHz的短波波段，電磁波主要依靠電離層的反射和折射傳播，稱為天波傳播，如圖0-1-1 (b)所示。電離層處在大氣上層，由于太陽和星際空間的輻射引起大氣電離而形成。但當頻率超過一定值后，電磁波就會穿過電離層，不再返回地面。因此，頻率更高的電磁波不能依靠電離層進行地面通信傳播。對應波長在10m以下，即頻率在30MHz

4、以上的超短波段，電磁波主要沿空間直線傳播，稱為直線傳播，如圖0-1-1(c)所示。由于地球表面的彎曲，這種傳播的距離只能限制在視線范圍內(nèi)。三種傳播方式中，依靠天波方式的傳播距離最長，直線傳播距離最短，而地波傳播距離介于二者之間。常見的中波調(diào)幅廣播利用地波傳播，短波廣播利用電離層傳播，而電視廣播主要是直線傳播。當然衛(wèi)星通信和導航等都是直線傳播。表0-1給出了不同波段的傳播方式和應用場合?？梢?，利用電磁波進行無線通信，必須根據(jù)不同的應用需要選擇合適的電波波段，即工作頻率。圖0-1-1 無線電波的傳播方式表0-1 無線電波的波段劃分表波段名稱波長范圍頻率范圍波段名稱傳播方式應用場合長波波段(LW)1

5、0010000m30300KHz低頻(LF)地波遠距離通信中波波段(MW)1001000m3003000KHz中頻(MF)地波，天波廣播，通信，導航短波波段(SW)10100m330MHz高頻(HF)地波，天波廣播，中距離通信超短波段(VSW)110m30300MHz甚高頻(YHF)直線傳播對流層散射移動通信，電視廣播，調(diào)頻廣播，雷達，導航等分米波波段(USW)101000cm3003000MHz超高頻(UHF)直線傳播散射傳播通信，中繼通信，衛(wèi)星通信，電視廣播，雷達厘米波波段(SSW)110cm330GHz特高頻(SHF)直線傳播中繼通信，雷達，衛(wèi)星通信毫米波波段(ESW)110mm3030

6、0GHz極高頻(EHF)直線傳播微波通信，雷達電磁波需要通過天線進行發(fā)射和接收。并且，只有當饋送到天線上的電信號波長與天線的尺寸相比擬時，即信號波長與天線尺寸滿足一定的匹配要求時，天線才能有效地輻射和接收電磁波。因此，不同頻率的電磁波要求的天線尺寸是不相同的。一般來說，所要傳送的信息頻譜集中分布在低頻區(qū)，如語音信息的頻譜范圍約為3003KHz，對應波長約為100Km1000Km，若直接轉(zhuǎn)換成電磁波輻射和接收，需要上百公里長度的天線，實際上是不可能實現(xiàn)的。因此，要通過電磁波媒介無線傳播，就必須采用實際可能實現(xiàn)的較小尺寸的天線，則相對應的輻射頻率將遠高于語音的頻率。這就產(chǎn)生了相對立的結(jié)果：低頻率的

7、語音不能直接通過電磁波有效輻射和接收，而能夠有效輻射和接收的信號頻率又遠高于需要傳送的語音頻率。要利用電磁波進行無線通信，就必須解決如何通過更高的頻率信號傳送較低頻率語音的問題。上述問題都與頻率相關(guān)，即涉及到頻譜資源的利用問題。綜合起來可歸納為以下三個方面：1、語音頻譜的寬度有限，如何利用更寬的頻譜傳送更多的信息？2、語音頻譜分布在低頻區(qū)，如何利用更高的頻率傳送低頻信息？3、語音信號自然產(chǎn)生，如何產(chǎn)生更高頻率的電信號？第一個方面的問題可如圖0-1-2 (a)所示來說明。語音信號的頻譜集中分布在低頻區(qū)并且是有限的。利用更寬的頻譜傳送更多的信號，就是在更寬的頻譜范圍劃分出多個語音寬度的區(qū)域，每個區(qū)

8、域傳送一路語音信號。正如多個人都要通過一路語音通道通話，只能按時間先后排隊。而擴展到更寬的頻譜范圍，則可以通過多個語音通道同時通話，對于有線通信系統(tǒng)，就可以用單對導線同時傳送更多的通話。然而，擴展頻譜范圍語音通道的語音頻譜信息結(jié)構(gòu)沒有改變，但是所有頻率分量的頻率發(fā)生了改變。第二個方面的問題可如圖0-1-2 (b)所示來說明。根據(jù)不同的應用場合電磁波傳播方式的要求，語音信號需要通過相應的更高頻率傳送；而傳播過程中可能又需要采用不同的傳播方式，例如地波傳播轉(zhuǎn)為天波傳播，因而更高頻率之間也需要轉(zhuǎn)換。在這種頻率轉(zhuǎn)換過程中，語音信號的信息加載到了高頻信號fc1或fc2上，語音信號的頻譜信息結(jié)構(gòu)不變，但所

9、有頻率分量的頻率也發(fā)生了改變。第三個方面是高頻信號的產(chǎn)生問題。語音信號可以通過微音器（俗稱話筒）將人發(fā)出的聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，但更高頻率的電信號不能如語音信號那樣自然產(chǎn)生，必須由電路自身產(chǎn)生。前兩個方面問題都關(guān)系到已有信號頻率的改變，而后一個方面問題是新頻率信號的產(chǎn)生。顯然，不論是信號頻率的改變還是頻率信號的產(chǎn)生，其本質(zhì)上都是有新的頻率分量產(chǎn)生。聯(lián)想到線性失真和非線性失真的定義，產(chǎn)生新的頻率分量正是電路非線性特性作用的結(jié)果。0fn-Hfn-Lf1-Hf1-Lf0-Lf0-Hf0-Hf0-Lf 01n-1nfOO(a) 語音通道的頻率擴展0f0-Hf0-LffOOfC1fOfC2(b) 語音信

10、號的高頻傳輸圖0-1-2 語音信號的頻譜變換0.2 非線性電子線路的作用各種電子器件都是非線性器件，例如，二極管、雙極性三極管和場效應管等，所以嚴格講，包含電子器件的電子線路都是非線性電路。只有當滿足一定性能指標要求，在信號足夠小時才可近似為線性電子線路。線性電子線路主要用于對信號的線性放大和處理。而如前所述，非線性電子線路則主要用于改變頻率和產(chǎn)生信號，即頻率的變換。非線性電子線路的作用及在電子系統(tǒng)中的具體應用，可以中波調(diào)幅廣播發(fā)射機和接收機（收音機）為例進一步說明。圖0-2-1是發(fā)射機的組成方框圖。圖中：振蕩器就是產(chǎn)生新的頻率信號的電路，通常用來產(chǎn)生頻率為fosc的正弦波信號，其頻率一般在幾

11、十kHz以上。高頻放大器由多級帶有諧振系統(tǒng)的諧振放大器（包括倍頻器）組成，用來放大振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號，并使頻率倍增到適合天線輻射和電磁波傳播的載波頻率fc上，以提供足夠大的載波功率傳輸?shù)礁h的距離。調(diào)制信號放大器（又稱低頻信號放大器）由線性放大器組成，用來放大微音器變換來的語音電信號，并提供足夠功率的調(diào)制信號。振幅調(diào)制器被用來實現(xiàn)調(diào)幅功能，即用語音電信號去改變輸入的fc高頻載波信號的幅值，使高頻載波信號的幅值隨語音信號的強弱線性變化，此過程稱為幅度調(diào)制。經(jīng)過幅度調(diào)制的載波信號，稱為已調(diào)波或調(diào)幅波信號，隨后被饋送到發(fā)射天線上去輻射電磁波。圖0-2-2是接收機的組成方框圖。圖中：高頻放大器由諧振

12、于載波頻率fc的小信號諧振放大器組成，用來放大接收天線感生的高頻調(diào)幅波信號。由于要能接收不同載波頻率的已調(diào)波信號，即收聽不同頻率的電臺節(jié)目，高頻放大器必須是可調(diào)諧的?；祛l器用來改變調(diào)幅波載波頻率，有二個輸入信號，一個是高頻放大器送來的載波頻率為fc的調(diào)幅波信號，另一個是由本機振蕩器產(chǎn)生的頻率為fL的正弦波，稱為本振信號。二個頻率信號在混頻器作用下，產(chǎn)生一個新的載波頻率為fI=fLfc（或fI= fcfL）的調(diào)幅波信號。中間頻率fI（簡稱中頻）為一固定值，我國調(diào)幅廣播接收機中的中頻為465kHz。本機振蕩器用來產(chǎn)生頻率為fL =fcfI（或fL = fcfI）的高頻正弦波振蕩信號。由于接收不同載

13、波頻率fc的需要，為維持中頻fI為固定值，必須保證本振頻率fL隨高頻調(diào)幅波頻率fc同步變化，因而本機振蕩頻率fL應該可調(diào)，正確跟蹤fc頻率。中頻放大器通常由多級固定調(diào)諧于中頻fI的小信號放大器組成，用來進一步放大中頻調(diào)幅波信號。振幅檢波器實現(xiàn)解調(diào)功能，即將中頻調(diào)幅波的幅度變化轉(zhuǎn)換為反映語音信號的調(diào)制信號。低頻放大器由小信號放大器和功率放大器組成，用來放大解調(diào)出來的反映語音信息的調(diào)制信號，并向揚聲器提供所需的推動功率。接收機中的混頻器、本機振蕩器和中頻放大器不是必須的組成部分，但包含這些部分的接收機性能更好，不僅可以有效地提高接收微弱信號的能力，還可以通過多個頻率的諧振系統(tǒng)提高從眾多干擾中選取有

14、用信號的能力。這種接收機也稱為超外差式接收機，成為當前主流的高性能接收機模式。除了采用上述調(diào)幅方式的廣播和通信系統(tǒng)外，還可以采用改變高頻載波信號的頻率或相位的調(diào)制方式，即調(diào)頻或調(diào)相方式的廣播通信系統(tǒng)，所不同就是調(diào)制和解調(diào)電路的不同。此外，對于目前迅猛發(fā)展的數(shù)字信號通信系統(tǒng)，如數(shù)字電視、手機移動通信、互聯(lián)網(wǎng)無線接入等，除了調(diào)制信號為數(shù)字信號，相應的調(diào)制為數(shù)字調(diào)制外，接收機組成結(jié)構(gòu)基本相同。因此，圖0-2-1和圖0-2-2示意的中波廣播發(fā)射機和接收機組成方框圖，反映了廣播和通信等系統(tǒng)的典型組成結(jié)構(gòu)。其較為簡單的頻率變化關(guān)系，可以從圖中各功能模塊的輸入輸出波形的變化直觀地看到。圖中發(fā)射調(diào)制前調(diào)制信號

15、放大器和接收解調(diào)后的低頻放大器，從本質(zhì)上沒有什么大的區(qū)別，都是對反映語音信息的低頻電信號的線性放大。如果不需要無線傳播，原理上幾乎兩個低頻放大器直接相連就可構(gòu)成簡單的語音放大器，其中只涉及到線性電子線路的作用。但是要實現(xiàn)無線傳播，就必須依靠其它的功能電路，如圖中的振蕩器（包括本機振蕩器）、倍頻器、振幅調(diào)制器、振幅檢波器、混頻器、諧振功率放大器、中頻放大器、高頻放大器等。除了后三種放大器外，其它功能電路都產(chǎn)生了新的頻率變化和產(chǎn)生，這無疑是非線性電子線路的作用。為了提高直流電源能量的有效利用，諧振功率放大器通常也是利用放大器件的非線性狀態(tài)工作。由此可見，與線性電子線路相比較，非線性電子線路的作用更

16、普遍，組成的各種類別的功能電路更多也更復雜，其應用范圍也更廣泛。作為課程學習來講，其內(nèi)容就包括上述的各種功能電路，學習難度和分析方法都與線性電子線路有較大的不同，這一點應該引起足夠的重視。振蕩器高頻放大器(倍頻器)諧振功率放大器振幅調(diào)制器微音器調(diào)制信號放大器中頻放大器混頻器高頻放大器揚聲器本機振蕩器低頻放大器振幅檢波器發(fā)射天線接收天線FFfOSCfCfCfCFfLtoofCFfIFFFfIF圖0-2-1 中波調(diào)幅廣播發(fā)射機組成方框圖圖0-2-2 中波調(diào)幅廣播接收機組成方框圖0.3 非線性電子線路的基本特點電子線路的性能特點取決于組成電路的各種電子器件的特性。各種晶體二極管、晶體三極管和場效應管

17、等電子器件都是非線性器件，就在于其特性是非線性的。例如，晶體二極管的PN結(jié)、晶體三極管發(fā)射結(jié)的伏安特性是指數(shù)特性，場效應管的轉(zhuǎn)移特性是平方率特性等。因此，包括這樣的非線性器件組成的電路就是非線性電子線路。從數(shù)學的角度，非線性特性可以用泰勒級數(shù)表示。因此，電子器件的伏安特性在靜態(tài)工作點Q附近，一般地可展開表示為式中VQ：器件兩端所加直流靜態(tài)工作點電壓；v：器件兩端所加交流信號電壓；an：級數(shù)展開式各階次項系數(shù)；假設(shè)所加交流信號電壓為一余弦波，即令v=Vmcost，則有一次項：；二次項：；如果所加交流信號電壓為二個余弦波，即令v1=Vm1cos1t，v2=Vm2cos2t，故有v= v1+ v2=

18、 Vm1cos1t + Vm2cos2t，則一次項：；二次項： 從結(jié)果中可以看到，一次項不產(chǎn)生新的頻率分量，僅是所加信號本身涉及幅值的變換，而二次項將產(chǎn)生新的頻率分量。當電子器件所加信號為單一頻率的余弦波時，二次項將產(chǎn)生該信號頻率的二倍頻率分量；當所加信號為二個不同頻率的余弦波時，除將產(chǎn)生各自頻率的二倍頻率分量外，還將產(chǎn)生兩個頻率信號的相乘項，因而產(chǎn)生了兩個頻率的相加（和頻）分量和相減（差頻）分量。實際上對于二倍頻率分量的產(chǎn)生，也可以看成是兩個相同頻率信號的相乘。因此，非線性器件能產(chǎn)生新的頻率分量，本質(zhì)上就是其中具有相乘作用的結(jié)果，這是非線性電子線路具有頻率變換作用的核心。當然，更高階次的作用

19、也會產(chǎn)生更多次的相乘。對于單一頻率的余弦波信號，可以借此產(chǎn)生高階次倍頻的頻率分量，如圖 發(fā)射機組成方框圖中對振蕩信號的倍頻器。但對于二個或更多個頻率的信號，高階次項將產(chǎn)生更高階次倍頻以及相互間復雜得多的和頻和差頻分量，將可能嚴重干擾電路的正常工作，成為必須避免和盡量消除的不利因素。因此，非線性電子線路與線性電子線路相比，其特性和影響的因素有很大的不同。主要體現(xiàn)在器件的電路參數(shù)和分析方法等方面，具體可歸納為：一、非線性器件參數(shù)的特點IQVQivviOQ圖0-3-1 g0和g的定義線性器件的電路參數(shù)是固定常數(shù)，如電阻、電容和電感值，不隨加在器件兩端的電壓和流過的電流大小而改變，也不論是直流量還是交

20、流量。但是，非線性器件的電路參數(shù)就不具有這種不變性。以非線性電阻器件為例，其伏安特性如圖0-3-1所示。常用的有直流電導、交流電導和平均電導三種參數(shù)。1 直流電導：直流電導又稱靜態(tài)電導，是指伏安特性曲線上任一點與原點之間連線（O-Q線）的斜率，用g0表示為，顯然，其值隨VQ（或IQ）大小變化，是VQ（或IQ）的非線性函數(shù)。2 交流電導：交流電導又稱增量電導或微變電導，是指伏安特性曲線上Q點處的斜率或近似為該點出增量電流與增量電壓的比值，用g表示為顯然，其值也是是VQ（或IQ）的非線性函數(shù)。非線性器件的直流電導和交流電導是不相等的，這在線性電子線路的分析中采用的直流大信號電路模型和交流小信號等效

21、模型體現(xiàn)出來。但是，在非線性電子線路中，會遇到VQ（或IQ）是受周期性電壓或電流控制的時間變量，這時交流電導g的數(shù)值也將隨時間作周期性變化。IQVQviOQiOOVmvtt圖0-3-2 大信號作用下的電流波形通常將這種電導稱為時變增量電導。電路參數(shù)的時變性是非線性電子線路的特點之一。3 平均電導：平均電導是非線性電子線路的又一特點。當器件兩端加上余弦電壓v=Vmcost時，由于特性的非線性，流過器件的電流波形必然是非余弦的，如圖0-3-2所示。可用傅立葉級數(shù)將其分解為平均分量、基波分量及各次諧波分量之和，即則平均電導定義為基波電流振幅與外加電壓振幅的比值，用gav表示為：顯然，其值是VQ（或I

22、Q）和Vm的非線性函數(shù)。對于晶體三極管、場效應管，除了以上三種非線性電阻外，還有體現(xiàn)放大能力的直流跨導、增量跨導和平均跨導。上述三種電導（或跨導）各有不同的應用場合，可根據(jù)實際需要選擇。直流電導（或跨導）適用于直流分析，時變增量電導（或跨導）適用于頻率變換電路分析，而平均電導（或跨導）適用于功率放大和振蕩電路的分析。二、非線性電路作用的特點線性電子線路的分析中采用的疊加原理，在非線性電子線路分析中卻不能采用。此外，由于非線性特性的作用，交流電壓還可能產(chǎn)生直流電流分量，這就增加了電路分析上的困難。例如，在式 所表示的非線性特性中，如果器件兩端所加的電壓信號幅值很小，則可以忽略高次項的影響，近似為

23、一次線性特性，即ia0+a1v。當v=v1+v2時，則有其中，a0代表直流電流分量；交流電流分量a1(v1+v2)= a1v1+ a1v2，顯然滿足疊加原理。并且，交流分量不產(chǎn)生額外的直流電流，這意味著電路中直流分量與交流分量互不相關(guān)。因此，在對線性電子線路分析時，可以將靜態(tài)直流電路和交流電路區(qū)分開來分析，并且對交流小信號采用線性等效電路，如混合型等效電路。但對于二次項非線性特性，則有顯然不滿足疊加原理。另外，從式 中可以看到，交流余弦電壓在二次項中還產(chǎn)生了額外的直流電流分量，例如一個頻率的余弦電壓產(chǎn)生額外的直流電流分量為：二個頻率的余弦電壓產(chǎn)生額外的直流電流分量為：可見，交流電壓可產(chǎn)生額外的

24、直流電流分量，其值大小隨交流信號的幅值變化。這些直流電流分量無疑將作用到直流電路中，從而影響靜態(tài)工作點Q。而如前所述，非線性器件的三個電導（或跨導）都與VQ（或IQ）有關(guān)。因此，非線性特性使得交流信號影響直流靜態(tài)工作點，反過來又影響電路對交流信號自身的放大等作用。這就使得對非線性電子線路的分析，不僅不能簡單照搬線性電路疊加原理，而且還要考慮復雜得多的各種因素的影響。三、非線性電路分析的特點由于非線性電子線路中各種因素的影響，使得對電路的分析較之線性電子線路要復雜得多。例如，分析直流通路和交流通路時，要考慮交流信號對直流工作點Q的影響；分析交流通路時，要考慮高頻通路和低頻通路；分析信號通路時，要

25、考慮有用信號通路和干擾信號通路；分析電路特性時，要考慮大信號和小信號；分析信號作用時，要考慮電路的時不變和時變特性等。在小信號條件范圍內(nèi)，信號大小變化不影響電路的線性特性。但在大信號條件下，器件的參數(shù)隨信號大小變化。因此，對于非線性電子線路，主要利用器件的伏安特性分析信號在大范圍內(nèi)變化時，信號波形的變化以及對電路各種性能的影響，即側(cè)重于圖解分析。線性電子線路主要是對信號的放大作用，考慮的是信號的幅值變換。而非線性電子線路則側(cè)重于信號的頻率或頻域變換。0.4 本課程的學習由于非線性電路的諸多復雜性，要精確地分析非線性電路響應特性，必須建立復雜的電路模型，必須求解包括非線性代數(shù)方程和非線性微分方程

26、，以及時變參數(shù)系數(shù)的線性微分方程。除了可借助電子計算機進行近似數(shù)值分析外，在工程上幾乎不可能也沒有必要。在實踐和學習過程中，往往采用近似的分析方法簡化電路模型，獲得具有實用意義的結(jié)果，避免過分嚴格的數(shù)學求解?；睘楹喪枪こ虒嵺`中常用的有效的分析方法。因此，在本課程的學習過程中，應該重點理解各種功能電路的基本原理和基本電路組成結(jié)構(gòu)，其性能特點以及應用范圍，并通過實驗環(huán)節(jié)積累實踐經(jīng)驗增強感性認識，加深對理論的理解。各種電路的功能，實際上是數(shù)學處理的電路實現(xiàn)。因此，在分析電路時，首先從數(shù)學關(guān)系上介紹電路功能的原理，由此引出基本電路的組成結(jié)構(gòu)，然后討論具體電路實現(xiàn)的原理、性能特點等。由于實現(xiàn)特定功能的

27、電路實例并不局限于一種，所以，學習重點應該放在對電路功能原理的理解、性能特點和應用范圍。數(shù)學原理、電路工作原理，電路組成原理，電路性能特點。第二章 諧振功率放大器（Resonate Power Amplifier）線性電子線路中的放大器以純電阻為負載。諧振放大電路的負載是諧振電路，例如LC并聯(lián)諧振回路，用來對載波信號或高頻已調(diào)波信號進行放大。這些信號或是頻率固定的正弦波信號（如振蕩器產(chǎn)生的信號）或是頻譜寬度遠小于載波頻率的窄帶信號（如高頻已調(diào)波信號），通常也稱為窄帶放大器。諧振功率放大器就是用于功率放大的諧振放大電路，主要應用在無線電發(fā)射機中，對上述高頻信號進行功率放大后，通過諧振濾波電路匹配

28、饋送到發(fā)射天線。本章主要討論丙類諧振功率放大器的工作原理、性能特點和電路特點以及基本電路組成。通過討論工作原理，了解放大器的輸出功率、效率等性能特點以及與電路工作狀態(tài)的關(guān)系，了解濾波匹配電路的作用等。對其它類型的諧振功率放大器也作簡要介紹。除此之外，還要討論功率傳輸中的合成技術(shù)有關(guān)內(nèi)容。2.1 諧振功率放大器的工作原理根據(jù)放大器件的工作狀態(tài)不同，諧振功率放大器也可分為甲、乙、丙、丁、戊或A、B、C、D、E五種類型。甲（A）類諧振功率放大器效率太低很少使用。丙（C）類和乙（B）在原理上相近且使用廣泛，作為重點討論。丁（D）和戊（E）類是新近發(fā)展的技術(shù)也做簡要介紹。2.1.1 丙類諧振功率放大器圖

29、2-2-1所示是諧振功率放大器的原理電路。VBBVCCvb(t)+vo(t)_+vc_ZLTCrLrCLRLLrCrCLRL圖2-1-1 諧振功率放大器原理電路圖中，ZL為外接負載（例如天線等），一般為阻抗性質(zhì)，用CL和RL的串聯(lián)等效電路表示。Lr和Cr為匹配網(wǎng)絡(luò)，與外接負載CL和RL共同組成并聯(lián)諧振回路?？梢哉{(diào)節(jié)Lr或Cr使回路諧振在輸入信號頻率上。為了實現(xiàn)丙類工作，基極偏置電壓VBB應設(shè)置在功率管的截止區(qū)內(nèi)，如圖2-1-2所示。iCiCOVBBOOvBEvBEvCEvCOOttttVCCic1ic2IC01iC圖2-1-2 丙類諧振功率放大器集電極電流和電壓波形為了便于直觀地了解丙類諧振功

30、率放大器的工作原理，暫時忽略基區(qū)寬度調(diào)制效應和功率管結(jié)電容的影響。假設(shè)輸入信號電壓vb(t)=Vbmcosst，則加在功放管發(fā)射結(jié)上的電壓為vBE=VBB+ Vbmcosst。由于VBB設(shè)置在截止區(qū)，所以功放管僅在余弦波的正半周且導通角小于180的部分導通。因此，集電極的電流波形是一串周期重復的的脈沖序列，脈沖寬度小于半個周期而不是完整的余弦波，如圖2-1-2所示?？捎酶盗⑷~級數(shù)將該電流脈沖序列分解為平均分量、基波分量和二倍頻及以上各次諧波分量之和，即由于集電極并聯(lián)諧振回路作為負載，將其諧振頻率調(diào)諧在輸入信號頻率fs上，則它對iC中的基波分量呈現(xiàn)的阻抗最大，表現(xiàn)為純電阻性的諧振電阻。如果諧振回

31、路的品質(zhì)因數(shù)Q值足夠高，則諧振回路對iC中的其它分量呈現(xiàn)的阻抗均很小。因此，可以近似認為回路上僅有由iC基波分量產(chǎn)生的電壓vc，而平均分量和各次諧波分量產(chǎn)生的電壓均可忽略。這樣，在諧振回路上得到了與輸入余弦波信號相同的不失真的信號電壓。而在諧振回路中，實際負載RL上得到不失真信號功率。在高Q值回路中，諧振電阻值近似為式中，為諧振回路總電容，為回路諧振角頻率。為回路有載品質(zhì)因數(shù)?？梢姡松鲜龅臑V波選頻作用外，諧振回路還有阻抗變換作用，可將實際負載電阻RL變換成諧振電阻Re。對于一定的RL，可以通過調(diào)節(jié)Lr和Cr，在保持回路諧振在基波頻率的同時，使Re等于放大管所需的集電極負載值，從而實現(xiàn)阻抗匹

32、配。 因此，諧振功率放大器中的諧振回路起到了選頻和匹配的雙重作用，是這類放大電路的重要特點。正因為諧振回路的濾波選頻作用，使得放大管可以非線性工作，從而提高集電極效率。如圖2-1-2所示，放大管集電極消耗的平均功率為可見，有效的積分區(qū)域是iC的波形寬度，即放大管的導通時間。導通時間減小，集電極消耗的平均功率減小，因而效率提高。但是，導通時間減小的同時將導致iC中的基波分量幅值Icm1相應減小，使得放大器的輸出信號功率減小。為了在減小導通時間的同時維持輸出信號功率不變，就必須增大集電極脈沖電流波形的高度。這可以從圖2-1-2中的iC電流的波形和集電極電壓vCE的波形之間的關(guān)系來解釋。對應iC的峰

33、值區(qū)域正是vCE電壓值的最低區(qū)域，即放大管趨于飽和，因而較大的電流值與較低的電壓值相乘，其乘積可以較小，其積分值也就小。所以，減小導通時間而增大集電極脈沖電流波形的高度，就是將iC電流波形寬度集中到vCE電壓最小的區(qū)域，從而降低放大管的消耗功率。實現(xiàn)減小電流與電壓乘積這個目標從而提高集電極效率的方法有兩種。其一，在丙類諧振功率放大器中，提高基極偏置電壓VBB向負值方向增大同時加大輸入信號的幅值Vbm，如圖2-1-3所示。但是，這樣加到發(fā)射結(jié)上的最大反向電壓（VBB-Vbm）就將迅速增大，有可能擊穿功放管的發(fā)射結(jié)。因此，通過減小放大管導通時間來提高集電極效率的方法是受到實際限制的；其二，可以采用

34、開關(guān)工作的諧振功率放大器，通常稱為丁類和戊類諧振功率放大器。工作于開關(guān)狀態(tài)，功率管飽和導通時vCE電壓最低（接近于零伏的飽和電壓），此時即使iC電流較大，二者的乘積很?。还β使芙刂箷rvCE電壓最高（接近于電源電壓），但此時iC電流為零，結(jié)果二者乘積也很小。理想的開關(guān)狀態(tài)將使二者乘積為零，從而理想效率將達到100%。iCiCOVBBOOvBEtVBBiCmaxiCmaxVbmVbm圖2-1-3 集電極電流脈沖寬度隨VBB和Vbm變化示意圖2.1.2 丁類和戊類諧振功率放大器丁類（Class D）諧振功率放大器的一種原理性電路及相應的波形如圖2-1-4所示。T1和T2為兩個特性配對的同型功率管，分

35、別由兩個幅度相等極性相反的電壓vb1和vb2控制飽和導通和截止關(guān)斷。vb1和vb2電壓由輸入電壓vi通過變壓器Tr在兩個匝數(shù)相同的次級繞組（注意同名端的區(qū)別）上產(chǎn)生。當輸入激勵電壓vi為固定頻率的余弦波，并且幅值足夠大，以保證使vi正半周時T1管飽和導通，T2管截止關(guān)斷；vi負半周時T2管飽和導通，T1管截止關(guān)斷。則在此電壓作用下，圖中A點對地電壓vA當T1管飽和導通時為（VCCVCE(sat)），導通電流為iC1；T2管飽和導通時為VCE(sat)（VCE(sat)是T1和T2管的飽和壓降），導通電流為iC2。因此，合成的vA電壓是幅值為（VCC2VCE(sat)）的矩形方波電壓，該電壓加到

36、由L、C和RL組成的串聯(lián)諧振回路上。若諧振回路Q值足夠高，且調(diào)諧在輸入電壓信號頻率上，則可近似認為通過回路的電流iL也是與輸入信號頻率相同的余弦波，在負載RL上獲得不失真的輸出信號功率。也可看成是，諧振回路的濾波選頻作用僅對方波電壓vA中的基波頻率分量諧振，串聯(lián)諧振電阻最小，因而在負載RL上產(chǎn)生基頻分量電流iL。實際上，電流iL是由T1和T2管輪流導通時的電流合成的，所以，兩管導通電流iC1和iC2均為半個余弦波。圖中可見，管子導通時流過集電極電流，但對應的管壓降僅為飽和電壓，所以管耗很小，放大器的效率也就很高（一般可達到90%以上）。+vb1-+vb2-+vi-T1T2LCRLVCCCC+v

37、L-+vA-AiC1iC2iL(a)vAvLiC1iC2OOOOVCCVCE(sat)iCmaxiCmaxVLmVCC2VCE(sat)ttttviOVImt(b)圖2-1-4 丁類諧振功率放大器的原理電路和波形實際電路中，由于晶體管的結(jié)電容和電路分布電容等因素的影響，管子從導通到截止或從截止到導通都需要經(jīng)歷一段過渡時間，因而vA電壓并不是理想的方波，而存在上升沿和下降沿，如圖2-1-4(b)中vA波形上的虛線所示。所以，在過渡時間內(nèi)管子的壓降就不是飽和壓降，將產(chǎn)生一定的管耗，限制了丁類放大器的效率的提高。進一步提高效率的措施，是在開關(guān)工作的基礎(chǔ)上，采用特殊設(shè)計的集電極回路，以保證vCE為最小

38、值（飽和壓降）的時間內(nèi)，才允許集電極電流流通，如圖2-1-5所示。這就是目前正在發(fā)展中的戊類（Class E）放大器?；蛘邇H當管子完全截止即集電極電流iC為零后，才允許集電極電壓vCE升高。圖2-1-6所示為一種戊類諧振功率放大器的原理圖和波形。圖中，C0是功率管集電極分布電容，C1是外接電容。L和C組成串聯(lián)諧振回路，調(diào)諧在輸入信號角頻率i上。RL為負載電阻。C0和C1并聯(lián)再與C串聯(lián)和L、RL又組成并聯(lián)諧振回路。因此集電極負載回路有兩個諧振角頻率：串聯(lián)諧振角頻率為；并聯(lián)諧振角頻率為,其中Ct為并聯(lián)諧振回路總電容。顯然，sp。LC是大電感線圈，在信號變化周期內(nèi)其電感電流I近似維持不變。當輸入信號

39、電壓vb使功率管飽和時，集電極電流iC=I；使功率管截止時iC=0，如圖2-1-6中所示iC電流為矩形方波，存在基頻分量、二次及以上各次諧波分量。如果串聯(lián)回路諧振頻率s=i，p=2i，則并聯(lián)諧振電阻最大，二次諧波電路產(chǎn)生二次諧波電壓，而LC串聯(lián)諧振電阻最小，負載RL上獲得基波電流產(chǎn)生的基波電壓。更高次諧波電流分量在并聯(lián)諧振回路上的壓降很小可以忽略。LCVCCVBBvbC0C1CLRL+vL-IiCA(a)OvA1vA2vAiCIOvAtt圖2-1-6 一種戊類諧振功率放大器原理圖及波形并聯(lián)諧振回路上的電壓幅頻；相頻其中；。當=20，如果Qe=10，則，2.1.3 倍頻器在諧振功率放大器中，若將

40、輸出諧振回路調(diào)諧在輸入信號頻率的n次諧波上，則可近似認為，輸出諧振回路上僅有iC中的n次諧波分量產(chǎn)生的高頻電壓，而其他分量產(chǎn)生的電壓均可忽略。因而在負載RL上得到了n倍頻于輸入信號頻率的輸出信號功率，這種倍增輸入信號頻率的電路稱為倍頻器，廣泛應用于無線電發(fā)射機等電子設(shè)備中。顯然，倍頻器電路的一個主要性能參數(shù)就是倍頻數(shù)n。根據(jù)所選用的器件組成的電路不同，倍頻數(shù)n有所局限。首先，由晶體三極管構(gòu)成的倍頻器，其倍頻次數(shù)不能太高，一般只用作二倍頻或三倍頻。更高倍頻次數(shù)的倍頻器性能很難提高。因為集電極電流脈沖中包含的諧波分量幅度隨諧波次數(shù)增大而迅速減小。倍頻次數(shù)過高，輸出的功率和效率會顯著降低。另外，n倍

41、頻器需要集電極回路濾除低于或高于n的各次諧波，而低于n的諧波分量幅度都高于n次分量（基波分量更高），這對濾波性能提出了苛刻的要求而難以實現(xiàn)。因此，當倍頻次數(shù)較高時，一般都采用變?nèi)荻O管、階躍二極管構(gòu)成的參量倍頻器，它們的倍頻次數(shù)可以高達40倍以上。另外，利用鎖相環(huán)的頻率合成技術(shù)，可以得到更高的倍頻次數(shù)。2.2 諧振功率放大器的性能特點根據(jù)前述諧振功率放大器的工作原理，由于管子非線性特性和集電極諧振回路特性，精確地定量分析將變得非常困難。工程上通常采用近似的方法，著重定性的了解放大器的性能特點，獲得電路設(shè)計制作和調(diào)試時的指導性參考。2.2.1 準靜態(tài)近似分析法在線性功率放大電路中，集電極負載是純

42、電阻。負載電阻阻值確定后，在放大管輸出特性曲線上可畫出相應的負載線。當集電極電流隨輸入信號變化時，根據(jù)負載線可得到相應變化的集電極電壓，從而求出放大器的功率性能。而在丙類諧振功率放大器中，集電極電流是非余弦電流脈沖序列，集電極電壓卻是由于集電極諧振回路的濾波作用得到的余弦波電壓，二者截然不同。另外，在大信號范圍工作，基區(qū)寬度調(diào)制效應的影響也較為明顯，同時在高頻率工作時，管子特性曲線不同于靜態(tài)時的特性曲線。這些都對精確分析諧振功率放大器的性能帶來較大的困難。近似的方法稱為準靜態(tài)分析法，它有兩個近似假設(shè)條件：假設(shè)一：諧振回路具有理想的濾波特性，在其上只能產(chǎn)生基波電壓，而其它各次分量均可忽略。所以，

43、當輸入為余弦電壓時，盡管集電極電流為脈沖波，但集電極電壓卻是余弦波。輸入輸出相同的余弦波可為分析帶來方便。它們分別表示為假設(shè)二：功率管的特性用輸入和輸出靜態(tài)特性曲線表示，忽略高頻效應的影響。另外，由于根據(jù)輸入和輸出的余弦波電壓之間的關(guān)系分析電路性能，因此，將輸出特性曲線上的參變量由iB電流轉(zhuǎn)換成vBE電壓。在上述兩個假設(shè)條件下，分析諧振功率放大器性能時，主要討論輸入輸出兩個電壓中的VBB、Vbm、VCC、Vcm四個電壓對性能的影響。先設(shè)定這四個電壓值，再通過取等間隔相角t（例如，t=0，15，30，），求出相同相角上vBE和vCE的值，如圖2-2-1(a)所示。然后，根據(jù)該值在輸出特性曲線上找

44、出對應的動態(tài)點并作出連線來確定iC電流，由此畫出iC波形。例如，在對應vBEmax峰值時的輸出特性曲線上，找到對應vCEmin最小峰值的點，由此可確定iCmax峰值大小，如圖2-2-1(b)所示。對iC電流脈沖波形進行傅里葉級數(shù)分解，可求出其中的平均分量IC0和基波分量振幅Icm1，根據(jù)和設(shè)定的Vcm就可確定所需的集電極諧振回路諧振電阻Re的值諧振功率放大器的功率性能亦可計算出來，包括直流電源提供功率PD、輸出信號功率Po、集電極耗散功率PC以及集電極效率c，1530456075ttvBEvCEOOVBBVCC3015456075vBEmaxVCCOOOvcvCEtvCEminvBEmaxVb

45、mVcmvCEmintiCiC(b)(a)iCmax圖2-2-1 諧振功率放大器的近似分析方法可見，設(shè)定不同的VBB、Vbm、VCC、Vcm值，畫出的集電極電流脈沖波形及其數(shù)值大小就不同，由此求出所需的Re值和相應的功率性能也就不同。設(shè)定不同的值也可理解為假定放大器的工作狀態(tài)。因此，要了解諧振功率放大器的性能變化的特點，就必須了解這四個電量是如何影響放大器工作狀態(tài)和相關(guān)性能的。2.2.2 諧振功率放大器的工作狀態(tài)顯然，前述四個電量的設(shè)定值不同，將影響放大器的工作狀態(tài)，分別為欠壓、臨界和過壓三個狀態(tài)。首先，假設(shè)VBB、Vbm、VCC為確定值，這時通過改變Vcm的大小，觀察集電極電流脈沖波形的變化

46、特點，主要是波形的寬度和高度。集電極電流脈沖的寬度主要取決于管子導通時間，與基極輸入VBB、Vbm的大小有關(guān)。當VBB、Vbm一定時，集電極電流脈沖寬度隨Vcm的大小變化可以忽略，認為基本不變。集電極電流脈沖的高度主要對應t=0時iCmax的值。當Vcm變化時，iCmax值隨之變化，如圖2-2-2所示。對應t0時的電壓分別為，vBEvBEmaxVBBVbm，vCE = vCEmin = VCCVcm。隨著Vcm由小增大，則vCEmin由大減小，與之對應的點將沿著vBEvBEmax的那條特性曲線向左移動（如自A移向A”）。由于基區(qū)寬度調(diào)制效應，這時處于放大區(qū)的集電極電流脈沖的峰值iCmax隨之略

47、有減小。A”為由放大區(qū)進入飽和區(qū)的臨界點。當Vcm進一步增大，vCEmin對應的點將由A”移向A”進入飽和區(qū)。在飽和區(qū)內(nèi)，集電極電流iCmax迅速減小且波形出現(xiàn)凹陷，凹陷程度隨Vcm增大而加深?？梢姡瑅CEmin對應的點處于不同的工作區(qū)，集電極電流波形產(chǎn)生明顯的變化，表明功率管的工作狀態(tài)發(fā)生了變化。通常將該點處于放大區(qū)時稱為欠壓狀態(tài)，處于飽和區(qū)時稱為過壓狀態(tài)，處于放大區(qū)和飽和區(qū)之間的臨界點時稱為臨界狀態(tài)。過壓狀態(tài)下，iC電流波形出現(xiàn)凹陷，是由于集電極負載性質(zhì)不同于純電阻負載。當集電極接純電阻負載且阻值選定后，輸出特性曲線上的負載線是一條確定的直線，集電極電流和集電極電壓之間的變化關(guān)系是由這條負

48、載線確定，與電流和電壓大小本身無關(guān)。但在諧振功率放大器中，集電極負載是諧振回路，理想條件下，其上產(chǎn)生完整的基波余弦電壓，與集電極電流波形截然不同，取決于諧振特性。而諧振特性又受到功率管集電極特性的影響。在放大區(qū)內(nèi)，集電極呈現(xiàn)出電流源特性，輸出電阻很大（見特性曲線的斜率），因而集電極輸出回路主要取決于諧振回路負載。當vBE電壓增大（或減?。r，vCE電壓增大（或減?。?，電流也增大（或減?。辉陲柡蛥^(qū)內(nèi)，集電極呈現(xiàn)電壓源特性，輸出電阻很小，因而集電極輸出回路主要取決于集電極特性。當vBE電壓增大（或減?。r，vCE電壓增大（或減?。娏鲄s減小（或增大）。并且，vCEmin越小，飽和越深，iCm

49、ax電流越小。因此，vCEmin在飽和區(qū)時，隨著vBE和vCE的瞬時變化，在放大區(qū)和飽和區(qū)內(nèi)iC電流的變化相反，產(chǎn)生波形凹陷。vBEmaxVCCOOOvcvCEtvCEmintiCiCAA”A”-9090-9090iCmax圖2-2-2 改變Vcm對iC脈沖波形的影響總而言之，變化特點可歸納為：隨著Vcm增大，iC電流波形的高度減?。辉谇穳籂顟B(tài)下，iC為接近余弦變化的脈沖波，脈沖高度隨Vcm增大而略有減?。辉谶^壓狀態(tài)下，iC為中間凹陷的脈沖波，脈沖凹陷程度隨Vcm增大而加深，同時脈沖高度減小。在這個過程中，負載線也相應變化。對于得到的iC波形，可以根據(jù)傅立葉級數(shù)展開，得到iC中的平均分量IC0

50、和Icm1基波分量振幅，分別表示為可以采用圖解積分法獲得其數(shù)值大小。本課程僅定性地討論IC0和Icm1與iC脈沖波形的關(guān)系。在丙類工作的功率管導通期間，iC和cost均為正值,因此積分的結(jié)果表明，iC脈沖越寬，高度越高，IC0和Icm1就越大。反之就越小。如果出現(xiàn)凹陷，IC0和Icm1就更小。2.2.3 四個重要特性根據(jù)上述iC電流波形變化的特點及分析原理，通過VBB、Vbm、VCC、Vcm四個電壓量的變化關(guān)系，可以得到三個具有實用價值的特性，并從中了解諧振功率放大器性能變化的特點。對于在實踐中調(diào)試諧振功率放大器時起到很好的指導作用。一、負載特性諧振功率放大器的負載特性是指，當VBB、Vbm、

51、VCC一定時，放大器性能隨Re變化的特性。由于Re增大必將引起Vcm增大，因此，如上所述，Re由小增大時，Vcm也由小增大，放大器將由欠壓狀態(tài)經(jīng)過臨界狀態(tài)進入過壓狀態(tài)，相應的iC波形由接近余弦變化的電流脈沖變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波，且脈沖高度依次減小，如圖2-2-3所示。據(jù)此可得到IC0和Icm1隨Re變化的特性，如圖2-2-4(a)所示。再由IC0和Icm1的變化就可畫出Vcm，Po，PD，PC和c隨Re變化的特性曲線，如圖2-2-4(b)所示。分析圖中的曲線可得到以下特點：1、在欠壓區(qū)，Re由小增大時，由于基區(qū)寬度調(diào)制效應，iC電流脈沖高度略有減小，相應地，IC0和Icm1也將略有減小，因而V

52、cm（= Icm1Re）和Po（= Vcm Icm1/2）近似線性增大；而PD（=VCC IC0）略有減小；結(jié)果使c增大，PC減小。2、在過壓區(qū)，隨著Re增大，iC電流脈沖高度減小，且出現(xiàn)凹陷加深，因而IC0和Icm1減小明顯，但Vcm略有增大，結(jié)果Po和PD都減小；但是Po比PD減小得慢，從而c略有增大，PC略有減小。3、在臨界點，由于在欠壓區(qū)Po隨Re增大而增大，在過壓區(qū)Po隨Re增大而減小，所以此時Po達到最大Pomax；而c和PC處于變化平坦區(qū)，且c較大，PC較小（二者無極值），所以認為此時放大器接近最佳性能。通常將相應的Re值稱為諧振功率放大器的最佳匹配負載，用Reopt表示，且在工

53、程上用下式近似確定為 iCtOiCtOiCtOiCtORe增大圖2-2-3 Re變化時的iC波形cVcmPDPoPCVcm，Po，PD，PC，cIcm1，IC0Icm1IC0ReRe(a)(b)欠壓過壓臨界臨界欠壓過壓OOReopt圖2-2-3 負載特性二、調(diào)制特性諧振功率放大器的調(diào)制特性分為集電極調(diào)制和基極調(diào)制二種特性。1、集電極調(diào)制特性集電極調(diào)制特性是指VBB、Vbm和Re一定時，放大器性能隨VCC變化的特性。由于VBB和Vbm一定，所以vBEmax和iC脈沖寬度也一定，因而對應于vCEmin的動態(tài)點必定隨VCC的變化在vBEvBEmax的那條輸出特性曲線上移動。當VCC由大減小時，相應的

54、vCEmin也由大減小，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓經(jīng)臨界進入過壓，iC脈沖波形也將由近似余弦變?yōu)橹虚g凹陷的波形。該過程如圖2-2-5（a）所示，相應得到的IC0、Icm1和Vcm隨VCC變化的特性如圖2-2-5（b）所示。在欠壓狀態(tài)下，隨著VCC電壓減小，集電極電流iC脈沖的高度略有減小，因而IC0和Icm1以及Vcm= Icm1Re也將略有減小。在過壓狀態(tài)下，隨著VCC電壓減小，iC脈沖的高度減小，且凹陷加深，因而IC0和Icm1以及Vcm= Icm1Re將迅速減小。VCCIC0Icm1VcmIC0，Icm1，VcmiCtOiCtOiCtOiCtOVCC增大iCtOO過壓臨界欠壓（a）（b）圖2-2-5 集電極調(diào)制特性2、基極調(diào)制特性基極調(diào)制特性是指Vbm、VCC和Re一定時，放大器性能隨VBB變化的特性。當Vbm一定，VBB自負