第12章 功率电子电路 谐振功率放大器1.docx
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第12章功率电子电路谐振功率放大器1
一、选择题（将一个正确选项前的字母填在括号内）
1．在调谐放大器的LC回路两端并上一个电阻R，可以（C）
A．提高回路的Q值B．提高谐振频率C．加宽通频带D．减小通频带
2．利用高频功率放大器的集电极调制特性完成功放和振幅调制，功率放大器的工作状态应选（C）
A．欠压B．临界C．过压
3．石英晶体谐振于fs时，相当于LC回路的（A）
A．串联谐振现象B．并联谐振现象C．自激现象D．失谐现象
4．高频功率放大器放大AM信号时，工作状态应选（A）
A．欠压B．临界C．过压
5．高频小信号调谐放大器主要工作在（A）
A．甲类B．乙类C．甲乙类D．丙类
6．功率放大电路与电压放大电路的区别是（C）
A．前者比后者电源电压高B．前者比后者电压放大倍数大
C．前者比后者效率高D．前者比后者失真小
7．小信号调谐放大器主要用于无线通信系统的（B）
A．发送设备B．接收设备C．发送设备、接收设备
8．高频功率放大器主要工作在（D）
A．甲类B．乙类C．甲乙类D．丙类
9．单调谐放大器经过级联后电压增益增大、通频带变窄、选择性变好。
（在空格中填写变化趋势）
10．谐振功率放大器与调谐放大器的区别是（C）
A．前者比后者电源电压高B．前者比后者失真小
C．谐振功率放大器工作在丙类，调谐放大器工作在甲类
D．谐振功率放大器输入信号小，调谐放大器输入信号大
11．无线通信系统接收设备中的中放部分采用的是以下哪种电路（A）
A．调谐放大器B．谐振功率放大器C．检波器D．鉴频器
12．如图所示调谐放大器，接入电阻R4的目的是（C）
A．提高回路的Q值
B．提高谐振频率
C．加宽通频带
D．减小通频带
13．谐振功率放大器输入激励为余弦波，放大器工作在临界状态时，集电极电流为（B）
A．余弦波B．尖顶余弦脉冲波C．有凹陷余弦脉冲波
14、并联谐振回路外加信号频率等于回路谐振频率时回路呈（C）
A）感性B）容性
C）阻性D）容性或感性
15、在电路参数相同的情况下，双调谐回路放大器的通频带与单调谐回路放大器的通频带相比较（A）。
A）增大B）减小C）相同D）无法比较
16、已知某高频功率放大器原工作在临界状态，当改变电源电压时，管子发热严重，说明功放管进入了（A）。
A）欠压状态B）过压状态C）仍在临界状态
17．功率放大电路根据以下哪种说法可分为甲类、甲乙类、乙类、丙类等（D）
A．电路特点B．功率放大倍数C．电流大小D．功放管静态工作点选择情况
18．用万用表欧姆档测量小功率三极管的电极时，应该把欧姆档拨到（A）
A．R×100或R×1k档B．R×1档C．R×10档D．R×10k档
19．丙类高频功率放大器的通角（D）
A．θ＝180°B．90°＜θ＜180°C．θ＝90°D．θ＜90°
20、高频电子技术所研究的高频工作频率范围是（A）。
A）300Hz一30MHzB）300Hz---30kHz
C）30kHz一300MHzD）300kHz--3000MHz
二、填空题
1．谐振功率放大器通常工作在丙类，此类功率放大器的工作原理是：
当输入信号为余弦波时，其集电极电流为周期性余弦脉冲波，由于集电极负载的选频作用，输出的是与输入信号频率相同的余弦波。
2、某高频功率放大器原来工作在临界状态，测得Ucm=22v，Ico=100mA，RP=100Ω，Ec=24v，当放大器的负载阻抗RP变小时，则放大器的工作状态过渡到欠压状态，回路两端电压Ucm将减小，若负载阻抗增加时，则工作状态由临界过渡到过压状态，回路两端电压Ucm将增大。
3、丙类谐振功率放大器根据集电极电流波形的不同，可分为三种工作状态，分别为
欠压状态、临界状态、过压状态；欲使功率放大器高效率地输
出最大功率，应使放大器工作在临界状态。
4、通信系统由输入变换器、发送设备、信道、接收设备以及输出变换器组成。
三、简答题
1．无线电广播发送和接收设备由哪些主要部分组成？
答：
发送设备由振荡器、倍频器、调制器、低频放大及功率放大器等部分组成
接收设备由高频放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、检波器及低频放大器等组成
2．为什么发射台要将信息调制到高频载波上再发送？
答：
1）信号不调制进行发射天线太长，无法架设。
2）信号不调制进行传播会相互干扰，无法接收。
3、在谐振功率放大电路中，若Ubm、Ucm及UCC不变，而当UBB改变时，Ic1有明显的变化，问放大器此时工作在何种状态？
为什么？
答：
由右图谐振功率放大器的基极调制特性知：
Ubm、Ucm及UCC不变，而当UBB改变时，只有工作在欠压工作状态，Ic1有明显的变化。
4、丙类放大器为什么一定要用谐振回路作为集电极的负载？
谐振回路为什么一定要调谐在信号频率上？
答：
这是因为放大器工作在丙类状态时，其集电极电流将是失真严重的脉冲波形，如果采用非调谐负载，将会得到严重失真的输出电压，因此必须采用谐振回路作为集电极的负载。
调谐在信号频率上集电极谐振回路可以将失真的集电极电流脉冲中的谐波分量滤除，取出其基波分量，从而得到不失真的输出电压。
5、简要叙述减小混频干扰的措施。
解：
减小混频干扰的措施有
（1）混频器的干扰程度与干扰信号的大小有关，因此提高混频器前端电路的选择性（如天线回路、高放级的选择性），可有效地减小干扰的有害影响。
（2）将中频选在接收频段以外，可以避免产生最强的干扰哨声，同时，也可以有效地发挥混频前各级电路的滤波作用，将最强的干扰信号滤除。
如采用高中频，可基本上抑制镜像频率干扰、中频干扰和某些副波道干扰。
（3）合理选择混频管的工作点，使其主要工作在器件特性的二次方区域，或者选择具有平方律特性的场效应管作为混频器件，可减少输出的组合频率数目，进而减小混频干扰。
但这种办法对于减小中频干扰和镜像频率干扰是无效的。
（4）采用模拟乘法器、平衡混频器、环形混频器，可大大减少组合频率分量，也就减小了混频干扰。
5、小信号谐振放大器与谐振功率放大器的主要区别是什么？
答：
1）小信号谐振放大器的作用是选频和放大，它必须工作在甲类工作状态；而谐振功率放大器为了提高效率，一般工作在丙类状态。
2）两种放大器的分析方法不同：
前者输入信号小采用线性高频等效电路分析法，而后者输入信号大采用折线分析法。
7、某谐振功率放大器，原工作于过压状态，现分别调节Rp、VCC、VBB和Uim使其工作于临界状态，试指出相应Po的变化。
解：
调节Rp：
减小Rp，可以使谐振功放从过压状态转换为临界状态，对照图8.3相应的输出功率Po将增大。
调节VCC：
增大VCC，可以使谐振功放从过压状态转换为临界状态，此时的集电极电流的将最大值Ic1m增大，而
，但Rp并未变化，所以Po增大。
调节VBB：
减小VBB，放大器可从过压状态转换为临界状态，但θ值减小，脉冲电流基波分解系数α1（θ）减小，Ic1m减小，所以Po减小。
调节Uim：
减小Uim，放大器可从过压状态转换到临界状态，输出功率Po亦减小，其机理与VBB减小相似。
8、谐振功率放大器原来工作在临界状态，若集电极回路稍有失谐，放大器的Ic0、Ic1m将如何变化？
Pc将如何变化？
有何危险？
解：
工作在临界状态的谐振功率放大器，若集电极回路失谐，等效负载电阻Rp将减小，放大器的工作状态由临界变为欠压，Ic0、Ic1m都将增大，另外，由于集电极回路失谐，iC与uCE不再是反相，即iC的最大值与uCE最小值不会出现在同一时刻，从而使管耗Pc增大，失谐过大时可能损坏三极管。
9、设两个谐振功率放大器具有相同VCC，它们的输出功率分别为1W和0.6W。
若增大Rp，发现其中Po=1W的放大器的输出功率明显增大，而Po=0.6W的放大器的输出功率减小，试分析原因。
解：
Po=1W的放大器原工作于欠压状态，当其Rp增大时，放大器将由原欠压状态过渡到临界状态，故Po明显增大。
Po=0.6W的放大器，原工作于临界或过压状态，当其Rp增大时，则相对应的有两种情况：
一是由原临界状态过渡到过压状态，输出功率下降；二是由原过压状态变为更深的过压状态，输出功率下降。
10、若两个谐振功率放大器电路具有相同的回路元件参数，其输出功率Po分别为1W和0.6W。
若同时增加两放大器的电源电压，发现原输出1W的放大器功率增加不明显，而另一放大器输出功率增加比较明显，试问为什么？
若要增加输出为1W的放大器的输出功率Po，问还需要采取什么措施（不考虑功率管的安全问题）？
解：
当VCC增加时，Po1（1W）增加不明显，Po2（0.6W）增加明显，说明输出1W的放大器工作于临界或欠压状态，而输出为0.6W的放大器工作于过压状态。
为了提高Po1还需：
或增大负载等效电阻Rp，或增大基极偏置电压VBB，或增大激励信号电压幅值Uim。
10、采用两管并联运用的谐振功率放大器，当其中一管损坏时，发现放大器的输出功率约减小到原来的1/4，且管子发烫，试指出放大器原来的工作状态。
若输出功率基本不变，试问原来又工作在什么状态。
解：
谐振功率放大器原工作在临界状态。
若输出功率基本不变，则放大器原来工作在过压状态。
11、一单管谐振功率放大器，已知输出功率Po=1W，现用两管并联代替单管，并维持Rp、VCC、VBB和Uim不变，发现放大器工作在临界状态。
试指出放大器原来的工作状态，估算两管并联运用后的输出功率。
解：
假设两管的参数一致，则流过等效负载上的电流Ic1m加倍，因而输出电压幅值Ucm=Ic1mRp也加倍，输出功率
为原来4倍，即：
=4Po=4W。
对于每一个放大器来说，相当于等效负载Rp加倍，由于现在放大器工作在临界状态，所以放大器原来工作在欠压状态。
在其它条件不变的情况下，对于每一个放大器来说，等效负载Rp增大，Ic1m略有下降，故
＜4W。
12、在谐振功率放大电路中，若UBB、Ubm及Ucm不变，而当UCC改变时Ic1有明显的变化，问放大器此时工作在何种状态？
为什么？
答：
由右图谐振功率放大器的集电极调制特性知：
Ubm、Ucm及UBB不变，而当UCC改变时，只有工作在过压工作状态，Ic1有明显的变化
13．集成宽带放大器L1590的内部电路如图7.5所示。
试问电路中采用了什么方法来扩展通频带的？
答：
集成宽放L1590是由两级放大电路构成。
第一级由V1、V2、V3、V6构成；第二级由V7~V10构成，三极管V11~V16、二极管V17~V20和有关电阻构成偏置电路。
其中第一级的V1、V3和V2、V6均为共射－共基组合电路，它们共同构成共射－共基差动放大器，这种电路形式不仅具有较宽的频带，而且还提供了较高的增益，同时，R2、R3和R4引入的负反馈可扩展该级的频带。
V3、V6集电极输出的信号分别送到V7、V10的基极。
第二级的V7、V8和V9、V10均为共集－共射组合电路，它们共同构成共集－共射差动放大器，R18、R19和R20引入负反馈，这些都使该级具有很宽的频带，改变R20可调节增益。
应该指出，V7、V10的共集组态可将第一级和后面电路隔离。
由于采取了上述措施，使L1590的工作频带可达0~150MHZ。
顺便提一下，图中的V4、V5起自动增益控制（AGC）作用，其中2脚接的是AGC电压。
图7.5集成宽放L1590的内部电路
14．通频带为什么是小信号谐振放大器的一个重要指标？
通频带不够会给信号带来什么影响？
为什么？
答：
小信号谐振放大器的基本功能是选择和放大信号，而被放大的信号一般都是已调信号，包含一定的边频，小信号谐振放大器的通频带的宽窄直接关系到信号通过放大器后是否产生失真，或产生的频率失真是否严重，因此，通频带是小信号谐振放大器的一个重要指标。
通频带不够将使输入信号中处于通频带以外的分量衰减，使信号产生失真。
15．超外差接收机（远程接收机）高放管为什么要尽量选用低噪声管？
答：
多级放大器的总噪声系数为
由于每级放大器的噪声系数总是大于1，上式中的各项都为正值，因此放大器级数越多，总的噪声系数也就越大。
上式还表明，各级放大器对总噪声系数的影响是不同的，第一级的影响最大，越往后级，影响就越小。
因此，要降低整个放大器的噪声系数，最主要的是降低第一级（有时还包括第二级）的噪声系数，并提高其功率增益。
综上所述，超外差接收机（远程接收机）高放管要尽量选用低噪声管，以降低系统噪声系数，提高系统灵敏度。
16．试画出图7.6所示放大器的交流通路。
工作频率f=465kHZ。
答：
根据画交流通路的一般原则，即大电容视为短路，直流电源视为短路，大电感按开路处理。
就可以很容易画出其交流通路。
对于图中0.01μF电容，因工作频率为465kHZ，其容抗为
，相对于与它串联和并联的电阻而言，可以忽略，所以可以视为短路。
画出的交流通路如图7.7所示。
5
图
图7.6
图7.7
17．外接负载阻抗对小信号谐振放大器有哪些主要影响？
答：
外接负载电阻使LC回路总电导增大，即总电阻减小，从而使Qe下降，带宽BW0.7展宽；外接负载电容使放大器的谐振频率f0降低。
因此，在实用电路中，三极管的输出端和负载阻抗都将采用部分接入的方式与LC回路相连，以减小它们的接入对回路Qe值和谐振频率的影响。
18．在小信号谐振放大器中，三极管与回路之间常采用部分接入，回路与负载之间也采用部分接入，这是为什么？
解：
这是因为外接负载阻抗会使回路的等效电阻减小，品质因数下降，导致增益下降，带宽展宽，谐振频率变化等，因此，采用部分接入，可以减小它们的接入对回路Q值和谐振频率的影响，从而提高了电路的稳定性，且使前后级的阻抗匹配。
四、计算题
1、如图所示为末级谐振功率放大器原理电路，工作在临界状态，图中C2为耦合电容，输出谐振回路由管子输出电容以及元件L1、L2、C1组成，外接负载天线的等效阻抗近似为电阻。
现将天线短路、开路，试分别分析电路工作状态如何变化？
功率管是否安全？
（6分）
解：
天线开路时，回路的品质因数升高，所以谐振阻抗Re急剧增加，功率管工作于过压状态，Ucm增高，很可能导致UCEmaxU（BR）CEO，功率管不安全。
天线短路时，回路严重失谐（呈感性），所以谐振阻抗Re急剧减小，功率管工作于欠压状态，Pc急增，很可能导致PCxPCM，功率管烧坏。
2、如图所示调谐放大器，问：
1．LC回路应调谐在什么频率上？
2．为什么直流电源要接在电感L的中心抽头上？
3．电容C1、C3的作用分别是什么？
4．接入电阻R4的目的是什么？
（8分）
解：
1.LC回路应调谐在输入信号ui的频
率上
2．直流电源要接在电感L的中心抽头上是使本电路晶体管的输出端部分接入调谐回路，其目的是要达到预定的选择性和通频带要求
3．电容C1、C3是高频旁路电容，它们的作用是保证放大器工作在放大区
4．接入电阻R4的目的是降低Q值，加宽放大器的通频带
3.已知谐振功率放大器输出功率Po＝4W，ηC＝60％，VCC＝20V，试求Pc和Ic0。
若保持Po不变，将ηC提高到80％，试问Pc和Ic0减小多少？
解：
已知Po＝4W，ηC＝60％，VCC＝20V，则
PDC=Po/ηC=4/0.6≈6.67W
Pc=PDC－Po=6.67－4=3.67W
Ic0=PDC/VCC=6.67/20（A）≈333.3mA
若保持Po不变，将ηC提高到80％，则
Po/ηC－Po=4/0.8－4=5－4=1W
3.67－1=2.67W
（A）=83mA
4．已知谐振功率放大器VCC＝20V，Ic0＝250mA，Po＝4W，Ucm＝0.9VCC，试求该放大器的PDC、Pc、ηC和Ic1m为多少？
解：
已知VCC＝20V，Ic0＝250mA，Po＝4W，Ucm＝0.9VCC，则
PDC=VCC×Ic0＝20×0.25=5W
Pc=PDC－Po=5－4=1W
ηC=Po/PDC=4/5=80%
Ucm＝0.9VCC=0.9×20=18V
Ic1m＝2Po/Ucm＝2×4/18≈444.4mA
5．已知谐振功率放大器VCC＝30V，Ic0＝100mA，Ucm＝28V，θ＝600，g1（θ）＝1.8，试求Po、RP和ηC为多少？
解：
已知VCC＝30V，Ic0＝100mA，Ucm＝28V，θ＝600，g1（θ）＝1.8，则
PDC=VCC×Ic0＝30×0.1=3W
ξ＝Ucm/VCC＝28/30≈0.93
ηC＝
g1（θ）ξ＝
×1.8×0.93=83.7%
Po=ηC×PDC=0.837×3≈2.51W
由于
，则
156.2Ω
6．在图8.8所示的谐振功率放大器中，测得Ic0=100mA、Ib0=5mA、IA=500mA，放大器工作于临界状态。
若改变VCC、VBB和Uim中某一电压量，则发现各电表读数发生如下变化：
（1）Ic0=70mA、Ib0=1mA、IA=350mA
（2）Ic0=70mA、Ib0=10mA、IA=350mA
（3）Ic0=105mA、Ib0=7mA、IA=520mA
试问上述三种情况各为改变哪一电压量而发生的？
各处于何种工作状态（欠压、临界、过压）？
解：
（1）VBB减小或Uim减小，工作于欠压状态；
（2）VCC减小，工作于过压状态；（3）VBB增大或Uim增大，工作于过压状态。
7．谐振功率放大器工作在欠压区，要求输出功率Po=5W。
已知VCC=24V，VBB=Uth（管子截止电压），Rp=53Ω，集电极电流为余弦脉冲，试求电源供给功率PDC，集电极效率ηC。
图8.8
解：
由题可知，θ=90o，由图8.2可知α0（90o）=0.32，α1（90o）=0.5。
（A）=434.4mA
278（mA）
PDC=VCCIc0=24×0.278=6.67（W）
ηC=P0/PDC=5/6.67=75%
8．已知丙类二倍频器工作在临界状态，且VCC＝20V，Ic0＝0.4A，Ic2m＝0.6A，Uc2m＝16V，试求Po2和ηC2？
解：
已知VCC＝20V，Ic0＝0.4A，Ic2m＝0.6A，Uc2m＝16V，则
=4.8（W）
PDC=VCCIc0=20×0.4=8（W）
ηC2=Po2/PDC=4.8/8=60%
9．图8.9（a）为谐振功率放大器的原理电路图，试指出该电路中的错误，予以改正并说明原因。
解：
图8.9（b）示出了一种改正的电路图。
（1）V1输入端，增加C4，为高频旁路电容，使输入高频信号减小损耗。
（2）V1输出端，取消C1，使集电极直流通路得到建立；增加高频旁路电容C5，形成高频通路。
（3）V2输入端，增加耦合电容C6，也使本级基极与VCC隔离；增加RFC3的一方面使V2基极为高频高电位，另一方面也使V2输入端的直流通路得到建立，C7为高频旁路电容。
（4）V2输出端，增加隔直电容C8和高频旁路电容C11；C9和L3为天线回路元件。
RFC4与RFC5使V1、V2二级与直流电源间高频隔离。
10．谐振功率放大器工作频率f＝2MHz，实际负载RL＝80Ω，所要求的谐振阻抗RP＝8Ω，试求决定L形匹配网络的参数L和C的大小？
解：
由于RL＞RP，则应选择高阻变低阻L型匹配网络
H
pF
11．谐振功率放大器工作频率f＝8MHz，实际负载RL＝50Ω，VCC＝20V，Po＝1W，集电极电压利用系数为0.9，用L形网络作为输出回路的匹配网络试计算该网络的参数L和C的大小？
解：
已知RL＝50Ω，VCC＝20V，Po＝1W，及ξ＝Ucm/VCC＝0.9，可得
Ucm＝ξVCC＝0.9×20=18V
由于RP＞RL，应选择低阻变高阻L型匹配网络
pF
H
12．试求图9.11所示传输线变压器阻抗变换比Ri:
RL和传输线变压器Tr1的特性阻抗Zc1及Tr2的特性阻抗Zc2（Tr1与Tr2的变压比均为1:
1）。
解：
（1）计算阻抗变换比，认为传输线变压器具有无耗短线的传输特性，则有
U13=U24，U57=U68
又U24=U68
则U13=U24=U57=U68=U
根据变压器性能，有
I12=I43，I56=I87
又I43=I56
则I12=I43=I56=I87=I
由图8.10可知图8.10
Ri=U17/I12=（U13+U57）/I12=2U/I
RL=U24/I28=U/（I12+I56）=U/（2I）
则
=4:
1
（2）求特性阻抗
Zc1=U13/I12=U/I=2RL
Zc2=U57/I56=U/I=2RL
18．在图9.12（a）所示电路中，R1=R2=R3=R4，Rs=50Ω，信号源向网络提供的功率为100W，试指出R1~R4电阻上的电流方向，计算R1~R4各电阻所得的功率，计算Rd1~Rd3、R1~R4各电阻的数值。
解：
该电路为同相分配电路，输入功率由Tr1分配给Tr2和Tr3，Tr2和Tr3又将其所得功率同相分配给R1、R2和R3、R4。
由此并参见图8.11（b），可得
Rd1=4Rs=4×50=200Ω
Ra1=Rd1/2=100Ω
Rd2=4Ra1=4×100=400Ω
R1=R2=Rd2/2=200Ω
同理
Rd3=400Ω
R3=R4=200Ω
R1~R4中的电流流向如图8.11（b）中箭头所示（也可为相反流向）。
Rd1、Rd2Rd3的功率为
PRd1=PRd2=PRd3=0
Tr2、Tr3的输入功率为
P2=P3=1/2×100=50W
所以R1、R2、R3、R4的功率分别为
PR1=PR2=1/2×P2=25W
PR3=PR4=1/2×P3=25W
13．共发射极单调谐放大器 如图7.2所示，试推导出谐振电压增益、通频带及选择性（矩形系数）公式。
解：
单调谐放大器的交流通路如图7.8所示。
在谐振放大器中，由于晶体管工作在较高的频率段上，则其输出电容Co、输入电容Ci和rbb′的影响就不能忽略，但考虑到由于电子技术的飞速发展使器件性能不断提高，在实际工作中，用于调谐放大器的晶体管的特征频率fT都远远大于其工作的中心频率f0，故可采用简化混合π型等效电路。
考虑到一般高频管的rbb′较小，器件的工作电流也很小，故rbb′的影响可忽略，则
，于是可得到图7.9所示的输出端等效电路，图中goe和Coe为晶体管的输出电导和输出电容，gL=1/RL为负载电导（RL为负载阻抗ZL的电阻部分），CL为负载电容（即ZL中的电容部分）。
在抽头LC谐振回路中，有一个重要参数─—接入系数P，它是回路与外电路之间的调节因子。
P定义为与外电路相连的那一部分电抗与同一回路内参与分压的同性质总电抗之比。
对于图7.9所示的等效电路而言，若回路线圈L的1-2间的匝数为N1-2，2-3间的匝数为N2-3，4-5间的匝数为N4-5，且N1-2+N2-3=N。
不计互感时，晶体管接入回路的接入系数可以写为
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