高频电子线路(第二版) 王卫东 第二章 2.5

1、2.4 高频功率放大器的实用电路高频功率放大器的实用电路 一一 直直流流馈馈电电线线路路 根根据据直直流流电电源源连连接接方方式式的的不不同同，可可分分为为： 串串联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成串串 联联连连接接的的方方式式。 并并联联馈馈电电线线路路：直直流流电电源源、匹匹配配网网络络和和晶晶体体管管三三者者形形成成并并 联联连连接接的的方方式式。 两两种种馈馈电电方方式式虽虽然然电电路路结结构构不不同同，但但对对电电路路来来说说，总总应应有有： tUEu cCce cos 1 要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有

2、：要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有： 直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置； 交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。 2.3.5高频功率放大器的电路组成高频功率放大器的电路组成 1 集集电电极极馈馈电电电电路路： （1） 集集电电极极馈馈电电电电路路的的组组成成原原则则： c i 的的直直流流分分量量 CO I 除除晶晶体体 管管的的内内阻阻外外，应应予予以以短短路路， 以以保保证证 C E 全全部部加加在在集集电电极极 上上，避避免免管管外外电电路路消消耗耗电电源源 功功率率，即即

3、 CCOD EIP c i 的的 基基 波波 分分 量量 1C I 只只 应应 在在 负负 载载 回回 路路 上上 产产 生生 电电 压压 降降 ， 其其 余余 部部 分分 电电 路路 对对 1C I 应应 短短 路路 。 c i 的的 高高 次次 谐谐 波波 分分 量量 Cn I 不不 应应 消消 耗耗 功功 率率 ， 因因 此此 Cn I对对 晶晶 体体 管管 外外 的的 电电 路路 应应 尽尽 可可 能能 短短 路路 。 Ico EC Ic1 C L Icn LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT 2.3.5高频功率放大器的电路组成高频功率

4、放大器的电路组成 （2） 常常用用的的集集电电极极串串馈馈和和并并馈馈电电路路如如下下图图所所示示： cL高高频频扼扼流流圈圈：通通直直流流阻阻交交流流 cC：高高频频旁旁路路电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 c1C：隔隔直直电电容容：通通交交流流隔隔直直流流 以以上上两两个个电电路路匀匀满满足足： tUEu cCce cos 1 休息2休息1 ICO直流通路直流通路 ICO EC LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT IC1交流通路交流通路 Ic1 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT IC

5、n交流通路交流通路 ICn iC频谱频谱 2 30 LC回路阻抗特性回路阻抗特性 LC CC CC1 EC L C uc1 VT LC CC EC L C uc1 VT CB LB LB LB CE RB Re VT VT VT CBCB CB1 LB L L C C VT VT EB EB 2 基极馈电线路基极馈电线路 对对基基级级馈馈电电线线路路来来说说，也也有有串串联联和和并并联联两两种种形形式式。 在在实实际际应应用用中中，由由于于基基极极馈馈电电电电路路中中采采用用单单独独电电源源BB U 不不方方便便， 通通常常采采用用自自给给偏偏压压的的方方式式提提供供基基极极偏偏置置。 (1)

6、 利利用用基基极极回回路路直直流流 BO I 产产生生偏偏压压 bBOBB RIU IBO UBB (2) 利利用用 BO I 在在 bb r 上上产产生生偏偏压压bbBOBB rIU ，注注意意：一一般般bb r 很很小小，所所以以 BB U 很很小小且且不不稳稳定定。 IBO (3) 利利用用射射极极电电流流 eo I 在在e R 上上产产生生偏偏压压eeoBB RIU ，而而且且 这这种种电电路路能能自自动动维维持持放放大大器器的的工工作作稳稳定定。 Ieo + UBB - 以以上上基基极极自自给给偏偏压压电电路路中中，前前两两个个为为并并馈馈线线路路，后后一一种种为为串串馈馈 线线路路

7、。 休息2休息1 二 高频功放的耦合回路高频功放的耦合回路 高高频频功功放放都都要要采采用用一一定定的的耦耦合合回回路路，以以使使输输出出功功率率能能有有效效地地传传 输输到到负负载载（下下级级输输入入回回路路或或天天线线回回路路） ，一一般般说说来来，放放大大器器与与负负载载 之之间间的的耦耦合合可可采采用用下下图图所所示示的的四四端端网网络络来来表表示示。这这个个四四端端网网络络应应完完 成成的的任任务务是是： 休息2休息1 RiRoRLRS 功功 率率 放大器放大器 输入输入 匹配匹配 网络网络 输出输出 匹配匹配 网络网络 RL RS uS (1) 使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相

8、匹配，以保证放大器传输到负使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负 载的功率最大载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。，即它起着匹配网络的作用。 (2) 抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。有良好的滤波作用。 (3) 在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送能有效地传送 功率到公共负载功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响彼此隔离，互不影响。 输入匹配网络或级间耦合网络输入匹配网络或级间耦合

9、网络: :是用以与下级放大器的输入端相连接是用以与下级放大器的输入端相连接 输出匹配网络输出匹配网络: :是用以输出功率至天线或其他负载是用以输出功率至天线或其他负载 L1 C1 C2 L2 CA RA r1 IA M r r1 C1 L1 C1 Rp L1 IK 二 高频功放的耦合回路高频功放的耦合回路 休息2休息1 介于放大器与天线回路之间的介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐回路就叫做中介并联谐 振回路振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；分别代表天线的幅射电阻与等效电容； L2、C2为天线回路的调谐元件。为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路它们的

10、作用是使天线回路 处于串联谐振状态，以使天线回路的电流处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，达到最大值，亦亦 即使天线幅射功率达到最大。即使天线幅射功率达到最大。 从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路, ,其其 中中Rp为折合到为折合到晶体管输出回路的等效负载晶体管输出回路的等效负载 。 1. 输出匹配电路输出匹配电路 (1) 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路 Rp Rp 继续继续 休息2休息1 当天线回路调谐在串联谐振状态时，它当天线回路调谐在串联谐振状态时，它 反映到反映到L1C1中介回路的等效电阻为中介回路

11、的等效电阻为 设初级回路的接入系数为设初级回路的接入系数为 p，则晶，则晶 体管输出回路的等效负载为：体管输出回路的等效负载为： r r1 C1 L1 C1 Rp L1 IK Rp L1 C1 C2 L2 CA RA r1 IA M Rp 继续继续 (1) 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路 A R M r 22 L1C1中介回路的等效谐振阻抗为中介回路的等效谐振阻抗为 1 1 C Q LQR L LP QL为有载品质因素为有载品质因素 ， rr L Q L 1 1 )( 22 11 1 11 1 A P R M rC L rrC L R )( 22 11 122 A PP R

12、M rC L pRpR 改变互感系数改变互感系数M和接入系数和接入系数 p就可以在不影响回路调谐的情况下。调就可以在不影响回路调谐的情况下。调 整晶体管的输出回路的等效负载电阻整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp，以达到阻抗匹配的目的。，以达到阻抗匹配的目的。 休息2休息1 由于高频功率放大器工作在非线性由于高频功率放大器工作在非线性(丙类丙类) 工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时， 内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输 出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配 (负载阻抗与电源

13、内阻相等负载阻抗与电源内阻相等)概念也就失去了概念也就失去了 意义。意义。 k k ：中介回路的传输效率。 中介回路的传输效率。 L1 C1 C2 L2 CA RA r1 IA M Rp 继续继续 (1) 并联谐振回路型的匹配电路并联谐振回路型的匹配电路 )()( 11 2 2 rr r rrI rI P P k k o A k 功功率率电电子子元元件件送送至至回回路路的的总总 回回路路送送到到负负载载的的功功率率 如果设如果设 ： 11 1 po rC L R 空空载载回回路路谐谐振振阻阻抗抗 )( 111 1 rrC L RP 有载回路谐振阻抗有载回路谐振阻抗 1 1 r L QQo 值值

14、空空载载回回路路 11 1 rr L QQL 值值有有载载回回路路 O L P P k Q Q R R rr r rr r o 11 )( 1 )( 1 1 1 r r1 C1 L1 C1 Rp L1 IK Rp 要想回路的传输效率高，则要想回路的传输效率高，则空载空载Qo越大越越大越 好，有载好，有载QL越小越好，越小越好，也就是说，也就是说，中介回路中介回路 本身的损耗越小越好本身的损耗越小越好 但从要求但从要求回路滤波作用良好来考虑，则回路滤波作用良好来考虑，则 QL值又应该足够大。值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，从兼顾这两方面出发， QL值一般不应小于值一般不应小于10。在功率很大

15、的放大器。在功率很大的放大器 中，中，QL也有低到也有低到10以下的。以下的。 休息2休息1 在大功率输出级，在大功率输出级，T型、型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。 图中的图中的R2一般代表终端一般代表终端(负载负载)电阻，电阻，R1则代表由则代表由R2折合到左端的等效折合到左端的等效 电阻电阻，现以，现以 (a)为例进行计算公式的推导为例进行计算公式的推导 继续继续 (2) (2) 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 两种两种型匹配网络型匹配网络 (a)(b) L1 R1 C1 C1R1 L1 C2 R2 R2C2 将并联回路将并联回路R

16、1C1与与R2C2变换为串联形式，由变换为串联形式，由 串、并联阻抗转换公式可得串、并联阻抗转换公式可得 L1 C1 R1 C2 R2 1 2 1 2 c1 2 c1 2 1 1 1 1 R RX X Q R R C1 2 C1 2 1 2 1 C1 X XR R X 2 2 1 2 c2 2 c2 2 R RX X R C1 2 C2 2 2 2 2 C2 X XR R X 网络匹配时，网络匹配时，R1= R2 由谐振条件得由谐振条件得 : 仿真 例例 有一个输出功率为有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V， f=50MHz，Q1=1

17、0，试求，试求型匹配网络的元件值。型匹配网络的元件值。 解解 : 继续继续 (2) (2) 滤波器型的匹配网络滤波器型的匹配网络 L1 R1 C1 R2= RL C2 R1应该是功率放大器所要求的匹配电应该是功率放大器所要求的匹配电 阻阻 Rp ,即即 L1 C1 R1 C2 R2 网络匹配时，网络匹配时，R1= R2 改写为：改写为： 解之得：解之得： 休息2休息1 由谐振条件得由谐振条件得 : 6 .22) 75. 810 50 1( 110 14410 2 注意，考虑到晶体管的输出电容注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，后，C1应减去应减去Co 之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，之值

18、，才是所需外加的调谐电容值。一般，当当L1确确 定之后，用定之后，用C2主要调匹配，用主要调匹配，用C1主要调谐振。主要调谐振。 实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法 都很类似，都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上即从匹配与谐振两个条件出发，再加上 一个假设条件一个假设条件(通常都是假定通常都是假定Q1值值)，即可求出电路，即可求出电路 元件的数值。元件的数值。 2.6.1 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 以以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/ fo只只 有百分之几甚

19、至千分之几，所以又称为有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐窄带高频功率放大器。由于调谐 系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。 继续继续 2.62.6宽带高频功率放大器与功率合成电路宽带高频功率放大器与功率合成电路 近年来一种新颖的，近年来一种新颖的，能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频 带功率放大器带功率放大器得到了迅速的推广。得到了迅速的推广。 休息2休息1 宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输

20、出匹配电路 的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电 容或电感线圈作为其输出电路容或电感线圈作为其输出电路 。 宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要 的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲 类或甲乙类状态，效率较低，也就是说类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作宽频带放大器是以牺牲效率作 为代价来换取宽频带输出的为代价来换取宽频带输出

21、的 。 1. 普通变压器不能在较宽频内工作的原因普通变压器不能在较宽频内工作的原因 继续继续 2.6.1 宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器 休息2休息1 图图 (b)中中L、Ls1、r1是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；Ls2、r2 是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；C是变压器各分布电容折是变压器各分布电容折 合到初级后的总和；合到初级后的总和；RL是折合到初级后的等效负载电阻是折合到初级后的等效负载电阻。 在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中在高频端由于初级绕组电感的感抗

22、很强，因此在高频端等效电路中 可以认为电感可以认为电感L L是开路，如图是开路，如图(c)(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和。在低频端，由于频率较低，各漏感和 损耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容损耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容C开路，如图开路，如图 (d)； (a)原理电路原理电路(b)等效电路等效电路 (c)高频端等效电路高频端等效电路(d)低频端等效电路低频端等效电路 (e) 频率响应曲线频率响应曲线 us Rs RL uo Rs Rs Rs us us us r1Ls1 L Ls2r2 CRL rLs LCRLRL fs f uo 一般变压器的等效电路一般变压器的等效

23、电路 可见工作频率越低，电感可见工作频率越低，电感L的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工 作频率的降低而下将。在高频端作频率的降低而下将。在高频端负载负载RL接在接在Ls和和C组成的串联谐振回路容组成的串联谐振回路容 抗元件的两端抗元件的两端，在串联谐振频率，在串联谐振频率fs的附近，负载两端的电压急剧增加，并在的附近，负载两端的电压急剧增加，并在 fs上达到最大值。但是，偏离谐振频率上达到最大值。但是，偏离谐振频率fs，电压将急剧减小，电压将急剧减小 继续继续 2. 宽频带传输线变压器的工作原理宽频带传输线变压器的工作原理 休息2休息1 传输线变压器是

24、将传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损高导磁率低损 耗的磁芯上构成的。耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。 传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变 压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。 两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处 的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，的线

25、间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次， 两根等长导线同时绕在高两根等长导线同时绕在高磁芯上，所以导线上均磁芯上，所以导线上均 匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参 数电路。数电路。 us us us RL RL RL Rs Rs Rs (a) 结构示意图结构示意图 (c) 普通变压器的原理电路普通变压器的原理电路(b) 原理电路图原理电路图 u1 u2 u1u2 u1u2 在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以 电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。电磁能

26、交换的形式在导线间介质中传播的。 (1) 1：1传输线变压器传输线变压器 继续继续 3. 常用传输线变压器分析常用传输线变压器分析 休息2休息1 1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为 u1=u2和和i1=i2。 us RL Rs u1u2 i1 i2 如果传输线的特性阻抗：如果传输线的特性阻抗： 传输线输出端的等效阻抗为：传输线输出端的等效阻抗为： 输入端（输入端（1、3端）的等效阻抗为端）的等效阻抗为 ： 为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求： 为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求： 1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足传输