Chapter 3高频功率放大器 319

1、3.1 概述概述1、使用高频功率放大器的目的使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。射功率。2、高频功率放大器使用中需要解决的两个问题高频功率放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。点都是输出功率大和效率高。联想对比：联想对比：3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的比较谐振功率放大器与小信号谐振放大器的比较相同点：高频信号，放大器的负载均为谐振回路。相同点：高频信号，放大器的负载均为谐振回

2、路。不同点：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不不同点：激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。同；晶体管动态范围不同。icebtooictVBZ谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图icQebtooict4 4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 功放实质上是能量转换器，把电源供给的直功放实质上是能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。率放大器的效率。要求输出功率大和效率高。要求输出功率大和效率高。

3、 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号( (信号的通带宽度只有其中心频率的信号的通带宽度只有其中心频率的1%1%或更小或更小) )，其，其工作状态通常选为丙类工作状态工作状态通常选为丙类工作状态( ( c c9090 ) )，为了，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。 非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放载，工作在甲类或乙类工作状

4、态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。大器以宽带传输线为负载。工作状态工作状态 功率放大器一般分为功率放大器一般分为A类、类、B类、类、AB类、类、C类类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了D类与类与E类放大器。类放大器。+vbiB+VBB+VCC+ecC+vcL输出iEiceb谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。量的过程中起开关控制作用。谐振回路谐振回路LC是晶体管的负载是晶体管的负载选择基波、滤除谐波选择基

5、波、滤除谐波部分接入方式作用部分接入方式作用 变压器耦合作用变压器耦合作用最佳负载概念最佳负载概念直流馈电电路，直流馈电电路，E EB B 负偏压、负偏压、零偏压或小的正偏压零偏压或小的正偏压电路工作在电路工作在C类工作状态类工作状态3.2 谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理3.2.1 电路的组成与特点电路的组成与特点 当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的当晶体管特性曲线理想化后，丙类工作状态的集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。集电极电流脉冲是尖顶余弦脉冲。 ic max t o 2 尖顶余弦脉冲尖顶余弦脉冲晶体管的转移特性为：晶体管的转移特性为：它的外部电路关系式它的外部电路关

6、系式当当 t=0时时，ic= ic m 因此，因此，ic m= gcUbm(1cos )(DBEccUugitVVutVVucmCCCEbmBBBEcoscos3.2.2 丙类谐振功放电路工作原理丙类谐振功放电路工作原理3.3.1 特性曲线理想化特性曲线理想化 对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量求出电流的直流分量Ic0和基频分量和基频分量Icm1。 工程上都采用近似估算和实验调整相结合的工程上都采用近似估算和实验调整相结合的方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法方法对高频功率放大器进行分析和计算。折线法就是常用的一种分析法。就是常

7、用的一种分析法。 所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想所谓折线法是将电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。行分析和计算的方法。3.3 谐振功率放大器的折线分析法谐振功率放大器的折线分析法晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线晶体管特性曲线的理想化及其特性曲线理想化折线（虚线）icgceb0VBZic过压区临界线欠压区ebec0(a)(b)gcr晶体管实际特性和理想折线晶体管实际特性和理想折线 根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于根据理想化原理晶体管的静态转移特性可用交横轴于VBZ的一条直线来表示的一条直线

8、来表示( (VBZ为截止偏压为截止偏压) )。 转移 特性 ic VD o 理想化 ic max ic t o +c c o +c c Vbm Vbm eb vc VBB t 谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线bmDCUVUBBcos3.3.2 集电极余弦电流脉冲的分解集电极余弦电流脉冲的分解uBE= VBB+Vbmcos tDbmBBCcUVVgtcosiCbmCDbmBBCcttVgUVVgcoscoscosiCbmCCMVgcos1I)cos1/(coscos)(CCCMctIti若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数若将尖顶脉冲分解为傅里叶级数ic =Ic0+Icm1cost+

9、Icm2cos2t+Icmncosnt+由傅里叶级数的求系数法得由傅里叶级数的求系数法得)cos1)(1(sincoscossin2)()cos1 (sincos)()cos1 (cossin)(210nnnnnn其中：其中：)()(100nCMcmnCMcmCMCIIIIIIn2.01.00.50.40.30.20.1020406080100c10180120 160100123140尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数3.3.3 高频功率放大器的输出功率高频功率放大器的输出功率和效率和效率 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极

10、的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。信号功率输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。极上，成为集电极耗散功率。PD=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守恒定理：根据能量守恒定理：故集电极效率：故集电极效率：cooDoPPPPP如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率Pc 可见使可见使ic在在u uCE最低的时候才能通过，那么，集最低的时候才能通过，那么，集电

11、极耗散功率自然会大为减小。电极耗散功率自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极平均耗散功率：dtuTTCEc01i要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于流应该是脉冲状。导通角小于180 ，处于丙类工作状态。，处于丙类工作状态。 谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 90 ，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：ic=Ico+ Icm1cost+Icm2cos2t+Icm3cos3t+直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率

12、：Vcm 回路两端的基频电压回路两端的基频电压 Icm1 基频电流基频电流RL 回路的谐振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：101 .2121cCCcmcmoIVIVPPCCcmVV集电极电压利用系数集电极电压利用系数011 ccmII波形系数，通角波形系数，通角 的函数；的函数； 越小越小 1越大越大 越大越大( (即即Vcm越大或越大或u uCEmin越小越小) ) 越小效率越小效率 越高。越高。因此，丙类放大器提高效率因此，丙类放大器提高效率 的途径即为减小的途径即为减小 角；角；使使LC回回路谐振在信号的基频上，即路谐振在信号的基频上，即ic的最大值应对的最大

13、值应对应应u uCECE的最小值。的最小值。基极偏置为负值；基极偏置为负值；半通角半通角 90 ，即丙类工作状态；，即丙类工作状态；负载为负载为LC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：故谐振功率放大器的工作特点：1 当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路当放大器工作于谐振状态时，它的外部电路关系式为关系式为uBE= VBB+Vbmcos t uCE= VCCVcmcos t消去消去cos t可得，可得，cmCECCVuVuBE= VBB+Vbm另一方面，晶体管的折线化方程为另一方面，晶体管的折线化方程为ic = gC(uBEUD)3.3.4 高频功率放大器的动态特性高频功率放大器的

14、动态特性cmCECCVuVuBE= VBB+Vbm 得出在得出在icuCE坐标平面上的动态特性曲线坐标平面上的动态特性曲线( (负负载线载线) )方程：方程：DcmCECCbmBBCcUVuVVVg)(ibmcmBBcmDCCbmCEcmbmCVVVVUVVuVVg= gd(uCE U0)IQ= gd(VCC U0) 虚拟电流 CCmCCOVVcosU)(BBDcQVVgI ic ic 3 2 1 Im 0 180 90 半导通角 t B A C D 3 2 1 负载增大 eb=eb max VCC Q ec min Vcm 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 RL Vcm Vcm 3.

15、3.5 功率放大器的负载特性功率放大器的负载特性 在其他条件不变在其他条件不变( (VCC、VBB、vb为一为一定定) )，只变化放大器，只变化放大器的负载电阻而引起的的负载电阻而引起的放大器输出电压、输放大器输出电压、输出功率、效率的变化出功率、效率的变化特性称为负载特性。特性称为负载特性。icic321Im018090半导通角tBACD321负载增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠压状态2.临界状态3.过压状态RpVcmVcm 欠压状态欠压状态 B点点以右的区域。在欠压以右的区域。在欠压区至临界点的范围内，区至临界点的范围内，根据根据Vc=RLIc1，放大，放大器的交流输

16、出电压在器的交流输出电压在欠压区内必随负载电欠压区内必随负载电阻阻RL的增大而增大，的增大而增大，其输出功率、效率的其输出功率、效率的变化也将如此。变化也将如此。 ic ic 3 2 1 Im 0 180 90 半导通角 t B A C D 3 2 1 负载增大 eb=eb max VCC Q ec min Vcm 1.欠压状态 2.临界状态 3.过压状态 RL Vcm Vcm 临界状态临界状态 负载负载线和线和eb max正好相交于正好相交于临界线的拐点。放大临界线的拐点。放大器工作在临界线状态器工作在临界线状态时，输出功率大，管时，输出功率大，管子损耗小，放大器的子损耗小，放大器的效率也就

17、较大。效率也就较大。 过压状态过压状态 放大放大器的负载较大，在过器的负载较大，在过压区，随着负载压区，随着负载RL的的加大，加大，Ic1要下降，因要下降，因此放大器的输出功率此放大器的输出功率和效率也要减小。和效率也要减小。icic321Im018090半导通角tBACD321负载 增大eb=eb maxVCCQec minVcm1.欠 压状 态2.临 界状 态3.过 压状 态RpVcmVcm电压、电流随负载变化波形电压、电流随负载变化波形根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特根据上述分析，可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线性曲线 欠压 过压 0 临界 Ic1 Ic0 Vcm Rp

18、0 c PD Po Pc 欠压 过压 临界 Rp 负载特性曲线负载特性曲线 欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。只是在晶体管基极调幅，需采用这种此较少采用。只是在晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。工作状态。 过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射机的中间级、集最高，但输出功率有所下降，发射机的

19、中间级、集电极调幅级常采用这种状态。电极调幅级常采用这种状态。欠压过压0临界Ic1Ic0VCRp0cP=PoPc欠压过压临界Rp负载特性曲线负载特性曲线 临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不多，可以说是最佳工作状态，发射比最大效率差不多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。器时，也常以此状态为例。 欠压 过压 0 临界 Ic1 Ic0 Vcm Rp 0 c PD Po Pc 欠压 过压 临界 Rp 负载特性曲负载特性曲线线3.3.6

20、 电源电压和输入信号对高频功率放大电源电压和输入信号对高频功率放大器工作状态的影响器工作状态的影响 (4.23) 1 改变改变V VCCCC，但，但R Rp p、V Vb b、V VBBBB不变不变VBB变化，但变化，但VCC、Vb、Rp不变不变 Vbm变化，但变化，但VCC、VBB、Rp不变不变欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠压临界过压VCC变化时对工作状态的影响变化时对工作状态的影响 1 改变改变V VCCCC，但，但R Rp p、V Vb b、V VBBBB不变不变 当集电极供电电当集电极供电电压压V VCCC

21、C由大至小变化时，由大至小变化时，放大器的工作状态由放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。欠压经临界转入过压。 特性应用特性应用 在过压区中输出电压随在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据集电极调幅的实现提供依据( (见下一章）；因为在见下一章）；因为在集电极调幅电路中是依靠改变集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程。来实现调幅过程。 0 0 ( a ) ( b ) 欠 压 状 态 过 压 状 态 VC C 欠 压 状 态 过 压 状 态 VC C Ic 0 Ic m 1 Po PD Pc 在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随在欠压区内，

22、输出电流的振幅基本上不随VCC变变化而变化，故输出功率基本不变；在过压区，输出电化而变化，故输出功率基本不变；在过压区，输出电流的振幅将随流的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之的减小而下降，故输出功率也随之下降。下降。VBB变化，但变化，但VCC、Vb、Rp不变不变 由由 eb= VBB+Vbmcos t eb max= VBB+Vbm iceb4 maxvceVCCeb3 maxeb2 maxeb1 max0VC4VC3VC2VC1tQ当当VBB由小到大变化时，由小到大变化时，放大器的工作状态由放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。欠压经临界转入过压。Vbm变化，但变化，但VCC、

23、VBB、Rp不变不变由由 eb= VBB+Vbmcos t eb max= VBB+Vbm iceb4 maxvceVCCeb3 maxeb2 maxeb1 max0VC4VC3VC2VC1tQVbm由小到大变化时，由小到大变化时，放大器的工作状态由放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。欠压经临界转入过压。 (a) 过压状态 欠压状态 Vbm IC0 O Icm1 (b) 过压状态 欠压状态 Vbm Po O PD Pc i p Vbm变化时电流、功率的变化变化时电流、功率的变化 特性应用特性应用 在欠压区中输出电压随在欠压区中输出电压随Vbm改变而变化的特性为改变而变化的特性为基极调幅的实现

24、提供依据基极调幅的实现提供依据( (见下一章）；因为在基极见下一章）；因为在基极调幅电路中是依靠改变调幅电路中是依靠改变Vbm来实现调幅过程的。来实现调幅过程的。1. 1. 集电极馈电电路集电极馈电电路 根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。为串联馈电和并联馈电两种。LCC1LC+ VC CALCCC1+ VC CLC2(a ) 串 馈(b ) 并 馈3.4.1 直流馈电电路直流馈电电路3.4 谐振功率放大电路谐振功率放大电路 串馈电路串馈电路 指直流电源指直流电源VCC、负载回路、负载回路( (匹配网络匹配网络)

25、 )、功率、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。管三者首尾相接的一种直流馈电电路。 LCC1LC+ VC CALCCC1+ VC CLC2(a ) 串 馈(b ) 并 馈 C1、LC为低通滤波为低通滤波电路，电路，A点为高频地电点为高频地电位，位，既阻止电源既阻止电源VCC中的中的高频成分影响放大器的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号工作，又避免高频信号在在LC负载回路以外不必负载回路以外不必要的损耗。要的损耗。 (2) 并馈电路并馈电路 指直流电源指直流电源VCC、负载回路负载回路( (匹配网络匹配网络) )、功、功 率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图率管三者为并联连接的一种馈电

26、电路。如图LC为为高高频扼流圈频扼流圈，C1为高频旁路电容，为高频旁路电容，C2为隔直流通高频为隔直流通高频电容。电容。LCC1LC+VCCALCCC1+VCCLC2(a) 串 馈(b) 并 馈 (3) 串并馈直流供电路的优缺点串并馈直流供电路的优缺点 在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容地，因此回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，上无高压，安全可靠安全可靠. . 缺点是在并馈电路中，缺点是在并馈电路中，LC处于高频高电位上，处

27、于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性率的稳定性. . 串串馈馈电路的特点正好与并馈电路相反。电路的特点正好与并馈电路相反。2. 基极馈电电路基极馈电电路基极馈电电路也分基极馈电电路也分串馈串馈和和并馈并馈两种两种(P66图图3.14）。）。 基极偏置电压基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源也可以由集电极电源VCC分压供给。分压供给。 在实际电路中，基极偏置常采用自给偏置电路在实际电路中，基极偏置常采用自给偏置电路（见课本（见课本P67P67页图页图3.153.15）。）

28、。 利用直流分量在电阻上产生压降来实现。利用直流分量在电阻上产生压降来实现。1. 输出匹配网络输出匹配网络 输出匹配网络常常是输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络其他负载间的网络，这种匹配网络有，这种匹配网络有L型、型、 型、型、T型网络及由它们组成的多级网络，也有用双调谐耦型网络及由它们组成的多级网络，也有用双调谐耦合回路的。合回路的。 输出匹配网络的主要功能与要求是输出匹配网络的主要功能与要求是匹配匹配、滤波滤波和和高效率高效率。 高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗抗Z ZL L转换成放大管所要求的最佳负载阻抗转换成放大管所要求的最佳负载阻抗R Rp p，使管，使管子送出的功率子送出的功率P P0 0能尽可能多的馈至负载。这就叫做能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。达到了匹配状态，或简称匹配。3.4.2 匹配网络匹配网络例子例子: :最常见的输出回路是复合输出回路。最常见的输出回路是复合输出回路。图中，介于电子器件与天图中，