第三章 高频功率放大电路

1、第三章第三章 高频功率放大电路高频功率放大电路第一节第一节 概述概述 高频功率放大电路的三个最主要的技术指标是：高频功率放大电路的三个最主要的技术指标是：输出输出功率、效率和非线性失真功率、效率和非线性失真。 根据放大器集电极电流在输入信号周期内的导通时间，根据放大器集电极电流在输入信号周期内的导通时间，高频功放分为：高频功放分为：1 1、A A（甲）类：在输入信号的整个周期内集电极都有电流流（甲）类：在输入信号的整个周期内集电极都有电流流通；通；2 2、B B（乙）类：只有在输入信号的半个周期内集电极有电流（乙）类：只有在输入信号的半个周期内集电极有电流流通；流通；3 3、C C（丙）类：在

2、小于输入信号半个周期内集电极有电流流（丙）类：在小于输入信号半个周期内集电极有电流流通。通。根据被放大信号的相对频带的宽窄：根据被放大信号的相对频带的宽窄：1 1、窄带高频功放：、窄带高频功放： ；丙类，；丙类，LCLC谐振回路谐振回路为选频网络；为选频网络；2 2、宽带高频功放：、宽带高频功放： ；甲类，传输线变压；甲类，传输线变压器为匹配网络。器为匹配网络。1 . 0/207 . 0ff3 . 0/207 . 0ff第二节第二节 线性高频功率放大器线性高频功率放大器 A A类和推挽电路形式的类和推挽电路形式的B B类高频功放工作在线性放大状类高频功放工作在线性放大状态，其输出信号能准确复现

3、非等幅已调输入信号的包络或态，其输出信号能准确复现非等幅已调输入信号的包络或相位。相位。A A类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真；类：常用作前级功率放大，保证信号的包络不失真；B B类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。类：常用作末级功率放大，保证输出功率和效率。一、一、A A类线性高频功率放大器类线性高频功率放大器第三节第三节 丙类谐振功率放大电路丙类谐振功率放大电路一、一、 工作原理工作原理假定输入信号是单假定输入信号是单频正弦波频正弦波, , 输出回输出回路调谐在输入信号路调谐在输入信号的相同频率上。的相同频率上。uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcos0tuCE=VC

4、C+uc=VCC-Ic1mRcos0t=VCC-Ucmcos0tPD=VCCIC0RURIUIPcmcmmcmC22102121211CCcocmmcDVIUIPP1021PC=PD-Po 增大输入信号振幅增大输入信号振幅和和降低静态工作点降低静态工作点是实现大功率高效是实现大功率高效率的两条重要途径。率的两条重要途径。PD=VCCIC0在Ucm=VCC时效率最高：%5 .78412121cmcmII 在乙类工作状态时在乙类工作状态时, , 集电极电流是在半个周期内导通的集电极电流是在半个周期内导通的尖尖顶余弦脉冲顶余弦脉冲, , 可以用傅氏级数展开为可以用傅氏级数展开为: :.2cos32c

5、os211.2coscos0002010twItwIItwItwIIicmcmcmmcmccc 功率放大电路是大信号工作功率放大电路是大信号工作, , 而在大信号工作时必须考虑而在大信号工作时必须考虑晶体管的非线性特性晶体管的非线性特性, , 这样将使分析比较复杂。为简化分析这样将使分析比较复杂。为简化分析, , 可以将晶体管特性曲线理想化可以将晶体管特性曲线理想化, , 即用一条或几条直线组成折即用一条或几条直线组成折线来代替线来代替, , 称为称为折线近似分析法折线近似分析法。集电极电流集电极电流i iC C的分段表的分段表达式：达式： iC= g(uBE-Uon) uBEUon 0 uB

6、EUon如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度如果将输入信号在一个周期内的导通情况用对应的导通角度22来表示来表示, , 则称则称 为导通角。可见为导通角。可见, 0, 0180180。在放大区,iC=g(VBB+Ubmcoswt-Uon) 当t=时, iC=0，可求得:bmBBonUUU arccos当t=0时, iC=ICm, 可求得:cos1cmbmIgUcos1coscoscoswtIUVUwtgUicmbmBBonbmC.cos.2coscos210nwtIwtIwtIIicnmmcmccCIC0=ICm0(), Ic1m=ICm1(), Ic2m=ICm2(), 其中

7、0(), 1(), 2(), 被称为尖顶余弦脉冲的分解系数。波形系数)()()(011aag若定义集电极电压利用系数若定义集电极电压利用系数=U=Ucm/cm/V VCCCC, , 可以得到集电极效率可以得到集电极效率和输出功率的另一种表达式和输出功率的另一种表达式: : )(2121101gVIUICCccmmcRaIpcm)(212120)(2121101gVIUICCccmmcRaIpcm)(212120 增大和g1的值是提高效率的两个措施, 增大1是增大输出功率的措施。然而, 增大g1与增大1是互相矛盾的。导通角越小, g1越大, 效率越高, 但1却越小, 输出功率也就越小。所以要兼顾

8、效率和输出功率两个方面, 选取合适的导通角。若取=70, 此时的集电极效率可达到85.9%, 而=120时的集电极效率仅为64%左右。因此, 一般以70作为最佳导通角, 可以兼顾效率和输出功率两个重要指标。 例例3.13.1在图在图3.2.33.2.3中中, , 若若U Uonon=0.6 V, g=10mA=0.6 V, g=10mAV, IV, ICmCm=20mA, =20mA, 又又V VCCCC=12V, =12V, 求当求当分别为分别为180180, 90, 90和和6060时的输出功率和时的输出功率和相应的基极偏压相应的基极偏压V VBBBB, , 以及以及为为6060时的集电极

9、效率。时的集电极效率。( (忽略忽略集电极饱和压降集电极饱和压降) )解： 由图3.2.4可知:0(60)=0.22,1(180)=1(90)=0.5, 1(60)=0.38因为 Ucm=VCC=12V所以, 当甲类工作时(=180),mAIIcmmc105 . 020)180(011VgIUUcmonBB6 . 1210206 . 02mWUIPcmmc601210212110mAIIcmmc6 . 738. 020)60(011mAIIcmmc105 . 020)90(011当乙类工作时(=90),VUUonBB6 . 0当丙类工作时(=60),mAIIcmc4 . 422. 020)60

10、(000%8686. 0124 . 4126 . 7212101ccccmmccUIUI)cos1 (gIUcmbmmWUIPcmmc601210212110mWUIPcmmc6 .45126 . 7212110VgIUUUUcmonbmonBB4 . 1)60cos1 (1060cos206 . 0)cos1 (coscos00二、性能分析二、性能分析 若丙类谐振功放的输入是振幅为若丙类谐振功放的输入是振幅为U Ubmbm的单频余弦信号的单频余弦信号, , 那那么输出单频余弦信号的振幅么输出单频余弦信号的振幅U Ucmcm与与U Ubmbm有什么关系有什么关系?U?Ucmcm的大小受的大小受

11、哪些参数影响哪些参数影响? ?CmCECCbmBBBEUuVUVuiC=-gd(uCE-U0)bmcmoncmBBbmcccmbmdUUUUVUVUUUgg0,)cos1 (CmcmdUIg因为 Ic1m=ICm1()，mccmIUR1RagRdd)cos1)(111 1 负载特性负载特性 若若V VBBBB、V VCCCC和和U Ubmbm三个参数固定三个参数固定, R, R发生变化发生变化, , 动态线、动态线、UcmUcm以及以及PoPo、等性能指标会有什么变化呢等性能指标会有什么变化呢? ?这就是谐振功放的这就是谐振功放的负载特性。负载特性。晶体管工作在饱和区、晶体管工作在饱和区、 放

12、大区和截止区。根据输出电压振放大区和截止区。根据输出电压振幅大小的不同幅大小的不同, , 这三种工作状态分别称为这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状欠压状态、临界状态和过压状态态和过压状态, , 而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。压区。 随着随着R R的逐渐增大的逐渐增大, , 动态线的斜率逐渐减小动态线的斜率逐渐减小, , 由欠压状由欠压状态进入临界状态态进入临界状态, , 再进入过压状态。在再进入过压状态。在临界状态临界状态时时, , 输出输出功率功率P Po o最大最大, , 集电极效率集电极效率接近最大接近最大, , 所以是最佳工作状所

13、以是最佳工作状态。态。2 2 放大特性放大特性 若若V VBBBB、V VCCCC、R R三个参数固定三个参数固定, , 输入输入U Ubmbm变化变化, , 此时输出此时输出U Ucmcm以及以及P Po o、等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。等性能指标随之变化的规律被称为放大特性。3 3 调制特性调制特性(1) 1) 基极调制特性基极调制特性 若若V VCCCC、R R和和U Ubmbm固定固定, , 输出电压振输出电压振幅幅U Ucmcm随基极偏压随基极偏压V VBBBB变化的规律被变化的规律被称为基极调制特性。称为基极调制特性。 基极调制的目的是使基极调制的目的是使U Ucmcm

14、随随V VBBBB的变化规律而变化的变化规律而变化, , 所所以功放应工作在以功放应工作在欠压状态欠压状态, , 才能使才能使V VBBBB对对U Ucmcm有控制作用。有控制作用。(2) (2) 集电极调制特性集电极调制特性 若若V VBBBB、R R和和U Ubmbm固定固定, , 输出输出电压振幅电压振幅U Ucmcm随集电极电压随集电极电压V VCCCC变化的规律被称为集电极调变化的规律被称为集电极调制特性。制特性。 在欠压状态时在欠压状态时, , 当当V VCCCC改改变时变时, U, Ucmcm几乎不变。几乎不变。 在过在过压状态时压状态时, U, Ucmcm随随V VCCCC而单

15、调而单调变化。所以变化。所以, , 此时功放应工此时功放应工作在作在过压状态过压状态, , 才能使才能使V VCCCC时对时对U Ucmcm有控制作用有控制作用, , 即振即振幅调制作用。幅调制作用。 4 4 小结小结(1) (1) 若对若对等幅等幅信号进行信号进行功率放大功率放大, , 应使功放工作在应使功放工作在临界临界状状态态, , 此时输出功率最大此时输出功率最大, , 效率也接近最大。比如对第效率也接近最大。比如对第7 7章将章将介绍的调频信号进行功率放大。介绍的调频信号进行功率放大。(2) 2) 若对若对非等幅非等幅信号进行信号进行功率放大功率放大, , 应使功放工作在应使功放工作

16、在欠压欠压状状态态, , 但线性较差。若采用甲类或乙类工作但线性较差。若采用甲类或乙类工作, , 则线性较好。比则线性较好。比如对第如对第6 6章将介绍的调幅信号进行功率放大。章将介绍的调幅信号进行功率放大。(3) (3) 丙类谐振功放在进行功率放大的同时丙类谐振功放在进行功率放大的同时, , 也可进行振幅调也可进行振幅调制。若调制信号加在制。若调制信号加在基极基极偏压上偏压上, , 功放应工作在功放应工作在欠压欠压状态；状态； 若调制信号加在若调制信号加在集电极集电极电压上电压上, , 功放应工作在功放应工作在过压过压状态。状态。(4) (4) 回路等效总电阻回路等效总电阻R R直接影响功放

17、在欠压区内的动态线斜直接影响功放在欠压区内的动态线斜率率, , 对功放的各项性能指标关系很大对功放的各项性能指标关系很大, , 在分析和设计功放时在分析和设计功放时应重视负载特性。应重视负载特性。例例3.23.2某高频功放工作在临界状态某高频功放工作在临界状态, , 已知已知V VCCCC=18V, g=18V, gcrcr=0.6 A=0.6 AV, =60V, =60, R, R=100, =100, 求输出功率求输出功率PoPo、直流功率、直流功率P PD D和集和集电极效率电极效率。解： 由式(3.2.14)可求得:Rd=1(60)(1-cos 60)100=19 191dg由图3.2

18、.6可以写出以下关系式:ICm=gcr(VCC-Ucm)=gdUcm(1-cos )AggUgUgIcrdcccrcccrcm45. 0)cos1 (46. 110038. 045. 021)(21222120RaIPcmWVaIPCCcmD78. 11822. 045. 0)(0%8278. 146. 10DPP三、直流馈电线路与匹配网络三、直流馈电线路与匹配网络1. 1. 直流馈电线路直流馈电线路 直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路直流馈电线路可分为串联馈电和并联馈电两种基本电路形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联形式。前者是指晶体管、直流电源和回路三部分串联, ,

19、 后后者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式者是指这三部分并联。但无论哪种电路形式, , 直流偏压与直流偏压与交流电压总是串联迭加的交流电压总是串联迭加的, , 假定交流电压是单频信号假定交流电压是单频信号, , 即即满足满足u uBEBE=V=VBBBB+U+Ubmbmcoswt, ucoswt, uCECE=V=VCCCC-U-Ucmcmcoswtcoswt的关系式。的关系式。 (1) (1) 集电极馈电线路集电极馈电线路串联馈电方式的优点是串联馈电方式的优点是L Lc c和和C Cc c处于高频地电位处于高频地电位, , 它们对地的它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率分布电容不会影响

20、回路的谐振频率, , 缺点是电容器缺点是电容器C C的动片的动片不能直接接地不能直接接地, , 安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点安装调整不方便。而并联馈电方式的优缺点正好相反。由于正好相反。由于L Lc c和和C Cc1c1不处于高频地电位不处于高频地电位, , 它们对地的分布它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率电容直接影响回路的谐振频率, , 但回路处于直流地电位但回路处于直流地电位, L, L、C C元件可接地元件可接地, , 故安装调整方便。故安装调整方便。(2) (2) 基极馈电线路基极馈电线路 在无输入信号时在无输入信号时, , 自给偏压电路的偏置为零。自给偏压电路的偏置为

21、零。 随着输随着输入信号的逐渐增大入信号的逐渐增大, , 加在晶体管加在晶体管bebe结之间的偏置电压向结之间的偏置电压向负值方向增大。由此可见负值方向增大。由此可见, , 乙类功放不能采用自给偏压乙类功放不能采用自给偏压方式。方式。2 2 匹配网络匹配网络 匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换变换( (根据实际需要使功放工作在临界点、根据实际需要使功放工作在临界点、 过压区或欠压过压区或欠压区区), ), 并充分滤除无用的杂散信号。并充分滤除无用的杂散信号。 一般来说一般来说, , 在在400MHz400MHz以下的甚高频以

22、下的甚高频(VHF)(VHF)段段, , 匹配网络通匹配网络通常采用第常采用第1 1章介绍的集总参数章介绍的集总参数LCLC元件组成元件组成, , 而在而在400 MHz400 MHz以以上的超高频上的超高频(UHF)(UHF)段段, , 则需使用分布参数的微带线组成匹配则需使用分布参数的微带线组成匹配网络网络, , 或使用微带线和或使用微带线和LCLC元件混合组成元件混合组成。第四节第四节 宽带高频功率放大电路与功率合成电路宽带高频功率放大电路与功率合成电路一、传输线变压器的特性及其应用一、传输线变压器的特性及其应用1 1 宽频带特性宽频带特性 传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相

23、结传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是将传输线合而产生的一种耦合元件。它是将传输线( (双绞线、带状线双绞线、带状线或同轴线等或同轴线等) )绕在高导磁率的高频磁芯上构成的绕在高导磁率的高频磁芯上构成的, , 以传输线以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输。方式与变压器方式同时进行能量传输。 传输线变压器与普通变压器的传输线变压器与普通变压器的传递能量传递能量方式方式不同，前者是在两导线间介质中传播，不同，前者是在两导线间介质中传播，而后者是通过磁力线感应的能量传递给负载而后者是通过磁力线感应的能量传递给负载。如果信号的波长与传输线的长度可以相比拟如果

24、信号的波长与传输线的长度可以相比拟, , 两根导线固有两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路。若传输线是无损耗的等效电路。若传输线是无损耗的, , 则传输线的特性阻抗则传输线的特性阻抗CLZC其中其中LL、CC分别是单位线长的分布电感和分布电容分别是单位线长的分布电感和分布电容当当ZcZc与负载电阻与负载电阻R RL L相等相等, , 则称为传输线终端匹配。则称为传输线终端匹配。 在此无耗、在此无耗、 匹配情况下匹配情况下, , 若传输线长度若传输线长度l l与工作波长与工作波长相比足够小相比足够小(l(lm

25、inmin8)8)时时, , 可以认为传输线上任何位置可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等处的电压或电流的振幅均相等, , 且输入阻抗且输入阻抗Z Zi i=Z=Zc c=R=RL L, , 故为故为1111变压器。变压器。 可见可见, , 此时负载上得到的功率与输入功率相此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。等且不因频率的变化而变化。传输线输入阻抗传输线输入阻抗)2tan()2tan(11ljRZljZRZIUZLccLci当当低频低频工作时工作时, ,LiRZl12表明信号直接加到负载上，表明信号直接加到负载上，即传输功率与频率无关即传输功率与频率无关,

26、,下限频率为零下限频率为零. .2 2 阻抗变换特性阻抗变换特性当高频工作时当高频工作时, , R, , RL L上得到的功率也是频率的函数上得到的功率也是频率的函数, ,即传输线有一定上限频率即传输线有一定上限频率, ,要扩展上限频率要扩展上限频率, ,途径如下途径如下: :)(fZi 使使Z Zi i与频率无关与频率无关, ,带宽趋于无穷大带宽趋于无穷大. . CLZR 结论：结论：传输线变压器依靠传输线传递能量，其传输线变压器依靠传输线传递能量，其上限条件上限条件 取决于传输线、终端的匹配程度和传输线长度，取决于传输线、终端的匹配程度和传输线长度， 下限条件下限条件取决于初级绕阻线圈电感

27、量。取决于初级绕阻线圈电感量。在无耗且传输线长度很短的情况下在无耗且传输线长度很短的情况下, , 传输线变压器输入端与传输线变压器输入端与输出端电压相同输出端电压相同, , 均为均为 U , U , 流过的电流均为流过的电流均为I I 。由此可得。由此可得到特性阻抗到特性阻抗Z Zc c和输入端输入阻抗和输入端输入阻抗Z Zi i分别为：分别为：LLcRIIRIUZ22LciRZIUZ422两级功放都工作在甲类状态两级功放都工作在甲类状态, , 并采用本级直流负反馈方式并采用本级直流负反馈方式展宽频带展宽频带, , 改善非线性失真。改善非线性失真。 三个传输线变压器均为三个传输线变压器均为4141阻抗变换器。阻抗变换器。 前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网前两个级联后作为第一级功放的输出匹配网络络, , 总阻抗比为总阻抗比为161, 161, 使第二级功放的低输入阻抗与第一使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个使第二级功放的高级功放的高输出阻抗实现匹配。第三