第三章 高频电子

第二章高频功率放大器2.1概述2.2高频功率放大器的工作原理2.3高频功率放大器的分析2.4高频功率放大器的动态分析和外部特性2.5高频功率放大器的馈电电路和输出回路2.6高频功率放大器实用电路举例2.7丙类倍频器2.1概述在无线电广播和通信发射机中，为了获得大功率的高频信号，必须采用高频功率放大器。

按工作频带的宽窄一、分类窄带高频功率放大器宽带高频功率放大器（以LC并联谐振回路作为负载，又称谐振功率放大器）（以传输线变压器或者是电阻作为负载，无谐振回路，因此无选频功能）（学习的重点）按导通时间分甲类工作状态乙类工作状态丙类工作状态甲、乙、丙主要就是通过导通角的大小来判断。导通角：晶体管导通时间的一半。甲类工作状态：当晶体管在输入信号的整个周期内导通时，导通角为１８０度。乙类工作状态：当晶体管在输入信号的半个周期内导通时，导通角为９０度。丙类工作状态：当晶体管的导通周期小于半个周期但大于四分致意周期时候。二、高频功放的工作状态高频功率放大器工作在丙类工作状态。解释：在低频电路里面我们学过，功率放大器实质就是将直流电源供给的直流功率转换为交流输出功率。在转换过程中，由于三极管存在功耗，当三极管处于导通阶段的时候，有许多能量是通过三极管的内阻转换成热量散发了。这样就降低了转换的效率，甚至会使三极管因为发热过多而烧掉。因此，希望：三极管的导通时间尽量的少，这样可以减少由其内阻引起的能量损失。因此，一般采用丙类工作状态。存在一个问题值得思考:如果工作在丙类状态,也就是三极管的导通时间非常短,则信号进入以后肯定要失真,但事实上,功率放大器确实是工作在丙类状态的,那么如何来克服失真问题?答案:用LC谐振回路作为负载信号失真的原因是在输出的电压中产生了许多偕波分量,利用LC谐振回路的选频作用,可以滤除这些谐波分量,得到我们所需要的已调信号.由此可以看出:功率放大器的主要部件也是三极管和LC谐振回路。和高频小信号调谐放大器非常类似。那么是不是完全一样呢？三、与高频小信号调谐放大器的区别功率放大器调谐放大器相同点都工作在高频段、负载均采用LC谐振回路谐振回路的作用选择基波、滤除谐波选择有用信号、滤除干扰信号信号大小大信号，工作在非线性状态小信号，工作在线性状态工作状态丙类甲类主要指标效率、输出功率增益、选择性、通频带2.2高频功率放大器的工作原理2.2.1高频功率放大器的电路组成

高频功率放大器一般工作在发射机的末级,以保证需要发送的信号具有足够的输出功率通过天线有效地辐射出去。图2.2所示为高频功率放大器的实际电路。图2.2高频功率放大器的实际电路高频功率放大器主要组成：①晶体管：它在电路中主要起开关控制作用，控制直流能量向交流能量的转变。②电源：高频功率放大器包括两个电源，基极电源UBB和集电极电源UCC。其中UBB主要是设置合理的工作状态，即保证晶体管工作在丙类状态（是个负电源）；UCC则是提供直流能量（将直流电能转换成交流电能）。③馈电电路：馈电电路包括基极馈电电路（由C1、L1、C2构成）和集电极馈电电路（由C3、L2、C4构成）。其作用是既保证把电流UBB和UCC馈送到晶体管的各极，又防止交流信号进入直流电源。④耦合回路：高频功率放大器的输入端和输出端均有耦合回路，其中，输出端的耦合回路也称为输出回路（由C5、C6、L3、L4、L5、CA、RA组成）。主要起无损耗地传输高频信号及其能量，滤除谐波成分及阻抗匹配的作用。高频功率放大器的耦合回路可以是LC并联谐振回路，也可以是互感耦合回路或各种LC匹配网络。输出回路是集电极负载，应调谐在推动级输出电压的频率上，且谐振回路的谐振阻抗应满足工作状态所要求的负载阻抗。C5、L3构成谐振回路，其输出信号通过L4、C6、L5耦合到天线发射出去，故L4、C6、L5也称为天线回路，CA、RA为天线阻抗。由图2.2所示的实际线路可以得出高频功率放大器的原理电路图，如图2.3所示。图2.3高频功率放大器原理电路图

2.2.2高频功率放大器的工作原理刚才讲到高频功率放大器必须工作在丙类状态，也就是要使晶体管在信号输入一段时间后才会导通。一般操作：通常使晶体管的发射结处于反向偏置状态。若设高频功率放大器的输入电压ub（t）为则晶体管基-射间的总电压为式中，UBB为负值。只有当uBE的瞬时值大于晶体管的导通电压Uj时，基极导通，才产生基极电流iB和集电极电流iC。由于晶体管只在输入信号的部分周期内导通，故iB为余弦脉冲，同理，iC也为余弦脉冲。将iB和iC用傅里叶级数展开得高频功率放大器的输出回路具有选频作用，若正好谐振在基波频率上，则其对于基波电流而言，等效为一个纯电阻；对各次谐波而言，回路失谐，呈现很小的阻抗。输出回路中有电感存在，对直流可看成短路。这样当集电极脉冲电流iC流经输出回路时，只有基波分量在回路两端产生较大的电压降，此电压为式中，IC1m为基波电流分量的振幅值，Re为输出回路的有载谐振电阻。集-射间的瞬时电压为图2.4高频功率放大器的工作原理示意图

图2.5高频功率放大器的电流、电压工作波形2.3高频功率放大器的分析2.3.1折线分析法为了对高频功率放大器进行分析和计算，通常采用折线法对晶体管的转移特性和输出特性进行处理，即将转移特性曲线和输出特性曲线用折线来近似代替，如图2.6所示。图2.6折线化后的晶体管特性曲线由图可见，晶体管在放大区的转移特性可用一条交横轴于Uj且斜率为gc的直线来表示，其函数式为式中，Uj为晶体管导通电压，gc为晶体管跨导。折线法的好处在于用直线方程取代曲线方程近似表示晶体管特性，使高频功率放大器的分析和计算大为简化。由于高频功率放大器工作在大信号非线性状态，因此，工程上采用这一近似方法进行定性分析是可行的。2.3.2集电极余弦脉冲电流的分析由前面的讨论可知，高频功率放大器的集电极电流为余弦脉冲形式，将晶体管的转移特性折线化后，iC的波形与uBE的波形在正半周的一部分成线性关系，其电流和电压波形示意图如图2.7所示，集电极余弦脉冲波形的详细示意图如图2.8所示。图2.7晶体管转移特性折线化后的iC和uBE波形图2.8余弦脉冲波形根据图2.8所示的余弦脉冲电流波形可得且所以可见，集电极余弦脉冲电流iC

的大小和形状完全由最大值ICmax和导通角θ决定。利用傅里叶级数将iC展开可得式中，各电流分量的幅值为

将代入上面式子进行积分式中，、、……分别称为余弦脉冲的直流、基波，n次谐波的电流分解系数。可将，，，与通角的关系制成曲线，如图2.9所示。

图2.9余弦脉冲分解系数与θ关系曲线

2.3.3高频功率放大器的功率和效率1.直流功率直流功率直流是指由直流供电电源提供的功率。2.输出功率p0输出功率p0是指由电子器件送给谐振回路的基波信号功率。3.集电极损耗功率Pc高频功率放大器的工作过程实际上是直流功率转换为交流功率的过程。在转换过程中，大部分直流功率变成了交流输出功率，小部分变成了热能消耗在晶体管的集电极上，集电极损耗功率PC就是指消耗在集电极上的功率。4.集电极效率ηc为了说明高频功率放大器的能量转换能力，定义集电极效率为式中，ξ

称为集电极电压利用系数，g1(θ)为集电极电流利用系数，大小与θ有关。由图2.9可见，θ越小，g1越大，则效率越高。但当θ很小时，g1增加不多，且造成α1(θ)小，使输出功率过小，因此，为了兼顾功率和效率，丙类功率放大器的导通角θ一般在60°~90°之间选择。2.3.4提高高频功率放大器效率的途径根据效率的定义式中，PC为晶体管集电极损耗功率。上式说明，要提高放大器的效率，应尽可能减小集电极损耗功率PC。而可见，减小损耗功率的有效方法有以下两种。①减小PC的积分区间θ，即减小集电极电流的导通角，但导通角θ过小，会导致输出功率过低，故导通角一般不应小60°。②减小iC与uCE的乘积，即减小晶体管的瞬时管耗。由图2.5可以看出，当晶体管集电极电流iC为最大时，管压降uCE最小，这时它们的乘积，即瞬时管耗最小。而要达到这个要求，晶体管的集电极负载回路必须工作在谐振状态。因为谐振的时候回路两端的电压最大,此时,Uce就最小了.可见，一旦负载回路失谐，将导致放大器的损耗功率增加，效率降低。

2.4高频功率放大器的动态分析和外部特性晶体管的转移特性和输出特性实际上是在其集电极没有外接负载的情况下获得的，也称为静态特性。由前面的讨论可知，晶体管在放大区的静态特性为

上式表明，在没有外接负载时，在放大区，晶体管集电极电流主要受uBE控制，而与uCE无关。（2-23）如果集电极接有负载，则当改变uBE使iC变化时，由于负载上有电压降，就必然同时引起uCE的变化。因此，在考虑了负载的反作用后，所获得的uCE、uBE与iC的关系曲线就叫动态特性曲线。最常用的是当uCE、uBE同时变化时，表示iC-uCE关系的动态特性曲线，也称为负载线。下面推导高频功率放大器的动态线方程。由下图可知，当放大器工作于谐振状态时，其外部电路的关系为

解上述方程，消去cosωt，得

将式（2-25）代入晶体管在放大区的特