第三章高频功率放大器

第3章高频功率放大器作用：高效率地输出足够大的信号功率。谐振功率放大器宽带高频功率放大器放大固定频率信号或窄带信号，LC谐振网络作为负载，需调谐。

放大变换频率的信号或宽带信号，传输线变压器作为负载，不需调谐。无线电发射机与超外差接收机的结构框图第3章高频功率放大器

谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的特性分析谐振功率放大器电路

丁类谐振功率放大器

集成高频放大器及其应用宽带高频功率放大器3.1谐振功率放大器的工作原理主要要求：

理解谐振功放的电路组成，掌握其工作原理掌握丙类谐振功放输出功率、管耗和效率的计算集电极耗散功率3.1.1

基本工作原理一、放大器的工作状态2θ2θ2θ甲类（θ＝180◦）乙类（θ＝90◦）丙类（θ<90◦）谐振功率放大器通常选择工作在丙类，效率高。二、谐振功放的电路组成三、谐振功放的工作原理VBB使放大器工作于丙类。

LC回路调谐于输入信号的中心频率，构成滤波匹配网络。tuBEOVBBuBE(on)tiBOiBmaxtiCOIC0iCmaxic1ic2VCCuctuCEOtuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEOiC为iCmax

时，uCE为uCEmin。ic不仅出现时间短，而且只在uCE很小的时段内出现，因此集电极损耗很小，功放效率较高。谐振功放工作原理小结：设置VBB<UBE(on)

，使晶体管工作于丙类；当输入余弦信号时，集电极电流为余弦脉冲；将LC回路调谐在信号频率上，可将余弦电流脉冲变换为不失真的余弦电压输出。iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC

原理电路3.1.2

余弦电流脉冲的分解假设不考虑器件极间电容的影响，将转移特性曲线折线化。

t

=

时，iC=0，则故iC可写为又t

=0

时，iC=iCmax，由上式可得故可将iC表示为将iC展开为傅里叶级数…00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()123.1.3

输出功率与效率集电极电压利用系数00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()12

例图示电路中，VCC=24V，Po=5W，=70º，

=0.9,

求功放的C、

PD、PC、iCmax和回路谐振阻抗Rp解：iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC小结功率放大器的主要指标：输出功率和效率功率放大器的工作状态：丙类（效率最高）丙类功率放大器的负载：LC谐振网络（消除谐波）（负载匹配）（3.3节）常用公式：3.2谐振功率放大器的特性分析主要要求：

理解谐振功放过压、欠压、临界工作状态的特点掌握丙类谐振功放的负载特性了解VCC、VBB

、Uim对谐振功放工作状态的影响3.2.1

谐振功放的工作状态与负载特性放大器工作状态的分类：按晶体管导通时间分甲类（始终导通）乙类（半周导通）甲乙类（大半周导通）丙类（小半周导通）丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分欠压（不进入饱和区）过压（进入饱和区）临界（达到临界饱和）一、谐振功率放大器的动态特性

谐振功率放大器的动态特性：当谐振功率放大器加上信号源及负载阻抗时，晶体管电流与电极电压的关系曲线。

谐振功率放大器的动态特性指：晶体管内部特性与外部特性结合的特性，即为实际的放大器的工作特性。二、晶体管特性曲线的理想化及其特性曲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VD的一条直线来表示(VD为截止偏压)。理想化折线（虚线）icgceb0VDic过压区临界线欠压区ebec0(a)(b)gcr三、动态特性的作法(1)写出和表达式(2)作出动态特性(3)画出波形(4)根据图进行讨论1)欠压工作状态：集电极最大点电流在临界线的右方，交流输出电压较低且变化较大。

在非线性谐振功率放大器中，常常根据集电极是否进入饱和区，将放大区的工作状态分为三种：2)过压工作状态：集电极最大点电流进入临界线之左的饱和区，交流输出电压较高且变化不大。3)临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最大点电流正好落在临界线上。四、欠压、临界和过压工作状态1、欠压、临界和过压工作状态VCCOuCEωtVCCucuCEminuCEmin=VCC

－UcmuCE=VCC

－uctiCO欠压区tiCO过压区tiCO临界2、谐振电阻Re对集电极电流的影响(3)讨论3、负载特性VCC、VBB、Vim不变时，放大器的工作状态、电流、电压和功率以及效率随Re的变化而变化的关系。tiCORe放大器从欠压→临界→过压。VCC、VBB、Vim不变时，，Im，，以及IQ基本不变。谐振功放的负载特性RPOIC0Ic1mUcm欠压临界过压RPO欠压临界过压PoPDPCcPC在回路阻抗很小时很大！因此，回路失谐大时易损坏功率管！临界时Po最大，PC较小，效率较高，功放性能最佳。3.2.2

集电极电压VCC

对工作状态的影响

——集电极调制特性Re

、VBB、Vim不变，

VCC，放大器从过压区→临界→欠压区。Re

、VBB、Vim不变时，，Im，，以及IQ基本不变。在VCC改变时，仅有Q点发生改变，且在横轴上平行移动。欠压过压临界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠压临界过压在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。VCC对高频谐振功率放大器工作状态的影响用作集电极调制电路时，工作于过压区。集电极调制特性指的是：当Re、VBB、Vim不变时，Vcm随VCC变化的特性。在VCC改变时，这个特性是晶体管集电极调幅的理论依据。从图可以看出，在过压状态，VCC对Vcm才有较大的控制作用。集电极调制特性Re

、VCC、VBB恒定时，Vim使得集电极电流脉冲宽度和高度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压。3.2.3

Vim和VBB

对谐振功放工作状态的影响Vim对放大器工作状态的影响_

谐振功率从放大器的放大特性Vim对放大器工作状态的影响

UimIUO欠压临界过压IC0Ic1mUcmRP、VBB、VCC不变，Ucm随Uim变化的特性称为放大特性。用作线性放大器时，用于放大振幅按调制信号规律变化的调幅信号，为了使输出信号振幅反应输入信号振幅的变化，放大器应工作于欠压状态。若谐振功率放大器工作与振幅限幅器时，工作于过压区，则成为限幅器。2.VBB对放大器工作状态的影响——基级调制特性Re

、VCC、Vim恒定时，VBB使得集电极电流脉冲宽度和高度增大，增大使得其高度增加，因而使得IC0

和Ic1增大，使的vCEmin

减小，放大器的工作状态由欠压进入过压。进入过压状态后，随着VBB集电极电流脉冲宽度和高度增加，但凹陷也加深，此时，电流增大缓慢，可以近似认为不变。基级调制特性2.VBB对放大器工作状态的影响——基级调制特性

VBBIUO欠压临界过压UcmIc1mIC0Re

、VCC、Vim不变时，Vcm随VBB变化的特性称为基极调制特性谐振功放用作基极调制电路时，必须工作于欠压区。例如：一个丙类谐振功率放大器，设计在临界状态，现发现所研制放大器的PO和效率均不能达到设计要求，则应该如何进行调整？如果说PO没有达到设计要求，说明放大器并没有工作在临界状态，而是工作在欠压或者过压状态。可以调整Re、VCC、Vim、VBB3.2.4

四个特性在调试中的应用Re放大器从欠压→临界→过压。Re

、VBB、Vim不变，

VCC，放大器从过压区→临界→欠压区。RP、VBB、VCC不变，

Vim

，放大器从欠压→临界→过压小结丙类谐振功放按晶体管是否进入饱和区分:欠压、过压、临界三种状态。Re放大器从欠压→临界→过压。PC在回路阻抗很小时很大！因此，回路失谐大时易损坏功率管！临界时Po最大（匹配负载），PC较小，功放性能最佳。Re

、VBB、Vim不变，

VCC，放大器从过压→临界→欠压。Re、VBB、VCC不变，

Vim，放大器从欠压→临界→过压。Re、Vim、VCC不变，VBB

，放大器从欠压→临界→过压。应用：谐振功放用作功放时，工作于临界状态；用作基极调幅电路时，必须工作于欠压区；用作集电极调幅电路时，必须工作于过压区；对Vim而言，工作于欠压区时，可用作线性放大电路，工作于过压区时，可用作限幅电路。3.3谐振功率放大器的电路组成主要要求：

了解谐振功放常用的直流馈电电路及其特点。掌握谐振功放中滤波匹配网络的作用，了解其主要要求。3.3.1

高频功率放大器的电路组成一、直流馈电线路无论是集电极电路还是基级电路，其馈电方式分为两种：串联形式和并联形式，且都需遵循以下原则：谐振高频功率放大器的工作状态是由直流馈电电路确定的。高频功放需要工作在丙类状态，须有相应的直流馈电电路。直流馈电电路是指把直流电源馈送到晶体管各级电路，包含集电极馈电和基级馈电电路两部分。3.3.1

高频功率放大器的电路组成一、直流馈电线路馈电电路需遵循以下原则：1、直流电流Ico由VCC经管外电路馈送到集电极，应该没有外电阻消耗能量，即为外电路对直流电流应呈短路，右图为管外电路对直流来说等效电路馈电电路需遵循以下原则：3、高频谐波不应该消耗功率，外电路对高频谐波应呈短路，其等效电路为图c2、高频基波分量流Icm1coswt应该通过谐振回路，产生高频输出功率，因此高频基波只应在谐振回路产生压降，外电路其他部分对基波分量应呈短路，右图为其等效电路一、集电极直流馈电电路+uCE–VCC–+LCLCCC1串馈电路+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1并馈电路满足以上几条原则的典型性馈电电路：串联形式：电子器件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的。并联形式：电子器件、负载回路和直流电源三部分是并联起来的。一、集电极直流馈电电路+uCE–VCC–+LCLCCC1串馈电路+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1并馈电路

取值原则：LC>>Re、CC1、CC2>>ReL、C为负载回路；

LC为高频扼流圈，对直流近似为短路，对高频呈现大阻抗；CC1为旁路电容，作用是防高频电流流过直流电源；

CC2为隔直电容，防止直流电流进入负载回路。直流电源VCC为什么一定要放在靠近“地”电位一端？+uCE––+LCLCCC1+uCE–+

–LCLCCC2CC1串馈电路并馈电路从工作原理角度：互换位置是可以的；+uc–+uc–VCCVCC从实际工作角度：互换位置是不允许的；原因：电源与地之间有一定的杂散电容，而且较大，换位后杂散电容将于负载回路并联，称为总电容的一部分，限制最高工作频率，引起电路不稳。必须接地，这是电子线路中的一条基本原则。一、集电极直流馈电电路+uCE–VCC–+LCLCCC1+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1串馈电路并馈电路串馈电路特点：

LC回路接直流高电位，谐振元件不能直接接地。适用于工作频率较高的电路；并馈电路特点：

LC回路接直流低电位，谐振元件能直接接地，易安装。但LC

、CC1并联于回路，其分布参数直接影响谐振回路的调谐，适用于频率较低的电路。虽然串馈与并联电路形式不同，但是输出电压都是直流电压和交流电压的叠加。二、基极馈电电路基级馈电电路也分为串联馈电电路和并联馈电电路。串联电路并联电路二、基极偏置电路

欲使晶体管工作于丙类，基极应加反向偏压或小于UBE(on)的正向偏压。+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB自给偏置电路分压式基极偏置电路利用IB0流经RB产生偏压电压：VBB=－IB0RB调节RB

，可调节反偏电压大小。利用LB中的固有直流电阻获得偏置电压在实际电路中，VBB不是用电池获得，因此通常用上述图的方法产生VBB。A图，从耦合电容耦合到基级的输入是纯交流，当其振幅超过导通电压后，晶体管导通，产生余宣脉冲，其中包含直流分量从发射级经偏置电阻Rb流向基级，在Rb上产生所需要的负偏压。B图，利用基级电流中包含的直流分量在基区体电阻上产生的压降设置所需要的负偏压，优点，电路简单，缺点，体电阻数值小，且不稳定，一般只在需要小的压降时采用。C图，实质是直流电流反馈，电流中的高频经旁路电容滤掉，只有直流成分在Re上产生压降。+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB自给偏置电路自给偏置效应自给偏置电路中，未加输入信号时iB=0，则偏置电压也为零。当输入信号幅度加大时，iB脉冲增大，则直流分量IB0也增大，反向偏压随之增大。这种偏置电压随输入信号幅度而变化的现象称为自给偏置效应。+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB分压式基极偏置电路

由于自给偏压效应，图中基极偏置电压动态值要比静态值小。小结谐振功率放大器直流馈电电路：集电极：串馈、并馈基极：自给偏压（只产生反偏压）、分压式3.4丁类谐振功率放大器主要要求：

了解丁类谐振功放的工作原理一、提高功放效率的方法提高功放效率的方法：tuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO1.减小θ2.减小iCuC