424 高频谐振功率放大器的效率和输出功率

本文格式为Word版，下载可任意编辑——424高频谐振功率放大器的效率和输出功率4.2.4高频谐振功率放大器的效率和输出功率功率放大电路实质上是依靠鼓舞信号对基极电流以及集电极电流的控制，把集电极电源的直流功率转换为负载回路的交流功率，转换效率越高，就可以在同样的直流功率下输出更大的交流功率。追求高转换效率是功率放大电路的基本设计要求之一。

由图4—12可见，高频谐振功放集电极输出电压uCE中包含直流分量与交流分量，其交流分量与ub波形一样，但相位相差

?。

Icm12)2R??VcmIcm1211Vcm2?VcmIcm1?2R?22放大器输出的基波功率Po

Po?(（4.2.21）

电源提供的直流功率PD

PD?IcoVcc（4.2.22）

根据能量守恒定律，集电极耗散功率为PC

PC?PD?Po（4.2.23）

集电极效率C

??c?Po1VcmIc1m1???g1(?)（4.2.24）

PD2VI2CCCOIc1m?1????式中g1????称为波形系数，是导通角?的函数；ICO?0???Vcm??VCC称为集电极电压利用系数，它总是小于1的。

由式（4.2.24）可知，要提高效率?C，有两种途径1）一种是提高集电极电压利用系数?，即提高Vcm，而

Vcm?Ic1mR?是输出基波电压的幅值，R??Qe?0L，通过

提高回路的有载品质因数来实现增大R?；

2)另一种是提高波形系数g1。由图4—11可知，导通角?越小，g1越大，效率?c越高，但?1???却越小，输出功率Po和效率?C，o也就越低。为了兼顾输出功率P必需选取适合的导通角??1。如取??120时，

????达

到最大值，输出功率最大，但g1???的值相对较小，

?集电极的效率仅为64%左右；若取??70，此时虽然

?1???的值相对减小，输出功率有一定程度下降，但

集电极的效率可达到85.9%。因此在工程设计中

?的

?取值寻常在65??75?之间。??70左右为最正确导通角，

可兼顾输出功率和效率两个重要指标。

图4—12谐振功率放大器各级电压、电流波形

1还有一个应当注意的问题，集电极损耗pc?2???iu??cCEd?t，减

小ic与uCE的乘积，可减小晶体管的瞬时损耗。由图4—12可以看出，当晶体管集电极电流ic最大时，晶体管的集电结压降uCE最小，这时它们的乘积最小，也即晶体管的损耗最小，而要达到这个要求，晶体管的集电极负载回路必需工作在谐振状态。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。

4.2.5谐振功率放大器的效率与工作状态

谐振功率放大器的效率与其工作状态有密切关系。图4—12给出甲、乙、丙三种工作状态的相应波形。

图4—12甲、乙、丙三种工作状态的波形

取

Vcm???1(这里做了什么近似？)，从图4—12可知

VCC1）选择QA为静态工作点，功放工作于甲类工作状态，整

个周期内晶体管都是导通，??180?，

?1(?)??1(180?)?0.5，

?0(?)??0(180?)?0.5

g1?180??1

?11Vcm?C??g1(?)??1

22VCC当静态工作点QA位于交流负载线中心时，Vcm?VCC，

Vcm???1?，cmaxVCC?50%

2)选择QB为静态工作点，功放工作在乙类工作状态，晶体管在半个周期内导通，??90?，?1(?)??1(90?)?0.5由式（4.2.15）、（4.2.16）可得

图4—13

图4—14虚拟电流法求解动态特性

首先确定虚拟工作点Q。

在Q点，?t?2，由式（4.3.2）可知

?uCE?VCC?uc?VCC?Vcmcos由式（4.3.1）可知

?2?VCC，

uBE?VBB?ub?VBB?Vbmcos?2?VBB，

iC?gc(uBE?UBZ)?gc(VBB?UBZ)?IQ。

该电流为“负值〞，晶体管电流是不能反向滚动的，因此IQ实际上是不存在的，仅仅是为了确定Q点，我们称其为虚拟工作点电流。

确定动态特性曲线上的另外一点A。在A点，?t?0，由式（4.3.2）可知

uCE?uCEmin?VCC?uc?VCC?Vcmcos0?VCC?Vcm（4.3.7）

由式（4.3.1）可知

?uBE?uBEmax?VBB?ub?VBB?Vbmcos0??VBB?Vbm（4.3.8）

连接AQ可作出动态特性曲线，与uCE轴交于B点。在导通

角2?内，晶体管导通，iC?0在导通角2?之外，iC?0，

即晶体管截止。晶体管开始截止发生在B点，B点到Q点一段虚线是为作图需要而画，实际上，此时晶体管截止，由动态线BC表示，因此整条动态线由AB—BC构成。

（3）动态负载电阻与导通角的关系

动态特性曲线斜率gd的倒数，称为丙类放大电路的动态负载电阻Rd。由图4—14可知

icmax?1???icmaxADtg????BDVcm?Vcmcos?Vcm(1?cos?)?1???

=（4.3.9）

所以（4.3.10）

由式（4.3.10）可见，丙类功率放大电路的动态负载电阻Rd，不仅与回路的谐振电阻R?有关，还与导通角?有关。

4.3.2高频功率放大器的负载特性

当放大器集电极电压VCC，基极偏置电压VBB及输入信号幅值Vbm保持不变时，回路负载电阻Ic1m1?Vcm(1?cos?)?1???=

11?

R??1???(1?cos?)RdRd?R??1???(1?cos?)

R?变化，从而引起放大器的集电极电流Ico、Ic1m、回路电压Vcm、输出功率

Po、

效率?c等发生变化。高频功率放大器的这个特性称为负载特性，它是高频功率放大器的重要特性之一。

1丙类功率放大器的三种工作状态

当丙类功率放大器的回路谐振电阻R?变化时，动态负载线的斜率

11=由式（4.2.10）可知，RdR??1???(1?cos?)也会随之改变。

VBB、Vbm确定后，?就不变了，这时Rd的变化完全由R?决

VBB和Vbm确定后，R?定。当VCC、

1R增加，则动态线的斜率d减小，这时，动态线上的Q点位置不变，动态线会以Q点为轴逆时针旋转，图4—15表示在三种不同负载电阻时，所对应的三条动态线及相应的电流、电压波形。根据晶体管在信号的一个周期内是否进入饱和区，将丙类功率放大器的工作状态分为欠压、临界和过压三种状态。若在整个信号周期内，晶体管工作部不进入饱和区，也就是说在任何时刻都工作在放大区，称功放工作在欠压状态；若晶体管工作时有部分时间进入饱和区，则称功放工作在过压状态。

图4—15

R?变化对动态特性线的影响

功放三种工作状态的判别方法：

?uBE?VBB?Vbmcos?t，uCE?VCC?Vcmcos?t。

当?t?0时，uBE?uBEmax?VBB?Vbm，

uCE?uCEmin?VCC?Vcm

uBEmax和uCEmin同时发生，uCE很小时，晶体管进入饱

和区。

当?t??时，uBE?uBEmin?VBB?Vbm，

uCE?uCEmax?VCC?Vcm。

uBEmin和uCEmax同时发生，uCE很大时，晶体管进入截止

区。

可根据uCE的大小判断晶体管的工作状态，还可根据uCEmin的大小判断功放所处的工作状态。1）当uCEmin?uCEsat时，在任何时刻晶体管都工作在放大区，对应于uCE最小值和uBE最大值的A1点处于放大区，这种工作状态称为欠压状态，对应于图4—15中的AQ，1此时R?和Vcm都较小。式中uCEsat为临界饱和电压，是

uBEmax线与临界饱和线A2O的交点所对应的uCE值。

2）当uCEmin?uCEsat时，这种工作状态称为临界状态，对应于图4—15中的A2Q。3）当uCEmin?uCEsat时，晶体管工作有部分时间进入

iAQ饱和区，得到相应的动态线3，此时C出现凹陷。其原

因在于：丙类功放的负载是谐振回路，具有良好的选频能力，谐振回路两端的波形是连续的正弦波形，工作点达到A3后，

uBE还没达到最大值，Vcm也未达到最大值，还未输出完整

的正弦波形，uBE要继续增大、uCE进一步减小，一直达到由uCEmin与uBEmax决定的A5点，完成输出连续的正弦波形，

此时，晶体管进入饱和区，如图4—15所示。进入饱和区之后，uCE任何微小的变化会导致iC迅速下降，工作点沿着临界饱和线从

A3下移到A4点，A4与A5点具有一致的uCEmin。

实际上，A5点并不存在，画出A5点只是为了找出相对应的

uCEmin，从而确定实际工作点为A4，这种工作状态为过压状

态。对应集电极电流是一个有凹陷的余弦脉冲。峰值对应于

A3，谷点对应于A4。假使负载是电阻，则电流波形不可能出

现凹陷。余弦电流脉冲一旦出现凹陷，余弦电流脉冲波形分解系数求直流分量、基波分量等不再适用。

2丙类功率放大器的负载特性

当VCC、VBB、Vbm、gc、UBZ一定的条件下，Q点固定不变。随着R?增加，A点由A1移到

A2、A3，如图4—15所示，

也就是说，随着R?增加，丙类功率放大器的工作状态由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。

原因：cos??(UBZ?VBB)Ubm不变，导通角?为常数，因

此gd的绝对值与R?成反比。

课本图3.2.7丙类功率放大器的负载特性

解释图3.2.7

在欠压区，R?增加，，A点在uBEmax上由A1移向A2，处于放大区。所以iCmax变化不大，uCE对iC的影响很小，uBEmax基本与横轴平行。略有下降，如图4—15所示。IC1m，ICO基本保持不变，

Vcm?IC1mR?随R?增加近似线性增大。R?、Vcm均按线性增加，而

Po?Vcm2o随R?线性增加。VCC不变，(2R?)，所以在欠压状态下，PR?增加时，ICO略有下降，PD?VCCICO也略有下降。由于PD基本

不变，Po随R?线性增加，PC?PD?Po，所以PC随R?增加而减小。

?C?PoPD随R?增加而增大，

以上分析可得出如下结论：

1）在欠压工作状态的大部分范围内，输出功率PoVcm和集电极效率都较低，在欠压严重时，R?很小，

P很小，Po很小，uCE很大。D基本上都消耗在集电

结上，集电极损耗极大，会导致晶体管烧毁，必需尽量避免谐振回路严重失谐导致负载短路。由图3.2.7可见，在欠压区，电流IC1m不随R?变化，因

此欠压状态的放大器可看作一个恒流源。2）临界状态时，iC仍为一余弦脉冲，其幅值iCmax较大，和欠压区基本一致，但此时Vcm很大，uCE很小，因此，放大器在临界状态下输出功率大，放大器效率也较高。临界状态是丙类功放的最正确状态，寻常将功率放大器在临界状态时相应R?的值称为谐振功率放大器的匹配负载，用

Ropt表示。工程上这

个电阻值可以根据所需输出信号功率Po由下式近似确定

Ropt1Vcm21(VCC?VCEsat)2??2Po2Po（4.3.11）

3）过压状态

弱过压状态时，输出电压基本不随R?变化，过压状态的放大器可视为恒压源，这时集电极效率最高，

深度过压时，iC波形出现严重凹陷，输出基波减小，谐波增多，设计中应尽量避免。

4.3.3高频功率放大器的调制特性

高频功率放大电路的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性。

1集电极调制特性

定义：在VBB、gC、UBZ、Vbm、R?不变的条件下，放大器性能随VCC变化的特性，称为集电极调制特性。课本图3.2.10的解释看挂在网上的PPT

结论很重要：由图4—17（b）可见，在欠压区，改变VCC对Vcm影响不大，只有在过压区，VCC才能有效的控制Vcm，从而实现调幅。所以集电极调幅电路应工作在过压区。

图4—17高频功率放大器的集电极调制特性2基极调制特性

定义：在VCC、gC、UBZ、Vbm、R?不变的条件下，放大器性能随VBB变化的特性，称为基极调制特性。为了使晶体管工作在丙类状态，基极电源VBB?0或0?VBB?UBZ，增大VBB意味着从负值向小于UBZ的正电压变化。课本图3.2.9的解释看挂在网上的PPT

如图4—17（b）所示。进入过压工作状态后，集电极电流脉宽和高度均增加，但iC出现凹陷，且随VBB增加凹陷加深，使Ic1m减小，而uBEmax增加使得Ic1m增加，这二种趋势相互中和，

使Ic1m和Vcm基本保持不变。

结论很重要：由基极调制特性可看出，在过压状态下，基极电压VBB改变时，Vcm基本保持不变；只有在欠压状态时，

Vcm随VBB单调变化。所以高频功放只有工作在欠压区才能有效地实现VBB对输出电压Vcm的调制，也就是说基极调幅电路应工作在欠压区。

图4—17高频功率放大器的基极调制特性4.3.4高频功率放大器的放大特性

定义：在VCC、VBB、gC、UBZ、R?不变的条件下，放大器性能随Vbm变化的特性，称为放大特性。Vbm改变时，对功放性能的影响与基极调制特性相像。它们都使uBEmax随之增大，对应的集电极脉冲电流iC的幅度和宽度均增大，放大器的工作状态由欠压工作状态进入到临界工作状态，最终进

入过压工作状态，如图4—18所示。在欠压状态时，Vcm随

Vbm近似线性地增大；进入过压状态后，集电极电流出现凹

陷，且随着Vbm的增大，脉冲宽度增加，凹陷加深。因此ICO、

Ic1m和Vcm随Vbm变化的特性与基极调制特性类似。图4—19

给出线性功率放大器和振幅限幅器的作用。由放大特性可知，在欠压区，当Vbm增大时，iCmax和?都随之增加，导致

ICO、Ic1m和Vcm随Vbm的增大是非线性的，使放大特性产生失

真，所以丙类谐振功放只能放大高频等幅信号（如载波、调频和调相波）。若把谐振功率放大器作为线性功率放大器，用来放大调幅信号，如图4—18所示，为了使输出信号振幅

Vcm线性的反映输入信号振幅Vbm的变化，不仅应使放大器

必需在Vbm变化范围内工作在欠压状态，还应设法消除丙类功放由于Vbm的增大而产生的放大特性失真。实际电路中除了采用负反馈等措施来消除放大特性失真外，还普遍采用乙类工作的推挽电路，以使集电极电流脉冲保持半个周期（即

?保持不变），此时Vcm和Vbm成线性关系。

由图4—19可知，谐振功率放大器用作振幅限幅器时，需将振幅在较大范围内变化的输入信号转换为振幅恒定的输出信号，这时放大器必需在Vbm变化范围内工作在过压状态，也就是说，输入信号振幅的最小值应大于临界状态所对应的

Vbm值，寻常该值称为限幅门限值。

图4—18高频功率放大器放大特性

图4—19线性功率放大器和振幅限幅器的作用

4.3.5高频功率放大器的调谐特性

前面探讨的负载特性，放大特性，调制特性都是假设负载回路处于谐振状态，因而负载浮现为纯电阻。在实际使用中，不可能回路正好处于谐振状态，必需进行调谐，一般是通过改变电容C来实现的。

定义：功放的电流ICO,IC1m和Vcm等随电容C变化的特性称为调谐特性。利用调谐特性可以指示放大器是否处于调谐状态。当回路失谐时，无论感性失谐（谐振回路阻抗呈感性），还是容性失谐（谐振回路阻抗呈容性），阻抗Z?模值都将小于R?（即Z?路。

一般功放调谐时都工作在弱过压状态。当回路失谐时，由于Z??R?，功放向临界及欠压状态变化，此时ICO,Ic1m增

，并联谐振在失谐严重时，相当于短?R?）

1VcmIC1mcos?，式大，直流功率PO?D较大，而交流输出P2中?为失谐引入的附加相移，失谐使Ic1m增加，但Vcm减小，（∵Z?减小），因此有P图O下降，而耗散功率PC迅速增加。4—20给出丙类功率放大器的调谐特性，利用这种调谐特性可以指示放大器是否调谐。负载回路实现调谐的标志，无论向哪个方向改变C，ICO,IC1m都增加，标志着回路已调谐了。

在实际功放调谐操作过程中使用的方法：

①因ICO变化明显，且可使用直流电流表来指示，所以寻常采用监控ICO指示调谐；

②由于失谐后，PC迅速增加，因而调谐过程中动作尽可能迅速，使晶体管处于失谐状态的时间尽可能短。为避免调谐过程损坏晶体管，在调谐时，应降低VCC，减小鼓舞电压Vbm。

图4—20丙类功率放大器的调谐特性4.4高频功率放大电路

高频功率放大器的管外电路由两部分构成：直流馈电电路和滤波匹配网络。

4.4.1直流馈电电路

直流馈电电路指的是把直流电源馈送到晶体管各极的电路，它包括集电极馈电电路和基极馈电电路两部分。集电极、基极馈电电路都有串联馈电（简称“串馈〞）和并联馈电（简称“并馈〞）两种基本形式。串馈是指晶体管，谐振回路，直流电源三者串联；并馈是指晶体管，谐振回路，直流电源三者并联。无论哪一种馈电方式，都要遵循共同的准则。（1）直流能量有效地加到晶体管集电极回路或基极回路上，不应再有其它损耗直流能量的元件，设计良好的馈电电路交流阻抗应较大，从而使达到电源的高频信号及其谐波分量尽可能的小，以免造成电源电压波动，这种波动会干扰共用电源的正常功能，从而造成系统工作性能的降低，甚至不稳定。为此，馈电电路应设计成对交流开路，对直流短路。实际馈电电路中经常接入退耦电路，由耦合电容和隔交通直的高频扼流圈构成。也就是说，要保证直流有自己的通路，而这个通路不应有交流信号流入，如图4—21（a）所示。

I（2）高频基波分量c1应有效的流过负载回路，以产生所

需要的高频输出功率，除了输出回路以外的电路，应尽可能小的损耗基波分量的能量，也就是说，除输出回路以外的电

I路对c1来说应当是短路，其等效电路如图4—21（b）所示。

（3）除倍频器外，高频谐波属于滤除对象，不应消耗功率，即所有电路都应对其浮现短路，其等效电路如图4—21

（c）所示。

图4—21馈电电路对不同电流分量的等效电路1集电极馈电电路

功能：将直流电源VCC无耗地加在功放管集电极上。集电极馈电电路分串馈和并馈两种，如图4—22给出了两种馈电方式。图中LC为负载回路，LC为高频扼流圈RFC（RadioFrequencyChoke）。它对直流可近似认为是短路的，对高频则浮现很大的阻抗，可近似认为是开路的，用于阻止高频电流流入电源。CP是高频旁路电容，CC是隔直耦合电容。CP、

CC对高频应浮现很小的阻抗相当于短路。要求

?XRFC??LC?(50～100)XCC?11?X??R??CC?C50～100C?（4.4.1）

式中R?是谐振回路的等效谐振电阻。

图4—22集电极馈电电路

无论串馈还是并馈，直流电压与交流电压总是串联的，且VCC的一端必需接地，否则

电源的分布参数将限制工作频率的提高。从图4—22可看出，基本关系式uCE?VCC?Vcmcos?t对于两种电路都是成立的。串、并馈电电路的优缺点：①并馈电路中，馈电支路与谐振回路并联，馈电支路的分布电容将使放大器c-e端总电容增大，限制了放大器在更高频段上工作。

②串馈调谐回路通过旁路电容CC直接接地，处于高频低电位，所以馈电支路的分布电容不会影响谐振回路的工作频率，串馈适合于工作在较高的频率，并联馈电一般适用于低频电路。

串馈的缺点：调谐回路处于直流高位，有时大功率高频谐振功放级采用电子管，VCC达数千伏。调整时简单触上高压，发生危险。而并馈可避免该危险。

2基极馈电电路

基极馈电电路也可分为串馈和并馈两种。对基极馈电电路的基本要求是，输入信号电压ui(t)应有效的加到基极和发射极

之间，而不被其它元件旁路或损耗。直流偏置电压VBB应有效的加到基极和发射极之间，而不被其它元件所旁路。固定偏置电路如图4—23所示。图中CP是高频旁路电容，CC是隔直耦合电容，LC为高频扼流圈RFC。为了使功放工作于丙类，基极偏置电压一般要加上负偏压。若采用固定偏置电路，意味着需要一组负电源提供装置，这往往给馈电带来麻烦。为了避免这种麻烦，因此实际工程设计中较少使用固定偏置电路。丙类功率放大器中经常采用自给偏置的方式来获取基极偏置电压。寻常有三种方式产生基极偏置电压，分别是自给基极偏置、自给发射极偏置和零偏置，如图4—24所示。自给偏压是指利用射极电流或基极电流的直流成分通过一定的电阻