第二章高频功率放大器

第2章高频调谐功率放大器2.1概述：2.2高频功率放大器的工作原理2.3高频功率放大器的动态分析

2.4高频功放的高频特性2.5高频功率放大器的电路组成返回休息1休息22.1概述1、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射功率。2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题？高效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点都是输出功率大和效率高。区别：谐振腔负载、阻性负载（LC太？）联想对比：2.1概述3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处。相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。不同之处：为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。谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图图2-1小信号谐振放大器波形图2.1概述2.1概述图2-2谐振功率放大器波形图2.1概述4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同：共同之处都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，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率放大器的效率。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1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信号，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；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。2.1概述—工作状态功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率ECICEOuCEiCO••Q•••Q休息1休息2•截止区饱和区2.2高频功率放大器的工作原理休息1休息2+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效电路+uc1--UBBCECL+uS-+ub-(a)原理电路2.2谐振功率放大器工作原理2、工作原理分析谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。谐振回路LC是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：晶体管的内部特性：2.2谐振功率放大器工作原理故晶体管的转移特性曲线表达式：图6－4谐振功率放大器转移特性曲线故得：必须强调指出，集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示12图2-5高频功率放大器中各分电压与电流的关系图2-5高频功率放大器中各部分电压与电流的关系+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic2工作原理分析uBEic•-UBB•UBZubic•UbmgC+uBE_休息1休息2仿真vBEic•-UBB•-UBZvbic•VbmgCIcmax休息1休息2+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_仿真集电极电流分解休息1休息2icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxiC频谱(2)集电极输出电压LC回路阻抗Rp休息1休息2+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic+uBE_仿真icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmaxubUBZUBBIcmaxuBEtibtictuCEuctECUcmUbmuBEic•-UBB•UBZubUbmgC3.高频功放的功率关系

返回继续休息1休息2θcαoα1α3g11.02.0α2VT1VT2T1LCRLECCC2.2.3D类和E类功率放大器简介

1.D类功率放大器的原理分析

D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路

uiub1ub2ic1ic2uLuAub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压

ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1）。

ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA=UCES2≈0

uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为ω的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。继续ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt返回休息1休息2

尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高

2.输出功率及效率计算

uA为矩形方波，用傅里叶级数展开后可求得其基波分量的振幅为：

VT1管电流ic1(或VT2管电流ic2)的直流电流为：

ECEC-2UCESuAωtUCESic1ωtic2ωtuLωt返回休息1休息2UA1m≈EC

ID电源供给的直流功率：PD=2EC

ID

放大器的输出功率Po为；效率η=Po／PD=100％

实际晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容、电路分布电容的影响(使管压降波形uA有一定上升沿和下降沿)，从而使D类功放的效率小于100％，典型值大于90％。

2.2.4丙类倍频器

休息2休息12.2.4丙类倍频器仿真休息2休息12.2.4丙类倍频器iC+uce--Ec+-uc2+iciC1iC2ic频谱0ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC2休息2休息12.2.4晶体管倍频器返回继续休息2休息12.3高频功率放大器的动态分析1.动态特性方程2.动态特征曲线的画法3.高频功放的工作状态2.3.2高频功率放大器的负载特性

2.3.3高频功率放大器的调制特性

2.3.4高频功率放大器的放大特性

2.3.5高频功率放大器的调谐特性

返回休息1休息22.3.6高频功放的高频效应

2.3高频功率放大器的动态分析βo0.5fβfβ0.2fTfT返回返回2.3.1高频功率放大器的动态特性

uBEicgCUBZ返回+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE_2.3.1高频功率放大器的动态特性

返回uceic2.3.1高频功率放大器的动态特性

Uo•A•BOEC•QUcmucmingd返回ubemax2.3.2高频功率放大器的负载特性

uceicUo•gduBEic•-UBB•UBZubicgCUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUcesgd•ubemax•••uceminubemaxgcr•返回EC•QUcesUcm•uBEic•-UBB•UBZubicgCUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUcesgd•ubemax•••uceminubemaxgcr•uCEicgcrIcmaxubemax返回icuce2.3.2高频功率放大器的负载特性PoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPcubemax返回休息2休息1Uc12.3.3高频功率放大器的调制特性

uceicubemax•QEC••QEC•QEC••••icEC欠压区过压区临界区EC欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPOPC返回休息2休息12.3.3高频功率放大器的调制特性

进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的宽度增加，幅度几乎不变，但凹陷加深，结果使Ico、Icml和相应的Ucm增大得十分缓慢

返回休息2休息1UcmIcoIcml临界UBB过压欠压O-UBB2uBEicuBEmax1uBEmax2-UBB3ub-UBB1uBEmax3UBZict饱和区放大区截止区

当Ubm固定，UBB自负值向正值方向增大时，集电极脉冲电流ic的导通角θc增大，从而集电极脉冲电流ic的幅度和宽度均增大，状态由欠压区进入过压区。

2.3.4高频功率放大器的放大特性uBEicuBEmax1uBEmax2ub-UBBuBEmax3UBZict饱和区放大区截止区UcmIcmlIcoUbm过压临界欠压OOωticOωticUbm增大OωticωtOictUbm线性功率放大器tUcmUbmUcm振幅限幅器UcmtUbmUcm返回休息2休息1

固定UBB、增大Ubm和固定Ubm、增大UBB的情况类似，它们都使基极输入电压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进入过压。

当谐振功率放大器作为线性功率放大器，为了使输出信号振幅Ucm反映输入信号振幅Ubm的变化，放大器必须在Ubm变化范围内工作在欠压状态。

当谐振功率放大器用作振幅限幅器时，放大器必须在Ubm变化的范围内工作在过压状态。仿镇2.3.5高频功率放大器的调谐特性

返回休息2休息1

实际回路在调谐过程中，其负载是一阻抗Zp，当改变回路的元件数值，如改变回路的电容C时，功放的外部电流Ico、Icml和相应的Ucm等随C的变化特性称为调谐特性。

设谐振时功放工作在弱过压状态，当回路失谐后，由于阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将向临界及欠压状态变化，此时Ico和Icml要增大，而Ucm将下降。

应该指出，回路失谐时直流输入功率PD=IcoEC随Ico的增加而增加，而输出功率Po=UcmIcmlcosφ将主要因cosφ因子而下降，因此失谐后集电极功耗PC将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。

UcmIcmlIco2.3.6高频功放的高频效应

ubet-UBBUBZ休息2休息12.3.6高频功放的高频特性ucef1f2f2>f1返回继续休息2休息1五、晶体管基极体电阻rbb的影响当频率增高时，已经证明基极电流的基波振值Ib1是迅速增加的，这表明b–e间呈现的交流阻抗显著减小，因此rbb的影响便相对增加，要求的激励功率将更大，这会使功率增益进一步减小。2.4高频功率放大器的实用电路

要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置；交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。2.3.5高频功率放大器的电路组成IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.3.5高频功率放大器的电路组成

休息2休息1ICO直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC频谱LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2基极馈电线路IBOUBBIBOIeo+UBB-休息2休息1二高频功放的耦合回路

休息2休息1RiRoR'LR'S功率放大器输入匹配网络输出匹配网络RLRSuS(1)使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。

(2)抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。

(3)在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。

输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载级间耦合网络多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。对于中间级应采取如下措施：第一，使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒压源。第二，降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本身的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效率一般为k=0.1~0.5，平均在0.3上下。也就是说，中间级的输出功率应为后一级所需激励功率的3~10倍。输出匹配网络输出匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络，这种匹配网络有L型、型、T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。输出匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。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，将负载阻抗ZL转换成放大管所要求的最佳负载阻抗Rp，使管子送出的功率P0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。下图所示的匹配网络具有电路简单、容易实现的优点，不足之处是电路的品质因数Q值很低(通常Q＜10)，因此电路的滤波特性很差，所以在实际的发射机中，常常选用T型或型网络作匹配之用。滤波器型的匹配网络（L）滤波器型的匹配网络(T、PI)

休息2休息1在大功率输出级，T型、Π型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。

图中的R2一般代表终端(负载)电阻，R1则代表由R2折合到左端的等效电阻，现以(a)为例进行计算公式的推导继续滤波器型的匹配网络两种Π型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2

将并联回路R1C1与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得L1C1'R1'C2'R2'网络匹配时，R1'=R2'由谐振条件得

:仿真[例]有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求Π型匹配网络的元件值。

解

:继续(2)滤波器型的匹配网络L1R1C1R2=RLC2

R1应该是功率放大器所要求的匹配电阻

Rp,即L1C1'R1'C2'R2'网络匹配时，R1'=R2'改写为：

解之得：

休息2休息1由谐振条件得

:注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，C1应减去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当L1确定之后，用C2主要调匹配，用C1主要调谐振。

实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件(通常都是假定Q1值)，即可求出电路元件的数值。

L1C1C2L2CARAr1IAMr'r1C1L1C1R'pL1IK高频功放的复合型耦合回路休息2休息1

介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；

L2、C2为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线幅射功率达到最大。

从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中Rp为折合到晶体管输出回路的等效负载。这种电路最常见，是将天线(负载)回路通过互感或其他形式与集电极调谐回路相耦合。RpRp继续

全谐振：调节初级回路的电抗及次级回路的电抗，使两个回路都单独的达到与信号源频率谐振，即x11=0，x22=0，这时称耦合回路达到全谐振。在全谐振条件下，两个回路的阻抗均呈电阻性。

z11=R11，z22=R22，但R11