通信电子线路 课件 第3章 高频谐振功率放大器

第3章高频谐振功率放大器3.1概述3.2高频功率放大器的工作原理3.3高频功率放大器的工作状态分析3.4高频功率放大器的实际线路3.5倍频器小结

1.1概

述

高频谐振功率放大器(简称高频功放)的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出大功率为目的。

它主要应用于各种无线电发射机中。

发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经多级高频功率放大器才能获得足够高的功率，送到天线辐射出去。

高频功放的输出功率范围，可以小到便携式发射机的毫瓦级，大到无线电广播电台的几十千瓦甚至兆瓦级。

放大器工作在什么状态，直接影响到其能量转换效率。

由先修课程可知，低频功率放大器(简称低频功效)可以工作在甲(A)类状态，也可以工作在乙(B)类状态，或甲乙(AB)类状态。

乙类状态要比甲类状态效率高(甲类ηmax=50%；乙类ηmax=78.5%)。

为了提高效率，高频功率放大器多工作在丙(C)类状态。

为了进一步提高高频功率放大器的效率，近年来又出现了D类、E类和S类等开关型高频功率放大器。

本章主要讨论丙类功率放大器的工作原理。

由于高频功放通常工作在丙类，属于非线性电路，因此不能用线性等效电路分析，工程上通常采用图解法(折线法)分析，即用折线段来近似表示电子器件的特性曲线，然后对放大器的工作状态进行分析计算。

折线法的物理概念清楚，分析问题也很清楚，但计算准确度较低。

3.2高频功率放大器的工作原理

3.2.1电路组成及工作原理谐振功率放大器一般工作在发射机的末级或末前级，以保证输出信号有较大的功率，并通过天线有效地辐射出去。

图3.2.1为某高频功放的实际电路图。

图3.2.1高频功放的实际电路图

高频功放主要由以下部分组成：

(1)晶体管：它是电路中的能量转换器件，控制直流能量向交流能量的转换。

(2)电源：高频功放一般包括两个电源，即基极电源EB和集电极电源EC。

基极电源EB

是为了设置合理的工作状态，保证晶体管工作在丙类状态；EC

提供直流能量。

(3)馈电电路：保证直流电源能馈送到晶体管各电极，同时防止交流信号进入直流电源。

馈电电路包括基极馈电(由L1、C1、C2

构成)和集电极馈电(由L2、C3、C4

构成)。馈电的形式多种多样，根据具体的需要可选用不同的馈电形式，详细内容将在后面叙述。

(4)耦合回路：主要作用是高效地传输高频信号能量，滤除谐波成分，实现阻抗匹配。

高频功放的输入端和输出端均有耦合回路。

输入端的耦合回路为高频功放提供激励；输出端的耦合回路就是晶体管集电极的负载，所以输出端的耦合回路又叫做输出回路(由C5、C6、L3、L4、L5、CA、RA

构成)，输出回路应调谐在所需要的输出频率上，并且谐振回路的谐振阻抗应满足工作状态对负载阻抗的要求。

输出回路由中介回路(L3、C5)和天线回路(L4、C6、L5)构成。

CA、RA

为等效的天线阻抗。

为了分析方便，由图3.2.1所示的实际电路可以得到高频功放的原理电路，如图3.2.2所示。

除电源和偏置电路外，它还包含晶体管、谐振回路和输入回路三部分。

高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率fT。

晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流ib，ib

控制了较大的集电极电流ic，ic

流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。

图3.2.2高频功放的原理电路图

为了使高频功放高效地输出大功率，常选在C类状态下工作。

为了保证在C类状态下工作，基极偏置电压EB

应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1~2V，甚至更大。

也就是说，晶体管工作在截止和导通(线性放大)两种状态下，基极电流和集电极电流均为高频脉冲信号。

高频功放选用谐振回路作负载，既保证输出电压相对于输入电压不失真，还具有阻抗变换的作用，这是因为集电极电流是周期性的高频脉冲，其频率分量除了有用分量(基波分量)外，还有谐波分量和其他频率成分，用谐振回路选出有用分量，将其他无用分量滤除；通过谐振回路阻抗的调节，从而使谐振回路呈现高频功放所要求的最佳负载阻抗值，即匹配，使高频功放高效地输出大功率。

3.2.2晶体管特性的折线化分析方法

为了对高频功放进行计算，通常采用折线法对晶体管的转移特性和输出特性曲线进行处理，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3.2.3所示。

图3.2.3晶体管特性曲线折线化

图3.2.3(a)为折线化后的晶体管转移特性。

由该图可见，晶体管在放大区的转移特性可用一条交横轴于E'B且斜率为gc

的直线表示，函数式为

式中：E'B为晶体管导通电压(硅管为0.5~0.7V；锗管为0.2~0.3V)；gc

为晶体管跨导。

3.2.3输出电流及电压

1.集电极余弦脉冲电流的傅里叶分析

将晶体管的转移特性折线化近似后，电流波形如图3.2.4所示。图3.2.4转移特性折线化后的ic波形

由图3.2.4可见，高频功放的集电极电流为周期性的余弦脉冲，且余弦脉冲电流ic

的大小和形状由最大值icmax

和导通角θ决定。

利用傅里叶级数将ic

展开可得

将式(3.2.8)代入上面各积分式，积分后可得

图3.2.5余弦脉冲分解系数、波形系数与θ的关系曲线

2.电流、电压波形

由以上分析可知，高频功放的输出电流ic

为周期性余弦脉冲电流，那么输出电压是否也是余弦脉冲电压呢?不是，因为晶体管的负载是

LC

并联谐振回路，这是一个选频网络。

对直流和高次谐波电流分量而言，LC并联谐振回路呈现的阻抗近似为零，因此，这些电流分量在谐振回路上无电压输出；对基波电流分量而言，如果LC

并联谐振回路的固有谐振角频率ω0

和基波分量的角频率ω

相同，即ω0=ω，则LC谐振电路对于基波分量是谐振的，在谐振回路两端产生较大的电压：

集电极、发射极之间的电压为

图3.2.6给出了uBE、ic、uf和uCE

的波形图。

由该图可以看出，当集电极回路调谐时，uBEmax、icmax、uCEmin

是同一时刻出现的，θ越小，ic

越集中在uCEmin附近，故损耗将减小，效率得到提高。

图3.2.6谐振功率放大器的电压和电流波形

3.2.4功率和效率分析

在高频功率放大器中，集电极效率ηc

是一个非常重要的指标。

提高ηc

不仅可以使设备充分利用，节省能源，更重要的是可以增大输出功率，增加功放管的安全性。

由图3.2.5所示，θ

越小，g1越大，效率越高。

但当θ

很小时，g1

增加不多，且造成α1(θ)减小，使输出功率减小，因此为了兼顾功率和效率。

丙类功率放大器的导通角一般在60°~90°内选择。

3.3高频功率放大器的工作状态分析

3.3.1高频功率放大器的动态特性当高频功放加上信号源及负载阻抗时，晶体管电流(主要指i

)与电极电压uBE

及uCE的关系曲线，即称为高频功放的动态特性。

借助于动态特性曲线，可求出三种状态下的ic波形。

当放大器工作于谐振状态时，其外部电路的关系为

要绘制动态特性曲线，只需取不同的ωt的值，比如分别取ωt=0°，1°，2°…，计算出对应的uBE、uCE

的值，在晶体管输出特性曲线上描绘出不同uBE、uCE

值所对应的ic

的值，然后逐点相连，即可得到动态特性曲线。

但这种方法比较繁琐，适合计算机绘图。

其实，当LC

谐振回路谐振时，可以证明，ic~uCE

坐标平面上的动特性曲线方程在晶体管导通期间是一条直线方程，因此在画晶体管导通期间动态特性时，只需求两个特殊点(A、B点)即可。

而晶体管截止时，由于ic=0(忽略ICE0)，其动态特性在横轴上变化，只需求一个最大变化点C即可。

将A、B、C三点相连，就可以画出高频功放完整的动态特性曲线，如图3.3.1所示。

图3.3.1高频功放的动态特性

三个特殊点的具体求法是，在式(3.3.1)中，ωt分别取三个不同特殊值，即

当ωt=0时，

即得A点坐标。

当ωt=θ

时，

即得B

点坐标。

当|ωt|≥θ时，晶体管进入截止区域，集电极电流ic=0，动态特性曲线的工作点在横轴uCE

上随ωt的变化而移动。

当ωt=180°时，uCE=uCEmax=EC+Ufm，即为C点位置。综上所述，高频功放的动态特性与EB、EC、Ubm

、Ufm(RC)有关，也就是ic

波形与EB、EC、Ubm

、Ufm(Rc)有关。

3.3.2高频功率放大器的工作状态

前面提到，要提高高频功放的功率、效率，除了工作于C

类状态外，还应该提高电压利用系数ξ=Ufm/EC，也就是加大Ufm，这是靠增加Rc实现的。

现在讨论Ufm

由小到大变化时，动态特性曲线的变化。

图3.3.2表示在三种不同Ufm

时，所对应的三条动态特性曲线及相应的电流、电压波形。

图3.3.2ic

与Ufm(Rc)的关系曲线

2.临界状态

当Ufm

增大到Ufm=U'fm

时，A

点移至A'

点，B

点移至B'点，动态特性曲线为折线A'B'C'(动态曲线2)，此时放大器处于临界状态，集电极电流波形ic

为尖顶余弦脉冲。

3.过压状态

当Ufm

增大到接近EC

时，Ufm>U'fm，uCEmin

将小于uBEmax，不仅发射结处于正向偏置，集电结也处于正向偏置，工作于饱和区，放大器工作在过压状态，动态特性曲线为折线A1A2B″C″(动态曲线3)。

在饱和区时ic

随uCE

下降迅速下降，A1A2段与饱和区电流下降段重合。

集电极电流波形ic

为凹顶余弦脉冲。

3.3.3高频功率放大器的外部特性

1.负载特性

当放大器直流电源电压EC

和EB

及激励电压Ubm不变，高频功率放大器的负载Rc发生变化时，会使动态特性曲线的A、B

和C

位置发生变化，从而引起放大器的集电极电流Ic0、Ic1m

、回路电压Ufm

、输出功率P1

以及集电极效率ηc

等发生变化。

高频功放的这个特性称为负载特性，它是高频功放的重要特性之一。

当增大负载电阻Rc

使得Ufm

由小到大变化时，放大器的工作状态将从欠压状态进入临界状态，再进入过压状态。

不考虑基区宽变效应时(输出特性曲线是平坦的)，在欠压区由于集电极电流icmax

不变，导通角θ一定，电流Ic0、Ic1m几乎不变；进入过压后，ic

为凹顶余弦脉冲，icmax

减小，所以电流Ic0、Ic1m

急剧下降。

当Rc

增加时，在欠压区，回路电压Ufm随Rc

的加大而加大；进入过压区后，由于电流Ic1m

的急剧下降，使得回路电压Ufm

的增加变得平缓。

由此可以画出Ic0、Ic1m

、Ufm

随Rc

变化的曲线，并根据Ic0、Ic1m

、Ufm与

P0、P1、Pc、ηc的关系式可以画出P0、P1、Pc、ηc

随RC

变化的曲线，如图3.3.3所示。

图3.3.3高频功放的负载特性

通过上述讨论可得到以下结论：

(1)欠压状态时，电流Ic1m

基本不随Rc

变化，放大器可视为恒流源。

输出功率P1

随Rc

增大而增加，损耗功率Pc

随Rc减小而增大。

当Rc=0，即负载短路时，集电极损耗功率Pc

达到最大值，这时有可能烧毁晶体管。

因此在实际调整时，千万不可将放大器的负载短路。

一般在基极调幅电路中采用欠压工作状态。

(2)临界状态时，放大器输出功率最大，效率也较高，这时放大器工作在最佳状态。一般发射机的末级功放多采用临界工作状态。

为了使放大器工作在临界状态，可分别调整接入系数pL、等效品质因数Qe

等，使放大器谐振负载电阻等于临界状态所要求的数值(Rc=Rcj)，实现阻抗匹配。

(3)过压状态时，若在弱过压状态，输出电压基本不随Rc

变化，放大器可视为恒压源，集电极效率最高。

一般在发射机的激励级和集电极调幅电路中采用弱过压状态。

但深度过压时，ic

波形凹陷严重，谐波增多，很少采用。

2.放大特性

高频功放的放大特性又叫振幅特性，是指在EB、EC、Rc

一定时，放大器的电流、电压等随输入信号的电压幅值Ubm

的变化关系。

讨论放大特性是为了研究在放大某些振幅变

化的高频信号时的特点。

当Ubm<Ubmj时，工作于欠压状态，ic

为一系列尖顶余弦脉冲。ic脉冲的峰值icmax与导通角θ

都将随Ubm

的减小而减小，Ic1m

、Ic0将随Ubm

的减小而迅速地减小。

当Ubm>Ubmj

时，工作于过压状态，ic

为一系列凹顶余弦脉冲。

虽然随着Ubm

的加大，ic

的凹陷越深，但其峰值却要随Ubm

的加大而加大，脉冲导通角θ也随Ubm

的加大而大。

故进入过压区后，随Ubm

的加大，Ic1m

、Ic0

将随之略有增长，如图3.3.4所示。

图3.3.4放大特性

3.调制特性

当放大器的EC、Rc、Ubm一定时，放大器的性能随EB

变化的特性称为基极调制特性；当放大器的EB、Rc、Ubm

一定时，放大器的性能随EC

变化的特性称为集电极调制特性。讨论放大器的调制特性是为了说明放大器用于调幅时的特性。

1)基极调制特性

当EB=EBj时，放大器工作于临界状态，ic为尖顶余弦脉冲，如图3.3.5所示。

图3.3.5基极调制特性

2)集电极调制特性

当EC=ECj时，放大器工作在临界状态，这时ic

为尖顶余弦脉冲，如图3.3.6所示。

由图3.3.6可见，在过压区改变EC

能有效地控制Ic1m的变

化，故集电极调幅应工作于过压状态。

图3.3.6集电极调制特性

4.调谐特性

改变回路元件LC的数值时，使放大器的集电极随之而变化的特性称为调谐特性，如图3.3.7所示。图3.3.7高频功放的调谐特性

3.4高频功率放大器的实际线路

3.4.1直流馈电电路

1.集电极馈电电路我们已经知道，集电极回路的电流为余弦脉冲电流，它包含直流、基波和高次谐波分量。

对于这些频率成分，馈电电路的原则如下：

(1)要求直流电流直接通过晶体管外围电路供给集电极以产生直流能量，除了晶体管内阻外，没有其他电阻消耗能量，或消耗能量较小，其等效电路如图3.4.1(a)所示。

(2)要求基波分量ic1

应通过负载回路，以产生高频输出功率。

因此，除调谐回路外，其余部分对于ic1

来说都应是短路的，其等效电路如图3.4.1(b)所示。

(3)要求晶体管外围电路对于高次谐波icn

均应尽可能接近短路，即高次谐波不应消耗任何能量，其等效电路如图3.4.1(c)所示。

图3.4.1集电极电路对不同频率电流的等效电路

图3.4.2所示为两种集电极馈电电路，它们的组成均满足以上几条原则。

图3.4.2(a)为串联馈电方式，图3.4.2(b)为并联馈电方式。图3.4.2集电极馈电电路

串联馈电是指晶体管、负载电路和电源EC

三者为串联连接方式；并联馈电则是指晶体管、负载回路和电源EC

三者为并联连接方式。

图3.4.2中，L、C组成负载回路。Lc

为高频扼流圈，它对直流近似为短路，而对高频则呈现很大的阻抗，近似开路。CP为高频旁路电容，作用是防止高频成分进入直流电源。

图3.4.2(b)中的Cc

为隔直电容，作用是防止直流进入负载回路。

串联馈电的优点是EC、Lc、CP处于高频“地”电位，分布电容不影响回路；并联馈电的优点是LC

处于直流地电位，L、C

元件可以接地，安装方便，使用安全性高。

但Lc、CP对地的分布电容对回路产生不良影响，限制了放大器的高端频率。

因此，串联馈电一般适用于工作频率较高的电路，而并联馈电一般适用于工作频率较低的电路。

2.基极馈电电路

基极馈电电路同样有串联馈电和并联馈电两种方式，如图3.4.3所示。

图中，CP

为高频旁路电容，图3.4.3(b)中的Cb

为耦合电容，Lc

为高频扼流圈。

在实际电路中，工作频率较低或工作频带较宽的功率放大器一般采用如图3.4.3(a)所示的串联馈电形式；对于甚高频段的功率放大器，由于采用电容耦合比较方便，则通常采用如图3.4.3(b)所示的并联馈电形式。

图3.4.3基极馈电电路

在实际应用中，高频功放还经常采用自给偏压方式来获取基极偏置电压。

通常有以下三种方式产生基极偏置电压：

(1)利用基极电流在基极电阻上产生偏压，如图3.4.4(a)所示。

基本原理为：当晶体管导通时，基极电流ib

中的直流Ib0

在Rb

产生直流电压EB=Ib0Rb，且这个电压对基极而言为负偏置电压。

这种方法经常被采用，它的缺点是随着偏置电阻Rb

的加大，降低了晶体管的集

射间的击穿电压BUCER。

(2)利用发射极电阻建立偏压，如图3.4.4(b)所示。

其基本原理与上一种情况相似，也是利用发射极电流ie

中的直流分量Ie0

在Re

产生直流电压EB=Ie0Re。

这种方法的优点是可以自动维持放大器的工作稳定。

当激励加大时，Ie0加大，使负偏压加大，反过来使Ie0

相对增加量减小，这实质上就是直流负反馈作用。

(3)零偏压，如图3.4.4(c)所示。

在基极和发射极间用直流电阻很小的扼流圈连通，使发射结没有任何偏置电压。

图3.4.4自给偏压电路

3.4.2输出匹配网络

为了与前级和后级电路达到良好的传输和匹配关系，高频功放通常接有输入匹配网络和输出匹配网络，它们通常由二端口网络构成，如图3.4.5所示。图3.4.5放大器的匹配网络

放大器的输出匹配网络一般指晶体管与天线之间的电路，也称输出电路。

对它的一般要求是：

(1)能滤除谐波分量；

(2)与天线达到良好的匹配，保证获得较高的输出功率和效率；

(3)能适应波段工作的要求，频率调节方便。

谐振回路型的输出回路可分为简单并联回路和耦合回路两种。

简单并联回路是将负载通过并联回路接入集电极回路，这种方式的优点是电路简单，缺点是阻抗匹配不易调节，滤波性能不好，故现已很少采用。

耦合回路是将天线回路通过互感耦合或其他电抗元件与集电极调谐回路相耦合。

图3.4.6所示为互感耦合的输出回路。

图3.4.6互感耦合输出电路

图3.4.6中，L1、C1

回路称为中介回路，L2、L3、C2

回路称为天线回路。

L3、C2

为天线回路的调谐元件，它们的作用是使天线回路处于谐振状态，以使天线回路的电流IA

达到最大值，即天线回路的辐射功率达到最大。

图3.4.6(b)为中介回路的等效电路，rf

代表天线回路谐振时反射到中介回路的等效电路，通常称之为反射电阻，其值可由下面的表达式求出：

式中：RA

为天线等效辐射电阻；r2

为天线回路的损耗电阻。

因此，中介回路的有载谐振阻抗为

由上式可知，改变互感

M就可以在不影响回路调谐的情况下，调整中介回路的有效等效电阻R'c，以达到阻抗匹配的目的。

在耦合输出回路中，即使天线开路，对电子器件也不会造成严重的损害，而且它的滤波作用要比单调谐回路优良，因而得到了广泛的应用。

为了使器件的输出功率大部分送到负载上，需要使反射电阻rf远大于r1，r1

为中介回路损耗电阻。

我们用输出到负载的有效功率与输入到回路的总的交流功率之比来衡量回路传输能力的好坏，称之为中介回路的传输效率，用η1

表示：

无负载时的中介回路谐振阻抗为

有负载时的回路谐振阻抗为

所以

式中：Qe

为有载品质因素；Q0

为空载品质因素。

3.4.3集成高频功率放大器的应用

非线性状态下工作的高频功放的调整、测试是非常困难和繁琐的。

针对这一情况，国内外的很多厂商制造了大量具有良好封装的高频模块放大器。

这种模块放大器组件可以完成振荡、变频、调制、功率合成(分解)等多种功能。

这种模块放大器组件解决了系统设计和调试的麻烦，但体积还比较大，随着集成电路工艺水平的提高，在VHF频段，甚至在UHF频段，出现了集成高频功放。

其优点是体积小、可靠性高，但输出功率还不够高，一般为几瓦到几十瓦。

比如日本的M57704系列、美国Motorola公司的MHW系列就是其中的代表产品。

图3.