第 3章高頻功率放大器

1、第 3章 高頻功率放大器一、 本章的基本要求（1） 掌握丙類諧振功率放大器的工作原理及其特點(diǎn)。（2） 掌握諧振功率放大器三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)以及負(fù)載特性；了解集電極直流電源，基極直流電源以及基極輸入電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響。（3） 掌握諧振功率放大器電路的組成，了解諧波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用。（4） 了解傳輸線變壓器的工作原理以及阻抗變換，功率合成與分配技術(shù)二、 重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：（1）丙類諧振功率放大器的工作原理及其特點(diǎn)。（2）諧振功率放大器三種工作狀態(tài)以及負(fù)載特性。（3）諧振功率放大器電路的組成。（4）傳輸線變壓器阻抗變換原理。難點(diǎn)：（1） 諧振功率放大器特性分析。（2） LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換原理及電路參數(shù)

2、的計(jì)算。（3） 傳輸線變壓器功率合成與分配原理。引言1、使用高頻功率放大器的目的放大高頻大信號(hào)使發(fā)射機(jī)末級(jí)獲得足夠大的發(fā)射功率。2、高頻功率信號(hào)放大器使用中需要解決的兩個(gè)問題高效率輸出 高功率輸出聯(lián)想對(duì)比：高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和高。3、諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處相同之處：它們放大的信號(hào)均為高頻信號(hào)，而且放大器的負(fù) 載均為諧振回路。不同之處：為激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作點(diǎn)不同； 晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。4、諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同共同之處:都要求輸出功率大和效率高。功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)化為交流能

3、量，能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大器的效率。諧振功率放大器通常用來放大窄帶高頻信號(hào)(信號(hào)的通帶寬度只有其中心頻率的1%或更小)，其工作狀態(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)(qc90°)，為了不失真的放大信號(hào)，它的負(fù)載必須是諧振回路。非諧振放大器可分為低頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器。低頻功率放大器的負(fù)載為無調(diào)諧負(fù)載，工作在甲類或乙類工作狀態(tài)；寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載。工作狀態(tài) 功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作方式，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。諧振功率放大器通常工作于丙類工作狀態(tài)，屬于非線性電路功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率。3.1 諧振功率

4、放大器的工作原理1、原理電路晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振回路LC是晶體管的負(fù)載，電路工作在丙類工作狀態(tài)。圖3-1諧振功率放大器的基本電路外部電路關(guān)系式： （3-1） （3-2）2電流電壓波形當(dāng)基極輸入一余弦高頻信號(hào)，可以得到上式的輸入電壓情況，在某一時(shí)刻，當(dāng)輸入的基極電壓大于基極的門檻電壓值時(shí)，這個(gè)基極開始導(dǎo)通，放大器處于放大狀態(tài)，在基極會(huì)產(chǎn)生基極電流，基極電流電流對(duì)應(yīng)產(chǎn)生集電極電流，由于在輸入電壓含有直流電壓源，所以得出的基極電流和集電極電流中含有直流成分，使得輸出的基極和集電極電流是脈沖電流，脈沖電流可以用傅里葉級(jí)數(shù)來進(jìn)行表示，講集電極電流

5、用傅里葉級(jí)數(shù)展開，可以得到 （3-3）式中 ，表示集電極電流的直流分量，分別表示集電極電流的基波和各次諧波分量。圖3-2高頻功率放大器中電壓與電流的關(guān)系3、諧振功率放大器的功率關(guān)系和效率由前述所知： 功率放大器的作用原理是利用輸入到基極的信號(hào)來控制集電極的直流電源所供給的直流功率，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?hào)功率輸出去。有一部分功率以熱能的形式消耗在集電極上，成為集電極耗散功率。P=直流電源供給的直流功率；Po=交流輸出信號(hào)功率；Pc=集電極耗散功率；根據(jù)能量守衡定理： （3-4）直流功率： （3-5）輸出交流功率： （3-6）為并聯(lián)諧振回路輸出電壓的最大值 為集電極基波分量 為調(diào)諧在基波狀態(tài)下的等效電

6、阻故集電極效率：（3-7）式中，為集電極電壓利用系數(shù)為波形系數(shù)由上式可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：1) 設(shè)法盡量降低集電極耗散功率Pc，則集電極效率hc自然會(huì)提高。這樣，在給定時(shí)，晶體管的交流輸出功率Po就會(huì)增大；2) 由式可知如果維持晶體管的集電極耗散功率Pc不超過規(guī)定值，那么提高集電極效率，將使交流輸出功率Po大為增加。諧振功率放大器就是從這方面入手，來提高輸出功率與效率的。3.2 諧振功率放大器的特性分析1、欠壓、臨界和過壓三種工作狀態(tài)欠壓工作狀態(tài)： 在丙類諧振放大器電路中，當(dāng)集電極的最小電壓值就大于集電極的飽和電壓值的時(shí)，這時(shí)電路處于欠壓工作狀態(tài)。臨界工作狀態(tài)： 是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電

7、極最小電壓值工作在放大區(qū)和飽和區(qū)之間的臨界點(diǎn)上，晶體管工作在放大區(qū)和截止區(qū)。過壓工作狀態(tài)： 由于諧振功率放大器的負(fù)載是諧振回路，有可能產(chǎn)生交大的輸出電壓，使得很小（小于集電極的飽和電壓值）致使晶體管在附近因很小而進(jìn)入飽和區(qū)。進(jìn)入飽和區(qū)后，集電極電流受基極電源電壓的影響變小。2、負(fù)載特性如果VCC、VBB、3個(gè)參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻決定。此時(shí)，放大器的電流、輸出電壓、功率、效率等隨而變化的特性，就叫做放大器的負(fù)載特性。圖3-3 電壓、電流隨負(fù)載變化波形圖當(dāng)由小逐漸增大時(shí)，也跟隨由小變大，放大器由欠壓狀態(tài)逐步向過壓狀態(tài)過度，集電極電流脈沖變化是，在欠壓狀態(tài)下，集電極電流的基波和

8、直流隨著負(fù)載的增大雖然略有下降，但變化不大，隨著負(fù)載的增大，使得放大器有欠壓到過壓狀態(tài)變化，到過壓狀態(tài)，集電極電流的基波和直流分量隨著負(fù)載的增加而迅速下降。在負(fù)載電阻由小至大變化時(shí)，負(fù)載線的斜率由小變大，如圖中1®2®3。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的ic波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。圖3-4 電壓、電流隨負(fù)載特性變化曲線圖3-5 功率、效率隨負(fù)載變化曲線圖臨界狀態(tài) 負(fù)載線正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。放大器工作在臨界線狀態(tài)時(shí)，輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。欠壓狀態(tài) 在欠壓區(qū)至臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)，根據(jù)，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨

9、負(fù)載電阻的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此過壓狀態(tài) 放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的加大，要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要減小。根據(jù)上述分析負(fù)載特性曲線圖來分析諧振功率放大器的負(fù)載特性欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。過壓狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射極的中間級(jí)、集電極調(diào)幅級(jí)常采用這種狀態(tài)。臨界狀態(tài)的特點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，比最大效率差不了許多，可以說是最佳工作狀態(tài)，發(fā)射極的末級(jí)常設(shè)計(jì)成

10、這種狀態(tài)，在計(jì)算諧振功率放大器時(shí)，也常以此狀態(tài)為例。掌握負(fù)載特性，對(duì)分析集電極調(diào)幅電路、基極調(diào)幅電路的工作原理，對(duì)實(shí)際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)和指標(biāo)是很有幫助的。3、對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響 如果Re、VBB、3個(gè)參變量不變，只改變集電極直流電源電壓，諧振功率放大器的工作狀態(tài)將會(huì)跟隨變化，在欠壓區(qū)內(nèi)，輸出電流的振幅基本上不隨VCC變化而變化，故輸出功率基本不變；而在過壓區(qū)，輸出電流的振幅將隨VCC的減小而下降，故輸出功率也隨之下降。在過壓區(qū)中輸出電壓隨VCC改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；因?yàn)樵诩姌O調(diào)幅電路中是依靠改變VCC來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅過程的。圖3-6 電流隨VCC變化特性曲線圖

11、3-7 功率、效率隨VCC變化特性曲線4、 對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響VCC、VBB、Re不變，VBB變化。當(dāng)VBB逐漸增大時(shí)，管子的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)， 基極電壓增大，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。當(dāng)VBB由小到大變化時(shí)，Icm1、Ic0和響應(yīng)的ucm在欠壓區(qū)迅速增大，而在過壓區(qū)則緩慢增大。放大器的工作狀態(tài)由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓狀態(tài)。 基極調(diào)幅就是調(diào)制信號(hào)使VBB改變的調(diào)制方式。因此，基極調(diào)幅要工作在欠壓區(qū)。圖3-8 對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響3.3 諧振功率放大器電路一、直流饋電電路1. 集電極饋電電路 根據(jù)直流電源連接方式的不同，集電極饋電電路又分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)

12、饋電兩種。圖3-9 集電極直流饋電電路(1) 串饋電路 指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者首尾相接的一種直流饋電電路。C1、LC為低通 濾波電路，A點(diǎn)為高頻地電位，既阻止電源VCC中的高頻成分影響放大器的工作，又避免高頻信號(hào)在LC負(fù)載回路以外不必要的損耗。(2) 并饋電路 指直流電源VCC、負(fù)載回路(匹配網(wǎng)絡(luò))、功率管三者為并聯(lián)連接的一種饋電電路。如圖LC為高頻扼流圈，C1為高頻旁路電容，C2為隔直流通高頻電容。(3) 串并饋直流供電路的優(yōu)缺點(diǎn) 在并饋電路中，信號(hào)回路兩端均處于直流地電位，即零電位。對(duì)高頻而言，回路的一端又直接接地，因此回路安裝比較方便，調(diào)諧電容C上無高壓，安全

13、可靠；缺點(diǎn)是在并饋電路中，LC處于高頻高電位上，它對(duì)地的分布電容較大，將會(huì)直接影響回路諧振頻率的穩(wěn)定性；串聯(lián)電路的特點(diǎn)正好與并饋電路相反。由于集電極電流是脈沖形狀,包括直流、基頻及各次諧波分量,所以集電極饋電線路除了應(yīng)有效地將直流電壓加在晶體管的集電極與發(fā)射極之間外,還應(yīng)使基頻分量流過負(fù)載回路產(chǎn)生輸出功率,同時(shí)有效地濾除高次諧波分量。2. 基極饋電電路基極饋電電路也分串饋和并饋兩種?；鶚O偏置電壓VBB可以單獨(dú)由穩(wěn)壓電源供給，也可以由集電極電源VCC分壓供給。在功放級(jí)輸出功率大于1W時(shí)，基極偏置常采用自給偏置電路。二、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)1.對(duì)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的要求濾波匹配網(wǎng)絡(luò)常常是指設(shè)備中末級(jí)功放與天線或

14、其他負(fù)載間的網(wǎng)絡(luò)，這種匹配網(wǎng)絡(luò)有L型、p型、T型網(wǎng)絡(luò)及由它們組成的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)，也有用雙調(diào)諧耦合回路的。高頻調(diào)諧功率放大器的阻抗匹配就是在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，將負(fù)載阻抗ZL轉(zhuǎn)換成放大管所要求的最佳負(fù)載阻抗Re，使管子送出的功率P0能盡可能多的饋至負(fù)載。這就叫做達(dá)到了匹配狀態(tài)，或簡(jiǎn)稱匹配。 濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的主要功能與要求是匹配、濾波和高效率。2.LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換1. 串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換 圖3-10 串聯(lián)轉(zhuǎn)化為并聯(lián) （3-8） （3-9） （3-10） （3-11） （3-12）并-串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換 （3-13） （3-14）時(shí)，變換前后電抗元件參數(shù)變化不大，而小RS變?yōu)榇?/p>

15、RP2. L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換 （1）低阻變高阻型圖3-11低阻變高阻L形的濾波匹配網(wǎng)絡(luò) （3-15） （3-16） （3-17）當(dāng)工作頻率為并聯(lián)諧振頻率時(shí)，（3-18） （3-19）應(yīng)用中，根據(jù)阻抗匹配要求確定，即（3-20）（2） 高阻變低阻型圖3-12 高阻變低阻L形的濾波匹配網(wǎng)絡(luò) （3-21） （3-22） （3-23）當(dāng)工作頻率為串聯(lián)諧振頻率時(shí)，（3-24） （3-25）根據(jù)阻抗匹配要求確定，即 （3-26）3. 型和T濾波匹配網(wǎng)絡(luò)(a) (b)圖3-13 型和T型的濾波匹配網(wǎng)絡(luò) (a)型濾波匹配網(wǎng)絡(luò) (b)T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)型濾波網(wǎng)絡(luò)的等效變換圖3-14 型轉(zhuǎn)換成L型電路恰當(dāng)選擇兩個(gè)L型網(wǎng)絡(luò)的Q值，就可兼顧濾波和阻抗匹配的要求。本 章 小 節(jié)1. 高頻諧振功率放大器電路可以工作在甲類、乙類或丙類狀態(tài)。 相比之下丙類諧振功放的失真度雖不及甲類和乙類大，但輸出功率大、效率高，節(jié)約能源， 所以是高頻功率放大器中經(jīng)常選用的一種電路形式。2. 丙類諧振功放效率高的原因在于導(dǎo)通角小，也就是晶體管導(dǎo)通時(shí)間短，集電極功耗減小。 但導(dǎo)通角越小，將導(dǎo)致輸出功率越小。 所以選擇合適的角，是丙類諧振功放在兼顧效率和輸出功率兩個(gè)指標(biāo)的一個(gè)重要考慮，綜合考慮=70°作為最佳導(dǎo)通角。3.