第4章 高頻功率放大器

1、第4章 高頻功率放大器教學(xué)提示：高頻諧振功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，通常工作于丙類(lèi)，屬于非線性電路。因此分析電路時(shí)不能用線性等效電路的方法來(lái)分析，一般采用折線近似分析法。高頻諧振功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，而新型的寬帶、高頻功率放大器是以頻率響應(yīng)很寬傳輸線作負(fù)載。教學(xué)要求：丙類(lèi)諧振功率放大器的工作原理、特性及理論上的分析方法是本章教學(xué)的重點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生了解高頻功率放大電路、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的分析和設(shè)計(jì)方法、倍頻器、傳輸線變壓器及寬帶高頻功率放大器的工作原理。4.1 概述我們已經(jīng)知道，在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率，必須采用低頻功率放大器。同樣在高頻范圍，為了獲

2、得足夠大的高頻輸出功率，也必須采用高頻功率放大器。例如，緒論中所示發(fā)射機(jī)方框圖中的高頻部分，由于在發(fā)射機(jī)里的振蕩器所產(chǎn)生的高頻振蕩功率很小，因此在它后面要經(jīng)過(guò)一系列的放大緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的高頻功率后，才能饋送到天線上輻射出去。這里所提到的放大級(jí)都屬于高頻功率放大器的范疇，由此可見(jiàn)，高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同特點(diǎn)都是輸出功率大和效率高,但由于兩者的工作效率和相對(duì)頻帶寬度相差很大，就決定了它們之間有著根本的差異：低頻功率放大器的工作頻率低，但相對(duì)頻帶寬度卻很寬。例如2020000Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍，因此它們采

3、用無(wú)調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率很高(由幾十千赫茲一直到幾百、幾千、甚至幾萬(wàn)兆赫茲)，但相對(duì)頻帶窄。例如，調(diào)幅廣播電臺(tái)(5351605kHz的頻率范圍)的頻帶寬度為10kHz，而相對(duì)頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對(duì)頻帶越小，因此，高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這一特點(diǎn)，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可以工作于甲類(lèi)、甲乙類(lèi)或乙類(lèi)(限于推挽電路)狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類(lèi)(某些特殊情況可工作于乙類(lèi))。近年來(lái)，寬頻帶發(fā)射機(jī)的各中間級(jí)還廣泛采用種新型的寬帶、高頻功率放大器。它不采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路，而

4、是以頻率響應(yīng)很寬傳輸線作負(fù)載。這樣它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，而不必重新調(diào)諧。從低頻電子線路課程我們已經(jīng)知道，放大器可以按照電流的流通角的不同，分為甲、乙、丙三類(lèi)工作狀態(tài)，近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類(lèi)與戊類(lèi)放大器，這類(lèi)放大器是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。甲類(lèi)放大器電流的流通角為，適用于小信號(hào)低功率放大；乙類(lèi)放大器電流的流通角等于；丙類(lèi)放大器電流的流通角則小于。乙類(lèi)和丙類(lèi)都適用于大功率工作，丙類(lèi)工作狀態(tài)的輸出功率和效率是二種工作狀態(tài)中最高的，高頻功率放大器大多工作于丙類(lèi)。但丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾

5、波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。除了以上幾種按電流的導(dǎo)通角來(lái)分類(lèi)的工作狀態(tài)外，丁類(lèi)放大和戊類(lèi)放大是使電子器件工作于升關(guān)狀態(tài)的。丁類(lèi)放大器的效率比丙類(lèi)放大器的還高，理論上可達(dá)100，但它的最高工作頻率受到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功耗(集電極耗散功率)的限制。如果在電路上加以改進(jìn)，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的功耗盡量減小，則工作頻率得以提高，這就是所謂戊類(lèi)放大器。功率放大器的幾種工作狀態(tài)的特點(diǎn)見(jiàn)表 4-1。表 4-1 不同工作狀態(tài)時(shí)放大器的特點(diǎn) 工作狀態(tài)半導(dǎo)通角理想效率負(fù) 載應(yīng) 用甲類(lèi)=180 50%電阻低頻乙類(lèi)=90 78.5%推挽，回路低頻，高頻甲乙類(lèi) 90180 50% 7

6、8.5%推挽低頻丙類(lèi) 90 78.5%選頻回路高頻丁類(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)90%100%選頻回路高頻 由于高頻功率放大器通常工作于丙類(lèi)，屬于非線性電路，因此分析電路時(shí)不能用線性等效電路的方法來(lái)分析。對(duì)它們的分析方法可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是圖解法，即利用電子器件的特性曲線來(lái)對(duì)它的工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算；另類(lèi)是采用折線分析法，即將電子器件的特性曲線用某些近似解析式來(lái)表示，然后對(duì)放大器的工作狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算?？偟恼f(shuō)來(lái)，圖解法是從客觀實(shí)際出發(fā)，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但對(duì)工作狀態(tài)的分析不方便，手續(xù)比較煩冗；折線法的物理概念清楚，分析工作狀態(tài)方便，但計(jì)算準(zhǔn)確度較低。本章先討論諧振功率放大器的工作原理、特性及電路，然后介紹倍頻器、

7、傳輸線變壓器及寬帶高頻功率放大器的工作原理。4.2 諧振功率放大器的工作原理4.2.1基本工作原理1電路組成如圖4.1所示，諧振功率放大器的由晶體管、諧振回路和直流供電電路組成。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^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用。圖中、為集電極和基極提供適當(dāng)工作狀態(tài)和能源。為使晶體管工作在丙類(lèi)狀態(tài)，應(yīng)使晶體管的基極為負(fù)偏置，即為負(fù)值。當(dāng)沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，。為外接負(fù)載電阻（實(shí)際情況下，外接負(fù)載一般為阻抗性的），、為濾波匹配網(wǎng)絡(luò)，它們與構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率上，作為晶體管集電極負(fù)載。圖4.1的諧振功率放大器原理電路與第3章所介紹的高頻小信號(hào)調(diào)諧

8、放大器電路結(jié)構(gòu)很相似，但有以下幾點(diǎn)區(qū)別：（1） 放大管是高頻大功率晶體管，常采用平面工藝制造，集電極直接和散熱片連接，能承受高電壓和大電流。（2） 輸入回路通常為調(diào)諧回路，既能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧選頻，又能使信號(hào)源與放大管輸入端匹配。（3） 輸出端的負(fù)載回路也為調(diào)諧回路，既能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧選頻，又能實(shí)現(xiàn)放大管輸入端匹配。（4） 基極偏置電路為集體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓（為負(fù)值），常使電路工作在丙類(lèi)狀態(tài)。 圖4.1 諧振功率放大器原理電路2電流、電壓波形 當(dāng)基極輸入一高頻余弦信號(hào)后，晶體管基極和發(fā)射極之間的有效電壓為 （4-1）其波形如圖4.2(a)所示。當(dāng)?shù)乃矔r(shí)值大于基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓時(shí)，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生基

9、極脈沖電流，如圖4.2(b)所示。基極導(dǎo)通后，晶體管便由截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，集電極將流過(guò)電流，與基極電流相對(duì)應(yīng)，也是脈沖形狀，必須強(qiáng)調(diào)指出，集電極電流雖然是脈沖狀，包含很多諧波，失真很大，如圖4.2(c)所示。將用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，則得 (4-2) (a) 波形 (b)基極電流波形(c) 集電極電流波形 (d) 波形圖4.2 丙類(lèi)諧振功率放大器中 電流、電壓波形式中，為集電極直流分量，、分別為集電極電流的基波、二次諧波及高次諧波分量的振幅。當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率上，即與高頻輸入信號(hào)的基波諧振時(shí)，諧振回路對(duì)基波電流而言，回路失諧而呈現(xiàn)很小的電抗并可看成短路。直流分量只能通過(guò)回路電感線圈支路，

10、其直流電阻較小，對(duì)直流也可看成短路。這樣，脈沖形狀的集電極電流，或者說(shuō)包含有直流、基波和高次諧波成分的電流流經(jīng)諧振回路時(shí)，只有基波電流才產(chǎn)生壓降，因而諧振回路兩端輸出不失真的高頻信號(hào)電壓。若回路諧振電阻為，則 （4-3） (4-4) 式中，為基波電壓振幅。所以，晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓為 (4-5)其波形如圖4.2(d)所示。 可見(jiàn)，利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集電極電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。同時(shí)，諧振回路還可以將含有電抗分量的外接負(fù)載變換為純電阻。通過(guò)調(diào)節(jié)、使并聯(lián)回路諧振電阻與晶體管所需集電極負(fù)載值相等，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，在諧振功率放大器中，諧振回路除了起濾波作用外

11、，還起到阻抗匹配的作用。由圖4.2(c)可見(jiàn)，丙類(lèi)放大器在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，只有小于半個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間內(nèi)有集電極電流流通，形成了余弦脈沖電流，為余弦脈沖電流的最大值，為導(dǎo)通角。丙類(lèi)放大器的導(dǎo)通角應(yīng)小于。余弦脈沖電流靠諧振回路的選頻作用濾除直流及各次諧波，輸出電壓仍然是不失真的余弦波。集電極高頻交流輸出電壓與基極輸入電壓相反。當(dāng)為最大值時(shí)，為最大值，為最小值，它們出現(xiàn)在同一時(shí)刻?？梢?jiàn)，只在很低的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，故集電極損耗很小，功率放大器的效率因而比較高，而且導(dǎo)通時(shí)間越小，效率就越高。必須指出，上述討論是在忽略了對(duì)和的反作用以及管子結(jié)電容影響的情況下得到的。3余弦電流脈沖的分解對(duì)于高頻諧振功率放大器進(jìn)

12、行精確計(jì)算是十分困難的。為了研究諧振功率放大器的輸出功率。管耗及效率，并指出一個(gè)大概變化規(guī)律，可采用近似估算的方法。首先，不考慮器件間電容的影響，其次，將晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線折線化，如圖4.3中線所示，圖中虛線為原來(lái)的特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線是集電極電流與基極電壓之間的關(guān)系曲線，略去對(duì)的影響，轉(zhuǎn)移特性曲線可用一條曲線表示。折線化后的斜線 圖4.3 諧振功率放大器集電極電流脈沖波形與橫軸的交點(diǎn)即為近似處理后晶體管的導(dǎo)通電壓。這樣做的結(jié)果，意味著輸入電壓低于導(dǎo)通電壓時(shí),電流為零,高于導(dǎo)通電壓時(shí),電流隨著線性增長(zhǎng)。因此,折線化后的轉(zhuǎn)移特性曲線可用下式表示 (4-6)式中,為折線化轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。在

13、晶體管基極加上電壓,其波形如圖4.3中曲線所示，根據(jù)折線化后的轉(zhuǎn)移特性曲線，可作出集電極電流脈沖波形，如圖4.3中曲線所示。圖中為余弦脈沖電流的最大值，等于器件一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間乘以角頻率的一半，稱為導(dǎo)通角。將代入式(4-6)則得 (4-7) 當(dāng)時(shí)，由式(4-7)可得 (4-8)利用式(4-8)可將式(4-7)改寫(xiě)為 (4-9) 當(dāng)時(shí)，由式(4-9)可得 (4-10)由式(4-9)和式(4-10)可得集電極余弦脈沖電流的表示式為 (4-11)式(4-11)的脈沖序列，利用傅里葉級(jí)數(shù)可展開(kāi)為 (4-12)其中為直流量，為基波及各次諧波的振幅，應(yīng)用數(shù)學(xué)求傅里葉級(jí)數(shù)的方法不難求出各個(gè)分量，它們都

14、是的函數(shù)。它們的關(guān)系分別為 (4-13)式中，稱為余弦脈沖電流分解系數(shù)，其大小是導(dǎo)通角的函數(shù)。圖4.4作出了，也可查附錄3余弦脈沖分解系數(shù)表。圖4.4 余弦脈沖電流分解系數(shù)4.2.2 輸出功率與效率 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(lái)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。這種轉(zhuǎn)換不可能是百分之百的，因?yàn)橹绷麟娫此┙o的功率除了轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵龉β实哪且徊糠滞猓€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。 由于輸出回路調(diào)諧在基波頻率上，輸出電路中的高次諧波處于失諧狀態(tài)，相應(yīng)的輸出電壓很小，因此，在諧振功率放大器中只需研究直流及基

15、波功率。放大器的輸出功率等于集電極電流基波分量在負(fù)載上的平均功率，即 (4-14)集電極直流電源供給功率等于集電極電流直流分量與的乘積，即 (4-15)集電極耗散功率等于集電極直流電源供給功率與基波輸出功率之差，即 (4-16)放大器集電極效率等于輸出功率與直流電源供給功率之比，即 (4-17)將式(4-13)代入式(4-17)，則得 (4-18) (4-19) (4-20)式中，稱為集電極電壓利用系數(shù)；稱為波形系數(shù)。是導(dǎo)通角的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系如圖4.4所示。值越小，越大，放大器的效率也就越高。因此，丙類(lèi)諧振功率放大器提高效率的途徑即為減小角，使回路諧振在信號(hào)的基頻上，即 的最大值應(yīng)對(duì)應(yīng)的最小

16、值，如圖 4-2所示。下面就負(fù)載電阻和導(dǎo)通角對(duì)效率和輸出功率的影響加以討論 (1) ，有：；(2) ，一般有： ；(3) 可得當(dāng)晶體管允許的耗散功率一定時(shí)，。在的條件下，由式(4-18)可求得不同工作狀態(tài)下放大器的效率分別為：甲類(lèi)工作狀態(tài)：，乙類(lèi)工作狀態(tài)：，丙類(lèi)工作狀態(tài)：，可見(jiàn)，丙類(lèi)工作狀態(tài)的效率最高，當(dāng)時(shí)，效率可達(dá)，隨著的減少，效率還會(huì)進(jìn)一步提高。但由圖4.4可見(jiàn)，當(dāng)后繼續(xù)減少，波形系數(shù)的增加很緩慢，也就是說(shuō)過(guò)小后，放大器效率的提高就不顯著了，此時(shí)卻迅速下降，為了達(dá)到一定的輸出功率，所要求的輸入激勵(lì)信號(hào)電壓的幅值將會(huì)過(guò)大，從而對(duì)前級(jí)提出過(guò)高的要求。所以，諧振功率放大器一般取為左右。 例4.1

17、 圖4.1所示諧振功率放大器中，已知，試求該功率放大器的、和諧振回路諧振電阻。解：由圖4.4可查得，因此，由式(4-18)可求得由式(4-17)可得由式(4-16)可得由于所以，可得諧振回路的諧振電阻等于4.3 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)分析諧振功率放大器的輸出功率、效率及集電極損耗等都與集電極負(fù)載回路的諧振阻抗、輸入信號(hào)的幅度、基極偏置電壓以及集電極電源電壓的大小密切相關(guān)，其中集電極負(fù)載阻抗的影響尤為重要。通過(guò)對(duì)這些特性的分析，可了解諧振功率放大器的應(yīng)用及正確的調(diào)試方法。4.3.1 高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性1放大區(qū)動(dòng)態(tài)特性方程 圖4.5 高頻功放的原理電路 圖4.5所示為高頻功放的原理電路。若設(shè)輸

18、入信號(hào)電壓 ，當(dāng)放大器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，其外部電路輸入端的電壓方程為 （4-21）輸出端的電壓方程為 （4-22）式中，。從上兩式消去，可得 （4-23）利用晶體管在放大區(qū)的折線方程 （4-24） 把式（4-23）代入式（4-24）可得 = - ( -) = （- ） （4-25）上試反映了放大區(qū)與之間的關(guān)系,稱為放大區(qū)動(dòng)態(tài)特性曲線方程。式中, =- 表示動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率 =表示動(dòng)態(tài)特性曲線在軸上的截距，如圖4.6所示。其中,=。 圖4.6 動(dòng)態(tài)特性曲線的畫(huà)法2動(dòng)態(tài)特性曲線的畫(huà)法 高頻功放中電流波形可以從晶體管的動(dòng)態(tài)特性曲線上獲得。所謂動(dòng)態(tài)特性就是指當(dāng)加上激勵(lì)信號(hào)及接上負(fù)載阻抗時(shí)，晶體管電流

19、（主要是）與電壓（或者）的關(guān)系曲線，它在或坐標(biāo)系中是一條曲線（靜態(tài)特性是一簇曲線）。高頻功放中動(dòng)態(tài)特性曲線的畫(huà)法與低頻放大器有些不同，在高頻功放中，由于負(fù)載是有儲(chǔ)能的諧振回路，當(dāng)已知回路參數(shù)（如、）時(shí)，并不存在回路兩端電壓與流過(guò)的電流之間唯一確定的關(guān)系式，或者說(shuō)并不存在確定的負(fù)載線。實(shí)際上求解的過(guò)程是解=(,)靜態(tài)特性方程和回路的微分方程的聯(lián)立方程組，因此實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性曲線比較復(fù)雜，并不是一條直線。但是，當(dāng)晶體管的靜態(tài)特性曲線理想化為折線，而且高頻功放工作于負(fù)載回路的諧振狀態(tài)（即負(fù)載呈純電阻性）時(shí)，動(dòng)態(tài)特性曲線也可以近似為一條如式（4-25）所描述的直線。盡管利用式（4-25）分析高頻功放動(dòng)態(tài)

20、特性會(huì)帶來(lái)一些誤差，但從工程估算的角度來(lái)考慮高頻功放的計(jì)算，可大大簡(jiǎn)化工程計(jì)算，是完全有必要和允許的。利用式（4-25），在圖4.6所示靜態(tài)輸出特性曲線的軸上取點(diǎn)，使,由點(diǎn)作斜率為的直線，即得動(dòng)態(tài)特性曲線。也可以用另外的方法畫(huà)出動(dòng)態(tài)特性曲線。作靜態(tài)工作點(diǎn)：令=，=，=-，因此，由式（4-24）可知，=（）。注意，在丙類(lèi)工作狀態(tài)時(shí)，是實(shí)際上不存在的電流，叫做虛擬電流。僅是用來(lái)確定工作點(diǎn)的位置。在點(diǎn)：=0，= , = =-+。求出、兩點(diǎn)，即可畫(huà)出放大區(qū)的動(dòng)態(tài)特性直線。畫(huà)出動(dòng)態(tài)特性曲線后，由它和靜態(tài)曲線的相應(yīng)交點(diǎn)，即可求出對(duì)應(yīng)各種不同值的值，繪出相應(yīng)的脈沖波形及 的波形，如圖4.6所示。4.3.2

21、高頻功率放大器的負(fù)載特性 高頻功放的負(fù)載特性表現(xiàn)為輸出回路的諧振電阻對(duì)工作狀態(tài)的影響。由上述分析可知，動(dòng)態(tài)特性曲線的關(guān)系式為 （4-26）式中，斜率，截距 ，負(fù)載回路的電壓幅度，為負(fù)載回路的諧振電阻。可見(jiàn)動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率和負(fù)載有關(guān)，放大器的工作狀態(tài)將隨負(fù)載的不同而變化。下面討論當(dāng)?shù)炔蛔儠r(shí)，動(dòng)態(tài)特性曲線及工作狀態(tài)與負(fù)載的關(guān)系。1. 欠壓工作狀態(tài)當(dāng)較小時(shí)，由于也比較小，動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率較大，所以動(dòng)態(tài)特性曲線與所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線的交點(diǎn)A1位于放大區(qū)，如圖4.7所示?？梢钥闯?，這時(shí)的波形為尖頂余弦脈沖，脈沖幅度比較大，負(fù)載回路的輸出電壓較小，晶體管的工作范圍在放大區(qū)和截止區(qū)，通常稱這種狀態(tài)為高頻

22、功放的欠壓工作狀態(tài)。 圖4.7 高頻功放的工作狀態(tài)與負(fù)載的關(guān)系2. 臨界工作狀態(tài)如果增大的數(shù)值，動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率將隨之減小，動(dòng)態(tài)特性曲線與所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線的交點(diǎn)將沿靜態(tài)特性曲線向左移動(dòng)，當(dāng)動(dòng)態(tài)特性曲線與臨界飽和線OP，以及對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線，三線相交于一點(diǎn)時(shí)，高頻功放工作于臨界狀態(tài)。此時(shí)的波形仍為尖頂余弦脈沖，脈沖幅度相對(duì)于欠壓工作狀態(tài)略有減小，但負(fù)載回路的輸出電壓卻增大較多。如果設(shè)臨界飽和線的斜率為，有圖4.8可以看出，尖頂余弦脈沖的幅度為 （4-27）式中，。令，稱為臨界狀態(tài)的電壓利用系數(shù)，代入式（4-27），則有 （4-28）由式（4-28）可得臨界狀態(tài)的電壓利用系數(shù)圖4.8 臨界

23、狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性 （4-29）由上可以看出高頻功放工作在臨界狀態(tài)時(shí)，有較大的集電極電流(基波電流)也較大）和較大的回路電路電壓，有為晶體管輸出功率最大。高頻功放通常選擇這種工作狀態(tài)。這種工作狀態(tài)下所需的集電極負(fù)載電阻稱為最佳負(fù)載電阻。即 （4-30）例4.2 要求設(shè)計(jì)一高頻功率放大器，輸出功率為30W，選用高頻大功率管3DA77，已知，集電極最大允許損耗，集電極最大電流。試計(jì)算集電極的電流、電壓、功率、效率和臨界負(fù)載電阻。解：此功效應(yīng)設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)工作，為提高效率選擇導(dǎo)通，查附錄，對(duì)應(yīng)的分解系數(shù)。已知臨界狀態(tài)時(shí)輸出功率為P0=30W，而將式（4-27）代入上式得其他電壓、電流計(jì)算如下。V，A，A

24、因是瞬時(shí)電流，它可以稍超過(guò)，所以A，W，W，臨界狀態(tài)的負(fù)載電阻 實(shí)際上，大功率功放的負(fù)載電阻通常是很低的。3過(guò)壓工作狀態(tài)如果在臨界狀態(tài)下繼續(xù)增大的數(shù)值，動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率將進(jìn)一步減小，動(dòng)態(tài)特性曲線與所對(duì)應(yīng)的表態(tài)特性曲線的交點(diǎn)將沿臨界飽和線OP向下移動(dòng)，交點(diǎn)A3 位于飽和區(qū)。由于晶體管的動(dòng)態(tài)范圍延伸到了飽和區(qū)，集電極電流線與所對(duì)的靜態(tài)特性曲線反向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)A4作垂線，由與臨界飽和線相交點(diǎn)A5的縱坐標(biāo)來(lái)確定，如圖4.7所示。4負(fù)載特性曲線綜上所述，當(dāng)、等維持不變時(shí)，變動(dòng)回路的諧振電阻會(huì)引起集電極脈沖電流的變化，同時(shí)引起、與等的變化。各個(gè)電流、電壓、功率與效率等隨而變化的曲線就是負(fù)載特性曲性。負(fù)載

25、特性曲線是高頻功率放大器的重要特性之一?？梢越柚趧?dòng)態(tài)特性與由此而產(chǎn)生的集電極電流脈沖波形的變化，來(lái)定性地說(shuō)明負(fù)載特性。觀察圖4.7，在欠壓區(qū)至臨界線的范圍內(nèi)，當(dāng)逐漸增大時(shí)，集電極電流脈沖的振幅以及導(dǎo)通角的變化都不大。增大，僅僅使略有減小。因此，在欠壓區(qū)內(nèi)的與幾乎維持為常數(shù)，僅隨的增大而略有下降。但進(jìn)入過(guò)壓區(qū)后，集電極電流脈沖開(kāi)始下凹，而且凹陷程度隨著的增大而急劇加深，致使與也急劇下降。這樣，就得到了如圖4.9(a)所示的、隨而變化的曲線。再由的關(guān)系式看出，在欠壓區(qū)由于變化很小，因此隨的增大而直線地上升。進(jìn)入過(guò)壓區(qū)以后，由于隨的增大而顯著下降，因此，隨的增大而緩慢上升。近似地說(shuō)，欠壓時(shí)幾乎不變

26、，過(guò)壓時(shí)幾乎不變。因而可以把欠壓狀態(tài)的放大器當(dāng)作一個(gè)恒流源；把過(guò)壓狀態(tài)的放大器當(dāng)作一個(gè)恒壓源。 圖4.9 負(fù)載特性曲線直流輸入功率。由于不變，因此曲線與曲線的形狀相同。交流輸出功率，因此曲線可以從與兩條曲線相乘求出。由圖4.9（b）看出，在臨界狀態(tài)，達(dá)到最大值。這就是為什么在設(shè)計(jì)高頻功率放大器時(shí)，如果從輸出功率最大著眼，應(yīng)力求它工作在臨界狀態(tài)的原因。 集電極耗散功率，故曲線可由與曲線相減而得。由圖4.9（b）知，在欠壓區(qū)內(nèi)，當(dāng)減小時(shí)，上升很快。當(dāng)=0時(shí)，達(dá)到最大值，可能使晶體管燒壞。必須避免發(fā)生這種情況。 效率，在欠壓時(shí)，變化很小，所以隨的增大而增大；到達(dá)臨界狀態(tài)后，開(kāi)始時(shí)因?yàn)榈南陆禌](méi)有下降得

27、快，因而繼續(xù)增大，但增大很緩慢。隨著的繼續(xù)增大，因的急速下降而下降，因而略有減小。由此可知，在靠近臨界的弱過(guò)壓狀態(tài)出現(xiàn)的最大值。三種工作狀態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)綜合如下： 臨界狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率最大，效率也較高，可以說(shuō)是最佳工作狀態(tài)。這種工作狀態(tài)主要用于發(fā)射機(jī)末級(jí)。 過(guò)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)；在弱過(guò)壓時(shí)，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降。它常用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場(chǎng)合，如發(fā)射機(jī)的中間放大級(jí)。集電極調(diào)幅也工作于這種狀態(tài)，這將在第7章討論。 欠壓狀態(tài)的輸出功率與效率都比較低，而且集電極耗散功率大，輸出電壓又不夠穩(wěn)定，因此一般較少采用。但在某些場(chǎng)合，例如基極調(diào)幅，則需采用這

28、種工作狀態(tài)。這也將在第7章計(jì)論。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，掌握負(fù)載特性。對(duì)于實(shí)際調(diào)整諧振功率放大器的工作狀態(tài)是很有用的。4.3.3 高頻功率放大器的調(diào)制特性高頻功率放大器的調(diào)制特性有集電極調(diào)制特性和基極調(diào)制特性。1. 集電極調(diào)制特性 集電極調(diào)制是指、和保持一定時(shí)，放大器的性能隨某電極偏置電壓變化的特性。由于和一定，也就是和的脈沖寬度（），以及動(dòng)態(tài)特性曲線的斜率一定，因而當(dāng)由大變小時(shí)，相應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)向左平移動(dòng)，動(dòng)態(tài)特性曲線與所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)特性曲線的交點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的那條輸出特性曲線上向左移動(dòng)，放大器的工作狀態(tài)將由欠壓進(jìn)入過(guò)壓，的波形也將由余弦變化的脈沖波變?yōu)橹虚g凹陷的脈沖波，如圖4.10（a）所示。相應(yīng)得到的、和隨變

29、化的特性如圖4.10（b）所示。由圖可見(jiàn)，在欠壓狀態(tài)下，隨著的減小，集電極電流脈沖的高度略有減小，因而、和相應(yīng)的也將略有減小。在過(guò)壓狀態(tài)下隨著的減小，集電極電流脈沖的高度隨之降低，凹陷加深，因而、和相應(yīng)的將迅速減小。由圖4.10（b）可以看到，在欠壓狀態(tài)時(shí)，當(dāng)集電極電壓改變時(shí)，幾乎不變。在過(guò)壓狀態(tài)時(shí)，隨單調(diào)變化。所以，高頻功放只有工作在過(guò)壓區(qū)才能有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)制工作。故集電極調(diào)幅電路應(yīng)工作在過(guò)壓區(qū)。 圖4.10 集電極調(diào)制特性2基極調(diào)制特性 基極調(diào)制特性是指、和保持一定時(shí)，放大器性能隨基極偏置電壓變化的特性。當(dāng)固定，自負(fù)值向正值方向增大時(shí)，集電極脈沖電流的導(dǎo)通角增大同時(shí)使基極輸入電壓

30、隨之增大，從而使集電極脈沖電流的幅度和寬度均增大，如圖4.11（a）所示。相應(yīng)的、和相應(yīng)的也增大，結(jié)果使放大器的工作狀態(tài)由欠壓區(qū)進(jìn)入過(guò)壓區(qū)。進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，隨著向正值方向增大，集電極脈沖電流的寬度增加，幅度幾乎不變，但凹陷加深，結(jié)果使、和相應(yīng)的增大的十分緩慢，可認(rèn)為近似不變，如圖4.11（b）所示。 由基極調(diào)制特性可以看出，在過(guò)壓狀態(tài)下，當(dāng)基極電壓改變時(shí)，幾乎不變。只有在欠壓狀態(tài)時(shí)，隨單調(diào)變化。所以，高頻功放只有工作在欠壓區(qū)才能有效地圖4.11基極調(diào)制特性實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的調(diào)制作用，故基極調(diào)幅電路應(yīng)工作在欠壓區(qū)。4.3.4 高頻功率放大器的放大特性高頻功放的放大特性是指、和保持一定時(shí)，放大器的輸

31、出功率、電壓、效率隨輸入信號(hào)的電壓幅值變化關(guān)系。實(shí)際上，固定、增大，與上述固定、增大的情況相類(lèi)似，它都使基極輸入電壓隨之增大，所對(duì)應(yīng)的集電極脈沖電流的幅度和寬度均增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過(guò)壓，如圖4.12（a）所示。進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)后，隨著的增大，集電極電流脈沖出現(xiàn)中間凹陷，且脈沖寬度增加。凹陷加深。因此，、相應(yīng)的隨變化的特性類(lèi)似，如圖4.12所示。討論放大特性是為了正確選擇諧振功放的工作狀態(tài)，不引入放大失真。由圖4.12可以看到，在欠壓區(qū)隨著輸入信號(hào)振幅的增大，輸出振幅近似線性增大；但在過(guò)壓區(qū)輸出信號(hào)的振幅近似不變。所以，當(dāng)諧振功率放大器作為線性功率放大器，用來(lái)放大振幅按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化

32、的調(diào)幅信號(hào)時(shí)，其放大特性如圖4.13（a）所示。為了使輸出信號(hào)振幅反映輸入信號(hào)振幅的變化，放大器必須在變化范圍內(nèi)工作在欠壓狀態(tài)。不過(guò)，丙類(lèi)工作時(shí)，由于增大時(shí)集電極電流脈沖的高度和寬度均增大，因而導(dǎo)致放大特性上翹，產(chǎn)生失真，為了消除上翹，使放大特性接近于線性，除了采用負(fù)反饋等措施外，還普遍采用乙類(lèi)工作的推挽電路，以使集電極電流脈沖保持半個(gè)周期，僅脈沖高度隨變化。圖4.12 放大特性 圖4.13 放大特性的應(yīng)用當(dāng)諧振功率放大器用作振幅限幅器時(shí)，即將振幅在較大范圍內(nèi)變化的輸入信號(hào)變換為振幅恒定的輸出信號(hào)時(shí)，其輸入/輸出波形如圖2.21（b）所示。放大器必須在變化的范圍內(nèi)工作在過(guò)壓狀態(tài)?；蛘哒f(shuō)輸入信號(hào)

33、振幅的最小什應(yīng)大于臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的值。通常將該值稱為限幅門(mén)限值。例4.3有一個(gè)用硅NPN外延平面型高頻功率管3DAl做成的諧振功率放大器。已知V, W，集電極飽和壓降1.5V，W，mA，工作頻率等于1MHz。試求它的能量關(guān)系。 解： 由上述討論已知，工作狀態(tài)最好選取用臨界狀態(tài)。作為工程近似估算，可以認(rèn)為此時(shí)集電極最小瞬時(shí)電壓V 。于是 (V)由式（4-14）可得 () (mA)若選取=70，則由圖2.5或查附錄的余弦脈沖分解系數(shù)表，得0，由式（4-13）可得：，未超過(guò)電流安全工作范圍。由以上結(jié)果可得以上估算的結(jié)果可以作為實(shí)際高度的依據(jù)。對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō)，折線法只適用于工作頻率較低的場(chǎng)合。當(dāng)工作頻

34、率較高時(shí)，由于它的內(nèi)部物理過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，使實(shí)際數(shù)值與計(jì)算數(shù)值有很大的不同。因此在晶體管電路中使用折線法時(shí)，必須注意這一點(diǎn)。下面討論晶體管在高頻運(yùn)用的一些特點(diǎn)。4.3.5 高頻功率放大器的調(diào)諧特性在上面討論高頻功放的各種特性時(shí)，都認(rèn)為其負(fù)載回路是諧振狀態(tài)的，因而呈現(xiàn)為一個(gè)純電阻。實(shí)際回路在調(diào)諧過(guò)程中，其負(fù)載是一阻抗，當(dāng)改變回路的元件數(shù)值，如改變回路的電容C時(shí)，功放的外部電流、和相應(yīng)的等隨C變化的我稱為調(diào)諧特性。利用這種特性可以指示放大器是否調(diào)諧。圖4.14 高頻功放的調(diào)諧特性當(dāng)回路失諧時(shí)，不論是容性失諧還是感性失諧，阻抗的模值均要減小，而且會(huì)出現(xiàn)一幅角,工作狀態(tài)將發(fā)生變化。設(shè)諧振時(shí)功放工作在弱過(guò)

35、壓狀態(tài)，當(dāng)回路失諧后，由于阻抗的模值減小，概據(jù)負(fù)載特性可知，功放的工作狀態(tài)將向臨界及欠壓狀態(tài)變化，此時(shí)和要增大，而將下降，如圖4.14所示。由圖可知，可以利用或出現(xiàn)的最小值，或者利用出現(xiàn)的最值來(lái)批示放大器的調(diào)諧。通常因變化比較明顯，又只用直流電流表示，故采用指示調(diào)諧的較多。應(yīng)該指出，回路失諧時(shí)直流輸入功率隨的增大而增大，而輸出功率將因業(yè)因子而下降，因此失諧后集電極電極功耗將迅速增大。這表明高頻功放必須經(jīng)常保持在諧振狀態(tài)。在調(diào)諧過(guò)程中處于失諧狀態(tài)的時(shí)間要盡可能地短，調(diào)諧動(dòng)作要迅速，以防止晶體管過(guò)熱而損壞。為防止損壞晶體管，在調(diào)諧是可減小的值或減小激勵(lì)電壓。4.3.6 高頻功放的高頻效應(yīng) 以上對(duì)高

36、頻功放的分析是以靜態(tài)特性為基礎(chǔ)的，只能近似說(shuō)明和估計(jì)高頻功放的工作原理，無(wú)法反映高頻工作時(shí)其他現(xiàn)象。實(shí)際的高頻功放電路，晶體管工作在“中頻區(qū)”甚至“高頻區(qū)”，通常會(huì)出現(xiàn)輸出功率下降，效率增益降低，以及輸入、輸出阻抗為復(fù)阻抗等現(xiàn)象。所有這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是由于功放管性能隨頻率變化而引起的，通常稱它為功放管的高頻效應(yīng)。功放管的高頻效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1少數(shù)載流子的渡越時(shí)間效應(yīng) 晶體管在本質(zhì)上是電荷控制器件。載流子的注入和擴(kuò)散是晶體管能夠進(jìn)行放大的基礎(chǔ)。載流子在基區(qū)擴(kuò)散而到達(dá)集電極需要一定時(shí)間，稱為載流子渡越時(shí)間。晶體管在低頻工作時(shí)，渡越時(shí)間遠(yuǎn)小于信號(hào)周期（）?；鶇^(qū)載流子分布與外加瞬時(shí)電壓

37、是一一對(duì)應(yīng)的，因而晶體管各極電流的大小與外加電壓也一一對(duì)應(yīng)，靜態(tài)特性就反映了這一關(guān)系。 功放管在高頻工作時(shí)，少數(shù)載流子的渡越時(shí)間可以與信號(hào)周期相比較，某一瞬間的基區(qū)載流子分布決定于這以前的外加電壓。因而各極電流的大小不取決于此刻的外加電壓。 基區(qū)非平衡少數(shù)載流子渡越時(shí)間效應(yīng)，如圖4.15所示。其中圖（a）表示發(fā)射結(jié)上的激勵(lì)電壓 ，假設(shè)管子的導(dǎo)通電壓。放大器在欠壓或臨界狀態(tài)下的各極電流波形如圖（b）和（c）所示。圖（b）為低頻區(qū)時(shí)的波形，由于頻率低，在的作用下，任何時(shí)刻，從發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)的非平衡少數(shù)載流子幾乎在同一時(shí)刻到達(dá)集電結(jié)，因此，各極電流均將同步變化。圖（c）是高頻是考慮了載流子渡越時(shí)間后

38、的各極電流波形，由于頻率高，波形變化速度快，當(dāng)晶體管由放大區(qū)進(jìn)入截止區(qū)時(shí)（），雖然發(fā)射結(jié)上的電壓已改變方向，但是，由于少數(shù)載流子在基區(qū)的渡越時(shí)間使基區(qū)內(nèi)的電荷具有一定的儲(chǔ)存效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓有正偏轉(zhuǎn)為反偏時(shí)，在期間注入到基區(qū)的還未到達(dá)集電結(jié)的少數(shù)載流子，將受到發(fā)射結(jié)上反向電壓的作用，使得其中一部分被反向偏置電壓所形成的電場(chǎng)重新推斥回發(fā)射極，形成發(fā)射極電流反向負(fù)脈沖，同時(shí)主脈沖高度降低。其余部分繼續(xù)向集電結(jié)運(yùn)動(dòng)，形成集電極電流，結(jié)果使集電極電流的脈沖展寬。集電極電流脈沖峰點(diǎn)滯后的 角度。另外，由于，所以基極電流的波形也變得復(fù)雜，脈沖值增高，其最大值超前于，而且也會(huì)出現(xiàn)反向脈沖。圖4.15 少數(shù)載

39、流子的渡越時(shí)間效應(yīng)通過(guò)上面的討論可見(jiàn)，隨著工作頻率的增高，集電極電流的峰值相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致減小。而基極電流脈沖則相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致增大。結(jié)果使輸出功率減小，輸入功率劇增，從而使功率增益減小，集電極效率降低。2的影響當(dāng)頻率增高時(shí)，增大，致使發(fā)射結(jié)（b與e之間）呈現(xiàn)的等效阻抗顯著減小。因此，的影響便相對(duì)地增大。若要求加到發(fā)射結(jié)上的電壓保持不變，則實(shí)際加到基極上的輸入電壓就要增大，相應(yīng)的輸入功率增大，從而使放大器的功率增益進(jìn)一步減小。3飽和壓降的影響 由于高頻效應(yīng)的影響，晶體管的靜態(tài)特性與低頻工作時(shí)的靜態(tài)特性將有較大的差異，最突出的是曲線族呈扇形展開(kāi)，其飽和壓降隨頻率升高而增大，圖4.16畫(huà)出了不

40、同頻率時(shí)的飽和特性。圖4.16 晶體管的飽和特性在同一電流處，高頻飽和壓降大于低頻時(shí)的飽和壓降。由圖4.16可看出，飽和壓降增大的結(jié)果，是使放大器在高頻工作時(shí)的電壓利用系數(shù)=/減小，由前面分析可知，這使功率的效率降低，最大輸出功率減小。4非線性電抗效應(yīng) 高頻功放除了輸入端有非線性輸入阻抗外，還有集電結(jié)電容。這個(gè)電容是隨集電極電壓變化的非線性勢(shì)壘電容。在高頻大功率晶體管中它有的數(shù)值可達(dá)到幾十至一二百皮法。它對(duì)放大器的工作主要有兩個(gè)影響：一個(gè)影響是構(gòu)成放大器輸出端與輸入端之間的一條反饋支路，頻率越高，反饋越大。這個(gè)反饋在某些情況下會(huì)引起放大器工作不穩(wěn)定。甚至?xí)a(chǎn)生自激振蕩。另一個(gè)影響是，通過(guò)它的反

41、饋會(huì)在輸出端形成一個(gè)輸出電容?？紤]到非線性變化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輸出電容2。式中，為對(duì)應(yīng)=時(shí)的集電結(jié)的靜電容。5發(fā)射極引線電感的影響 當(dāng)晶體管工作在很高頻率時(shí)。發(fā)射極的引線電感產(chǎn)生的阻抗不能忽略。此引線既包括管子本身的引線，也包括外部電路的引線。在通常的共發(fā)射極組態(tài)功放中，構(gòu)成輸入、輸出之間的射極反饋耦合，通過(guò)它的作用使一部分激勵(lì)功率不經(jīng)放大直接送到輸出端，從而使功放的激勵(lì)加大，增益降低；同時(shí)，又使輸入阻抗增加了附加的電感分量。4.4 諧振功率放大器電路諧振功率放大器電路由功率管直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)組成。由于工作頻率及使用場(chǎng)合不同，電路組成形式也各不相同?，F(xiàn)對(duì)常用電路組成形式進(jìn)行討論。4.4.

42、1 直流饋電電路1. 集電極直流饋電電路集電極直流饋電電路有兩種連接方式，分別為串饋和并饋。串饋是指直流電源、負(fù)載諧振回路(濾波匹配網(wǎng)絡(luò))和功率管在電路形式上為串接的饋電方式，如圖4.17(a)所示。如果把上述三部分并接在一起，如圖4.17 (b)所示，稱為并饋。圖4.17中為高頻扼流圈，它們?cè)谛盘?hào)頻率上感抗很大，接近開(kāi)路，對(duì)高頻信號(hào)具有“扼制”作用。為旁路電容，對(duì)高頻具有短路作用，它與構(gòu)成電源濾波電路，用以避免信號(hào)電流通過(guò)直流電源而產(chǎn)生級(jí)間反饋，造成工作不穩(wěn)定。為隔直流電容，它對(duì)信號(hào)頻率的容抗很小，接近短路。其實(shí)串饋和并饋僅僅是指電路結(jié)構(gòu)形式上的不同，就電壓關(guān)系來(lái)說(shuō)，無(wú)論串饋還是并饋，交流電

43、壓和直流電壓總是串聯(lián)疊加在一起的，即。(a) 串饋電路 (b)并饋電路圖4.17 集電極直流饋電電路由圖4.17可見(jiàn)，兩種饋電電路的不同僅是諧振回路的接入方式。在串饋電路中，諧振回路處于直流高電位上，諧振回路元件不能直接接地；而在并饋電路中，由于隔斷直流，諧振回路處于直流低電位上，諧振回路元件可以直接接地，因而電路的安裝就比串饋電路方便。但是和并聯(lián)在諧振回路上，它們的分布參數(shù)將直接影響諧振回路的調(diào)諧。2. 基極偏置電路要使放大器工作在丙類(lèi)，功率管基極應(yīng)加反向偏壓或小于導(dǎo)通電壓的正向偏壓。基極偏置電壓可采用集電極直流電源經(jīng)電阻分壓后供給，也可采用自給偏壓電路來(lái)獲得，其中采用分壓后供給，只能提供小

44、的正向基極偏壓，而由下面的討論可知，自給偏壓只能提供反向偏壓。 (a) 基極自給偏壓 (b)零偏壓圖4.18 自給偏置電路常見(jiàn)的自給偏置電路如4.18所示。圖4.18(a)所示是利用基極電流脈沖中直流成分流經(jīng)來(lái)產(chǎn)生偏置電壓，顯然，根據(jù)的流向偏壓是反向的。由圖可見(jiàn)，偏置電壓。的容量要足夠大，以便有效地短路基波及各次諧波電流，使上產(chǎn)生穩(wěn)定的直流壓降。改變的大小，可調(diào)節(jié)反向偏置電壓的大小。圖4.18(b)所示是利用高頻扼流圈中固有直流電阻來(lái)獲得很小的反向偏置電壓，可稱為零偏壓電路。自給偏置電路中，當(dāng)未加輸入信號(hào)電壓時(shí)，因?yàn)榱?，所以偏置電壓也為零。?dāng)輸入信號(hào)電壓由小加大時(shí)，跟隨增大，直流分量增大，自給

45、反向偏壓隨著增大，這種偏置電壓隨輸入信號(hào)幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng)。利用自給偏置效應(yīng)可以發(fā)送電子電路的某些性能，例如，下章討論的振蕩器利用自給偏置效應(yīng)可以起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。圖4.19 分壓式基極偏置電路 當(dāng)需要提供正向基極偏置電壓時(shí)，可采用圖4.19所示的分壓式偏置電路。由圖可見(jiàn)，經(jīng)、的分壓，取上的壓降作為功率管基極正向偏置電壓，為了保證丙類(lèi)工作，其值應(yīng)小于功率管的導(dǎo)通電壓。圖中，是偏置分壓電阻的旁路電容，對(duì)高頻具有短路作用。需要說(shuō)明，圖4.19所示電路中，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的基極偏壓的大小是不相同的，因自給偏壓效應(yīng)功率管的基極偏置電壓動(dòng)態(tài)值比靜態(tài)值小。4.4.2 濾波匹配網(wǎng)絡(luò)1. 對(duì)濾波

46、匹配網(wǎng)絡(luò)的要求上面介紹的原理電路中，均采用并聯(lián)諧振回路作為功率管的負(fù)載。由諧振功率放大器的工作原理可知，諧振回路除濾除集電極電流中的諧波成分以外，還應(yīng)呈現(xiàn)功率管所需要的最佳負(fù)載電阻，因此，諧振回路實(shí)際上起到了濾波和匹配的雙重作用，故又稱為濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際電路中，為提高濾波匹配性能，除了用諧振回路外，還常用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的主要要求是：(1) 濾波匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在所需頻帶內(nèi)進(jìn)行有效的阻抗變換，將實(shí)際負(fù)載電阻變換成放大器所要求的最佳負(fù)載電阻，使放大器工作在臨界狀態(tài)，以便高效率輸出所需功率。在丙類(lèi)諧振功率放大器中，把變換成與相等，獲得最大功率輸出的作用，稱為阻抗匹配。(2) 濾波匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)諧

47、波應(yīng)有較強(qiáng)的的抑制能力，以便有效地濾除不需要的高次諧波。(3) 將有用功率高效率地傳送給負(fù)載，濾波匹配網(wǎng)絡(luò)本身的固有損耗應(yīng)盡可能地小。下面僅就匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換特性加以討論。2網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換作用(1) 串、并聯(lián)電路的阻抗轉(zhuǎn)換電抗、電阻的串聯(lián)和并聯(lián)電路如圖4.20(a)、(b)所示，它們之間可以互相等效轉(zhuǎn)換。令兩者的端導(dǎo)納相等，就可以得到它們之間的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系。由圖4.20(a)可得由圖4.20(b)可得由此可得到串聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為并聯(lián)阻抗的關(guān)系式為 (4-31) (4-32) (4-33)反之，可得并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)阻抗的關(guān)系式為 (4-34) (4-35) (4-36)式(4-36)與式(4-3

48、3)的值相等。式(4-31)式(4-36)說(shuō)明值取定后，與、與之間可以互相轉(zhuǎn)換，其中，轉(zhuǎn)換后的電抗性質(zhì)不變。 (a) 串聯(lián)電路 (b)并聯(lián)電路 (a) 串聯(lián)電路 (b)并聯(lián)電路圖4.20 串、并聯(lián)電路阻抗轉(zhuǎn)換 圖4.21 電感、電阻串、并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換例4.4 將圖4.21(a)所示電感與電阻串聯(lián)電路變換成圖4.21(b)所示并聯(lián)電路。已知工作頻率為100 MHz，求出與。解：由式(4-33)可得因此，由式(4-31)和式(4-32)分別求得由上述計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)，與的值相差不大，這就是說(shuō)，將電抗與電阻串聯(lián)電路變換成并聯(lián)電路時(shí)，其中電抗元件參數(shù)可近似不變，即，但電阻值卻發(fā)生了較大的變化，與電抗串

49、聯(lián)的小電阻可變換成與電抗并聯(lián)的一大電阻。反之亦然。此結(jié)論與第二章所討論的、串聯(lián)電路變換為、并聯(lián)電路的結(jié)論是一致的。例4.5 將圖4.22(a)所示電容與電阻并聯(lián)電路變換成圖4.22(b)所示串聯(lián)電路。已知工作頻率為50MHz，求出和。解：由式(4-36)可求得因此，由式(4-34)和式(4-35)可得 (a) 并聯(lián)電路 (b)串聯(lián)電路圖4.22 電容、電阻并、串聯(lián)3形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換這是由兩個(gè)異性電抗元件接成“”形結(jié)構(gòu)的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，它是最簡(jiǎn)單的阻抗變換電路。圖4.23(a)所示為低阻抗變高阻抗的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，這種阻抗變換電路就是前面介紹原理電路時(shí)采用的并聯(lián)諧振回路。為外接實(shí)際負(fù)

50、載電阻，它與電感支路相串聯(lián)，可減小高次諧波的輸出，對(duì)提高濾波性能有利。為了提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，應(yīng)采用高頻損耗很小的電容，應(yīng)用值高的電路變換電感線圈。將圖4.23(a)中和串聯(lián)電路用并聯(lián)電路來(lái)等效，則得圖4.23(b)所示電路。由串、并聯(lián)電路阻抗變換關(guān)系可知 (4-37) (a)形濾波匹配網(wǎng)絡(luò) (b)等效電路圖4.23 低阻變高阻形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)在工作頻率上，圖4.23(b)所示并聯(lián)回路諧振，其等效阻抗就等于。由于，由式(4-37)可見(jiàn)，即圖4.23(a)所示形網(wǎng)絡(luò)能將低電阻負(fù)載變成高電阻負(fù)載，其變換倍數(shù)決定于值的大小。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在已知和時(shí)，濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)可由式(4-37)得到，即

51、 (4-38)例4.6 已知諧振功率放大器工作頻率，實(shí)際負(fù)載電阻，放大器處于臨界工作狀態(tài)所要求的諧振阻抗，試決定圖4.23(a)所示形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。解:由式(4-38)可得到由式(4-37)可求得 所以如果外接負(fù)載電阻比較大，而放大器要求的負(fù)載電阻較小，可采用圖4.24(a)所示的高阻變低阻形濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。將圖4.24(a)中、并聯(lián)電路用串聯(lián)電路來(lái)等效，如圖4.24(b)所示。由并、串聯(lián)電路阻抗變換關(guān)系可知 (a) 形濾波匹配網(wǎng)絡(luò) (b)等效電路圖4.24 高阻變低阻形濾波匹配網(wǎng)絡(luò) (4-39)在工作頻率上，圖4.24(b)所示串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振，其等效阻抗就等于。由于，所以。可見(jiàn)，圖4.24(a)實(shí)現(xiàn)了高阻變低阻的變換作用。當(dāng)已知和時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)可由