高頻電子線路-2放大

劉佳嘉諧振功率放大器學(xué)習(xí)目的

1、掌握諧振功率放大器的工作原理2、掌握諧振功率放大器的負(fù)載特性，了解調(diào)制特性和放大特性3、熟悉實(shí)際諧振功率放大器電路的組成學(xué)習(xí)重點(diǎn)

諧振功率放大器的工作原理和負(fù)載特性放大器概述放大器的放大原理與實(shí)質(zhì)？放大器的工作狀態(tài)？工作狀態(tài)對(duì)效率的影響？為什么設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)?問題回顧：（模電中功放內(nèi)容）放大器概述放大器的放大原理與實(shí)質(zhì)？放大器本質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換器件。它利用三極管的電流控制作用，將直流電源輸出的直流能量轉(zhuǎn)換為按輸入信號(hào)變化的交流能量，提供負(fù)載。設(shè)置Q點(diǎn)的原因?放大器概述放大器的工作狀態(tài)？

在相同激勵(lì)信號(hào)作用下，根據(jù)集電極電流的導(dǎo)通時(shí)間，功率放大器一般分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等工作狀態(tài)。放大器概述工作狀態(tài)對(duì)效率的影響？

在相同激勵(lì)信號(hào)作用下，集電極電流的流通時(shí)間越短，一個(gè)周期內(nèi)的平均功耗越低，如果維持輸出功率不變，其效率越高。為了進(jìn)一步提高工作效率還提出了丁類與戊類放大器。2.1諧振功率放大器的原理和特性

1、使用高頻功率放大器的目的：主要功用是放大高頻信號(hào),使發(fā)射機(jī)末級(jí)能獲得足夠大的發(fā)射功率。2、高頻功率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)都是輸出功率大和效率高。2.1諧振功率放大器的原理和特性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：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：激勵(lì)信號(hào)幅度大小不同；放大器工作特點(diǎn)不同；晶體管動(dòng)態(tài)范圍不同。2.1諧振功率放大器的原理和特性諧振功率放大器與非諧振功率放大器的異同：相同之處：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)換為交流能量，能量轉(zhuǎn)換的能力即為功率放大的效率。

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%或者更?。涔ぷ鳡顟B(tài)通常選為丙類工作狀態(tài)（導(dǎo)通角小于90度），為了不失真的放大信號(hào)，它的負(fù)載必須是諧振回路。

非諧振功率放大器可以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，工作在甲類或者乙類工作狀態(tài)，寬帶高頻功率放大器以寬帶傳輸線為負(fù)載2.1諧振功率放大器的原理和特性

注意：無論是低頻功率放大器，諧振功率放大器，小信號(hào)放大器，非諧振放大器等等，只要是放大器都要考慮散熱的問題。2.1諧振功率放大器的原理和特性諧振功率放大器與低頻功放的比較：共同點(diǎn)：輸出功率大，效率高不同點(diǎn)：2.1諧振功率放大器的原理和特性

2.1.1工作原理

圖1是一個(gè)采用晶體管的高頻功率放大器的原理線路,除電源和偏置電路外,它是由晶體管、諧振回路和輸入回路三部分組成的。圖1晶體管高頻功率放大器的原理線路2.1諧振功率放大器的原理和特性2.1諧振功率放大器的原理和特性問題：1工作過程，原理？2電容有什么作用？3為何采用諧振回路做負(fù)載？2.1諧振功率放大器的原理和特性高頻功放選用諧振回路做負(fù)載的原因：保證輸出電壓相對(duì)輸入電壓不失真，還具有阻抗變換的作用。

這是因?yàn)榧姌O電流是周期性的高頻脈沖，其頻率分量除了有用分量（基波分量）外，還有諧波分量和其他頻率成分，用諧振回路選出有用分量，將其他無用分量濾除；通過諧振回路阻抗的調(diào)節(jié)，從而使諧振回路呈現(xiàn)高頻功放所需求的最佳負(fù)載阻抗值，即匹配，使高頻功放高效輸出大功率。1．電流、電壓波形設(shè)輸入信號(hào)為則由圖1得基極回路電壓為2.1諧振功率放大器的原理和特性2.1諧振功率放大器的原理和特性圖2-集電極電流波形圖2.1諧振功率放大器的原理和特性

周期性脈沖可以分解成直流、基波(信號(hào)頻率分量)和各次諧波分量,即icθcθcic1ic2ic3IcoIcmax2.1諧振功率放大器的原理和特性α0(θ)

α1(θ)

αn(θ)分別稱為余弦脈沖的直流,基波,n次諧波的分解系數(shù),數(shù)值可查表。直流分量：基波分量：

n次諧波:

2.1諧振功率放大器的原理和特性由圖可以看出，放大器的負(fù)載為并聯(lián)諧振回路，回路輸出電壓為：按圖規(guī)定的電壓方向，集電極電壓為：2.1諧振功率放大器的原理和特性圖3-C類高頻功放的電流電壓波形2.1諧振功率放大器的原理和特性丙類可提高集電極效率的原因集電極效率:

越小，集電極效率

越高。能量守恒

電源提供的功率輸出的交流功率集電極耗散功率

從20％提高到75％(丙類)。2.1諧振功率放大器的原理和特性丙類可提高集電極效率的原因因?yàn)榫w管僅在部分時(shí)間內(nèi)有電流流通，大部分時(shí)間內(nèi)是無集電極電流的，集電極耗散功率等于集電極電壓與集電極電流之乘積，因而大部分時(shí)間是無集電極耗散功率的。

丙類可提高集電極效率的原因2.1諧振功率放大器的原理和特性丙類可提高集電極效率的原因?qū)ń牵阂粋€(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通角度的1/2.2．高頻功放的能量關(guān)系

在集電極電路中,諧振回路得到的高頻功率(高頻一周的平均功率)即輸出功率P1為

集電極電源供給的直流輸入功率P0為直流輸入功率與集電極輸出高頻功率之差就是集電極損耗功率Pc,即2.1諧振功率放大器的原理和特性

Pc變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結(jié)中的熱能。定義集電極效率η為2.1諧振功率放大器的原理和特性波形系數(shù)

電壓利用系數(shù)

甲類放大器乙類放大器丙類放大器

Pc變?yōu)楹纳⒃诰w管集電結(jié)中的熱能。定義集電極效率η為由上兩式可以得到輸出功率P1和集電極損耗功率Pc之間的關(guān)系為2.1諧振功率放大器的原理和特性提高效率η有兩種途徑：一是提高電壓利用系數(shù)，即提高UC，這通?？刻岣咧C振阻抗RL來實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)是提高波形系數(shù)2.1諧振功率放大器的原理和特性2.1諧振功率放大器的原理和特性圖4-波形系數(shù)，分解系數(shù)關(guān)系圖2.1諧振功率放大器的原理和特性結(jié)論某個(gè)

最大2.作倍頻器時(shí)2倍頻3倍頻乙類工作無三次諧波3.1.2.1諧振功率放大器的原理和特性4.集電極效率越大越高越小越大最大無交流功率輸出最大小效率最低最大最佳導(dǎo)通角在左右兼顧效率與功率

2.2.1高頻諧振功率放大器的工作狀態(tài)

1．高頻功放的動(dòng)特性動(dòng)特性是指當(dāng)加上激勵(lì)信號(hào)及接上負(fù)載阻抗時(shí),晶體管集電極電流ic與電極電壓(ube或uce)的關(guān)系曲線,它在ic～uce或ib～ube坐標(biāo)系統(tǒng)中是一條曲線。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)圖5-高頻功放的動(dòng)特性2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)基電極電壓為：集電極電壓為：2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)A點(diǎn):2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)虛擬工作點(diǎn)Q:在丙類工作狀態(tài)時(shí)，實(shí)際上并不存在，僅是用來確定Q的位置。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)C點(diǎn):負(fù)載線斜率:不僅與RL有關(guān)，還與θ有關(guān)2．高頻功放的工作狀態(tài)高頻諧振功率放大器根據(jù)集電極電流是否進(jìn)入飽和區(qū)可以分為欠壓、臨界和過壓三種狀態(tài)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)圖6-高頻功放的工作狀態(tài)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)

在Uc不是很大時(shí)，晶體管只是在放大區(qū)和截止區(qū)變化，集電極電流ic為余弦脈沖；

而且在此區(qū)域內(nèi)Uc增加時(shí)，集電極電流ic基本不變，即Ic0、Ic1

基本不變，所以輸出功率P1=Uc*Ic1

隨Uc增加而增加；

而P0=Ec*Ic0

基本不變，故η

隨Uc增加而增加。這表明此時(shí)集電極電壓利用的不充分，這種工作狀態(tài)稱為欠壓狀態(tài)。欠壓狀態(tài)Ucemin>Uces

2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)負(fù)載線與Ubmax正好相交于臨界線的拐點(diǎn)。臨界狀態(tài)的集電極電流仍為余弦脈沖，與欠壓和過壓狀態(tài)比較，它既有較大的基波電流Ic1，也有較大的回路電壓Uc，所以晶體管的輸出功率P1最大，高頻功放一般工作在此狀態(tài)。保證這一狀態(tài)所需的集電極負(fù)載電阻RL稱為臨界電阻或最佳負(fù)載電阻，一般用RLcr表示。臨界狀態(tài)Ucemin=Uces

2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)當(dāng)Uc加大到接近Ec時(shí)，Ucemin將小于Ubemax，此瞬間不但發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正向偏置，即工作在飽和狀態(tài)。此時(shí)，ic為頂部出現(xiàn)凹陷的余弦脈沖，通常將高頻功放的這種狀態(tài)稱為過壓狀態(tài)。由于ic

出現(xiàn)了凹陷，因而可以預(yù)料，其基波分量Ic1和直流分量Ic0

都小于欠壓狀態(tài)的值，這意味著輸出功率P1將下降，直流輸入功率P0

也將下降。過壓狀態(tài)Ucemin<Uces

2.2.2高頻功放的外部特性

高頻功放是工作于非線性狀態(tài)的放大器,同時(shí)也可以看成是一高頻功率發(fā)生器(在外部激勵(lì)下的發(fā)生器)。前面已經(jīng)指出，高頻功率放大器只能在一定的條件下對(duì)其性能進(jìn)行估算，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求還需通過對(duì)高頻功放的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。為了正確地使用和調(diào)整，需要了解高頻功放的外部特性。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)高頻功放的外部特性是指放大器的性能隨放大器的外部參數(shù)變化的規(guī)律，外部參數(shù)主要包括放大器的負(fù)載RL、激勵(lì)電壓Ub、偏置電壓Eb和Ec，外部特性也包括負(fù)載在調(diào)諧過程中的調(diào)諧特性。

下面將在前面所述工作原理的基礎(chǔ)上定性地說明這些特性和它們的應(yīng)用。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)1．高頻功放的負(fù)載特性

負(fù)載特性是指只改變負(fù)載電阻RL,保持Eb，Ec，Ub不變，放大器的高頻功放電流、電壓、功率變化的特性2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)圖7-RL變化時(shí)ic的波形2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)圖8-高頻功放的負(fù)載特性2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)在RL較小時(shí)，Uc也較小，高頻功放工作在欠壓狀態(tài)。在欠壓狀態(tài)下，RL增加，功率放大器的集電極電流ic的大小和形狀基本不變，電流Ic0、Ic1也基本不變。所以Uc隨RL

的增加而增加，近似為正比關(guān)系。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)當(dāng)RL增加到RL＝RLcr時(shí),放大器工作在臨界狀態(tài)，此時(shí)的集電極電流ic仍為一完整的余弦脈沖，與欠壓狀態(tài)時(shí)的ic基本相同，Ic0、Ic1也就與欠壓狀態(tài)時(shí)的基本相同或略微減小，但此時(shí)的Uc大于欠壓狀態(tài)的Uc。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)在臨界狀態(tài)下再增加RL，勢(shì)必會(huì)使Uc進(jìn)一步地增加，這樣會(huì)使晶體管在導(dǎo)通期間進(jìn)入到飽和區(qū)，從而使放大器工作在過壓狀態(tài)；集電極電流ic出現(xiàn)凹頂，進(jìn)入飽和區(qū)越深，凹頂現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此從ic中分解出的Ic0、Ic1就越小。隨著RL的增加，Uc緩慢增加。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)Re=Reopt時(shí)，管子工作在臨界狀態(tài),Po最大,

C

較大，PC

較小，放大器性能接近最佳。此時(shí)的Re稱為諧振功放的匹配負(fù)載。在欠壓狀態(tài)，放大器等效為一個(gè)理想的電流源；在過壓狀態(tài)，放大器等效為理想的電壓源。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)直流輸入功率PD=Ic0Ec與Ic0

的變化規(guī)律相同。在欠壓狀態(tài)，輸出功率隨RL增加而增加；至臨界RLcr時(shí)達(dá)到最大值。在過壓狀態(tài)，輸出功率隨RL增加而減小。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)由負(fù)載特性可以看出高頻功放各種狀態(tài)的特點(diǎn)：臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高，通常應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作。（主要用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)）過壓狀態(tài)的特點(diǎn)是效率高、損耗小，并且輸出電壓受負(fù)載電阻RL的影響小，近似為交流恒壓源特性。（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)）欠壓狀態(tài)時(shí)電流受負(fù)載電阻RL的影響小，近似為交流恒流源特性，但由于效率低、集電極損耗大，一般不選擇在此狀態(tài)工作。

2.高頻功放的調(diào)制特性在高頻功放中，有時(shí)希望用改變它的某一電極直流電壓來改變高頻信號(hào)的振幅，從而實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制的目的。高頻功放的調(diào)制特性分為基極調(diào)制特性和集電極調(diào)制特性。

1)集電極調(diào)制特性

集電極調(diào)制特性是指僅改變Ec，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)在Eb、Ub及RL不變時(shí)，動(dòng)特性曲線將隨Ec的變化左右平移。當(dāng)Ec由大到小變化時(shí)，功放的工作狀態(tài)由欠壓工作狀態(tài)到臨界，再進(jìn)入到過壓狀態(tài)，集電極電流ic從一完整的余弦脈沖變化到凹頂脈沖。因此，隨著Ec逐漸增大Ic0和Ic1逐漸增大。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)

2)基極調(diào)制特性

基極調(diào)制特性是指僅改變Eb，放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)因此，所謂的振幅調(diào)制，即輸出信號(hào)的振幅與直流偏置的變化一致，就必須使高頻信號(hào)振幅Uc與直流電壓(Eb或Ec)成線性關(guān)系(或近似線性).

于是在集電極調(diào)制特性中，應(yīng)選擇在過壓狀態(tài)工作基極調(diào)制特性中，則應(yīng)選擇在欠壓狀態(tài)工作.2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)3．高頻功放的振幅特性高頻功放的振幅特性是指只改變激勵(lì)信號(hào)振幅Ub

時(shí),放大器電流、電壓、功率及效率的變化特性。2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)2.2諧振功率放大器的性能特點(diǎn)饋電原則：高頻諧振功率放大器工作在丙類，它的饋電線路除了保證集電極合適的工作電壓外，還要保證基極偏置。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路交流等效電路還要考慮到負(fù)載是諧振回路，交流分量必須通過諧振回路,以獲得交流信號(hào)的放大。諧振功放工作在大電流狀態(tài)，為減少功耗，外電路應(yīng)對(duì)直流近似短路，但又不能對(duì)交流短路。外電路為保證輸出波形不失真，對(duì)交流諧波應(yīng)近似短路。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路圖8-集電極電路對(duì)不同頻率電流的等效電路2.3.1直流饋電線路

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路直流饋電包括集電極和基極饋電線路。首先來看集電極饋電電路。圖9-集電極饋電線路兩種形式(a)串聯(lián)饋電;(b)并聯(lián)饋電

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路串饋（SeriesSupply）三者(直流電源EC、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。LC—高頻扼流圈(RFChoke)，與CC

構(gòu)成電源濾波電路。在信號(hào)頻率上LC

的感抗很大，接近開路；CC

的容抗很小，接近短路，避免信號(hào)電流通過直流電源產(chǎn)生級(jí)間反饋，造成工作不穩(wěn)定。集電極電壓為：

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路回憶一下，集電極電壓之間的關(guān)系：按照?qǐng)D中的方向標(biāo)識(shí)，串饋也滿足上式的集電極電壓關(guān)系。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路并饋（ParallelSupply）三者(直流電源EC、濾波匹配網(wǎng)絡(luò)和功率管)在電路形式上為并接的饋電方式。在信號(hào)頻率上，LC感抗很大，接近開路，CC1、CC2

的容抗很小，接近短路。雖然電源與濾波匹配網(wǎng)絡(luò)在形式上是并聯(lián)的，但濾波匹配網(wǎng)絡(luò)兩端電壓Uc(t)直接反映在LC上，與串饋電路相同。LC—高頻扼流圈；CC1—隔直電容；CC2—電源濾波電容。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路思考：無論并饋串饋，為什么Ec一定要放在靠近“地”電位的一端？

這是由于電源EC與“地”之間有一定的雜散電容，而且比較大。

如果位置互換了，這些雜散電容將與負(fù)載回路并聯(lián)成為回路電容的一部分，它不但限制了電路所能工作的最高頻率，而且由于雜散電容的不穩(wěn)定，會(huì)引起電路的不穩(wěn)定。因此直流電源的一端必須按地，這可以說是電子線路饋電的一條基本原則。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路接下來我們?cè)賮碛懻摶鶚O饋電線路。作用：為放大電路提供合適的偏置電壓，使功率管工作在丙類。常用類型：為使諧振功放工作于丙類，基極偏置電壓一般要加上負(fù)電壓。為了供給基極負(fù)的偏置電壓，需要一組單獨(dú)的“負(fù)”電源提供偏置。基極的負(fù)偏壓既可以是外加的,也可以由基極直流電流或發(fā)射極直流電流流過電阻產(chǎn)生。

圖10基極饋電線路的幾種形式

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路直接偏置電路

圖(a)，基極偏置電壓由EC通過RB1和RB2分壓提供，為保證丙類工作，其值應(yīng)小于功率管的導(dǎo)通電壓。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路自給偏置電路ibi2i1圖(b)、(c)自給偏壓IB0

的產(chǎn)生圖(b)，vb

0ib

0，為脈沖電流，可分解為

IB0、Ib1m、Ib2m···由基爾霍夫定律ib=i1+i2i2

通路有高扼圈LB，僅直流電流可以通過，ib

中的直流分量為IB0，故

i2

為IB0。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路自給偏置效應(yīng)ibi2i1自給偏置

Vb(t)=0，VBE=0；Vb(t)由小至大

IB0

隨之增大

VBE=-IB0RB

負(fù)向增大。自給偏置效應(yīng)：這種偏置電壓隨輸入信號(hào)電壓振幅而變化的效應(yīng)。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路利用基極電流IB0

在LB的自身電阻rbb上的壓降來產(chǎn)生所需要的VBB，VBB=-IB0rBB。由于rbb很小，所以VBB也很小，且不夠穩(wěn)定。因此一般只在需要小的VBB（接近乙類工作狀態(tài)）時(shí)，才采用這種電路。

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路自給偏置電路的作用用于載波功放，可以在輸入信號(hào)振幅變化時(shí)起到自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓振幅的作用。用于正弦波振蕩器，可以穩(wěn)定振蕩幅度。（下章討論）(b)(c)是屬于串饋還是并饋？

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路射極電流自給偏置利用射極電流IE0在電阻Re上產(chǎn)生偏壓

Eb=-IE0Re。這種自給偏壓的優(yōu)點(diǎn)時(shí)能夠自動(dòng)維持放大器的工作穩(wěn)定。當(dāng)激勵(lì)增大時(shí)，IE0增大，使偏壓增大，因而又使IE0的相對(duì)增大量減??；反之，激勵(lì)減小，IE0減小，偏壓也減小，IE0減小變緩，這就使得放大器的工作狀態(tài)變化不大。屬于串饋還是并饋？

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路例題：電路改錯(cuò)

2.3

諧振功率放大器的實(shí)際線路

2.3.2輸出匹配網(wǎng)絡(luò)該雙端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有這樣的幾個(gè)特點(diǎn):(1)以保證放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率最大,