第三章高頻功率放大器

第3章高頻功率放大器作用：高效率地輸出足夠大的信號功率。諧振功率放大器寬帶高頻功率放大器放大固定頻率信號或窄帶信號，LC諧振網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載，需調(diào)諧。

放大變換頻率的信號或?qū)拵盘枺瑐鬏斁€變壓器作為負(fù)載，不需調(diào)諧。無線電發(fā)射機(jī)與超外差接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖第3章高頻功率放大器

諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的特性分析諧振功率放大器電路

丁類諧振功率放大器

集成高頻放大器及其應(yīng)用寬帶高頻功率放大器3.1諧振功率放大器的工作原理主要要求：

理解諧振功放的電路組成，掌握其工作原理掌握丙類諧振功放輸出功率、管耗和效率的計(jì)算集電極耗散功率3.1.1

基本工作原理一、放大器的工作狀態(tài)2θ2θ2θ甲類（θ＝180?）乙類（θ＝90?）丙類（θ<90?）諧振功率放大器通常選擇工作在丙類，效率高。二、諧振功放的電路組成三、諧振功放的工作原理VBB使放大器工作于丙類。

LC回路調(diào)諧于輸入信號的中心頻率，構(gòu)成濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。tuBEOVBBuBE(on)tiBOiBmaxtiCOIC0iCmaxic1ic2VCCuctuCEOtuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEOiC為iCmax

時(shí)，uCE為uCEmin。ic不僅出現(xiàn)時(shí)間短，而且只在uCE很小的時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)，因此集電極損耗很小，功放效率較高。諧振功放工作原理小結(jié)：設(shè)置VBB<UBE(on)

，使晶體管工作于丙類；當(dāng)輸入余弦信號時(shí)，集電極電流為余弦脈沖；將LC回路調(diào)諧在信號頻率上，可將余弦電流脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC

原理電路3.1.2

余弦電流脈沖的分解假設(shè)不考慮器件極間電容的影響，將轉(zhuǎn)移特性曲線折線化。

t

=

時(shí)，iC=0，則故iC可寫為又t

=0

時(shí)，iC=iCmax，由上式可得故可將iC表示為將iC展開為傅里葉級數(shù)…00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()123.1.3

輸出功率與效率集電極電壓利用系數(shù)00.10.20.30.40.50.620406080100120140160180°n()3()2()0()1()g1()12

例圖示電路中，VCC=24V，Po=5W，=70o，

=0.9,

求功放的C、

PD、PC、iCmax和回路諧振阻抗Rp解：iC+ui–RL+uCE–+

uBE

VCCVBBiB+uc–+––+LC小結(jié)功率放大器的主要指標(biāo)：輸出功率和效率功率放大器的工作狀態(tài)：丙類（效率最高）丙類功率放大器的負(fù)載：LC諧振網(wǎng)絡(luò)（消除諧波）（負(fù)載匹配）（3.3節(jié)）常用公式：3.2諧振功率放大器的特性分析主要要求：

理解諧振功放過壓、欠壓、臨界工作狀態(tài)的特點(diǎn)掌握丙類諧振功放的負(fù)載特性了解VCC、VBB

、Uim對諧振功放工作狀態(tài)的影響3.2.1

諧振功放的工作狀態(tài)與負(fù)載特性放大器工作狀態(tài)的分類：按晶體管導(dǎo)通時(shí)間分甲類（始終導(dǎo)通）乙類（半周導(dǎo)通）甲乙類（大半周導(dǎo)通）丙類（小半周導(dǎo)通）丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分欠壓（不進(jìn)入飽和區(qū)）過壓（進(jìn)入飽和區(qū)）臨界（達(dá)到臨界飽和）一、諧振功率放大器的動態(tài)特性

諧振功率放大器的動態(tài)特性：當(dāng)諧振功率放大器加上信號源及負(fù)載阻抗時(shí)，晶體管電流與電極電壓的關(guān)系曲線。

諧振功率放大器的動態(tài)特性指：晶體管內(nèi)部特性與外部特性結(jié)合的特性，即為實(shí)際的放大器的工作特性。二、晶體管特性曲線的理想化及其特性曲線晶體管實(shí)際特性和理想折線

根據(jù)理想化原理晶體管的靜態(tài)轉(zhuǎn)移特性可用交橫軸于VD的一條直線來表示(VD為截止偏壓)。理想化折線（虛線）icgceb0VDic過壓區(qū)臨界線欠壓區(qū)ebec0(a)(b)gcr三、動態(tài)特性的作法(1)寫出和表達(dá)式(2)作出動態(tài)特性(3)畫出波形(4)根據(jù)圖進(jìn)行討論1)欠壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流在臨界線的右方，交流輸出電壓較低且變化較大。

在非線性諧振功率放大器中，常常根據(jù)集電極是否進(jìn)入飽和區(qū)，將放大區(qū)的工作狀態(tài)分為三種：2)過壓工作狀態(tài)：集電極最大點(diǎn)電流進(jìn)入臨界線之左的飽和區(qū)，交流輸出電壓較高且變化不大。3)臨界工作狀態(tài)：是欠壓和過壓狀態(tài)的分界點(diǎn)，集電極最大點(diǎn)電流正好落在臨界線上。四、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)1、欠壓、臨界和過壓工作狀態(tài)VCCOuCEωtVCCucuCEminuCEmin=VCC

－UcmuCE=VCC

－uctiCO欠壓區(qū)tiCO過壓區(qū)tiCO臨界2、諧振電阻Re對集電極電流的影響(3)討論3、負(fù)載特性VCC、VBB、Vim不變時(shí)，放大器的工作狀態(tài)、電流、電壓和功率以及效率隨Re的變化而變化的關(guān)系。tiCORe放大器從欠壓→臨界→過壓。VCC、VBB、Vim不變時(shí)，，Im，，以及IQ基本不變。諧振功放的負(fù)載特性RPOIC0Ic1mUcm欠壓臨界過壓RPO欠壓臨界過壓PoPDPCcPC在回路阻抗很小時(shí)很大！因此，回路失諧大時(shí)易損壞功率管！臨界時(shí)Po最大，PC較小，效率較高，功放性能最佳。3.2.2

集電極電壓VCC

對工作狀態(tài)的影響

——集電極調(diào)制特性Re

、VBB、Vim不變，

VCC，放大器從過壓區(qū)→臨界→欠壓區(qū)。Re

、VBB、Vim不變時(shí)，，Im，，以及IQ基本不變。在VCC改變時(shí)，僅有Q點(diǎn)發(fā)生改變，且在橫軸上平行移動。欠壓過壓臨界ic1ic2ic3ic4ic5icebecVCC5VCC3VCC1VC1VC2VC3VC4VC5欠壓臨界過壓在欠壓區(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。VCC對高頻諧振功率放大器工作狀態(tài)的影響用作集電極調(diào)制電路時(shí)，工作于過壓區(qū)。集電極調(diào)制特性指的是：當(dāng)Re、VBB、Vim不變時(shí)，Vcm隨VCC變化的特性。在VCC改變時(shí)，這個(gè)特性是晶體管集電極調(diào)幅的理論依據(jù)。從圖可以看出，在過壓狀態(tài)，VCC對Vcm才有較大的控制作用。集電極調(diào)制特性Re

、VCC、VBB恒定時(shí)，Vim使得集電極電流脈沖寬度和高度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓。3.2.3

Vim和VBB

對諧振功放工作狀態(tài)的影響Vim對放大器工作狀態(tài)的影響_

諧振功率從放大器的放大特性Vim對放大器工作狀態(tài)的影響

UimIUO欠壓臨界過壓IC0Ic1mUcmRP、VBB、VCC不變，Ucm隨Uim變化的特性稱為放大特性。用作線性放大器時(shí)，用于放大振幅按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)幅信號，為了使輸出信號振幅反應(yīng)輸入信號振幅的變化，放大器應(yīng)工作于欠壓狀態(tài)。若諧振功率放大器工作與振幅限幅器時(shí)，工作于過壓區(qū)，則成為限幅器。2.VBB對放大器工作狀態(tài)的影響——基級調(diào)制特性Re

、VCC、Vim恒定時(shí)，VBB使得集電極電流脈沖寬度和高度增大，增大使得其高度增加，因而使得IC0

和Ic1增大，使的vCEmin

減小，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓。進(jìn)入過壓狀態(tài)后，隨著VBB集電極電流脈沖寬度和高度增加，但凹陷也加深，此時(shí)，電流增大緩慢，可以近似認(rèn)為不變?；壵{(diào)制特性2.VBB對放大器工作狀態(tài)的影響——基級調(diào)制特性

VBBIUO欠壓臨界過壓UcmIc1mIC0Re

、VCC、Vim不變時(shí)，Vcm隨VBB變化的特性稱為基極調(diào)制特性諧振功放用作基極調(diào)制電路時(shí)，必須工作于欠壓區(qū)。例如：一個(gè)丙類諧振功率放大器，設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)所研制放大器的PO和效率均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則應(yīng)該如何進(jìn)行調(diào)整？如果說PO沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說明放大器并沒有工作在臨界狀態(tài)，而是工作在欠壓或者過壓狀態(tài)。可以調(diào)整Re、VCC、Vim、VBB3.2.4

四個(gè)特性在調(diào)試中的應(yīng)用Re放大器從欠壓→臨界→過壓。Re

、VBB、Vim不變，

VCC，放大器從過壓區(qū)→臨界→欠壓區(qū)。RP、VBB、VCC不變，

Vim

，放大器從欠壓→臨界→過壓小結(jié)丙類諧振功放按晶體管是否進(jìn)入飽和區(qū)分:欠壓、過壓、臨界三種狀態(tài)。Re放大器從欠壓→臨界→過壓。PC在回路阻抗很小時(shí)很大！因此，回路失諧大時(shí)易損壞功率管！臨界時(shí)Po最大（匹配負(fù)載），PC較小，功放性能最佳。Re

、VBB、Vim不變，

VCC，放大器從過壓→臨界→欠壓。Re、VBB、VCC不變，

Vim，放大器從欠壓→臨界→過壓。Re、Vim、VCC不變，VBB

，放大器從欠壓→臨界→過壓。應(yīng)用：諧振功放用作功放時(shí)，工作于臨界狀態(tài)；用作基極調(diào)幅電路時(shí)，必須工作于欠壓區(qū)；用作集電極調(diào)幅電路時(shí)，必須工作于過壓區(qū)；對Vim而言，工作于欠壓區(qū)時(shí)，可用作線性放大電路，工作于過壓區(qū)時(shí)，可用作限幅電路。3.3諧振功率放大器的電路組成主要要求：

了解諧振功放常用的直流饋電電路及其特點(diǎn)。掌握諧振功放中濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的作用，了解其主要要求。3.3.1

高頻功率放大器的電路組成一、直流饋電線路無論是集電極電路還是基級電路，其饋電方式分為兩種：串聯(lián)形式和并聯(lián)形式，且都需遵循以下原則：諧振高頻功率放大器的工作狀態(tài)是由直流饋電電路確定的。高頻功放需要工作在丙類狀態(tài)，須有相應(yīng)的直流饋電電路。直流饋電電路是指把直流電源饋送到晶體管各級電路，包含集電極饋電和基級饋電電路兩部分。3.3.1

高頻功率放大器的電路組成一、直流饋電線路饋電電路需遵循以下原則：1、直流電流Ico由VCC經(jīng)管外電路饋送到集電極，應(yīng)該沒有外電阻消耗能量，即為外電路對直流電流應(yīng)呈短路，右圖為管外電路對直流來說等效電路饋電電路需遵循以下原則：3、高頻諧波不應(yīng)該消耗功率，外電路對高頻諧波應(yīng)呈短路，其等效電路為圖c2、高頻基波分量流Icm1coswt應(yīng)該通過諧振回路，產(chǎn)生高頻輸出功率，因此高頻基波只應(yīng)在諧振回路產(chǎn)生壓降，外電路其他部分對基波分量應(yīng)呈短路，右圖為其等效電路一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1串饋電路+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1并饋電路滿足以上幾條原則的典型性饋電電路：串聯(lián)形式：電子器件、負(fù)載回路和直流電源三部分是串聯(lián)起來的。并聯(lián)形式：電子器件、負(fù)載回路和直流電源三部分是并聯(lián)起來的。一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1串饋電路+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1并饋電路

取值原則：LC>>Re、CC1、CC2>>ReL、C為負(fù)載回路；

LC為高頻扼流圈，對直流近似為短路，對高頻呈現(xiàn)大阻抗；CC1為旁路電容，作用是防高頻電流流過直流電源；

CC2為隔直電容，防止直流電流進(jìn)入負(fù)載回路。直流電源VCC為什么一定要放在靠近“地”電位一端？+uCE––+LCLCCC1+uCE–+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路從工作原理角度：互換位置是可以的；+uc–+uc–VCCVCC從實(shí)際工作角度：互換位置是不允許的；原因：電源與地之間有一定的雜散電容，而且較大，換位后雜散電容將于負(fù)載回路并聯(lián)，稱為總電容的一部分，限制最高工作頻率，引起電路不穩(wěn)。必須接地，這是電子線路中的一條基本原則。一、集電極直流饋電電路+uCE–VCC–+LCLCCC1+uCE–VCC+

–LCLCCC2CC1串饋電路并饋電路串饋電路特點(diǎn)：

LC回路接直流高電位，諧振元件不能直接接地。適用于工作頻率較高的電路；并饋電路特點(diǎn)：

LC回路接直流低電位，諧振元件能直接接地，易安裝。但LC

、CC1并聯(lián)于回路，其分布參數(shù)直接影響諧振回路的調(diào)諧，適用于頻率較低的電路。雖然串饋與并聯(lián)電路形式不同，但是輸出電壓都是直流電壓和交流電壓的疊加。二、基極饋電電路基級饋電電路也分為串聯(lián)饋電電路和并聯(lián)饋電電路。串聯(lián)電路并聯(lián)電路二、基極偏置電路

欲使晶體管工作于丙類，基極應(yīng)加反向偏壓或小于UBE(on)的正向偏壓。+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB自給偏置電路分壓式基極偏置電路利用IB0流經(jīng)RB產(chǎn)生偏壓電壓：VBB=－IB0RB調(diào)節(jié)RB

，可調(diào)節(jié)反偏電壓大小。利用LB中的固有直流電阻獲得偏置電壓在實(shí)際電路中，VBB不是用電池獲得，因此通常用上述圖的方法產(chǎn)生VBB。A圖，從耦合電容耦合到基級的輸入是純交流，當(dāng)其振幅超過導(dǎo)通電壓后，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生余宣脈沖，其中包含直流分量從發(fā)射級經(jīng)偏置電阻Rb流向基級，在Rb上產(chǎn)生所需要的負(fù)偏壓。B圖，利用基級電流中包含的直流分量在基區(qū)體電阻上產(chǎn)生的壓降設(shè)置所需要的負(fù)偏壓，優(yōu)點(diǎn)，電路簡單，缺點(diǎn)，體電阻數(shù)值小，且不穩(wěn)定，一般只在需要小的壓降時(shí)采用。C圖，實(shí)質(zhì)是直流電流反饋，電流中的高頻經(jīng)旁路電容濾掉，只有直流成分在Re上產(chǎn)生壓降。+

–VBBIB0RBCBLBIB0LB自給偏置電路自給偏置效應(yīng)自給偏置電路中，未加輸入信號時(shí)iB=0，則偏置電壓也為零。當(dāng)輸入信號幅度加大時(shí)，iB脈沖增大，則直流分量IB0也增大，反向偏壓隨之增大。這種偏置電壓隨輸入信號幅度而變化的現(xiàn)象稱為自給偏置效應(yīng)。+

–+VCCRB1CBLBRB2VBB分壓式基極偏置電路

由于自給偏壓效應(yīng)，圖中基極偏置電壓動態(tài)值要比靜態(tài)值小。小結(jié)諧振功率放大器直流饋電電路：集電極：串饋、并饋基極：自給偏壓（只產(chǎn)生反偏壓）、分壓式3.4丁類諧振功率放大器主要要求：

了解丁類諧振功放的工作原理一、提高功放效率的方法提高功放效率的方法：tuBEOVBBuBE(on)tiCOiCmaxVCCuctuCEO1.減小θ2.減小iCuC